燃煤機組APS應(yīng)用研究

張建江，陳 衛(wèi)

（浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

我國自二十世紀九十年代引進DCS（分散控制系統(tǒng)）以來，經(jīng)過十幾年的消化、吸收，技術(shù)人員已逐步掌握了先進的電廠控制關(guān)鍵技術(shù)，并從努力滿足機組正常、穩(wěn)定運行為主，轉(zhuǎn)變?yōu)樘岣邫C組控制品質(zhì)、整體自動控制水平及增加機組運行的可靠性、安全性、經(jīng)濟性。

在此背景下，APS（火電廠自啟停控制系統(tǒng)），俗稱“一鍵啟動”應(yīng)運而生。APS是電站單元機組高度自動化的控制系統(tǒng)，建立在CCS（單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)）、DEH（汽機電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)）、BMS（鍋爐燃燒管理系統(tǒng)）和鍋爐、汽機及相應(yīng)輔機SCS（順序控制系統(tǒng)）的基礎(chǔ)上，是機組啟停調(diào)度、信息管理與指令控制的中心。APS根據(jù)機組啟停曲線、按規(guī)定程序發(fā)出各個系統(tǒng)、子系統(tǒng)及設(shè)備的啟停指令，使機組按照規(guī)定的程序自動完成設(shè)備的啟停，不僅能大大簡化運行人員的操作，減少誤操作的可能，而且能提高機組運行的安全可靠性，提高機組經(jīng)濟效益。

浙江省電力公司電力科學研究院多年前就開始了在該領(lǐng)域的嘗試，從子系統(tǒng)的順序控制開始，到整機APS的研究，取得了一定成果，已在脫硫系統(tǒng)、燃機工程成功實施了APS，在超臨界燃煤機組的基建過程中，設(shè)計了一鍵啟動功能。立足于開發(fā)功能全面、自動化程度及容錯能力突出、能真正應(yīng)用于實際生產(chǎn)中的APS控制系統(tǒng)，課題小組從多環(huán)節(jié)入手，著重解決了存在的難點問題及薄弱環(huán)節(jié)。

1 當前APS存在的不足與難點

現(xiàn)有APS的不足主要體現(xiàn)在斷點設(shè)置過多、容錯能力不足、智能化程度不高、執(zhí)行“一鍵啟動”操作前要先滿足準備條件，與電廠設(shè)備管理及操作規(guī)程有一定沖突。

（1）現(xiàn)有APS普遍存在斷點設(shè)置過多，原因是多方面的，主要有手動設(shè)備過多、傳感器設(shè)置不足、設(shè)備可靠性不高、自動程序智能化程度不夠等。近年來，大多新建機組在“缺電”的背景下上馬，多數(shù)工程追求“短平快”，項目實施周期短；另一方面又要求節(jié)省投資，在設(shè)計時就減配了部分自動化設(shè)備，包括傳感器，而且設(shè)備招標屢屢采用最低價中標方式，可靠性并不好的設(shè)備得以進入電廠，尤其在一些平時關(guān)注程度不高的輔助系統(tǒng)中，該現(xiàn)象更為突出。如果僅依靠手動操作或就地監(jiān)視，雖能滿足機組正常運行的要求，但對于APS則是無法跨越的門檻，尤其是疏水、放氣、暖管等相關(guān)設(shè)備，如果采用手動設(shè)備或者測點布置不足，就會造成程序無法自動執(zhí)行，而上述步驟在機組啟動過程中卻至關(guān)重要，在疏水、放氣、暖管不充分的情況下倉促投用設(shè)備極易造成水擊，對設(shè)備、管道造成嚴重破壞。在APS程序設(shè)計中如遇到上述情況，通常采用設(shè)置斷點的方法，中斷程序，待操作人員完成操作并確認后再繼續(xù)執(zhí)行。如此一來，斷點設(shè)置過多就無法避免，使得APS程序不能連貫執(zhí)行。

