火力發(fā)電機組自啟停（APS）系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計方案

文/鄭鍇

1 APS系統(tǒng)概述

隨著發(fā)電機組容量的不斷增大，參數(shù)提高，設(shè)備增多，各子系統(tǒng)聯(lián)系更加緊密，且運行工況更加多變，從而使機組運行風(fēng)險及運行員的操作難度加大。尤其是在機組啟停階段，運行員需要操作監(jiān)視大量的設(shè)備和參數(shù)。APS是基于機組自動啟停控制思想，建立在常規(guī)機組分散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上的頂層控制邏輯。APS既能夠?qū)崿F(xiàn)機組按照規(guī)定程序安全可靠、經(jīng)濟高效的實現(xiàn)自啟停操作，同時可確保機組安全穩(wěn)定、提高自動化水平、減輕運行員的工作強度，是國內(nèi)外火力發(fā)電廠自動化提高和發(fā)展的一個重要方向。本文主要針對目前APS 的兩種技術(shù)方案進(jìn)行了探討研究。

2 APS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

APS 系統(tǒng)為最高層機組級的控制系統(tǒng)，APS 是基于整套機組自動啟?？刂扑枷?，由建立在常規(guī)控制系統(tǒng)(原有的DCS 系統(tǒng))基礎(chǔ)上的上層控制邏輯(APS 邏輯)與優(yōu)化后的原有控制系統(tǒng)共同實現(xiàn)的。在沒有投入APS 的情況下，DCS 常規(guī)控制系統(tǒng)可獨立于APS 實現(xiàn)對電廠的控制。在APS 投入時，常規(guī)控制系統(tǒng)給APS 提供支持，實現(xiàn)對機組的自動啟/?？刂啤?/p>

APS 的整體結(jié)構(gòu)采用金字塔形結(jié)構(gòu)，總體上分4 層，即機組控制級、功能組控制級、功能子組控制級和單個設(shè)備控制級。機組控制級是整個機組啟?？刂频墓芾碇行模鶕?jù)系統(tǒng)和設(shè)備的運行情況，向底層功能組、功能子組發(fā)出啟動和退出的指令，保證機組的安全運行。完善的功能組和功能子組設(shè)計和調(diào)試是實現(xiàn)APS 的基本保障。單個設(shè)備控制級接受功能組或功能子組控制級來的命令，與生產(chǎn)過程直接聯(lián)系。

圖1

采用上述分層控制方式，每層的任務(wù)明確，層與層之間接口界限分明，同時，4 層之間的聯(lián)系密切可靠。這種分層的結(jié)構(gòu)將整個機組控制化大為小，將復(fù)雜的控制系統(tǒng)分成若干個功能相對獨立和完善的功能組，減輕了機組控制級統(tǒng)籌全廠控制的壓力，簡化了控制系統(tǒng)的設(shè)計。機組控制級主要完成各功能組和系統(tǒng)的銜接，減少了和具體設(shè)備的連接，方便了各系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試，但對底層功能組的設(shè)計提出了較高要求。

實現(xiàn)機組自啟停機組控制級多采用斷點控制方式。斷點方式就是將機組啟動和停止過程根據(jù)機組工藝控制順序分為若干個子過程來完成。每個斷點的執(zhí)行均需人為確認(rèn)才能開始。采用斷點控制方式，各斷點既相互聯(lián)系又相互獨立，只要條件滿足，各斷點均可獨立執(zhí)行，適合火電機組多種多樣的運行方式，符合電廠生產(chǎn)過程的工藝要求。

典型的機組APS 系統(tǒng)，啟動過程可設(shè)計6 個斷點：機組準(zhǔn)備斷點、鍋爐啟動斷點、汽機沖轉(zhuǎn)斷點、機組并網(wǎng)斷點及升負(fù)荷斷點。

停止過程設(shè)計3 個斷點：降負(fù)荷斷點1、降負(fù)荷斷點2 斷點及機組停機斷點。

以上述架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

3 APS系統(tǒng)機組控制級（斷點程序）的兩種實現(xiàn)方法

3.1 常規(guī)的斷點程序設(shè)計

常規(guī)的斷點程序設(shè)計與下層的功能組設(shè)計類似，是由程控的框架結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，故有的項目斷點程序也稱為機組級程控。

