嵌入式數(shù)字仿真系統(tǒng)在火電機(jī)組自啟停系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用研究

寧夏京能寧東發(fā)電有限責(zé)任公司 程俊杰

隨著火電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的逐步提高，對控制系統(tǒng)性能要求更加嚴(yán)格，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，各參數(shù)間相互耦合關(guān)聯(lián)，當(dāng)機(jī)組工況、煤種及設(shè)備特性變化時，要求能快速調(diào)整控制系統(tǒng)參數(shù)、改變控制策略以滿足控制要求。另外，隨著電網(wǎng)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、新能源比重大幅增加，電網(wǎng)對火力發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)速率、調(diào)峰水平及啟停調(diào)峰頻次等要求越來越高，這就對檢修及運(yùn)行人員操作和管理水平提出更高要求，傳統(tǒng)手動啟停機(jī)組的方式已難以滿足新階段下電網(wǎng)對火電機(jī)組的要求，在此背景下，智慧電廠建設(shè)的探索和實(shí)踐日新月異，自動啟停已成為火電機(jī)組的一項(xiàng)基礎(chǔ)要求。

1 APS系統(tǒng)現(xiàn)狀概述

機(jī)組自動啟?？刂葡到y(tǒng)簡稱APS系統(tǒng)，是一個機(jī)組級的順控系統(tǒng)，通過相關(guān)的邏輯對其它順控功能組、FSSS、MCS、汽機(jī)控制系統(tǒng)、旁路控制系統(tǒng)等發(fā)出控制指令來完成機(jī)組的自啟?？刂?。機(jī)組自啟停系統(tǒng)的控制概念，早在上世紀(jì)80年代、即在火電控制領(lǐng)域出現(xiàn)并逐漸得到應(yīng)用，是衡量火電機(jī)組自動化水平高低的一個重要因素。早先國內(nèi)電廠從國外成套引進(jìn)的機(jī)組有一部分設(shè)計有APS功能，各電廠運(yùn)行情況不盡相同，整體使用效果不佳[1]。

近來新建機(jī)組大多要求配置機(jī)組自啟停系統(tǒng)，部分已投運(yùn)機(jī)組也利用機(jī)組檢修、改造時機(jī)對機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，開發(fā)和引進(jìn)了機(jī)組自啟停系統(tǒng)，但目前國內(nèi)火電機(jī)組自啟停系統(tǒng)可用性較差、利用率較低，在很多電廠形同虛設(shè)，實(shí)際啟機(jī)過程中運(yùn)行人員很少使用，個別電廠的APS系統(tǒng)未經(jīng)充分調(diào)試倉促投運(yùn)，甚至出現(xiàn)指令信號連接錯誤導(dǎo)致機(jī)組非停的后果，上述情況的出現(xiàn)主要原因如下。

1.1 開發(fā)試運(yùn)時間不足

技改機(jī)組可用于邏輯修改的時間不足，技改周期一般不超過三月，全部系統(tǒng)停運(yùn)時間不超過兩個月，減去機(jī)組各項(xiàng)試驗(yàn)占用的時間，真正可用于機(jī)組自啟停系統(tǒng)開發(fā)的時間較短；新建機(jī)組雖有較長的建設(shè)周期，但在建設(shè)前期主要開展基礎(chǔ)建設(shè)，受控設(shè)備尚未安裝調(diào)試，底層控制邏輯不存在，構(gòu)筑于底層控制邏輯之上的機(jī)組自啟停系統(tǒng)更是無從談起。機(jī)組建設(shè)后期可開展系統(tǒng)開發(fā)和邏輯組態(tài)工作、但試運(yùn)時機(jī)不足。自啟停系統(tǒng)需控制機(jī)組絕大多數(shù)設(shè)備邏輯修改量極大，難免出現(xiàn)各種錯誤，另外控制方式本身是一個不斷調(diào)整、不斷優(yōu)化的過程，試圖通過少數(shù)幾次優(yōu)化和調(diào)整來實(shí)現(xiàn)自啟停系統(tǒng)的完美運(yùn)行，這種想法本身不切合實(shí)際[2]。