當斷點設(shè)置過多或者基礎(chǔ)程控不夠完善時，能采用的處理方式是在APS執(zhí)行前先由運行人員將需要的系統(tǒng)條件準備好，再執(zhí)行程序，這在某種程度上就與APS的設(shè)計初衷相違背了，APS應(yīng)該是全天候、全方位的，無論機組或系統(tǒng)處于何種狀態(tài)，程序都應(yīng)該有自動識別并執(zhí)行的功能。只有盡量少地采用手動干預，才能發(fā)揮APS的優(yōu)勢。

（2）實現(xiàn)APS的另一困難是，在大型設(shè)備或系統(tǒng)投運前，必須要經(jīng)過就地巡視檢查，待確認無誤后方可啟動，主要涉及一些手動設(shè)備，比如油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)，都有為數(shù)不少的手動閥，系統(tǒng)投用前其狀態(tài)的確認必須由巡檢人員在現(xiàn)場完成。此類設(shè)備往往由廠家供貨，將其改為自動設(shè)備是不現(xiàn)實的。而APS是追求連貫性的，在條件滿足后會自動執(zhí)行下一步驟，無法兼顧超出監(jiān)控范圍的內(nèi)容。因此APS還應(yīng)該包括一套與主體程序相配套的條件檢查、確認程序，可以用操作票形式出現(xiàn)，結(jié)合電廠運行規(guī)程，列舉所需檢查確認的全部項目，在APS主體程序執(zhí)行前一并完成。此外還應(yīng)包括設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視、設(shè)備運行管理、手/自動設(shè)備監(jiān)視與管理等內(nèi)容。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視是對所有電氣設(shè)備、閥門、擋板、執(zhí)行機構(gòu)的受電狀況以及遠方就地狀態(tài)的監(jiān)視與管理，該類設(shè)備是APS的執(zhí)行對象，在APS程序執(zhí)行前應(yīng)確保執(zhí)行對象處于可用狀態(tài)。設(shè)備運行管理主要是對冗余配置的泵、風機等設(shè)備設(shè)置首啟權(quán)限以及聯(lián)鎖管理，特別是當冗余設(shè)備中的某個設(shè)備存在缺陷或處于檢修狀態(tài)時，應(yīng)告知APS程序操作的對象以及采取相應(yīng)的隔離措施。

（3）APS應(yīng)用實施的主要難點是結(jié)合機組運行方式，合理地整合電廠相關(guān)系統(tǒng)。順序控制是實現(xiàn)APS的一種手段，在條件滿足后觸發(fā)設(shè)備級驅(qū)動，是單向控制的指令集?？刂频年P(guān)鍵在于要考慮設(shè)備啟停過程中的各種情況，應(yīng)自動區(qū)分系統(tǒng)的啟動工況與設(shè)備狀態(tài)，并選擇相應(yīng)的程序步，具有高度的智能化。其次，在人機接口上要做到與運行人員很好地交互，界面內(nèi)容豐富、條理清晰，在提供操作員強大信息支持的基礎(chǔ)上，預留一定的干預權(quán)限，作為在緊急情況或故障工況下的預備手段。APS還應(yīng)該具備與FSSS，MCS，DEH，BPS等系統(tǒng)無縫兼容的功能，作為指令中心，應(yīng)按照機組啟動曲線，操控上述系統(tǒng)。APS順序控制器應(yīng)與設(shè)備級驅(qū)動器相互協(xié)調(diào)配合，設(shè)備級驅(qū)動器包含大量的聯(lián)鎖、保護功能，APS程序應(yīng)與之兼容，在聯(lián)鎖邏輯完善的前提下，檢查、確認并確保設(shè)備及系統(tǒng)啟動條件的完整。此外，APS還應(yīng)包含一整套與“一鍵啟動”相關(guān)的操作檢查票、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視及管理、故障報警及提示等內(nèi)容。