但由于部分?jǐn)帱c控制范圍廣，步驟多。為了調(diào)試方便，在基本程控的功能上需要增加可單步運行的功能，即單步運行時斷點某步完成后可停留在此步，但手動步進(jìn)操作才執(zhí)行下一步。另外需可跳步的功能，用于調(diào)試期間某一控制功能由于邏輯或者工藝設(shè)備故障無法繼續(xù)執(zhí)行時，人為跳步操作后可繼續(xù)其余控制功能的調(diào)試。

由于機組啟停過程復(fù)雜，而程控結(jié)構(gòu)主要是實現(xiàn)順序串行的控制功能。而機組啟停過程有可能有是多個并行實現(xiàn)的、或者其前后順序是不固定的而是根據(jù)實際工藝條件決定先后順序的控制功能。此部分控制功能用程控結(jié)構(gòu)不方便實現(xiàn)。

例如機組降負(fù)荷斷點程序中，在機組降負(fù)荷到50%，且停到保留3 臺磨煤機后，需進(jìn)行降負(fù)荷至35%、切為汽機TF 方式、第一臺汽泵退泵、啟動微油或大油槍的操作。這些操作有可能同時開始進(jìn)行，也有可能根據(jù)其他工藝條件來決定其先后執(zhí)行的順序。這樣的斷點程序用程控結(jié)構(gòu)實現(xiàn)較為困難。

3.2 模塊化架構(gòu)設(shè)計

3.2.1 分層分級的設(shè)計思想

（1）第一層為操作管理邏輯及斷點過程程序，其作用為選擇和判斷APS 是否投入，是選擇啟動模式還是停止模式，以及各斷點邏輯。

（2）第二層是模塊化設(shè)計的斷點下的各步驟，即APS 子模塊，在允許條件滿足時發(fā)出子模塊指令，并判斷子模塊完成條件是否滿足。

（3）第三層子控制回路級，接受APS 子模塊指令，執(zhí)行具體動作。

3.2.2 APS 啟停機程序方案設(shè)計

（1）APS 啟機投入前，需先設(shè)置APS 鍋爐啟動方式，分為鍋爐熱態(tài)啟動、鍋爐溫態(tài)啟動、鍋爐冷態(tài)啟動。APS 鍋爐啟動方式可選擇手動設(shè)置及自動選擇。鍋爐自動選擇時根據(jù)鍋爐點火前的鍋爐分離器出口溫度自動判斷。汽機的啟動方式由汽機DEH 邏輯給出，一般根據(jù)汽機掛閘時的調(diào)節(jié)級溫度自動判斷。APS 啟機主畫面中相關(guān)運行人員操作按鈕為：啟動方式自動選擇、啟動方式選擇冷態(tài)、啟動方式選擇溫態(tài)、啟動方式選擇熱態(tài)。并自動選擇合理的升溫升壓率、升速率及升負(fù)荷率，在保證機組最佳壽命情況下合理的啟動。一般來說，在并網(wǎng)前，燃料指令增加的速度由鍋爐啟動方式?jīng)Q定；汽機沖轉(zhuǎn)升速率以及在并網(wǎng)后燃料指令增加的速度由汽機啟動方式?jīng)Q定。

（2）APS 啟機投入前，還必須投入相關(guān)的外圍系統(tǒng)，包括壓縮空氣系統(tǒng)，化學(xué)凝補水系統(tǒng)、灰處理系統(tǒng)等具備投入條件、廠用電源正常。條件滿足后可投入APS 啟動模式或APS 停機模式。

（3）APS 啟動模式與APS 停機模式互相閉鎖。APS 啟機主畫面中相關(guān)運行人員操作按鈕分為選擇APS 啟機模式、退出APS 模式。APS 停機主畫面中相關(guān)運行人員操作按鈕分為選擇APS 停機模式、退出APS 模式。

（4）APS 啟機及APS 停機程序各分為數(shù)個APS 斷點。APS 啟機或APS 停機選擇后，可選擇APS 啟機或APS 停機下的各斷點程序（各斷點程序設(shè)計有選中、復(fù)位選擇按鈕），各斷點選中邏輯有互相閉鎖的功能，及某各斷點選中后，自動復(fù)位選擇之前已選中的斷點，另若判斷某斷點已完成，則該斷點之前的斷點不允許被選中。某斷點程序選中后，可啟動APS 啟機過程。APS 模式退出時自動復(fù)位APS 啟機過程信號。

