APS在水泥余熱發(fā)電DCS系統(tǒng)的設計應用

吳 寅，仇樂樂，史 妍

（1.中國中材國際工程股份有限公司，江蘇 南京 211100）

（2.南京凱盛開能環(huán)保能源有限公司，江蘇 南京 210036）

（3.南京科遠自動化集團股份有限公司，江蘇 南京 211100）

對標《中國制造2025》，建設現代化水泥廠，實現智能化、數字化生產，已然成為當下水泥工業(yè)發(fā)展的趨勢。余熱發(fā)電作為新建水泥熟料生產線配套車間，對如何提升水泥余熱發(fā)電生產過程智能優(yōu)化控制有著同樣的要求。

1 水泥余熱發(fā)電DCS系統(tǒng)

DCS（Distributed Control System）分布式控制系統(tǒng)，又稱為集散控制系統(tǒng)，是目前作為生產過程的自動化系統(tǒng)應用于水泥余熱發(fā)電生產。

DCS是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機（Computer）、通訊（Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）等4C技術，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態(tài)方便。

DCS具有高可靠性、開放性、靈活性、協(xié)調性等特點，在余熱發(fā)電系統(tǒng)實現DAS（數據采集和處理系統(tǒng)）、MCS（模擬量控制系統(tǒng)）、SCS（順序控制系統(tǒng)）、ETS（汽機緊急跳閘保護系統(tǒng)）等四個控制功能。

2 APS概述

APS（Automatic Plant Start-up and Shutdown System），“機組自動啟停控制系統(tǒng)”也稱為“一鍵啟停系統(tǒng)”，即能夠按照余熱發(fā)電的熱力流程和設備運行工況，按照預定編輯控制流程程序和設定參數，在極少的人工干預下自動、安全地完成對各個子系統(tǒng)、設備發(fā)出啟動或停止的指令，實現機組在啟停過程的自動控制。

3 APS的系統(tǒng)架構和程序結構

3.1 系統(tǒng)架構

APS控制系統(tǒng)架構按控制指令執(zhí)行的順序自上而下分為四個層級，機組級（APS指令中心）、功能組級（各分系統(tǒng)）、功能子組級（設備子組）、設備級（設備驅動單元）。機組級是APS最高控制層級，是APS指令中心，根據機組不同狀態(tài)下的啟、停要求，向各層級發(fā)出指令，配合各層級的設備連鎖保護和自動調節(jié)回路實現機組的自啟停。

APS系統(tǒng)構架采用“層級+斷點”方式實現。每一個層級根據熱力流程的步序階段設計若干斷點，結合數據采集和邏輯判斷實現不同工況下的步驟選擇和跳轉。

3.2 程序結構

APS程序結構的核心是按照預定的操作順序和流程分階段逐一實現設備的啟停和控制。

斷點的設計就是將APS這個系統(tǒng)級的“順控系統(tǒng)”劃分為多個相對獨立的小順控單元。各斷點獨立操作，分步按序執(zhí)行，各斷點之間可實現自動/手動切換。

功能組級通常按水泥余熱發(fā)電系統(tǒng)工藝流程劃分，功能組級主要的斷點大致設置為除鹽水處理系統(tǒng)功能組、循環(huán)水系統(tǒng)功能組、凝結水系統(tǒng)功能組、除氧器系統(tǒng)功能組、潤滑油功能組、給水系統(tǒng)功能組、窯頭鍋爐煙風系統(tǒng)功能組、窯尾鍋爐煙風系統(tǒng)功能組、主蒸汽系統(tǒng)功能組、補汽系統(tǒng)功能組、汽機旁路系統(tǒng)功能組、疏水系統(tǒng)功能組、凝汽器抽真空系統(tǒng)功能組等13個。

功能子組級控制主要是接受功能組的控制指令，按既定的邏輯程序實現子組內設備的啟停。

設備級是直接控制對應的工藝設備，如電動閥門、調節(jié)風門、泵等，負責發(fā)出指令信號并對設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)視。

在APS控制系統(tǒng)未投入運行時，各系統(tǒng)之間是相互獨立的，可單獨控制某一系統(tǒng)的運行，當APS控制系統(tǒng)投入運行時，根據機組的啟停曲線，按照預先編輯設定好的程序向功能組級、功能子組級、設備級發(fā)出啟停指令，實現機組的自啟停。

APS作為機組自啟停的最高控制層級，必須得到DCS的DAS、MCS、SCS以及DEH汽輪機電液調節(jié)系統(tǒng)和ECS電氣控制系統(tǒng)配合實現。

（1）與MCS的聯(lián)系。

MCS通過DAS采集的溫度、壓力數據與機組各系統(tǒng)的運行工況進行綜合判斷，再根據主機設備的參數、性能曲線及經驗數據，實現模擬量調節(jié)系統(tǒng)的定值自動給定和自動調節(jié)。

