火力發(fā)電廠機組自啟停控制（APS）技術(shù)

李遠(yuǎn)

摘 要：火力發(fā)電廠自動啟/停機控制系統(tǒng)（簡稱APS），即能夠按照火力發(fā)電的熱力流程和設(shè)備運行工況，調(diào)動并協(xié)調(diào)各功能子系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)定參數(shù)、預(yù)定進(jìn)程的控制，從而使得整個機組能夠在極少的人工干預(yù)下自動、安全地完成啟動或停運過程的自動控制系統(tǒng)。本文分析了火力發(fā)電廠機組自啟停控制（APS）技術(shù)。

關(guān)鍵詞：火力發(fā)電廠機組；自啟?？刂疲ˋPS）；技術(shù)

1 引言

近年來，大型火電機組不斷投產(chǎn)。這些火電機組，尤其是超臨界、超超臨界機組，運行參數(shù)高、工藝系統(tǒng)復(fù)雜、且工藝系統(tǒng)間關(guān)聯(lián)緊密、工況轉(zhuǎn)換快，增加了人工操作的難度，尤其在機組啟動和停運過程中集中了大量的設(shè)備啟停切換、參數(shù)調(diào)整等操作，操作人員在限定時間內(nèi)為應(yīng)對運行工況精神高度緊張、勞動強度大，風(fēng)險性大幅度提高，稍有不慎甚至可能發(fā)生不安全事件，嚴(yán)重的會造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

2 實現(xiàn)機組自啟停的意義

機組自啟停是衡量機組自動化水平高低的標(biāo)桿，是電廠自動化程度的標(biāo)志。隨著火電廠技術(shù)水平的提高機組容量不斷加大、設(shè)計參數(shù)也不斷的提高，超超臨界機組的投運數(shù)量越來越多。機組自啟?？刂葡到y(tǒng)是建立在完善的控制系統(tǒng)設(shè)計、主輔機有良好的可控性基礎(chǔ)上的。它可以有效促進(jìn)和提高機組自動化水平，使機組按照規(guī)定的、優(yōu)化的程序進(jìn)行設(shè)備的啟停操作，不僅大大簡化了操作人員的工作，更重要的是規(guī)范機組啟停操作標(biāo)準(zhǔn)程序、減少了出現(xiàn)誤操作的可能性，整體提高了機組的安全性能，同時它可以縮短機組啟動時間，提高機組起停運行的經(jīng)濟(jì)效益。實施APS不僅提高了機組的自動化水平，而且可以提高運行管理水平。

在機組運行尤其是機組啟動和停運過程中，如果運行人員僅靠手動操作，不僅容易發(fā)生誤操作事故，而且極大地影響了機組運行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

APS與傳統(tǒng)機組的熱工控制相比具有全新的理念和控制策略。通過研究對比發(fā)現(xiàn)，APS設(shè)計階段，最需要深入研究、探討和定制APS的基礎(chǔ)邏輯。

3 火力發(fā)電廠機組自啟?？刂疲ˋPS）技術(shù)

APS系統(tǒng)是一個機組級的順控系統(tǒng)，充分考慮機組啟停運行特性、主輔設(shè)備運行狀態(tài)和工藝系統(tǒng)過程參數(shù)，并通過相關(guān)的邏輯發(fā)出對其它順控功能組、FSSS、MCS、DEH、旁路控制系統(tǒng)、MEH、電氣專用控制裝置等的控制指令來完成機組的自啟?？刂?。

APS系統(tǒng)能根據(jù)機組不同工況實現(xiàn)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)、極熱態(tài)四種啟動方式，將機組從啟動升至滿負(fù)荷；停機時，則依據(jù)停機條件，可以讓機組從滿負(fù)荷安全停運。APS系統(tǒng)的主要功能包括斷點操作、機組啟停操作指導(dǎo)及操作員信息三部分。

