電廠機組自啟停控制系統的應用分析

鄭慧莉

(電力規劃設計總院，北京 100120)

通常APS (Automatic Plant Start-up and Shutdown System)是機組自啟停控制系統的代名詞。發電機組按照設計的先后順序、規定的時間和各控制子系統的運行情況，通過大量的條件和邏輯判斷自動啟停工藝過程中的相關設備，協調機、爐、電各系統的控制，在極少量人工干預的情況下，自動地完成整臺機組的啟停。

1 概述

APS是電廠順序控制系統中最高一級的控制。順序控制系統包括機組級、功能組級、子功能組級、驅動級四級設計水平。APS是對包括鍋爐、汽輪發電機組及相應輔助系統和輔助設備的單元機組，按啟停的操作規律實現自動啟動和停止的控制，是電廠自動化水平的最高體現。

APS的實質是電廠運行規程的程序化，按照優化的程序自動執行機組啟、停步序，其優勢在于可以大大減輕運行人員工作強度，規范機組啟停操作標準程序，避免人為操作中的各種不穩定因素，可有效減少誤操作事故發生，提高了機組運行的安全可靠性。

由于目前國內電廠設備自身的可控性和可用率還不能滿足高自動化要求，工藝和技術上還存在一些問題，更主要是調試時間不能完全滿足APS調試的需要，所以燃煤機組實現APS功能的電廠還為數不多。

為了促進APS的發展，新版《大中型火力發電廠設計規范》(GB50660-2011)，在儀表與控制章節的開關量控制中提到：“順序控制應按照驅動級、子功能組級、功能組級三級水平設計，600MW級以上容量的機組可根據實際需要設置帶斷點的機組級順序控制功能”，與《火力發電廠設計技術規程》(DL5000-2000)中順序控制設計水平相比，有了很大的提高。

2 APS在國外的應用

APS是衡量機組自動化水平高低的一個重要方面，早在上世紀八十年代，就開始得到應用，在美國、歐洲、日本等發達國家的很多電廠都實現了機組自啟停功能。例如：

德國Altbach HKW1 1×(465MWe+280MWth)Altbach電廠于 1985年投運。

德國RDK Block 71×(550MWe+220MWth)Karlsruhe電廠于1985年投運。

澳大利亞Stanwell 4×350MW Queensland電廠于 1994年投運。

澳大利亞Callide C2×450 MW Biloela電廠于2001年投運。

德國Wi l h e l m s h a f e n 1×7 5 6 M W Wilhelmshafen電廠于2002年投運。

德國BOA1 Niederaussem 1×1012MW Bergheim電廠于 2003年投運。

澳大利亞Muja Stage C&D 2×200MW+2×227MW Perth電廠于 2009年投運。

法國ALSTOM公司設計的Tangjin電廠500MW(主汽壓25Mpa，主氣溫541℃)機組于2001年投運。

日本電源開發公司的橘灣電廠1000MW機組于2000年投運。

日本東京電力公司的常陸那珂電廠1000MW機組于2003年投運。

最近幾年國外應用APS功能的電廠就更多，在此不再一一列舉。發達國家電廠的機組自啟停控制功能應用已較為普遍，運行人員也已習慣于這種運行操作模式。

3 APS在國內的應用

早先國內成套引進的機組，如華能福州電廠、華能大連電廠、陽城第一發電廠、上海石洞口二電廠、華能山東日照電廠、山西河津電廠一期、寶鋼電廠、上海外高橋電廠、廣東珠海電廠等均設計了APS功能，雖然各電廠運行情況不盡相同，但或多或少都發揮了有效作用。

目前多數國產機組的順序控制系統僅做到了功能子組級或功能組級，電廠運行人員通過對每一個主、輔設備的功能子組或功能組的操作，最終完成機組的啟動、停止和事故處理等。國產機組未考慮機組自啟停功能的原因，一方面主要是國產機組主、輔機的可控性無法滿足機組自啟停功能的控制要求，另一方面由國內公司供貨、組態的電廠分散控制系統也很少有設計機組自啟停功能的經驗。

