文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2023）03-076-04中圖分類(lèi)號：TP273

★ 朱啟勇，曹文浩（浙江巨化熱電有限公司，浙江衢州324000）

摘要：機組一鍵啟停（APS）是火電機組高度自動(dòng)化的控制系統，它采用先進(jìn)的控制策略，能識別機組和設備的運行狀態(tài)。APS按照預設的運行曲線(xiàn)控制設備，可以使機組運行最優(yōu)化，從而全面提高了電廠(chǎng)自動(dòng)化運行水平，確保了機組安全和經(jīng)濟運行。立足于A(yíng)PS的實(shí)際應用及前期研究，筆者分析了現有APS主要針對大機組設計的問(wèn)題，并結合自備電站工藝特色、運行方式提出了基于斷點(diǎn)級、功能級和步序級的APS的解決方案。本文著(zhù)重闡述了APS的關(guān)鍵技術(shù)路線(xiàn)，并以浙江某自備電廠(chǎng)作為實(shí)例對其進(jìn)行了功能邏輯的驗證，驗證效果滿(mǎn)足運行需求，并且其結構簡(jiǎn)單，易于工程運用，具備較好的拓展價(jià)值。

關(guān)鍵詞：機組一鍵啟停；火電廠(chǎng)；自動(dòng)化

1 引言

目前，我國火力發(fā)電機組控制系統的自動(dòng)化水平在逐步提高，系統的穩定性、準確性、經(jīng)濟性也在逐步完善，但沒(méi)有達到完全自動(dòng)控制的水平，還需要大量的人力來(lái)監控生產(chǎn)運行，參數的準確性和經(jīng)濟性也無(wú)法達到最高要求。也就是說(shuō)，DCS控制系統雖然已經(jīng)很完善，但仍然存在一些不足之處。隨著(zhù)我國電力事業(yè)的快速發(fā)展，大容量、高參數的超超臨界機組已成為發(fā)電主流。目前大部分科研機構和高校都將精力放在大機組的自動(dòng)化控制優(yōu)化上，但針對自備電廠(chǎng)的燃煤機組仍然存在很大的控制問(wèn)題。從需求維度上來(lái)說(shuō)，管理者期望DCS控制系統能夠快速地升降負荷，且在頻繁變負荷的過(guò)程中具有快速響應負荷的能力并保持參數的穩定性。同時(shí)，在發(fā)電量一定的情況下，有效地節約能源已成為我國電力行業(yè)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，所以在這些問(wèn)題上應投入大量的人力去研究更優(yōu)的控制系統，以有效地節約能源消耗。鑒于機組自啟?？刂萍夹g(shù)在引進(jìn)機組上的成功應用經(jīng)驗，目前很多國內新建大型火電機組項目都提出了設計自啟停APS（Automatic Power Plant Startup And Shutdown System，自啟?？刂葡到y）功能。機組APS是目前發(fā)電機組最高級的控制系統，可以根據機組工藝流程在啟停過(guò)程中不同階段的需要對機組工況進(jìn)行全面的檢測，并通過(guò)條件和時(shí)間的邏輯判斷，按規定好的程序向各功能組、功能子組、協(xié)調控制系統（CCS）、模擬量自動(dòng)控制系統（MCS）、爐膛安全監控系統、汽輪機數字電液控制系統（DEH）、小汽機調節系統（MEH）、汽輪機旁路控制系統等發(fā)出啟停命令，最終實(shí)現機組的自動(dòng)啟動(dòng)或停運。超超臨界機組自啟?？刂葡到y的設計研究過(guò)程復雜，涉及范圍廣，啟動(dòng)過(guò)程從循環(huán)水系統啟動(dòng)到機組CCS投入，停運過(guò)程從當前負荷減負荷到汽輪機打閘、風(fēng)煙系統停運。因此，實(shí)現機組自啟?？刂茖C組的控制和運行具有重要意義。