3.1 APS 系統(tǒng)設(shè)計方案

一是斷點設(shè)置。在火電廠APS 系統(tǒng)設(shè)計的過程中，斷點設(shè)置是非常重要的，斷點設(shè)置的水平將直接決定APS 系統(tǒng)的控制水平。斷點設(shè)置包括啟動斷點設(shè)置和停機斷點設(shè)置。①介紹啟動斷點。啟動斷點包括機組啟動準(zhǔn)備斷點、汽機沖轉(zhuǎn)斷點等。在所有的啟動斷點完成以后，機組的啟動操作就完成了。②介紹停機斷點。其中主要包括降負(fù)荷斷點、機組停運斷點等。二是APS 功能的投入和退出。APS 功能投入和退出方案主要是為了應(yīng)對各種緊急突發(fā)情況。有了APS 功能投入和退出方案，在設(shè)備出現(xiàn)故障時，機組就可以選擇安全的運行方式。在對APS 功能投入和退出進(jìn)行設(shè)計時應(yīng)遵守下述的原則： ①在判斷功能組指令是否完成時應(yīng)以整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)為主要參考對象； ②需要提高功能組的判斷能力，確保在任何狀態(tài)下都可以啟動對應(yīng)設(shè)備，確保設(shè)備運行的安全性； ③APS 系統(tǒng)要對機組運行的狀態(tài)進(jìn)行全面地判斷，避免出現(xiàn)判斷失誤的情況；④在系統(tǒng)中應(yīng)有APS 功能投入和退出的按鈕。如果設(shè)備在運行過程中出現(xiàn)異常情況時可以退出APS 系統(tǒng)，待設(shè)備異常情況排除以后則可以重新投入APS 系統(tǒng)。三是APS 控制器設(shè)置。在APS 運行的過程中可以通過機組的控制器對其進(jìn)行控制，因為APS 的控制點是比較少的，使用機組控制器可以減少資金投入。但在國內(nèi)常規(guī)設(shè)計不會使用機組控制器，而是給APS系統(tǒng)配置獨立的控制器。這樣做的原因有兩種：①APS 系統(tǒng)的獨立性比較強，使用獨立的控制器可以減少對主機邏輯的影響，保證機組運行的安全性；②APS 系統(tǒng)調(diào)試的周期比較長，在調(diào)試的過程中需要頻繁地進(jìn)行邏輯修改，如果使用機組控制器則會影響到機組運行的安全性。綜合以上兩點原因，國內(nèi)火電廠在投運APS 系統(tǒng)時大多會設(shè)置獨立的控制器。

3.2 系統(tǒng)構(gòu)架

機組控制級是整個自啟?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)的最上層。而設(shè)備控制級則是整個自啟?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)的底層。機組控制級是整個APS 系統(tǒng)的核心， 可以根據(jù)機組運行的情況向其它各層級發(fā)送指令， 同時也可以根據(jù)其它層級的控制情況對電氣、鍋爐等系統(tǒng)進(jìn)行控制。機組控制級的存在可以減少人工干預(yù)，從而保證機組運行的穩(wěn)定性、安全性。功能組控制級主要包括鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)、給水系統(tǒng)等。功能子組級是在功能組的控制下工作的，可以對子組內(nèi)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制。設(shè)備控制級直接對閥門、風(fēng)機、變頻器等設(shè)備進(jìn)行控制。APS 系統(tǒng)的啟動方式一共有四種， 但采用何種啟動方式還需要根據(jù)高壓缸調(diào)節(jié)級處內(nèi)缸壁溫度進(jìn)行判斷。如果該溫度低于320℃， 則需要采用冷態(tài)啟動的方式。如果該溫度在320℃和420℃之間，則需要采用溫態(tài)啟動的方式。如果該溫度在420℃和445℃之間，則需要采用熱態(tài)啟動的方式。如果溫度大于445℃，則需要采用極熱態(tài)啟動的方式。

3.3 發(fā)揮計算機技術(shù)特點，設(shè)計全新操作開關(guān)