APS干預MCS系統(tǒng)的方式有兩種：設定值改變、調節(jié)回路的切換。APS改變設定值通過手自動（M/A）切換模式完成，在不同階段進行不同定值的切換；通過邏輯回路組態(tài)實現，保證不同回路的切換跟蹤無擾。

（2）與SCS的聯(lián)系。

根據APS的整體啟停要求，SCS系統(tǒng)需要控制并反饋各系統(tǒng)的運行情況，再根據控制邏輯協(xié)調各系統(tǒng)的運行。SCS順序控制系統(tǒng)的合理劃分，各控制系統(tǒng)的啟動允許條件以及最后的完成條件的準確界定是APS控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要基礎。

APS啟動時，各功能組、子功能組接受APS啟動指令，將相關設備投自動并投入連鎖，設備控制級接受上層切換信號、控制指令對設備進行相應控制。

（3）與DEH的聯(lián)系。

在APS自動啟動過程中，DEH將在APS的調度下完成汽機復位、掛閘、沖轉、暖機、并網帶初始負荷、升負荷等操作。

DEH接受來自APS的接口信號主要有：APS啟動指令、目標負荷（或主蒸汽壓力設定值、升降負荷速率）、汽機掛閘指令。

APS接受來自DEH的接口信號主要有：主汽壓力、發(fā)電機功率、汽機轉速、汽機啟動方式、汽機復位信號、汽機遮斷信號、汽機沖轉允許、DEH處APS控制方式、主汽門全開、自動同期允許、沖轉完成、DEH升負荷允許、DEH減負荷允許等。

4 APS的設計

4.1 基本控制模塊設計

為實現APS自動控制，基本控制模塊見圖1。

圖1 APS基本控制模塊邏輯圖

圖2 不同功能組順序啟停示意圖

通過該模塊完成了控制組的啟動、復位、跳步等功能。當組啟動指令IN1、上步完成反饋IN2同時為1時，RS觸發(fā)器置1，形成控制組組內指令至組內設備級（電機、閥門）控制模塊，完成相應控制步驟后，反饋信號送返，輸出OUT2置1，表明該組啟動完畢，并進行下一組的啟動。當組啟動指令IN1設為0、組復位指令設為1等任一條件滿足，RS觸發(fā)器置0復位，取消組內指令。

結合APS控制基本模塊，可實現不同功能組之間的順序啟停見圖2。

斷點指令作為組啟動指令，每組完成后，完成反饋送至下一級功能組，作為下一級啟動的條件。

4.2 APS控制過程設計

在APS系統(tǒng)投入運行前，部分機組相關的外圍系統(tǒng)需先準備妥當，如循環(huán)水系統(tǒng)，化水處理系統(tǒng)等均應具備投入條件。機組啟動準備過程主要包含：化水系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、余熱鍋爐煙風系統(tǒng)、凝結水系統(tǒng)、汽機旁路系統(tǒng)、冷凝器抽真空系統(tǒng)等。機組啟動斷點設置及主要過程見圖3。

（1）系統(tǒng)啟動準備。

（2）余熱鍋爐上水、啟動。

（3）汽輪機啟動。

（4）汽輪機并網、升負荷。

圖3 余熱發(fā)電機組啟動主要過程

APS啟動指令形成后，按圖3順序啟動各個功能組。每個功能組的啟動條件為：上一級功能組完成、工藝條件滿足要求。在功能組啟動過程中，功能組啟動指令通過與SCS系統(tǒng)對接將信號指令送至各設備控制模塊，控制設備的開關、啟停；通過與MCS系統(tǒng)對接實現控制自動調節(jié)系統(tǒng)的投切。當功能組內設備動作完畢，APS檢驗判斷后進入下一步控制流程。

在啟動汽機沖轉、并網、升負荷的過程中，APS通過與DEH數據交換對汽機進行調速的指令。

鍋爐汽包水位調節(jié)采用給水全程控制，上水過程采用單沖量控制；并網升負荷后，當負荷升至30%，采用三沖量控制。汽包水位的控制方式，根據APS指令及相關工藝條件進行切換。

5 總 結

APS的設計在水泥余熱發(fā)電機組的啟停階段提供了最高級層級的自動控制策略和解決方案，是提升水泥余熱發(fā)電自動化水平也是建設現代化水泥工廠實現智能生產的必然要求。目前將APS技術應用于水泥余熱發(fā)系統(tǒng)的有江西亞東水泥、泰安中聯(lián)水泥和西藏藏中水泥，目前這個技術的應用在水泥余熱發(fā)電控制系統(tǒng)仍處于初級階段，從技術層面看還然有很多需要完善和改進的地方，如何進一步優(yōu)化控制策略將是我們未來需要面對解決的問題。