燃煤机组APS应用研究

张建江，陈 卫

（浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

0 引言

我国自二十世纪九十年代引进DCS（分散控制系统）以来，经过十几年的消化、吸收，技术人员已逐步掌握了先进的电厂控制关键技术，并从努力满足机组正常、稳定运行为主，转变为提高机组控制品质、整体自动控制水平及增加机组运行的可靠性、安全性、经济性。

在此背景下，APS（火电厂自启停控制系统），俗称“一键启动”应运而生。APS是电站单元机组高度自动化的控制系统，建立在CCS（单元机组协调控制系统）、DEH（汽机电液调节系统）、BMS（锅炉燃烧管理系统）和锅炉、汽机及相应辅机SCS（顺序控制系统）的基础上，是机组启停调度、信息管理与指令控制的中心。APS根据机组启停曲线、按规定程序发出各个系统、子系统及设备的启停指令，使机组按照规定的程序自动完成设备的启停，不仅能大大简化运行人员的操作，减少误操作的可能，而且能提高机组运行的安全可靠性，提高机组经济效益。

浙江省电力公司电力科学研究院多年前就开始了在该领域的尝试，从子系统的顺序控制开始，到整机APS的研究，取得了一定成果，已在脱硫系统、燃机工程成功实施了APS，在超临界燃煤机组的基建过程中，设计了一键启动功能。立足于开发功能全面、自动化程度及容错能力突出、能真正应用于实际生产中的APS控制系统，课题小组从多环节入手，着重解决了存在的难点问题及薄弱环节。

1 当前APS存在的不足与难点

现有APS的不足主要体现在断点设置过多、容错能力不足、智能化程度不高、执行“一键启动”操作前要先满足准备条件，与电厂设备管理及操作规程有一定冲突。

（1）现有APS普遍存在断点设置过多，原因是多方面的，主要有手动设备过多、传感器设置不足、设备可靠性不高、自动程序智能化程度不够等。近年来，大多新建机组在“缺电”的背景下上马，多数工程追求“短平快”，项目实施周期短；另一方面又要求节省投资，在设计时就减配了部分自动化设备，包括传感器，而且设备招标屡屡采用最低价中标方式，可靠性并不好的设备得以进入电厂，尤其在一些平时关注程度不高的辅助系统中，该现象更为突出。如果仅依靠手动操作或就地监视，虽能满足机组正常运行的要求，但对于APS则是无法跨越的门槛，尤其是疏水、放气、暖管等相关设备，如果采用手动设备或者测点布置不足，就会造成程序无法自动执行，而上述步骤在机组启动过程中却至关重要，在疏水、放气、暖管不充分的情况下仓促投用设备极易造成水击，对设备、管道造成严重破坏。在APS程序设计中如遇到上述情况，通常采用设置断点的方法，中断程序，待操作人员完成操作并确认后再继续执行。如此一来，断点设置过多就无法避免，使得APS程序不能连贯执行。

当断点设置过多或者基础程控不够完善时，能采用的处理方式是在APS执行前先由运行人员将需要的系统条件准备好，再执行程序，这在某种程度上就与APS的设计初衷相违背了，APS应该是全天候、全方位的，无论机组或系统处于何种状态，程序都应该有自动识别并执行的功能。只有尽量少地采用手动干预，才能发挥APS的优势。

（2）实现APS的另一困难是，在大型设备或系统投运前，必须要经过就地巡视检查，待确认无误后方可启动，主要涉及一些手动设备，比如油系统、冷却水系统，都有为数不少的手动阀，系统投用前其状态的确认必须由巡检人员在现场完成。此类设备往往由厂家供货，将其改为自动设备是不现实的。而APS是追求连贯性的，在条件满足后会自动执行下一步骤，无法兼顾超出监控范围的内容。因此APS还应该包括一套与主体程序相配套的条件检查、确认程序，可以用操作票形式出现，结合电厂运行规程，列举所需检查确认的全部项目，在APS主体程序执行前一并完成。此外还应包括设备状态监视、设备运行管理、手/自动设备监视与管理等内容。设备状态监视是对所有电气设备、阀门、挡板、执行机构的受电状况以及远方就地状态的监视与管理，该类设备是APS的执行对象，在APS程序执行前应确保执行对象处于可用状态。设备运行管理主要是对冗余配置的泵、风机等设备设置首启权限以及联锁管理，特别是当冗余设备中的某个设备存在缺陷或处于检修状态时，应告知APS程序操作的对象以及采取相应的隔离措施。

