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文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)組一鍵啟停（APS）是火電機(jī)組高度自動化的控制系統(tǒng)，它采用先進(jìn)的控制策略，能識別機(jī)組和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。APS按照預(yù)設(shè)的運(yùn)行曲線控制設(shè)備，可以使機(jī)組運(yùn)行最優(yōu)化，從而全面提高了電廠自動化運(yùn)行水平，確保了機(jī)組安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。立足于APS的實際應(yīng)用及前期研究，筆者分析了現(xiàn)有APS主要針對大機(jī)組設(shè)計的問題，并結(jié)合自備電站工藝特色、運(yùn)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(guān)鍵技術(shù)路線，并以浙江某自備電廠作為實例對其進(jìn)行了功能邏輯的驗證，驗證效果滿足運(yùn)行需求，并且其結(jié)構(gòu)簡單，易于工程運(yùn)用，具備較好的拓展價值。

關(guān)鍵詞：機(jī)組一鍵啟停；火電廠；自動化

1 引言

目前，我國火力發(fā)電機(jī)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(zhǔn)確性、經(jīng)濟(jì)性也在逐步完善，但沒有達(dá)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(yùn)行，參數(shù)的準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性也無法達(dá)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(jī)組已成為發(fā)電主流。目前大部分科研機(jī)構(gòu)和高校都將精力放在大機(jī)組的自動化控制優(yōu)化上，但針對自備電廠的燃煤機(jī)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(fù)荷，且在頻繁變負(fù)荷的過程中具有快速響應(yīng)負(fù)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(yīng)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(jī)組自啟?？刂萍夹g(shù)在引進(jìn)機(jī)組上的成功應(yīng)用經(jīng)驗，目前很多國內(nèi)新建大型火電機(jī)組項目都提出了設(shè)計自啟停APS（Automatic Power Plant Startup And Shutdown System，自啟?？刂葡到y(tǒng)）功能。機(jī)組APS是目前發(fā)電機(jī)組最高級的控制系統(tǒng)，可以根據(jù)機(jī)組工藝流程在啟停過程中不同階段的需要對機(jī)組工況進(jìn)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(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）、小汽機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（MEH）、汽輪機(jī)旁路控制系統(tǒng)等發(fā)出啟停命令，最終實現(xiàn)機(jī)組的自動啟動或停運(yùn)。超超臨界機(jī)組自啟停控制系統(tǒng)的設(shè)計研究過程復(fù)雜，涉及范圍廣，啟動過程從循環(huán)水系統(tǒng)啟動到機(jī)組CCS投入，停運(yùn)過程從當(dāng)前負(fù)荷減負(fù)荷到汽輪機(jī)打閘、風(fēng)煙系統(tǒng)停運(yùn)。因此，實現(xiàn)機(jī)組自啟停控制對機(jī)組的控制和運(yùn)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(jī)組的一鍵啟停，要面臨中斷、循環(huán)、復(fù)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(jī)組、珠海電廠4號600MW機(jī)組、湛江奧里油電廠2×600MW機(jī)組、廣西北海電廠2×300MW機(jī)組等機(jī)組已經(jīng)完成了APS功能的調(diào)試且成功投入運(yùn)行，但關(guān)于一些小型自備電站的機(jī)組APS仍然處于空白階段。而實際上，小機(jī)組的操作、巡檢人員緊缺，且機(jī)組啟停切換頻繁，其對APS需求更甚于大型機(jī)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(gòu)，以機(jī)組啟動準(zhǔn)備、鍋爐點火、升溫升壓第一階段、沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)、升負(fù)荷為工藝流程架構(gòu)設(shè)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(jìn)行了功能驗證，取得了良好的效果。

2 APS功能設(shè)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(biāo)志條件：FN_i（已完成=1，未完成=0）；定義斷點級正在進(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(biāo)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(shè)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(dāng)?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(fù)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(dāng)斷點i正在進(jìn)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(fù)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(dāng)?shù)趇個斷點中的第j個系統(tǒng)正在進(jìn)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(jìn)行分段延時發(fā)送指令。

2.3 模擬量控制回路柔性設(shè)計

模擬量控制投入自動的設(shè)定值邏輯設(shè)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?，通過手動設(shè)定偏置塊進(jìn)行模擬量控制的設(shè)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?，會根?jù)一個脈沖模塊和一個速率限制模塊將設(shè)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(shè)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(jìn)行差異化設(shè)置。