近幾年，隨著我國電力建設的高速發展、自動化水平和國產機組主、輔機可控性的提高，一些大容量、高參數的國產機組也逐步開始設計機組自啟停功能。如上海外高橋電廠2×900MW機組、華能玉環電廠4×1000MW機組、國電江蘇泰州電廠2×1000MW機組、國電雙鴨山電廠2×600MW機組、陽城一電廠二期工程2×600MW機組、華能鶴崗電廠三期工程2×900MW機組、浙江北侖港電廠2×1000MW機組、浙江國華寧海電廠2×1000MW機組、國華臺山電廠2×600MW機組、國華黃驊電廠2×600MW機組、山東黃島電廠2×600MW機組等均按照機組自啟停功能進行設計和主、輔機設備招標，但很多電廠雖然做了APS邏輯設計，由于后期沒有足夠的調試時間，APS設計的功能并沒有全部調試投入運行。據了解，廣西北海電廠2×300MW機組、湛江奧里油電廠2×600MW機組、沙角C電廠2號機組、珠海電廠4號600MW機組、華能海門電廠2×1000MW機組等APS調試通過，并且機組運行狀況良好。

另外，需要說明的是，目前國內對APS的認識有一定的誤區，APS并非像有些人理解的完全自動即“一鍵式”，而是需要少量斷點實現一鍵式啟停。上述各電廠項目的設計均是按照機組級、功能組級、子組級、驅動級進行機組順序控制系統的設計并按設置少量斷點的方式來實現機組自啟停功能的。

4 國產機組APS的應用案例

如前所述，盡管絕大多數國產機組沒能實現APS，但也有為數不多的成功案例。下面以某電廠的APS為例進行分析。該電廠投產以來，至今運行狀況良好。該電廠汽輪機數字電液控制系統(DEH)和給水泵汽輪機電液控制系統(MEH)采用與分散控制系統(DCS)一體化的硬件實現其控制功能，最大限度的實現了數據共享，減少了各系統間的通訊。機組采用斷點控制實現機組的自動啟動和停機，啟動過程設置了6個斷點，分別是：機組啟動準備斷點、冷態沖洗及真空建立斷點、鍋爐點火升溫斷點、汽機沖轉斷點、機組并網斷點、升負荷斷點；停機過程設置了3個斷點，分別是：降負荷斷點、機組解列斷點、機組停運斷點。

4.1 APS方案簡介

該電廠設計APS時，DCS控制器單獨設置，APS采用分級控制結構，分為機組級、功能組級、功能子組級和驅動級，并將熱力系統工藝流程分解成若干局部的獨立過程。系統先由驅動級控制單個設備實現相對獨立的啟停；再由功能組級聯系驅動級完成單系統啟停和自動控制；最終由機組級協調完成功能組級、相對獨立的設備和控制系統等，共同實現機組的全程啟停控制。機組控制級向底層功能組、功能子組發出啟動和退出的指令，啟停整個機組，保證機組的安全運行。完善的功能組和功能子組設計是實現APS的基本保障。驅動級接受功能組或功能子組級來的命令，與生產過程直接聯系。分級控制使系統結構清晰嚴謹，有利于提高設計、組態及調試的工作效率。同時，分級控制在同級之間相互獨立，具有很大的靈活性，有利于投運后的運行管理和熱工維護，運行人員可以根據具體情況選擇各種控制方式。

APS是機組自動啟動和停運的信息控制中心，除順序控制系統本身外，它還要按規定好的程序向機組其它控制系統發出啟動或停運命令，這些系統包括：模擬量控制系統(MCS)、鍋爐爐膛安全監控系統(FSSS)、DEH、MEH、汽輪機旁路控制系統(BPS)及其它控制系統(如電氣控制系統、電壓自動調節系統等)，以最終實現發電機組的自動啟動或自動停運。

4.2 APS 總體構架

APS對電廠的控制是應用電廠常規控制系統與上層控制邏輯共同實現的。在沒有投入APS的情況下，常規控制系統獨立于APS實現對電廠的控制；在APS投入時，常規控制系統給APS提供支持，實現對電廠的自動啟/停控制。

APS的控制邏輯分為三層，具體如下：

第一層為操作管理邏輯，其作用為選擇和判斷APS是否投入，是選擇啟動模式還是停止模式，選擇哪個斷點及判斷該斷點允許進行條件是否成立。如果條件成立則產生一信號使斷點進行。可以直接選擇最后一斷點(如升負荷斷點)，其產生的指令會判斷前面的斷點是否已完成，如沒有完成則先啟動最前面的未完成斷點，具有判斷選擇斷點功能，從而實現機組的整機啟動。斷點操作通過一個操作面板進行，其邏輯設計包括輸入信號和輸出信號。輸入信號有：自動啟動、操作允許條件、斷點開始執行、斷點執行完成、斷點GO/HOLD等，輸出信號有：斷點執行過程中斷(報警)、斷點執行允許、斷點執行過程中、斷點開始執行、斷點執行完成等。