傳統的APS功能一般采用圖形化的組態(tài)方式，這種方式適用于簡(jiǎn)單的順序控制啟停，但針對整個(gè)機組的一鍵啟停，要面臨中斷、循環(huán)、復位、跳步、切換等多種不同功能需求，圖形化的組態(tài)方式非常繁瑣且無(wú)法保證功能的魯棒性。目前國內已知的APS案例，如華能海門(mén)電廠(chǎng)2×1000MW機組、珠海電廠(chǎng)4號600MW機組、湛江奧里油電廠(chǎng)2×600MW機組、廣西北海電廠(chǎng)2×300MW機組等機組已經(jīng)完成了APS功能的調試且成功投入運行，但關(guān)于一些小型自備電站的機組APS仍然處于空白階段。而實(shí)際上，小機組的操作、巡檢人員緊缺，且機組啟停切換頻繁，其對APS需求更甚于大型機組。

鑒于以上信息，本項目以斷點(diǎn)級、功能級和步序級為功能架構，以機組啟動(dòng)準備、鍋爐點(diǎn)火、升溫升壓第一階段、沖轉并網(wǎng)、升負荷為工藝流程架構設計并實(shí)現了適用于小型自備電站的APS啟停功能，并以國內某燃煤自備電站為實(shí)例對其進(jìn)行了功能驗證，取得了良好的效果。

2 APS功能設計

2.1 斷點(diǎn)級別分解

2.1.1 斷點(diǎn)級定義

定義斷點(diǎn)級序號：Break Point（BP_i）；

定義斷點(diǎn)級啟動(dòng)允許條件：PMT_i（滿(mǎn)足=1，不滿(mǎn)足=0）；

定義斷點(diǎn)級完成標志條件：FN_i（已完成=1，未完成=0）；定義斷點(diǎn)級正在進(jìn)行條件：BP_iON GOING（在進(jìn)行=1，未進(jìn)行=0）。

其中1＜i＜N，N為總斷點(diǎn)數。

2.1.2 功能級定義

定義功能級序號：System（S_ij）；

定義功能級啟動(dòng)允許條件：PMT_ij（滿(mǎn)足=1，不滿(mǎn)足=0）；

定義功能級完成標志條件：FN_ij（已完成=1，未完成=0）；

定義功能級正在進(jìn)行條件：S_ijON GOING（在進(jìn)行=1，未進(jìn)行=0）。其中1＜j＜M，M代表第i個(gè)斷點(diǎn)內系統的數量。

2.1.3 步序級定義

定義步序級序號：STEP（STP_ijk）；

定義步序級執行邏輯；

定義步序級執行條件：STP_ijkON GOING（滿(mǎn)足=1，不滿(mǎn)足=0）；定義步序級執行延時(shí)時(shí)間：DLY_ijk。

其中1＜k＜Q，Q代表第i個(gè)斷點(diǎn)內第j個(gè)功能中需要執行的步序數量。

2.2 邏輯設計

2.2.1 斷點(diǎn)級執行邏輯

BP_iON GOING=PMT_i&（自定義判斷）=FN₁&FN₂&···&F_i-1&（NOT）F_i&（自定義判斷）

其中BP_i為閉環(huán)控制方式，其控制邏輯為當第i個(gè)斷點(diǎn)之前的全部斷點(diǎn)均完成且i斷點(diǎn)未完成且自定義判斷條件滿(mǎn)足時(shí)，讓BP_iON GOING置1，自定義判斷條件可以為人為判斷啟動(dòng)指令、暫停指令及復位指令等。

2.2.2 功能級執行邏輯

S_ijON GOING=（BP_iON GOING）&PMT_ij&（自定義判斷）=（BP_iON GOING）&FN_i1&FN_i2&···&F_i（j-1）&（NOT）F_ij&（自定義判斷）

其中S_ij為閉環(huán)控制方式，其控制邏輯為當斷點(diǎn)i正在進(jìn)行并且在斷點(diǎn)i中的第j個(gè)系統之前的系統全部完成且系統j未完成且自定義判斷條件滿(mǎn)足時(shí)，讓S_ijON GOING置1，自定義判斷條件可以為人為判斷啟動(dòng)指令、暫停指令及復位指令等。

