APS在水泥余熱發(fā)電DCS系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)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(shè)現(xiàn)代化水泥廠，實現(xiàn)智能化、數(shù)字化生產(chǎn)，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(chǎn)線配套車間，對如何提升水泥余熱發(fā)電生產(chǎn)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(chǎn)過程的自動化系統(tǒng)應(yīng)用于水泥余熱發(fā)電生產(chǎn)。

DCS是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)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(shù)，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(diào)性等特點，在余熱發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)DAS（數(shù)據(jù)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?？刂葡到y(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(shè)備運行工況，按照預(yù)定編輯控制流程程序和設(shè)定參數(shù)，在極少的人工干預(yù)下自動、安全地完成對各個子系統(tǒng)、設(shè)備發(fā)出啟動或停止的指令，實現(xiàn)機組在啟停過程的自動控制。

3 APS的系統(tǒng)架構(gòu)和程序結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

APS控制系統(tǒng)架構(gòu)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(shè)備子組）、設(shè)備級（設(shè)備驅(qū)動單元）。機組級是APS最高控制層級，是APS指令中心，根據(jù)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(shè)備連鎖保護和自動調(diào)節(jié)回路實現(xiàn)機組的自啟停。

APS系統(tǒng)構(gòu)架采用“層級+斷點”方式實現(xiàn)。每一個層級根據(jù)熱力流程的步序階段設(shè)計若干斷點，結(jié)合數(shù)據(jù)采集和邏輯判斷實現(xiàn)不同工況下的步驟選擇和跳轉(zhuǎn)。

3.2 程序結(jié)構(gòu)

APS程序結(jié)構(gòu)的核心是按照預(yù)定的操作順序和流程分階段逐一實現(xiàn)設(shè)備的啟停和控制。

斷點的設(shè)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(xiàn)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(shè)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(jié)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?qū)崿F(xiàn)子組內(nèi)設(shè)備的啟停。

設(shè)備級是直接控制對應(yīng)的工藝設(shè)備，如電動閥門、調(diào)節(jié)風門、泵等，負責發(fā)出指令信號并對設(shè)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(jù)機組的啟停曲線，按照預(yù)先編輯設(shè)定好的程序向功能組級、功能子組級、設(shè)備級發(fā)出啟停指令，實現(xiàn)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(diào)節(jié)系統(tǒng)和ECS電氣控制系統(tǒng)配合實現(xiàn)。

（1）與MCS的聯(lián)系。

MCS通過DAS采集的溫度、壓力數(shù)據(jù)與機組各系統(tǒng)的運行工況進行綜合判斷，再根據(jù)主機設(shè)備的參數(shù)、性能曲線及經(jīng)驗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)模擬量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的定值自動給定和自動調(diào)節(jié)。

APS干預(yù)MCS系統(tǒng)的方式有兩種：設(shè)定值改變、調(diào)節(jié)回路的切換。APS改變設(shè)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(xiàn)，保證不同回路的切換跟蹤無擾。

（2）與SCS的聯(lián)系。

根據(jù)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(jù)控制邏輯協(xié)調(diào)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(chǔ)。

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

（3）與DEH的聯(lián)系。

在APS自動啟動過程中，DEH將在APS的調(diào)度下完成汽機復位、掛閘、沖轉(zhuǎn)、暖機、并網(wǎng)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(shè)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(zhuǎn)速、汽機啟動方式、汽機復位信號、汽機遮斷信號、汽機沖轉(zhuǎn)允許、DEH處APS控制方式、主汽門全開、自動同期允許、沖轉(zhuǎn)完成、DEH升負荷允許、DEH減負荷允許等。

4 APS的設(shè)計

4.1 基本控制模塊設(shè)計

為實現(xiàn)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I(lǐng)N1、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(nèi)指令至組內(nèi)設(shè)備級（電機、閥門）控制模塊，完成相應(yīng)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I(lǐng)N1設(shè)為0、組復位指令設(shè)為1等任一條件滿足，RS觸發(fā)器置0復位，取消組內(nèi)指令。

結(jié)合APS控制基本模塊，可實現(xiàn)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(shè)計

在APS系統(tǒng)投入運行前，部分機組相關(guān)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(yīng)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(jié)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(shè)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(wǎng)、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(shè)備控制模塊，控制設(shè)備的開關(guān)、啟停；通過與MCS系統(tǒng)對接實現(xiàn)控制自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的投切。當功能組內(nèi)設(shè)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(zhuǎn)、并網(wǎng)、升負荷的過程中，APS通過與DEH數(shù)據(jù)交換對汽機進行調(diào)速的指令。

鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)采用給水全程控制，上水過程采用單沖量控制；并網(wǎng)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(jù)APS指令及相關(guān)工藝條件進行切換。

5 總 結(jié)

APS的設(shè)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(shè)現(xiàn)代化水泥工廠實現(xiàn)智能生產(chǎn)的必然要求。目前將APS技術(shù)應(yīng)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(shù)的應(yīng)用在水泥余熱發(fā)電控制系統(tǒng)仍處于初級階段，從技術(shù)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。