1.2 邏輯下裝限制

火電機(jī)組的控制是一個龐大精密的控制系統(tǒng)，時刻進(jìn)行著毫秒級的閉環(huán)控制，個別子系統(tǒng)的控制周期達(dá)到20毫秒級的精度，機(jī)組運(yùn)行期間在線下裝會打斷閉環(huán)運(yùn)算程序，存在極大的安全隱患，另外火電廠管理規(guī)范明確規(guī)定，機(jī)組運(yùn)行期間不能隨意對DCS控制器進(jìn)行下裝，必須下裝時要做好相應(yīng)安全措施并報總工程師批準(zhǔn)。受限于上述原因，機(jī)組運(yùn)行期間難以進(jìn)行大范圍的邏輯下裝，導(dǎo)致機(jī)組自啟停系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)度緩慢，即使排除困難完成了個別邏輯的下裝工作，由于機(jī)組參數(shù)相互影響、控制系統(tǒng)相互耦合、并受機(jī)組工況和負(fù)荷情況影響，難以取得最優(yōu)的調(diào)試效果、且調(diào)試周期極長。在調(diào)試過程中，如出現(xiàn)需改變控制策略的情況則又必須等待機(jī)組停運(yùn)時機(jī)，上述種種原因?qū)е聶C(jī)組自啟停系統(tǒng)的開發(fā)、調(diào)試工作阻礙重重，推進(jìn)困難。

2 嵌入式數(shù)字仿真系統(tǒng)在APS開發(fā)中應(yīng)用

2.1 火電機(jī)組仿真系統(tǒng)發(fā)展歷程

我國火電機(jī)組仿真技術(shù)的研究應(yīng)用較早，發(fā)展迅速，在硬件結(jié)構(gòu)到仿真程度上，發(fā)生了多次的演變和迭代，在仿真硬件結(jié)構(gòu)方面，從二十世紀(jì)七十年代的大型機(jī)逐步發(fā)展到八十年代采用模擬DCS技術(shù)的電站仿真機(jī)，九十年代出現(xiàn)了采用DCS硬件的高精度電站仿真機(jī)，2000年以后，主流的仿真系統(tǒng)全部采用虛擬控制器技術(shù)的高精度電站仿真機(jī)，在仿真程度上，從早期的機(jī)組工藝流程仿真發(fā)展到有較高精度的基于工程經(jīng)驗(yàn)和邏輯關(guān)系的電廠模型仿真，目前已發(fā)展到與實(shí)際DCS控制系統(tǒng)同平臺的基于質(zhì)量、能量、動量守恒的高精度機(jī)理模型仿真[3]。

2.2 自啟停系統(tǒng)與數(shù)字仿真系統(tǒng)結(jié)合開發(fā)的研究現(xiàn)狀

高精度嵌入式數(shù)字仿真系統(tǒng)與機(jī)組自啟停系統(tǒng)結(jié)合開發(fā)的模式，在國外尚無成熟的先例，目前美國艾默生過程控制公司正在開發(fā)基于一體化仿真系統(tǒng)的控制系統(tǒng)優(yōu)化模型，能夠與實(shí)際過程控制系統(tǒng)深度融合、無縫連接，但該系統(tǒng)主要側(cè)重點(diǎn)在機(jī)組設(shè)備的高精度仿真，主要用于保證仿真系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)時一致性，不側(cè)重與控制系統(tǒng)的開發(fā)和優(yōu)化。目前國內(nèi)機(jī)組通過嵌入式數(shù)字仿真系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)組自啟停開發(fā)的模式尚處于空白狀態(tài)，個別電廠進(jìn)行了單純的嵌入式仿真系統(tǒng)的開發(fā)嘗試但僅用于人員培訓(xùn)，尚未有將嵌入式仿真系統(tǒng)用于控制策略優(yōu)化的先例。

2.3 嵌入式數(shù)字仿真系統(tǒng)與機(jī)組自啟停系統(tǒng)聯(lián)合開發(fā)