2.2.3 步序級執行邏輯

STP_ijkON GOING=（S_ijON GOING）&（自定義判斷）&DLY_ijk

其中STP_ijk為開(kāi)環(huán)控制方式，其控制邏輯為當第i個(gè)斷點(diǎn)中的第j個(gè)系統正在進(jìn)行且自定判斷條件滿(mǎn)足時(shí)，根據每個(gè)步序的啟動(dòng)時(shí)間需求進(jìn)行分段延時(shí)發(fā)送指令。

2.3 模擬量控制回路柔性設計

模擬量控制投入自動(dòng)的設定值邏輯設計為兩種模式：一種為非一鍵啟停模式，該模式通過(guò)一個(gè)偏置跟蹤模塊實(shí)現手自動(dòng)切換間的無(wú)擾切換，控制變?yōu)樽詣?dòng)后，通過(guò)手動(dòng)設定偏置塊進(jìn)行模擬量控制的設定值調整；另一種模式為一鍵啟停模式，該模式在控制變?yōu)樽詣?dòng)后，會(huì )根據一個(gè)脈沖模塊和一個(gè)速率限制模塊將設定值按照系統需求緩慢增加或減少至控制所需的額定設定值。前面所述的脈沖模塊和速率限制模塊的參數可根據控制回路的不同特性進(jìn)行差異化設置。

2.4 工藝流程設計

如圖1所示，根據機組啟動(dòng)需求，本項目按照啟動(dòng)準備、鍋爐點(diǎn)火、升溫升壓、沖轉并網(wǎng)和升負荷幾個(gè)大斷點(diǎn)進(jìn)行了全廠(chǎng)的工藝流程啟動(dòng)設計，其范圍涵蓋了機組從冷態(tài)啟動(dòng)至機組投入鍋爐燃料控制的全過(guò)程。

圖1 機組啟停工藝流程設計

3 實(shí)例驗證

浙江某熱電有限公司#11機組有一臺280t/h自然循環(huán)鍋爐和30MW背壓排汽汽輪機組，其中DCS采用施耐德電氣上海?？怂共_有限公司I/A Series分散控制系統。本項目涉及的#11機組背壓新建項目工程，于2020年12月建設，2022年1月投產(chǎn)，其中APS改造作為其改造項之一，針對該機組進(jìn)行了詳細的功能設計，并很好地將系統投入了使用。

3.1 模板設計

3.1.1 下位機模板制定

根據斷點(diǎn)級、功能級、步序級的不同使用需求，制定功能塊模板如圖2所示。

圖2 下位機功能模板

3.1.2 上位機模板制定

根據下位機邏輯模板制定對應的上位機畫(huà)面模板，如圖3所示。

圖3 上位機畫(huà)面模板

各個(gè)斷點(diǎn)系統的各層級畫(huà)面中應顯示不同層級需求的啟動(dòng)允許、預選、程控啟動(dòng)、程控暫停、程控復位、程控跳步等功能，以滿(mǎn)足機組正常使用需求。

3.2 邏輯組態(tài)及調試

根據邏輯設計文檔進(jìn)行DCS下位機邏輯組態(tài)，如圖4和圖5所示。組態(tài)方式采用圖形化+語(yǔ)言結合的方式，可極大程度上提高組態(tài)效率和組態(tài)可用度。

圖4 圖形化組態(tài)方式

圖5 語(yǔ)言組態(tài)方式

3.3 APS的完善與優(yōu)化

APS投用前需根據實(shí)際需要對其進(jìn)行必要的完善和優(yōu)化，并解決設計邏輯及組態(tài)中存在的各種問(wèn)題，使其合理可行。其主要完善與優(yōu)化項如下：