操作開關(guān)或按鈕是火力發(fā)電廠工藝系統(tǒng)電動機的啟、停，閥門或擋板的開、關(guān)等控制最傳統(tǒng)也是最原始的操作裝置，在鍋爐、汽機、電氣分立控制盤（BTG盤）操作時代被廣泛應(yīng)用，判定機爐系統(tǒng)運行工況和控制設(shè)備運行狀態(tài)完全依靠人工，隨著機組容量的增大，設(shè)備的增多令系統(tǒng)的操作控制變得復(fù)雜、繁瑣。自動控制裝置產(chǎn)生了革命性的變化，操作、監(jiān)控裝置也由原來獨立的開關(guān)、按鈕和指示儀表換成了計算機的鼠標(biāo)、鍵盤和顯示器，其實質(zhì)是計算機輔助控制應(yīng)用于工業(yè)自動化，具有了利用計算機技術(shù)擴充、完善操作開關(guān)功能的基礎(chǔ)條件。計算機技術(shù)包含硬件和軟件兩部分內(nèi)容，如果在應(yīng)用軟件設(shè)計上策略得當(dāng)就可以獲得具有本質(zhì)安全、全方位自動的控制效果。倘若在DCS應(yīng)用邏輯軟件設(shè)計方面還是沿用BTG盤時代的基本思路，不做根本性的改變，盡管應(yīng)用了DCS，也不過是在熱控設(shè)備硬件方面不落時代的步伐，而綜合控制功能只相當(dāng)于電子版的手動操作，APS也無從談起。為實現(xiàn)APS的控制功能，就要從最基礎(chǔ)的設(shè)備操作開關(guān)入手，展開全新的設(shè)計。這種操作開關(guān)應(yīng)該充分利用計算機系統(tǒng)的信息處理能力，因為DCS能夠全方位地采集被控設(shè)備和系統(tǒng)運行有關(guān)的信號，這些信號包括外部設(shè)備的靜止?fàn)顟B(tài)、執(zhí)行過程，邏輯算法的中間值和結(jié)果、電路元器件的品質(zhì)，通過計算機能夠及時地作出綜合判斷和決定設(shè)備以及系統(tǒng)的操作方向，其快速性和正確性無論從時間還是空間上都是人力無法企及的。目前，國內(nèi)應(yīng)用DCS最需要迫切解決的就是操作開關(guān)或按鈕的軟件設(shè)計，尤其是操作開關(guān)或按鈕的智能化邏輯設(shè)計。

3.4 智能化缺省自動式聯(lián)鎖選擇器的應(yīng)用

根據(jù)火力發(fā)電廠工藝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，通常APS控制策略規(guī)劃為四個控制層級，即設(shè)備操作級、單元控制級、系統(tǒng)控制級和機組控制級。智能化選擇器作為全自動過程控制的基礎(chǔ)邏輯，因其智能化程度高，在控制策略應(yīng)用中適應(yīng)能力強，可以在多種場合中靈活應(yīng)用。既可以應(yīng)用于兩臺設(shè)備之間的聯(lián)鎖也能夠用于三臺設(shè)備的相互聯(lián)鎖，除了在設(shè)備聯(lián)鎖中作為標(biāo)準(zhǔn)控制模塊用于構(gòu)建全自動的單元控制級，還能夠在系統(tǒng)的控制中發(fā)揮作用協(xié)調(diào)系統(tǒng)控制的自動啟停。汽輪機凝結(jié)水系統(tǒng)配備了3臺凝結(jié)水泵，布置在順序控制系統(tǒng)級，自動工作方式下汽輪機凝結(jié)水操作器通過選擇器接受APS指令控制，選擇器根據(jù)汽輪機蒸汽負(fù)荷決定凝結(jié)水泵投入臺數(shù)，同時設(shè)計有順序控制、聯(lián)鎖自動和聯(lián)鎖保護(hù)，機組正常運行時兩臺汽動給水泵并列運行，機組啟動過程中先啟動電動給水泵，然后在機組帶上負(fù)荷時進(jìn)行給水泵切換，投入第一臺汽動給水泵，停止電動給水泵，負(fù)荷時投入第二臺汽動給水泵，兩臺汽動給水泵并列運行。機組停機要經(jīng)歷從較高機組負(fù)荷將低到較低負(fù)荷的過程，最終停機停爐，其間機組負(fù)荷降給水泵同樣要進(jìn)行電動給水泵和汽動給水泵的切換操作，投入電泵，停止第一臺汽泵，隨著負(fù)荷繼續(xù)下降再停第二臺汽動給水泵。所以在機組啟動和停止的過程中，電動給水泵和汽動給水泵的切換、兩臺汽動給水泵之間的并列/解列，是必須的操作，缺省自動式選擇器在這個操作過程中為實現(xiàn)過程的起到了全自動控制的作用。