（3）APS应用实施的主要难点是结合机组运行方式，合理地整合电厂相关系统。顺序控制是实现APS的一种手段，在条件满足后触发设备级驱动，是单向控制的指令集。控制的关键在于要考虑设备启停过程中的各种情况，应自动区分系统的启动工况与设备状态，并选择相应的程序步，具有高度的智能化。其次，在人机接口上要做到与运行人员很好地交互，界面内容丰富、条理清晰，在提供操作员强大信息支持的基础上，预留一定的干预权限，作为在紧急情况或故障工况下的预备手段。APS还应该具备与FSSS，MCS，DEH，BPS等系统无缝兼容的功能，作为指令中心，应按照机组启动曲线，操控上述系统。APS顺序控制器应与设备级驱动器相互协调配合，设备级驱动器包含大量的联锁、保护功能，APS程序应与之兼容，在联锁逻辑完善的前提下，检查、确认并确保设备及系统启动条件的完整。此外，APS还应包含一整套与“一键启动”相关的操作检查票、设备状态监视及管理、故障报警及提示等内容。

2 我省APS研究应用现状

多年前，浙江省电力公司电力科学研究院已着手该课题的研究，经过调研及反复论证，在多台新建机组及生产机组中有计划地分阶段进行了应用和验证，通过策略优化与改进，已在脱硫系统、天然气机组及660 MW超临界燃煤机组上实施了“一键启动”，为全面研究APS控制技术积累了经验。就脱硫系统及燃气机组而言，已能实现全天候的自动启停，控制策略设计较为完善，能适应多种工况，便捷性、规范性、可靠性及经济性等方面都已满足日常生产中实际应用的要求。

燃煤机组工艺相对复杂，系统庞大且彼此关联性较强，实施难度更大。从2008年开始，针对省内新建660 MW超临界机组进行了APS的应用。课题组从调试阶段前期入手，在以往工程技术积累及燃机项目APS基础上，设计了从全部设备停运至机组并网的APS系统，包含APS控制策略、人机接口界面、APS操作票、设备管理等子项，形成了较为完善的启动控制系统。

2.1 APS系统总体架构

APS系统可划分为启动过程和停机过程两大主体，每个主体中又可细分为设备功能级、子组功能级和机组协调功能级，系统总体架构如图1所示。

图1 APS系统总体架构

子组功能级是APS的基础，其主要任务是管理辅助系统的启停，控制对象为辅助系统的具体设备或子环。每个系统间互相独立，可由运行人员手动激活，执行辅助系统的单独运行或停运。子组功能级只负责系统的启停，设备的条件闭锁、联锁及保护功能由设备控制级完成。1个系统的子组功能可由1个或多个子组组成。

机组协调功能级是更高级别的控制层，负责整套机组的协调启停，是APS的核心部分，控制对象为子组功能级和子组协调自动，按照预选的模式逐个执行各个分系统的操作。机组级功能与子组级功能不同的是前者监测汽轮机的温度水平并自动计算出与之匹配的压力、温度等参数的控制曲线，完成升温、升压、负荷限制及暖机等步骤。通过机组协调功能级的执行可实现辅助系统、锅炉及汽机的启停。

2.2 APS的控制内容及步骤

在机组的启停过程中预留了不同的目标点供运行人员选择，启动过程分为：机组启动准备、锅炉点火及升温升压、汽机冲转及发电机并网、升负荷等4个目标断点。

（1）机组启动准备断点包括凝补水系统、循环水系统、闭式水系统、凝结水系统、开式水系统、辅助蒸汽系统、主机疏水系统、润滑油系统、控制油系统、真空及轴封系统、给水系统、汽机启动子组及锅炉启动系统。分系统的启动包含管道注水、管道冲洗等步骤。

（2）锅炉点火及升温升压断点完成锅炉风烟系统、制粉系统、燃油系统的投运，并进行锅炉吹扫及等离子系统恢复，随后按照操作员选择的点火方式进行点火，视情况投入制粉系统，同时按机组启动曲线进行升温升压。

（3）汽机冲转及发电机并网断点完成汽机辅助系统如EH油系统的投运，并执行汽机启动程控，按照预定升速率进行汽机冲转，并配合电气控制系统进行发电机并网操作。

（4）机组并网完成后进行升负荷控制，按照不同的负荷目标启动制粉系统及给水泵，并投运高加系统，最终完成机组的整体投运。

（5）机组停机程序按照滑参数停机曲线，先进行降负荷，在相应负荷点停运制粉系统及给水泵，并将锅炉转为湿态运行，同时投运锅炉启动系统，完成给水调门的切换，在低负荷区域执行汽机的停机程序，最终锅炉熄火并停运风烟系统，停机程序结束。

2.3 APS人机接口

APS人机界面的设计体现了集中管理、全面可干预及直观友好的原则。人机界面是程序与操作员间沟通的桥梁，程序的任何操作均应通过界面的形式反映至前台，向操作员提供详细、清晰的信息，而且必须考虑人为干预的可能性。纳入APS控制范畴的全部设备，其状态、可用性等均可通过APS进行集中监控和管理。