2.4 工藝流程設(shè)計

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

圖1 機(jī)組啟停工藝流程設(shè)計

3 實例驗證

浙江某熱電有限公司#11機(jī)組有一臺280t/h自然循環(huán)鍋爐和30MW背壓排汽汽輪機(jī)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(tǒng)。本項目涉及的#11機(jī)組背壓新建項目工程，于2020年12月建設(shè)，2022年1月投產(chǎn)，其中APS改造作為其改造項之一，針對該機(jī)組進(jìn)行了詳細(xì)的功能設(shè)計，并很好地將系統(tǒng)投入了使用。

3.1 模板設(shè)計

3.1.1 下位機(jī)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(jī)功能模板

3.1.2 上位機(jī)模板制定

根據(jù)下位機(jī)邏輯模板制定對應(yīng)的上位機(jī)畫面模板，如圖3所示。

圖3 上位機(jī)畫面模板

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

3.2 邏輯組態(tài)及調(diào)試

根據(jù)邏輯設(shè)計文檔進(jìn)行DCS下位機(jī)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(jié)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(jìn)行必要的完善和優(yōu)化，并解決設(shè)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(jī)組啟停過程中啟停各相關(guān)設(shè)備的先后次序。在APS投用前，必須以運(yùn)行規(guī)程為依據(jù)分析APS啟停步序的合理性和機(jī)組的安全性，對APS邏輯、組態(tài)進(jìn)行靜態(tài)具體檢查。在檢查過程中，如發(fā)現(xiàn)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(bǔ)充完善。

以“點火準(zhǔn)備”階段引風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)的啟動邏輯為例，原設(shè)計的啟動順序為“#1引風(fēng)機(jī)、#2引風(fēng)機(jī)、#1送風(fēng)機(jī)、#2送風(fēng)機(jī)”，即先啟雙引，后啟雙送。這不符合鍋爐運(yùn)行規(guī)程“單側(cè)啟動”的要求，也不利于鍋爐設(shè)備的安全。為此，將啟動步序改為“#1引風(fēng)機(jī)、#1送風(fēng)機(jī)、#2引風(fēng)機(jī)、#2送風(fēng)機(jī)”就符合運(yùn)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(dāng)于APS的算法，而時序相當(dāng)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(jìn)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(chǔ)。時序設(shè)計首先必須符合運(yùn)行規(guī)程，其次滿足實際工藝流程要求，同時還應(yīng)盡量縮短啟停時間，以提高生產(chǎn)效率，這就對APS設(shè)計提出了優(yōu)化要求。

3.3.3 人機(jī)交互界面

應(yīng)用APS啟動時，設(shè)備的啟動由APS自動完成，運(yùn)行人員主要是監(jiān)盤和調(diào)節(jié)，但APS必須給出適當(dāng)?shù)奶崾拘畔?，報告受控設(shè)備狀態(tài)并告知運(yùn)行人員需要進(jìn)行的操作。若有設(shè)備啟停失敗或系統(tǒng)出現(xiàn)故障，也應(yīng)給出適當(dāng)?shù)奶崾拘畔?，提示運(yùn)行人員或系統(tǒng)維護(hù)工程師進(jìn)行處理。

3.3.4 故障處理

APS操作對象涉及面廣，幾乎覆蓋了電廠所有設(shè)備，在啟停過程中必然會遇到某些設(shè)備啟停失敗或故障，成熟可靠的APS應(yīng)能對出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析判斷，并采用相應(yīng)方案進(jìn)行處理，保障設(shè)備安全。較強(qiáng)的故障處理能力將使APS更安全可靠，更有利于APS推廣應(yīng)用。

3.3.5 APS效果界面

圖6為浙江某熱電有限公司#11機(jī)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(jìn)行了細(xì)致的分解和設(shè)計，并于調(diào)試后順利投入運(yùn)行，運(yùn)行效果良好。

圖6 浙江某自備電站機(jī)組APS功能截圖

4 結(jié)論

APS技術(shù)的應(yīng)用減少了運(yùn)行人員直接操作設(shè)備的次數(shù)，從而降低了運(yùn)行人員的勞動強(qiáng)度。而且APS邏輯是電廠運(yùn)行規(guī)程的程序化，可保證啟停過程嚴(yán)格遵守運(yùn)行規(guī)程，從而減少啟停階段誤操作，增加設(shè)備的安全性。經(jīng)過優(yōu)化的、完善的APS技術(shù)還可充分縮短電廠啟停時間，提高生產(chǎn)效率。本項目中設(shè)計的APS方案經(jīng)過驗證具備很好的適應(yīng)性，能夠適用同類型機(jī)組，并具備較好的拓展應(yīng)用價值。

作者簡介：

朱啟勇（1976-），男，安徽巢湖人，工程師，學(xué)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