2 我省APS研究應(yīng)用現(xiàn)狀

多年前，浙江省電力公司電力科學研究院已著手該課題的研究，經(jīng)過調(diào)研及反復論證，在多臺新建機組及生產(chǎn)機組中有計劃地分階段進行了應(yīng)用和驗證，通過策略優(yōu)化與改進，已在脫硫系統(tǒng)、天然氣機組及660 MW超臨界燃煤機組上實施了“一鍵啟動”，為全面研究APS控制技術(shù)積累了經(jīng)驗。就脫硫系統(tǒng)及燃氣機組而言，已能實現(xiàn)全天候的自動啟停，控制策略設(shè)計較為完善，能適應(yīng)多種工況，便捷性、規(guī)范性、可靠性及經(jīng)濟性等方面都已滿足日常生產(chǎn)中實際應(yīng)用的要求。

燃煤機組工藝相對復雜，系統(tǒng)龐大且彼此關(guān)聯(lián)性較強，實施難度更大。從2008年開始，針對省內(nèi)新建660 MW超臨界機組進行了APS的應(yīng)用。課題組從調(diào)試階段前期入手，在以往工程技術(shù)積累及燃機項目APS基礎(chǔ)上，設(shè)計了從全部設(shè)備停運至機組并網(wǎng)的APS系統(tǒng)，包含APS控制策略、人機接口界面、APS操作票、設(shè)備管理等子項，形成了較為完善的啟動控制系統(tǒng)。

2.1 APS系統(tǒng)總體架構(gòu)

APS系統(tǒng)可劃分為啟動過程和停機過程兩大主體，每個主體中又可細分為設(shè)備功能級、子組功能級和機組協(xié)調(diào)功能級，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 APS系統(tǒng)總體架構(gòu)

子組功能級是APS的基礎(chǔ)，其主要任務(wù)是管理輔助系統(tǒng)的啟停，控制對象為輔助系統(tǒng)的具體設(shè)備或子環(huán)。每個系統(tǒng)間互相獨立，可由運行人員手動激活，執(zhí)行輔助系統(tǒng)的單獨運行或停運。子組功能級只負責系統(tǒng)的啟停，設(shè)備的條件閉鎖、聯(lián)鎖及保護功能由設(shè)備控制級完成。1個系統(tǒng)的子組功能可由1個或多個子組組成。

機組協(xié)調(diào)功能級是更高級別的控制層，負責整套機組的協(xié)調(diào)啟停，是APS的核心部分，控制對象為子組功能級和子組協(xié)調(diào)自動，按照預選的模式逐個執(zhí)行各個分系統(tǒng)的操作。機組級功能與子組級功能不同的是前者監(jiān)測汽輪機的溫度水平并自動計算出與之匹配的壓力、溫度等參數(shù)的控制曲線，完成升溫、升壓、負荷限制及暖機等步驟。通過機組協(xié)調(diào)功能級的執(zhí)行可實現(xiàn)輔助系統(tǒng)、鍋爐及汽機的啟停。

2.2 APS的控制內(nèi)容及步驟

在機組的啟停過程中預留了不同的目標點供運行人員選擇，啟動過程分為：機組啟動準備、鍋爐點火及升溫升壓、汽機沖轉(zhuǎn)及發(fā)電機并網(wǎng)、升負荷等4個目標斷點。

（1）機組啟動準備斷點包括凝補水系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、閉式水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、開式水系統(tǒng)、輔助蒸汽系統(tǒng)、主機疏水系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、控制油系統(tǒng)、真空及軸封系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、汽機啟動子組及鍋爐啟動系統(tǒng)。分系統(tǒng)的啟動包含管道注水、管道沖洗等步驟。

（2）鍋爐點火及升溫升壓斷點完成鍋爐風煙系統(tǒng)、制粉系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)的投運，并進行鍋爐吹掃及等離子系統(tǒng)恢復，隨后按照操作員選擇的點火方式進行點火，視情況投入制粉系統(tǒng)，同時按機組啟動曲線進行升溫升壓。