（1）菜单式结构：依据APS的架构，其操作界面分为3层。第一层是APS总图，包含若干个过程点，将APS启停过程按功能分解为不同的断点，如锅炉上水、锅炉点火、汽机冲转、并网、升负荷等。第二层是每个断点下所包含的子系统。第三层为功能相对独立的子系统的顺序控制步骤。菜单式结构使整体层次分明、条理清晰，操作员可逐层快速定位当前程序步。

（2）以工艺系统或功能为单位的操控界面：这样的划分体现了集中、分散、详尽的原则，与菜单式结构相结合，使相对独立的子系统程序可以做得详尽、清晰，不同的子系统间只有先后时间的关联，给人清晰直观的印象。每个工艺系统集中体现大量信息，包括程序当前执行的步骤，执行结果反馈，步骤执行时间等。

（3）预留可干预手段：在APS程序设计定型后，应预留操作员中间干预手段，这样能更好地适应机组在不同情况下的启停，体现APS的灵活性。对于设备及系统的状态，程序包含自动识别的功能，适应各种工况下的启动，对于个别设备状态故障等情况，在操作员确认无问题的情况下可以进行跳步，还可以对某程序步或子系统进行屏蔽或跳步。上述操作应在充分掌握APS的情况下使用。

（4）对设备状态的集中监视：对APS所控对象进行集中状态管理是为了提高程序执行的连贯性和可靠性，在机组启动前需要对所有可操作的设备进行系统的状态确认，以列表形式列举状态产生偏差的设备，包括远方就地、受电状态、故障情况等，以便维护人员提前介入。

（5）对设备启停许可、跳闸首出的集中管理和监视：考虑到安全性，APS程序中凡涉及系统投用或大型设备启动的，都需要先检查确认其投用条件，条件的缺失将造成设备无法启动，在操控界面上对此进行集中体现。此外，为完善监控内容，还应包含设备跳闸首出，方便设备跳闸后对跳闸原因的快速定位。

3 APS技术关键点

经过几年的技术积累，通过在燃机、脱硫等领域的实际应用，总结出了一套适用于燃煤机组APS控制的策略，并经过基建调试过程的分解应用，基本具备了在燃煤机组上实际应用的条件。

我省APS研究立足于实际应用，以提高机组总体自动化水平、提升操作规范化和标准化、缩短启动时间为目的，结合实际工艺过程，从优化自动控制策略、提高运行及设备管理水平出发，使APS系统能真正意义上在电厂生产过程中得到很好的利用。

（1）APS牵涉多个专业，因此APS的研究工作应涵盖设计、调试、运行、设备管理等各个阶段，从多环节入手，提高APS程序运行连贯性。其次，对系统进行分解，关键子系统预先进行验证性应用，最后进行封装整合。

（2）合理布置非关键系统启动的时间点，压缩机组启动时间。参考机组常规启动步骤，调整非关键系统的先后启动顺序，在时间上合理布局。

（3）结合工艺过程优化控制策略，提高自动控制水平，减少断点设置。体现APS设计宗旨，最大程度上减少手动干预和操作，从程序设计上着手，增加系统投运的连贯性。

（4）提前扫描相关设备及信号状态，确认机组满足启动条件，提升APS可靠性。

（5）提高程序控制智能化，自动识别系统状态，采取合理运行方式，增强系统容错能力。虽然在APS执行前增加了条件扫描和确认，在纳入APS控制范围的众多设备中，个别信号缺失或状态异常发生的概率较高，如果因为单纯的信号问题导致APS程序中断或跳转，将造成启动过程长时间驻留，使程序连贯性受到影响。因此需要提高系统投运的智能化水平，使之不仅能适应系统全天候启停，依据系统、设备的当前状态，通过自动识别选择合适的程序步，而且能依据系统引入的关联参数来增强容错能力。

（6）集中设备状态监视，实现远控设备的集中管理。对受电状况、控制权限、检修状态、首启设备选择等进行集中监视，有利于系统安全性及APS程序执行的连贯性。

（7）设计高度人性化的人机接口，实现信息反馈多元化，操作方便快捷，并预留足够的干预手段。

（8）结合APS程序及机组启动特点，形成规范化的操作卡，集DCS操作、就地设备投用、系统巡检于一体。

4 结语

APS研究是一项综合性的课题，有机结合了控制、运行、设备维护，涵盖发电机组的各方面，集中体现在规范性、可靠性上的提高，缩短机组启动时间、减轻运行人员劳动强度，它的成功应用将极大提升发电厂自动控制水平。

[1]林文孚，胡燕.单元机组自动控制技术[M].北京：中国电力出版社，2004.

[2]朱北恒.火电厂热工自动化系统试验[M].北京：中国电力出版社，2006.

[3]潘凤萍，陈世和.自启停控制系统在600 MW国产机组上的应用[J].广东电力，2008（12）：55-58.