對于將機(jī)組自啟停系統(tǒng)與高精度嵌入式數(shù)字仿真系統(tǒng)結(jié)合，通過開發(fā)1:1鏡像仿真系統(tǒng)來提高控制系統(tǒng)性能、加快APS開發(fā)進(jìn)度的研發(fā)模式，能夠克服APS開發(fā)過程中存在的固有矛盾，對發(fā)電機(jī)組自動啟停系統(tǒng)的推廣和智慧電廠的建設(shè)具有良好的推動作用[4]。

2.3.1 縮短APS系統(tǒng)開發(fā)周期

在大容量超臨界火電機(jī)組運(yùn)行過程中，長周期運(yùn)行、極短時間內(nèi)快速啟停調(diào)峰成為新的特點(diǎn)，很難有較長的機(jī)組停運(yùn)時間段和反復(fù)多次的啟停時機(jī)用于機(jī)組APS的開發(fā)和調(diào)試，另外以目前660MW級超臨界機(jī)組為例，單臺機(jī)組網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)庫傳輸點(diǎn)數(shù)近20萬點(diǎn)，自動控制系統(tǒng)控制回路近150套，各測點(diǎn)之間相互影響，各控制系統(tǒng)之間相互耦合，導(dǎo)致控制參數(shù)之間的相互影響關(guān)系需要反復(fù)試驗(yàn)才能確定，控制策略的優(yōu)化需相當(dāng)長的時間周期才能成熟。

通過基于嵌入式仿真技術(shù)的控制系統(tǒng)開發(fā)，可不限于機(jī)組是否運(yùn)行、不限于工況條件是否許可，快速完成機(jī)組自啟?？刂撇呗缘膬?yōu)化和開發(fā)，快速進(jìn)行模擬試驗(yàn)，反復(fù)進(jìn)行迭代優(yōu)化，盡可能保證控制策略符合現(xiàn)場工況實(shí)際、符合機(jī)組設(shè)備特性，大幅提高機(jī)組自啟停系統(tǒng)開發(fā)效率，從項(xiàng)目前期的控制方式組態(tài)到最終的系統(tǒng)投運(yùn)，總工期可控制在半年以內(nèi)，對機(jī)組停運(yùn)時間的要求可控制在60天以內(nèi)，一般的機(jī)組大修周期即可完成。

2.3.2 提高APS系統(tǒng)可靠性

受APS系統(tǒng)開發(fā)開發(fā)時間不足、試運(yùn)時機(jī)較少等因素影響，目前火電機(jī)組APS系統(tǒng)普遍存在可靠性不足、故障率較高等問題，甚至出現(xiàn)了因投運(yùn)APS系統(tǒng)導(dǎo)致機(jī)組非停、設(shè)備損壞的事故，導(dǎo)致火電機(jī)組基層運(yùn)行人員對APS系統(tǒng)的態(tài)度較為消極，部分火電機(jī)組APS系統(tǒng)形同虛設(shè)，要么只能小范圍使用、要么僅在安全風(fēng)險小的輔助系統(tǒng)使用，個別企業(yè)完全閑置。

嵌入式數(shù)字仿真系統(tǒng)采用與實(shí)際DCS同平臺的控制系統(tǒng)，采用相同組態(tài)工具，具有完全一致的操作風(fēng)格，能夠在不需轉(zhuǎn)換的情況下直接使用DCS測點(diǎn)、畫面、邏輯及數(shù)據(jù)，能夠?qū)C(jī)組實(shí)際的DCS控制邏輯完全導(dǎo)入到仿真系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)的組態(tài)邏輯、畫面和測點(diǎn)同樣能完全無差別的移植到實(shí)際DCS中，可消除人為轉(zhuǎn)換存在的失誤和錯誤，在仿真系統(tǒng)試驗(yàn)無誤的控制邏輯，移植到DCS中后可直接投運(yùn)。