（3）汽機沖轉(zhuǎn)及發(fā)電機并網(wǎng)斷點完成汽機輔助系統(tǒng)如EH油系統(tǒng)的投運，并執(zhí)行汽機啟動程控，按照預定升速率進行汽機沖轉(zhuǎn)，并配合電氣控制系統(tǒng)進行發(fā)電機并網(wǎng)操作。

（4）機組并網(wǎng)完成后進行升負荷控制，按照不同的負荷目標啟動制粉系統(tǒng)及給水泵，并投運高加系統(tǒng)，最終完成機組的整體投運。

（5）機組停機程序按照滑參數(shù)停機曲線，先進行降負荷，在相應(yīng)負荷點停運制粉系統(tǒng)及給水泵，并將鍋爐轉(zhuǎn)為濕態(tài)運行，同時投運鍋爐啟動系統(tǒng)，完成給水調(diào)門的切換，在低負荷區(qū)域執(zhí)行汽機的停機程序，最終鍋爐熄火并停運風煙系統(tǒng)，停機程序結(jié)束。

2.3 APS人機接口

APS人機界面的設(shè)計體現(xiàn)了集中管理、全面可干預及直觀友好的原則。人機界面是程序與操作員間溝通的橋梁，程序的任何操作均應(yīng)通過界面的形式反映至前臺，向操作員提供詳細、清晰的信息，而且必須考慮人為干預的可能性。納入APS控制范疇的全部設(shè)備，其狀態(tài)、可用性等均可通過APS進行集中監(jiān)控和管理。

（1）菜單式結(jié)構(gòu)：依據(jù)APS的架構(gòu)，其操作界面分為3層。第一層是APS總圖，包含若干個過程點，將APS啟停過程按功能分解為不同的斷點，如鍋爐上水、鍋爐點火、汽機沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)、升負荷等。第二層是每個斷點下所包含的子系統(tǒng)。第三層為功能相對獨立的子系統(tǒng)的順序控制步驟。菜單式結(jié)構(gòu)使整體層次分明、條理清晰，操作員可逐層快速定位當前程序步。

（2）以工藝系統(tǒng)或功能為單位的操控界面：這樣的劃分體現(xiàn)了集中、分散、詳盡的原則，與菜單式結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使相對獨立的子系統(tǒng)程序可以做得詳盡、清晰，不同的子系統(tǒng)間只有先后時間的關(guān)聯(lián)，給人清晰直觀的印象。每個工藝系統(tǒng)集中體現(xiàn)大量信息，包括程序當前執(zhí)行的步驟，執(zhí)行結(jié)果反饋，步驟執(zhí)行時間等。

（3）預留可干預手段：在APS程序設(shè)計定型后，應(yīng)預留操作員中間干預手段，這樣能更好地適應(yīng)機組在不同情況下的啟停，體現(xiàn)APS的靈活性。對于設(shè)備及系統(tǒng)的狀態(tài)，程序包含自動識別的功能，適應(yīng)各種工況下的啟動，對于個別設(shè)備狀態(tài)故障等情況，在操作員確認無問題的情況下可以進行跳步，還可以對某程序步或子系統(tǒng)進行屏蔽或跳步。上述操作應(yīng)在充分掌握APS的情況下使用。

（4）對設(shè)備狀態(tài)的集中監(jiān)視：對APS所控對象進行集中狀態(tài)管理是為了提高程序執(zhí)行的連貫性和可靠性，在機組啟動前需要對所有可操作的設(shè)備進行系統(tǒng)的狀態(tài)確認，以列表形式列舉狀態(tài)產(chǎn)生偏差的設(shè)備，包括遠方就地、受電狀態(tài)、故障情況等，以便維護人員提前介入。

（5）對設(shè)備啟停許可、跳閘首出的集中管理和監(jiān)視：考慮到安全性，APS程序中凡涉及系統(tǒng)投用或大型設(shè)備啟動的，都需要先檢查確認其投用條件，條件的缺失將造成設(shè)備無法啟動，在操控界面上對此進行集中體現(xiàn)。此外，為完善監(jiān)控內(nèi)容，還應(yīng)包含設(shè)備跳閘首出，方便設(shè)備跳閘后對跳閘原因的快速定位。