3.3.1 步序問(wèn)題

步序即機組啟停過(guò)程中啟停各相關(guān)設備的先后次序。在A(yíng)PS投用前，必須以運行規程為依據分析APS啟停步序的合理性和機組的安全性，對APS邏輯、組態(tài)進(jìn)行靜態(tài)具體檢查。在檢查過(guò)程中，如發(fā)現某些步序不合理，需要進(jìn)行必要的修改；如某些步序不完全，需要進(jìn)行必要的補充完善。

以“點(diǎn)火準備”階段引風(fēng)機和送風(fēng)機的啟動(dòng)邏輯為例，原設計的啟動(dòng)順序為“#1引風(fēng)機、#2引風(fēng)機、#1送風(fēng)機、#2送風(fēng)機”，即先啟雙引，后啟雙送。這不符合鍋爐運行規程“單側啟動(dòng)”的要求，也不利于鍋爐設備的安全。為此，將啟動(dòng)步序改為“#1引風(fēng)機、#1送風(fēng)機、#2引風(fēng)機、#2送風(fēng)機”就符合運行規程的要求了。

3.3.2 時(shí)序問(wèn)題

時(shí)序是指APS程序動(dòng)態(tài)執行過(guò)程中所發(fā)指令脈沖的時(shí)間序列。它既包含了啟停步序的含義，同時(shí)又有別于步序。比較而言，步序相當于A(yíng)PS的算法，而時(shí)序相當于A(yíng)PS的程序，提出時(shí)序問(wèn)題有助于保證程序本身可行、合理。對APS進(jìn)行時(shí)序分析，消除可能存在的時(shí)序問(wèn)題，是APS程序能順利執行并實(shí)現APS功能的基礎。時(shí)序設計首先必須符合運行規程，其次滿(mǎn)足實(shí)際工藝流程要求，同時(shí)還應盡量縮短啟停時(shí)間，以提高生產(chǎn)效率，這就對APS設計提出了優(yōu)化要求。

3.3.3 人機交互界面

應用APS啟動(dòng)時(shí)，設備的啟動(dòng)由APS自動(dòng)完成，運行人員主要是監盤(pán)和調節，但APS必須給出適當的提示信息，報告受控設備狀態(tài)并告知運行人員需要進(jìn)行的操作。若有設備啟停失敗或系統出現故障，也應給出適當的提示信息，提示運行人員或系統維護工程師進(jìn)行處理。

3.3.4 故障處理

APS操作對象涉及面廣，幾乎覆蓋了電廠(chǎng)所有設備，在啟停過(guò)程中必然會(huì )遇到某些設備啟停失敗或故障，成熟可靠的APS應能對出現的問(wèn)題進(jìn)行分析判斷，并采用相應方案進(jìn)行處理，保障設備安全。較強的故障處理能力將使APS更安全可靠，更有利于A(yíng)PS推廣應用。

3.3.5 APS效果界面

圖6為浙江某熱電有限公司#11機組APS功能截圖，根據前文所述，本項目對整個(gè)APS各個(gè)功能層級進(jìn)行了細致的分解和設計，并于調試后順利投入運行，運行效果良好。

圖6 浙江某自備電站機組APS功能截圖

4 結論

APS技術(shù)的應用減少了運行人員直接操作設備的次數，從而降低了運行人員的勞動(dòng)強度。而且APS邏輯是電廠(chǎng)運行規程的程序化，可保證啟停過(guò)程嚴格遵守運行規程，從而減少啟停階段誤操作，增加設備的安全性。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的、完善的APS技術(shù)還可充分縮短電廠(chǎng)啟停時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。本項目中設計的APS方案經(jīng)過(guò)驗證具備很好的適應性，能夠適用同類(lèi)型機組，并具備較好的拓展應用價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介：

朱啟勇（1976-），男，安徽巢湖人，工程師，學(xué)士，現就職于浙江巨化熱電有限公司，主要從事熱工儀表及控制裝置工作。

曹文浩（1985-），男，湖北仙桃人，工程師，碩士，現就職于浙江巨化熱電有限公司，主要從事熱工儀表及控制裝置工作。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年3月刊