4 解決APS 投運困難的措施

4.1 投運APS 存在的困難

將APS 應(yīng)用于火電廠中不僅可以保證機組運行的安全性和可靠性， 同時還會有很好的經(jīng)濟(jì)效益。但在投運的過程中卻存在各種各樣的問題。通過對火電廠的調(diào)研發(fā)現(xiàn)， 火電廠在投運APS 時存在的困難主要表現(xiàn)在下述幾個方面：（1）設(shè)計方案不完整。在投運APS 時需要有完整的設(shè)計方案。所謂的完整設(shè)計方案是指要提前預(yù)見在投運的過程中可能遇到的各種困難，同時還要對項目的可行性進(jìn)行論證。但現(xiàn)實情況卻并非如此。由于國內(nèi)的設(shè)計人員缺少APS 設(shè)計經(jīng)驗，從而使得設(shè)計方案存在各種缺陷， 無法為APS 的應(yīng)用提供可靠的參考；（2）工藝系統(tǒng)比較復(fù)雜。要想實現(xiàn)自動控制機組啟動、停機，需要使用到多種工藝。這些不同的工藝系統(tǒng)之間必須要具有較高的配合度，這大大增加了設(shè)計的難度。而且，機組運行方式多變，對自動控制系統(tǒng)自身的要求也是比較高。

4.2 在投運APS 時我們應(yīng)借鑒國外的成功經(jīng)驗

通過對國內(nèi)投運APS 存在的困難的分析， 筆者認(rèn)為可以采取下述措施解決這些困難：（1）要提前預(yù)見投運APS 時會遇到的困難。這就要求設(shè)計人員要對投運APS 的可行性進(jìn)行全面地論證， 并給出初步的設(shè)計方案，然后再判斷是否應(yīng)該投運APS；（2）要提前對工藝系統(tǒng)的設(shè)計方案進(jìn)行論證。在初步設(shè)計階段， 應(yīng)組織相關(guān)的人員對工藝系統(tǒng)的設(shè)計方案進(jìn)行全面地分析、評價和論證，確保其中不存在缺陷，保證工藝系統(tǒng)設(shè)計方案的完整性；（3）合理選擇調(diào)試單位。調(diào)試單位的技術(shù)水平和工作經(jīng)驗將會直接影響APS 應(yīng)用的效果。因此，火電廠應(yīng)綜合對比各調(diào)試單位，選擇出具有較高技術(shù)水平、工作經(jīng)驗豐富的調(diào)試單位；（4）汽機廠、調(diào)試單位等參與方應(yīng)積極配合，相互協(xié)調(diào)，為APS 設(shè)計方案提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持；（5）調(diào)試單位應(yīng)提前進(jìn)行仿真模擬，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計方案中存在的問題，對機組運行參數(shù)及時進(jìn)行修改，不斷優(yōu)化運行參數(shù)。此外，還應(yīng)盡可能縮短安裝和調(diào)試時間。

總之， 火電廠投運APS 系統(tǒng)可以大大提高機組運行的安全性和穩(wěn)定性，同時還可以提高火電廠的經(jīng)濟(jì)效益。但為了充分發(fā)揮APS 系統(tǒng)的作用，必須要做好設(shè)計工作，確保APS 系統(tǒng)設(shè)計方案的完整性、可行性和經(jīng)濟(jì)性。

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