3 APS技術(shù)關(guān)鍵點

經(jīng)過幾年的技術(shù)積累，通過在燃機、脫硫等領(lǐng)域的實際應(yīng)用，總結(jié)出了一套適用于燃煤機組APS控制的策略，并經(jīng)過基建調(diào)試過程的分解應(yīng)用，基本具備了在燃煤機組上實際應(yīng)用的條件。

我省APS研究立足于實際應(yīng)用，以提高機組總體自動化水平、提升操作規(guī)范化和標準化、縮短啟動時間為目的，結(jié)合實際工藝過程，從優(yōu)化自動控制策略、提高運行及設(shè)備管理水平出發(fā)，使APS系統(tǒng)能真正意義上在電廠生產(chǎn)過程中得到很好的利用。

（1）APS牽涉多個專業(yè)，因此APS的研究工作應(yīng)涵蓋設(shè)計、調(diào)試、運行、設(shè)備管理等各個階段，從多環(huán)節(jié)入手，提高APS程序運行連貫性。其次，對系統(tǒng)進行分解，關(guān)鍵子系統(tǒng)預先進行驗證性應(yīng)用，最后進行封裝整合。

（2）合理布置非關(guān)鍵系統(tǒng)啟動的時間點，壓縮機組啟動時間。參考機組常規(guī)啟動步驟，調(diào)整非關(guān)鍵系統(tǒng)的先后啟動順序，在時間上合理布局。

（3）結(jié)合工藝過程優(yōu)化控制策略，提高自動控制水平，減少斷點設(shè)置。體現(xiàn)APS設(shè)計宗旨，最大程度上減少手動干預和操作，從程序設(shè)計上著手，增加系統(tǒng)投運的連貫性。

（4）提前掃描相關(guān)設(shè)備及信號狀態(tài)，確認機組滿足啟動條件，提升APS可靠性。

（5）提高程序控制智能化，自動識別系統(tǒng)狀態(tài)，采取合理運行方式，增強系統(tǒng)容錯能力。雖然在APS執(zhí)行前增加了條件掃描和確認，在納入APS控制范圍的眾多設(shè)備中，個別信號缺失或狀態(tài)異常發(fā)生的概率較高，如果因為單純的信號問題導致APS程序中斷或跳轉(zhuǎn)，將造成啟動過程長時間駐留，使程序連貫性受到影響。因此需要提高系統(tǒng)投運的智能化水平，使之不僅能適應(yīng)系統(tǒng)全天候啟停，依據(jù)系統(tǒng)、設(shè)備的當前狀態(tài)，通過自動識別選擇合適的程序步，而且能依據(jù)系統(tǒng)引入的關(guān)聯(lián)參數(shù)來增強容錯能力。

（6）集中設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視，實現(xiàn)遠控設(shè)備的集中管理。對受電狀況、控制權(quán)限、檢修狀態(tài)、首啟設(shè)備選擇等進行集中監(jiān)視，有利于系統(tǒng)安全性及APS程序執(zhí)行的連貫性。

（7）設(shè)計高度人性化的人機接口，實現(xiàn)信息反饋多元化，操作方便快捷，并預留足夠的干預手段。

（8）結(jié)合APS程序及機組啟動特點，形成規(guī)范化的操作卡，集DCS操作、就地設(shè)備投用、系統(tǒng)巡檢于一體。

4 結(jié)語

APS研究是一項綜合性的課題，有機結(jié)合了控制、運行、設(shè)備維護，涵蓋發(fā)電機組的各方面，集中體現(xiàn)在規(guī)范性、可靠性上的提高，縮短機組啟動時間、減輕運行人員勞動強度，它的成功應(yīng)用將極大提升發(fā)電廠自動控制水平。

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