對于復(fù)雜控制系統(tǒng)，一般的控制邏輯能夠保證在正常工況和理想?yún)?shù)下穩(wěn)定運(yùn)行，一旦發(fā)生外部擾動或故障，運(yùn)行工況偏離正常范圍，控制系統(tǒng)會發(fā)生大幅度擾動，在未充分考慮異常工況下的應(yīng)對策略的情況下，很可能導(dǎo)致控制系統(tǒng)紊亂，非但不能產(chǎn)生有益的控制，而且可能導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行工況進(jìn)一步惡化甚至發(fā)生事故，近年來發(fā)生的控制系統(tǒng)故障很大比例都屬于外部小故障誘發(fā)非正常工況，而控制系統(tǒng)未經(jīng)充分的容錯考慮和異常應(yīng)對設(shè)置，導(dǎo)致故障進(jìn)一步擴(kuò)大，最終釀成事故。

而嵌入式數(shù)字仿真系統(tǒng)可進(jìn)行多次的試驗(yàn)和驗(yàn)證，及早暴露問題，發(fā)現(xiàn)控制邏輯的不完善之處，特別是在動態(tài)擾動、外部故障等非正常工況下可反復(fù)核查控制邏輯是否嚴(yán)謹(jǐn)全面，能否能經(jīng)受非正常工況的考驗(yàn)，是否涵蓋可能出現(xiàn)的各種工況，大幅提高控制系統(tǒng)的容錯性和可靠性。經(jīng)反復(fù)仿真試驗(yàn)后投入使用的機(jī)組自啟停系統(tǒng)，能夠最大程度消除常見隱患，具備極大的可靠性和可用性，能夠經(jīng)受多種運(yùn)行工況的考驗(yàn)，某660MW機(jī)組自APS系統(tǒng)投運(yùn)以來運(yùn)行可靠穩(wěn)定，成為了運(yùn)行人員的得力幫手，獲得了運(yùn)行人員的信賴。

2.3.3 完善控制邏輯

常規(guī)仿真系統(tǒng)采用單獨(dú)的組態(tài)平臺，與機(jī)組DCS系統(tǒng)邏輯不能相互通用，個別仿真系統(tǒng)雖能采用與DCS系統(tǒng)相同的控制平臺，但采用早期基于經(jīng)驗(yàn)和邏輯的仿真系統(tǒng)，不能準(zhǔn)確仿真系統(tǒng)運(yùn)行工況，更不易發(fā)現(xiàn)機(jī)組DCS控制邏輯中本身的錯誤和不完善之處，嵌入式數(shù)字仿真系統(tǒng)能完全移植實(shí)際DCS控制邏輯，通過自啟停系統(tǒng)的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組從冷態(tài)到滿負(fù)荷的全程自動控制，通過人為觸發(fā)故障或改變運(yùn)行工況模擬異常狀態(tài)下控制邏輯的可靠性，發(fā)現(xiàn)存在的錯誤和隱性問題，消除安全隱患，完善機(jī)組控制邏輯，保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

綜上，嵌入式數(shù)字仿真系統(tǒng)與機(jī)組自啟停系統(tǒng)結(jié)合開發(fā)的方式，是仿真技術(shù)發(fā)展和智慧電廠建設(shè)需求相結(jié)合的產(chǎn)物，該技術(shù)的出現(xiàn)為機(jī)組自啟停系統(tǒng)的開發(fā)插上了騰飛之翼，消除了自啟停系統(tǒng)開發(fā)面臨的固有難題，以極高的效率和極大的可靠性把發(fā)電機(jī)組自啟停系統(tǒng)的開發(fā)工作推進(jìn)到了實(shí)用的階段。以西北電網(wǎng)某廠為例，從合同簽訂到系統(tǒng)投運(yùn)，前后耗時僅半年即可實(shí)現(xiàn)機(jī)組全程自動啟動，運(yùn)行效果良好，運(yùn)行人員信賴，該方式的采用已成為機(jī)組自啟停系統(tǒng)開發(fā)、控制邏輯優(yōu)化的利器，有力助推了智慧電廠建設(shè)的進(jìn)程。可以相信，隨著仿真技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化將越來越成熟可靠，控制系統(tǒng)將越來越完善。