（5）在APS 啟機過程啟動中，若選中的斷點程序啟動條件滿足，則自動執(zhí)行該斷點。某斷點在執(zhí)行中時對該斷點的執(zhí)行時間計時，并在APS 主畫面顯示。某斷點執(zhí)行完畢后，自動復(fù)位APS 啟機過程。需人為或自動選擇下一斷點后，再置位APS 啟機過程啟動。退出APS 模式自動復(fù)位APS 啟機過程；APS 啟機過程復(fù)位時自動復(fù)位已選中的斷點程序。

（6）斷點程序下的各執(zhí)行步驟按模塊化設(shè)計，即斷點下的各執(zhí)行步驟均為APS 的子模塊。各子模塊功能有可能是啟動某功能組，也可能是對某些設(shè)備直接操作，或?qū)δ骋豢刂谱咏MSCL 聯(lián)鎖邏輯投入（投入后，此控制子組根據(jù)聯(lián)鎖條件自動執(zhí)行相關(guān)操作）。

（7）該斷點選擇后，可手動投入該斷點下的各子模塊的選擇。該斷點復(fù)位后，自動復(fù)位該斷點下的各子模塊。運行人員也可對選中的子模塊手動復(fù)位。各子模塊設(shè)計如下操作按鈕：選擇按鈕、不選擇按鈕、復(fù)位按鈕、超馳按鈕、手動啟動按鈕。各子模塊需設(shè)計該模塊的啟動允許條件、完成條件。某斷點在執(zhí)行中，若該斷點某子模塊已選中，則當(dāng)該子模塊APS模塊自動啟動條件滿足時自動執(zhí)行該子模塊。在超馳狀態(tài)下，可手動啟動該模塊。

（8）APS 啟機過程啟動時可手動暫停，暫停后對當(dāng)前運行的模塊閉鎖指令發(fā)出，但對已到設(shè)備或程控的脈沖指令不做限制（即不會自動暫停已觸發(fā)啟動的底層程控）。APS 啟機過程暫停后可手動再次啟動，即讓運行的模塊指令再次發(fā)出。

（9）在APS 的調(diào)試初期，對斷點程序下各子模塊的選擇操作時，可一次選擇一個子模塊，待該子模塊完成后，再選擇下一個子模塊（類似程控邏輯的單步執(zhí)行操作）?？杀苊庥捎谀匙幽K的啟動條件設(shè)計不完備，不該同時執(zhí)行的子模塊同時執(zhí)行的問題。

（10）備用設(shè)備啟動原則：設(shè)備工作位由運行人員提前選擇，工作位設(shè)備啟動完成后由運行人員（或程控自動）投入另一臺設(shè)備備用。

（11）APS 設(shè)計應(yīng)包括機組啟停機相關(guān)的主要系統(tǒng)。為了簡化APS 的設(shè)計，某些輔助系統(tǒng)的啟停功能可不納入APS 的斷點中，可設(shè)計獨立于APS 斷點的APS 子模塊（SLC 子組或程控功能組）。獨立于APS 斷點的APS子模塊（SLC 子組或程控功能組）需人為手動啟動。若在APS 設(shè)計初期，納入APS 系統(tǒng)的范圍過大，由于機組啟動調(diào)試時間有限，部分系統(tǒng)難以在機組投產(chǎn)前調(diào)試完備。所以應(yīng)先確定機組主要步序。對于部分輔助系統(tǒng)，可設(shè)計獨立的功能組順控，待輔助系統(tǒng)功能組調(diào)試完備后，再由APS 系統(tǒng)某子模塊調(diào)用，即可納入機組APS 系統(tǒng)。

（12）APS 啟動模式下，燃料主控、鍋爐主控、機組主控自動的投入關(guān)系如下：燃料主控投自動前燃料主控指令跟蹤實際燃料量。APS 啟動模式時，在啟動第一臺磨煤機后即投入燃料主控，此時燃料指令以一定速率（由機組啟動方式?jīng)Q定）增加至15%燃料量（在熱態(tài)沖洗時維持當(dāng)前燃料量，熱態(tài)沖洗完成后繼續(xù)增加）。此時，鍋爐主控處于手動方式，也跟蹤實際燃料量。機組并網(wǎng)并帶15%負(fù)荷后，投入鍋爐主控主控自動，此時鍋爐主控接受APS 指令，燃料主控接受鍋爐主控指令。機組并網(wǎng)并帶25%負(fù)荷后，機組主控投入自動，機組主控接受APS 負(fù)荷指令繼續(xù)升負(fù)荷，機組進(jìn)入機爐協(xié)調(diào)方式。

