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文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2023）03-076-04中圖分類號：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化的控制系統(tǒng)，它采用先進的控制策略，能識別機組和設備的運行狀態(tài)。APS按照預設的運行曲線控制設備，可以使機組運行最優(yōu)化，從而全面提高了電廠自動化運行水平，確保了機組安全和經(jīng)濟運行。立足于APS的實際應用及前期研究，筆者分析了現(xiàn)有APS主要針對大機組設計的問題，并結合自備電站工藝特色、運行方式提出了基于斷點級、功能級和步序級的APS的解決方案。本文著重闡述了APS的關鍵技術路線，并以浙江某自備電廠作為實例對其進行了功能邏輯的驗證，驗證效果滿足運行需求，并且其結構簡單，易于工程運用，具備較好的拓展價值。

關鍵詞：機組一鍵啟停；火電廠；自動化

1 引言

目前，我國火力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的自動化水平在逐步提高，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準確性、經(jīng)濟性也在逐步完善，但沒有達到完全自動控制的水平，還需要大量的人力來監(jiān)控生產(chǎn)運行，參數(shù)的準確性和經(jīng)濟性也無法達到最高要求。也就是說，DCS控制系統(tǒng)雖然已經(jīng)很完善，但仍然存在一些不足之處。隨著我國電力事業(yè)的快速發(fā)展，大容量、高參數(shù)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化控制優(yōu)化上，但針對自備電廠的燃煤機組仍然存在很大的控制問題。從需求維度上來說，管理者期望DCS控制系統(tǒng)能夠快速地升降負荷，且在頻繁變負荷的過程中具有快速響應負荷的能力并保持參數(shù)的穩(wěn)定性。同時，在發(fā)電量一定的情況下，有效地節(jié)約能源已成為我國電力行業(yè)重點考慮的問題，所以在這些問題上應投入大量的人力去研究更優(yōu)的控制系統(tǒng)，以有效地節(jié)約能源消耗。鑒于機組自啟停控制技術在引進機組上的成功應用經(jīng)驗，目前很多國內(nèi)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，自啟停控制系統(tǒng)）功能。機組APS是目前發(fā)電機組最高級的控制系統(tǒng)，可以根據(jù)機組工藝流程在啟停過程中不同階段的需要對機組工況進行全面的檢測，并通過條件和時間的邏輯判斷，按規(guī)定好的程序向各功能組、功能子組、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）、模擬量自動控制系統(tǒng)（MCS）、爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)、汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）、小汽機調(diào)節(jié)系統(tǒng)（MEH）、汽輪機旁路控制系統(tǒng)等發(fā)出啟停命令，最終實現(xiàn)機組的自動啟動或停運。超超臨界機組自啟停控制系統(tǒng)的設計研究過程復雜，涉及范圍廣，啟動過程從循環(huán)水系統(tǒng)啟動到機組CCS投入，停運過程從當前負荷減負荷到汽輪機打閘、風煙系統(tǒng)停運。因此，實現(xiàn)機組自啟停控制對機組的控制和運行具有重要意義。

傳統(tǒng)的APS功能一般采用圖形化的組態(tài)方式，這種方式適用于簡單的順序控制啟停，但針對整個機組的一鍵啟停，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)方式非常繁瑣且無法保證功能的魯棒性。目前國內(nèi)已知的APS案例，如華能海門電廠2×1000MW機組、珠海電廠4號600MW機組、湛江奧里油電廠2×600MW機組、廣西北海電廠2×300MW機組等機組已經(jīng)完成了APS功能的調(diào)試且成功投入運行，但關于一些小型自備電站的機組APS仍然處于空白階段。而實際上，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，本項目以斷點級、功能級和步序級為功能架構，以機組啟動準備、鍋爐點火、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現(xiàn)了適用于小型自備電站的APS啟停功能，并以國內(nèi)某燃煤自備電站為實例對其進行了功能驗證，取得了良好的效果。

2 APS功能設計

2.1 斷點級別分解

2.1.1 斷點級定義

定義斷點級序號：Break Point（BP_i）；

定義斷點級啟動允許條件：PMT_i（滿足=1，不滿足=0）；

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

其中1＜i＜N，N為總斷點數(shù)。

2.1.2 功能級定義

定義功能級序號：System（S_ij）；

定義功能級啟動允許條件：PMT_ij（滿足=1，不滿足=0）；

定義功能級完成標志條件：FN_ij（已完成=1，未完成=0）；

定義功能級正在進行條件：S_ijON GOING（在進行=1，未進行=0）。其中1＜j＜M，M代表第i個斷點內(nèi)系統(tǒng)的數(shù)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(zhí)行邏輯；

定義步序級執(zhí)行條件：STP_ijkON GOING（滿足=1，不滿足=0）；定義步序級執(zhí)行延時時間：DLY_ijk。

其中1＜k＜Q，Q代表第i個斷點內(nèi)第j個功能中需要執(zhí)行的步序數(shù)量。

2.2 邏輯設計

2.2.1 斷點級執(zhí)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?shù)趇個斷點之前的全部斷點均完成且i斷點未完成且自定義判斷條件滿足時，讓BP_iON GOING置1，自定義判斷條件可以為人為判斷啟動指令、暫停指令及復位指令等。