第二層為步進程序，是APS的核心構成內容，每個斷點都具有邏輯結構大致相同的步進程序，步進程序結構分為允許條件判斷(與門)，步復位條件產生(或門)及步進計時。當該斷點啟動命令發出而且該斷點無結束信號，則步進程序開始進行，每一步需確認條件是否成立，當該步開始進行時同時使上一步復位。如果發生步進時間超時，則發出該斷點不正常的報警。

第三層為各步進行產生的指令。指令送到各個順序控制功能組實現各個功能組的啟動/停止，各個組啟動/停止完畢后，均返回一個完畢信號到APS。

APS功能構架確定了APS啟動的運行管理模式，APS功能構架確定后，其它各控制系統根據這個架構進行設計，確保各控制系統的各個邏輯功能滿足APS的啟動/停止要求。APS的總體構架圖如圖1所示。

圖1 APS總體構架圖

采用斷點控制方式。斷點方式就是將APS啟動和停止這個大順控分為若干個順控來完成，每個斷點的執行均需人為確認才能開始。采用斷點控制方式，各斷點既相互聯系又相互獨立，只要條件滿足，各斷點均可獨立執行。有關APS斷點的設置，根據現場設備的實際情況，滿足各常規控制系統的運行要求，既可給APS提供支持，實現機組的自啟停控制，也可滿足對各單獨運行工況及過程的操作要求。

APS分啟動模式和停止模式，其中啟動模式有冷態、溫態、熱態和極熱態4種啟動方式。

5 電廠應用APS的經濟效益

國內多數已運行火力發電機組的控制水平與國外先進控制水平存在著一定的差距，未能充分發揮DCS強大的邏輯組態和軟件功能，APS便是最明顯的標志。

實際上，電廠設置APS后需要進一步提高設備的可控性，設計院控制邏輯組態工作量需要增加，調試工程量以及接口配合工作量也都需要增加，另外還需要增加1對DCS控制器。由于目前國內軟件工作通常是借鑒已投運電廠的設計，因此DCS招標中相應的費用增加不是很多，僅體現在硬件和儀表、執行器等設備費用的增加。

雖然應用APS會增加一定的工作量和設備費用，但其帶來的收益卻是非常多的，主要體現在：應用APS功能可以提高電廠自動化水平，減輕運行人員工作強度，規范機組啟停操作標準程序，減少誤操作，減少人為因素造成的運行損失，同時可大大縮短機組啟停時間，達到電網對大機組調峰的要求，大幅提高機組的安全可靠性和運行效率。因此，APS給電廠帶來的經濟效益雖然無法量化，卻是顯著的。

6 電廠應用APS的建議

根據目前國內電廠的實際運行情況和近年來咨詢、審查電廠設計方案的經驗，對今后電廠應用APS的建議如下：

(1)設計院、調試單位以及DCS廠商應密切配合，積極推動APS在電廠的應用發展，不斷收集已投運電廠APS存在的問題，收集電廠運行反饋意見，完善控制邏輯和接口。

(2)一次檢測元件、儀表、執行機構、控制邏輯、控制系統以及接口設計要滿足APS設計要求。APS是電廠自動控制的最高層次，完善的儀表與控制系統設計是APS應用的前提。

(3)主機、輔機和相關輔助系統的可控性也要滿足APS設計要求。要真正實現該功能，不僅取決于系統控制策略設計的全面，還與系統設備自身的可控性和可用率有很大的關系，只有在良好的系統和設備可控性基礎之上，將各種特性不同的調節控制有機融合為一體，才能實現系統APS自動控制。

(4)在機組調試過程中，應留出足夠的APS調試時間。APS調試和其它系統的調試是不同的，它是統領各控制系統的系統，它既是各控制系統的指揮系統，又與各控制系統有著諸多橫向和縱向的聯系。

(5)由于APS與三大主機技術要求、設備和系統可控性、接口配合等有著密切聯系，因此在工程可行性研究階段的設計報告書中就應明確是否設置機組APS，以便確定主機招標條件。

(6)由于APS的應用成功與否，取決于機組所有工藝系統和設備的可控性，因此，無論是設計，設備訂貨，還是運行調試，都要協調好各個專業的關系，共同為APS的成功運行奠定基礎。

[1]GB 50660-2011，大中型火力發電廠設計規范[S]

[2]張紅福，等.自啟停系統人機接口界面設計與研究[J].廣東電力，2009，(11).

[3]潘鳳萍，等.1000MW超超臨界機組自啟停控制系統總體方案設計與應用[J].中國電力，2009，(10).