3.2.3 實現(xiàn)的可行性分析

（1）模塊化架構(gòu)設(shè)計的斷點程序，不改變上述的APS 的4 層結(jié)構(gòu)。僅是上層機組控制級用模塊化架構(gòu)設(shè)計。以程控構(gòu)架設(shè)計的斷點程序，APS 斷點斷點程序程控邏輯的每一步觸發(fā)各相對獨立的控制功能。以模塊化架構(gòu)設(shè)計的斷點程序以各個獨立的斷點模塊觸發(fā)各相對獨立的控制功能。即原來的斷點程控邏輯的每一步，重新定義為各個獨立的斷點模塊。

（2）自動啟動或手動啟動的斷點模塊，發(fā)出該斷點模塊控制指令。通過控制指令啟動下層功能組邏輯（或聯(lián)鎖邏輯）。每個斷點模塊需判斷其控制功能的完成條件，完成條件滿足后顯示該斷點模塊已執(zhí)行完畢，同時不再發(fā)出控制指令。

（3）以上3 種運行方式，各斷點模塊均可人為操作復(fù)位退出，退出后各斷點模塊均不再發(fā)出控制指令。也可設(shè)計某些條件（如MFT 跳閘，斷點程序已復(fù)位等）自動復(fù)位，自動復(fù)位退出后也不再發(fā)出控制指令。

4 兩種斷點程序?qū)崿F(xiàn)方法的優(yōu)缺點分析

由于模塊化架構(gòu)設(shè)計的斷點程序結(jié)構(gòu)上更加靈活，可實現(xiàn)串行、并行、分支、跳轉(zhuǎn)的邏輯關(guān)系，更方便實現(xiàn)APS 復(fù)雜過程的控制。

4.1 對于調(diào)試、組態(tài)修改也更為方便

（1）在調(diào)試初期，當(dāng)僅部分控制功能具備調(diào)試條件時，模塊化架構(gòu)設(shè)計的斷點程序可以手動啟動某一個斷點模塊。程控架構(gòu)設(shè)計的斷點程序即使設(shè)計可單步運行的功能，也不易實現(xiàn)程控中單獨某幾步的調(diào)試。

（2）在調(diào)試期間，APS 下層某一控制功能由于邏輯或者工藝設(shè)備故障，無法繼續(xù)執(zhí)行，程控架構(gòu)實現(xiàn)斷點程序只能將程序復(fù)位，復(fù)位后其余步驟無法調(diào)試?；蛘咴O(shè)計可跳步功能。模塊化架構(gòu)設(shè)計的斷點程序由于各模塊較為獨立，某一模塊故障后，其余模塊可繼續(xù)運行調(diào)試。

（3）在設(shè)計與調(diào)試期間，APS 系統(tǒng)方案若需增加某一控制功能或刪除某一控制功能，程控架構(gòu)實現(xiàn)斷點程序需在程控中增加或刪除步驟，該步驟后續(xù)的各步驟信號均需重新連接。不管是APS 系統(tǒng)方案增加某一控制功能或刪除某一控制功能，或者是調(diào)整控制功能的先后順序，模塊化架構(gòu)設(shè)計的斷點程序修改均較為方便。

4.2 模塊化架構(gòu)設(shè)計的斷點程序需注意以下兩點

（1）模塊化架構(gòu)設(shè)計的斷點程序，斷點模塊的自動啟動條件可能不僅是上一個斷點模塊完成，需針對性的設(shè)計各個斷點模塊的自動啟動條件。

（2）程控架構(gòu)設(shè)計的斷點程序，每個斷點程序均有一個類似程控面板的斷點程序畫面，比較直觀的看出各步驟的先后順序，以及各步驟的完成條件。而模塊化架構(gòu)設(shè)計的斷點程序由于各斷點模塊較為獨立，一般僅設(shè)計APS 系統(tǒng)主畫面而不設(shè)計斷點程序畫面。對于部分自動啟動條件或完成條件復(fù)雜的斷點模塊，需設(shè)計斷點模塊的幫助面板，以便于運行操作人員監(jiān)視。

5 結(jié)語

本文介紹了火力發(fā)電廠百萬機組自啟停（APS）系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，并詳細(xì)描述了自啟停（APS）系統(tǒng)最上層結(jié)構(gòu)機組控制級（斷點程序）的兩種實現(xiàn)方式：程控架構(gòu)設(shè)計的斷點程序及模塊化架構(gòu)設(shè)計的斷點程序，并比較了兩種實現(xiàn)方式的特點，可供其他電廠參考設(shè)計。