2.2.2 功能級執(zhí)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i正在進行并且在斷點i中的第j個系統(tǒng)之前的系統(tǒng)全部完成且系統(tǒng)j未完成且自定義判斷條件滿足時，讓S_ijON GOING置1，自定義判斷條件可以為人為判斷啟動指令、暫停指令及復位指令等。

2.2.3 步序級執(zhí)行邏輯

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

其中STP_ijk為開環(huán)控制方式，其控制邏輯為當?shù)趇個斷點中的第j個系統(tǒng)正在進行且自定判斷條件滿足時，根據(jù)每個步序的啟動時間需求進行分段延時發(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，該模式通過一個偏置跟蹤模塊實現(xiàn)手自動切換間的無擾切換，控制變?yōu)樽詣雍螅ㄟ^手動設定偏置塊進行模擬量控制的設定值調(diào)整；另一種模式為一鍵啟停模式，該模式在控制變?yōu)樽詣雍螅瑫鶕?jù)一個脈沖模塊和一個速率限制模塊將設定值按照系統(tǒng)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(shù)可根據(jù)控制回路的不同特性進行差異化設置。

2.4 工藝流程設計

如圖1所示，根據(jù)機組啟動需求，本項目按照啟動準備、鍋爐點火、升溫升壓、沖轉并網(wǎng)和升負荷幾個大斷點進行了全廠的工藝流程啟動設計，其范圍涵蓋了機組從冷態(tài)啟動至機組投入鍋爐燃料控制的全過程。

圖1 機組啟停工藝流程設計

3 實例驗證

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福克斯波羅有限公司I/A Series分散控制系統(tǒng)。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，針對該機組進行了詳細的功能設計，并很好地將系統(tǒng)投入了使用。

3.1 模板設計

3.1.1 下位機模板制定

根據(jù)斷點級、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(jù)下位機邏輯模板制定對應的上位機畫面模板，如圖3所示。

圖3 上位機畫面模板

各個斷點系統(tǒng)的各層級畫面中應顯示不同層級需求的啟動允許、預選、程控啟動、程控暫停、程控復位、程控跳步等功能，以滿足機組正常使用需求。

3.2 邏輯組態(tài)及調(diào)試

根據(jù)邏輯設計文檔進行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 語言組態(tài)方式

3.3 APS的完善與優(yōu)化

APS投用前需根據(jù)實際需要對其進行必要的完善和優(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 步序問題

步序即機組啟停過程中啟停各相關設備的先后次序。在APS投用前，必須以運行規(guī)程為依據(jù)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)進行靜態(tài)具體檢查。在檢查過程中，如發(fā)現(xiàn)某些步序不合理，需要進行必要的修改；如某些步序不完全，需要進行必要的補充完善。

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

3.3.2 時序問題

時序是指APS程序動態(tài)執(zhí)行過程中所發(fā)指令脈沖的時間序列。它既包含了啟停步序的含義，同時又有別于步序。比較而言，步序相當于APS的算法，而時序相當于APS的程序，提出時序問題有助于保證程序本身可行、合理。對APS進行時序分析，消除可能存在的時序問題，是APS程序能順利執(zhí)行并實現(xiàn)APS功能的基礎。時序設計首先必須符合運行規(guī)程，其次滿足實際工藝流程要求，同時還應盡量縮短啟停時間，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啟動時，設備的啟動由APS自動完成，運行人員主要是監(jiān)盤和調(diào)節(jié)，但APS必須給出適當?shù)奶崾拘畔ⅲ瑘蟾媸芸卦O備狀態(tài)并告知運行人員需要進行的操作。若有設備啟停失敗或系統(tǒng)出現(xiàn)故障，也應給出適當?shù)奶崾拘畔ⅲ崾具\行人員或系統(tǒng)維護工程師進行處理。

3.3.4 故障處理

APS操作對象涉及面廣，幾乎覆蓋了電廠所有設備，在啟停過程中必然會遇到某些設備啟停失敗或故障，成熟可靠的APS應能對出現(xiàn)的問題進行分析判斷，并采用相應方案進行處理，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APS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(jù)前文所述，本項目對整個APS各個功能層級進行了細致的分解和設計，并于調(diào)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技術的應用減少了運行人員直接操作設備的次數(shù)，從而降低了運行人員的勞動強度。而且APS邏輯是電廠運行規(guī)程的程序化，可保證啟停過程嚴格遵守運行規(guī)程，從而減少啟停階段誤操作，增加設備的安全性。經(jīng)過優(yōu)化的、完善的APS技術還可充分縮短電廠啟停時間，提高生產(chǎn)效率。本項目中設計的APS方案經(jīng)過驗證具備很好的適應性，能夠適用同類型機組，并具備較好的拓展應用價值。

作者簡介：

朱啟勇（1976-），男，安徽巢湖人，工程師，學士，現(xiàn)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(xiàn)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《自動化博覽》2023年3月刊