APS在水泥余热发电DCS系统的设计应用

吴 寅，仇乐乐，史 妍

（1.中国中材国际工程股份有限公司，江苏 南京 211100）

（2.南京凯盛开能环保能源有限公司，江苏 南京 210036）

（3.南京科远自动化集团股份有限公司，江苏 南京 211100）

对标《中国制造2025》，建设现代化水泥厂，实现智能化、数字化生产，已然成为当下水泥工业发展的趋势。余热发电作为新建水泥熟料生产线配套车间，对如何提升水泥余热发电生产过程智能优化控制有着同样的要求。

1 水泥余热发电DCS系统

DCS（Distributed Control System）分布式控制系统，又称为集散控制系统，是目前作为生产过程的自动化系统应用于水泥余热发电生产。

DCS是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（Computer）、通讯（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。

DCS具有高可靠性、开放性、灵活性、协调性等特点，在余热发电系统实现DAS（数据采集和处理系统）、MCS（模拟量控制系统）、SCS（顺序控制系统）、ETS（汽机紧急跳闸保护系统）等四个控制功能。

2 APS概述

APS（Automatic Plant Start-up and Shutdown System），“机组自动启停控制系统”也称为“一键启停系统”，即能够按照余热发电的热力流程和设备运行工况，按照预定编辑控制流程程序和设定参数，在极少的人工干预下自动、安全地完成对各个子系统、设备发出启动或停止的指令，实现机组在启停过程的自动控制。

3 APS的系统架构和程序结构

3.1 系统架构

APS控制系统架构按控制指令执行的顺序自上而下分为四个层级，机组级（APS指令中心）、功能组级（各分系统）、功能子组级（设备子组）、设备级（设备驱动单元）。机组级是APS最高控制层级，是APS指令中心，根据机组不同状态下的启、停要求，向各层级发出指令，配合各层级的设备连锁保护和自动调节回路实现机组的自启停。

APS系统构架采用“层级+断点”方式实现。每一个层级根据热力流程的步序阶段设计若干断点，结合数据采集和逻辑判断实现不同工况下的步骤选择和跳转。

3.2 程序结构

APS程序结构的核心是按照预定的操作顺序和流程分阶段逐一实现设备的启停和控制。

断点的设计就是将APS这个系统级的“顺控系统”划分为多个相对独立的小顺控单元。各断点独立操作，分步按序执行，各断点之间可实现自动/手动切换。

功能组级通常按水泥余热发电系统工艺流程划分，功能组级主要的断点大致设置为除盐水处理系统功能组、循环水系统功能组、凝结水系统功能组、除氧器系统功能组、润滑油功能组、给水系统功能组、窑头锅炉烟风系统功能组、窑尾锅炉烟风系统功能组、主蒸汽系统功能组、补汽系统功能组、汽机旁路系统功能组、疏水系统功能组、凝汽器抽真空系统功能组等13个。

功能子组级控制主要是接受功能组的控制指令，按既定的逻辑程序实现子组内设备的启停。

设备级是直接控制对应的工艺设备，如电动阀门、调节风门、泵等，负责发出指令信号并对设备的运行状态进行监视。

在APS控制系统未投入运行时，各系统之间是相互独立的，可单独控制某一系统的运行，当APS控制系统投入运行时，根据机组的启停曲线，按照预先编辑设定好的程序向功能组级、功能子组级、设备级发出启停指令，实现机组的自启停。

APS作为机组自启停的最高控制层级，必须得到DCS的DAS、MCS、SCS以及DEH汽轮机电液调节系统和ECS电气控制系统配合实现。

（1）与MCS的联系。

MCS通过DAS采集的温度、压力数据与机组各系统的运行工况进行综合判断，再根据主机设备的参数、性能曲线及经验数据，实现模拟量调节系统的定值自动给定和自动调节。

APS干预MCS系统的方式有两种：设定值改变、调节回路的切换。APS改变设定值通过手自动（M/A）切换模式完成，在不同阶段进行不同定值的切换；通过逻辑回路组态实现，保证不同回路的切换跟踪无扰。

（2）与SCS的联系。

根据APS的整体启停要求，SCS系统需要控制并反馈各系统的运行情况，再根据控制逻辑协调各系统的运行。SCS顺序控制系统的合理划分，各控制系统的启动允许条件以及最后的完成条件的准确界定是APS控制系统稳定运行的重要基础。

APS启动时，各功能组、子功能组接受APS启动指令，将相关设备投自动并投入连锁，设备控制级接受上层切换信号、控制指令对设备进行相应控制。

（3）与DEH的联系。

在APS自动启动过程中，DEH将在APS的调度下完成汽机复位、挂闸、冲转、暖机、并网带初始负荷、升负荷等操作。

DEH接受来自APS的接口信号主要有：APS启动指令、目标负荷（或主蒸汽压力设定值、升降负荷速率）、汽机挂闸指令。

APS接受来自DEH的接口信号主要有：主汽压力、发电机功率、汽机转速、汽机启动方式、汽机复位信号、汽机遮断信号、汽机冲转允许、DEH处APS控制方式、主汽门全开、自动同期允许、冲转完成、DEH升负荷允许、DEH减负荷允许等。

4 APS的设计

4.1 基本控制模块设计

为实现APS自动控制，基本控制模块见图1。

图1 APS基本控制模块逻辑图

图2 不同功能组顺序启停示意图

通过该模块完成了控制组的启动、复位、跳步等功能。当组启动指令IN1、上步完成反馈IN2同时为1时，RS触发器置1，形成控制组组内指令至组内设备级（电机、阀门）控制模块，完成相应控制步骤后，反馈信号送返，输出OUT2置1，表明该组启动完毕，并进行下一组的启动。当组启动指令IN1设为0、组复位指令设为1等任一条件满足，RS触发器置0复位，取消组内指令。

结合APS控制基本模块，可实现不同功能组之间的顺序启停见图2。

断点指令作为组启动指令，每组完成后，完成反馈送至下一级功能组，作为下一级启动的条件。

4.2 APS控制过程设计

在APS系统投入运行前，部分机组相关的外围系统需先准备妥当，如循环水系统，化水处理系统等均应具备投入条件。机组启动准备过程主要包含：化水系统、循环冷却水系统、润滑油系统、余热锅炉烟风系统、凝结水系统、汽机旁路系统、冷凝器抽真空系统等。机组启动断点设置及主要过程见图3。

（1）系统启动准备。

（2）余热锅炉上水、启动。

（3）汽轮机启动。

（4）汽轮机并网、升负荷。

图3 余热发电机组启动主要过程

APS启动指令形成后，按图3顺序启动各个功能组。每个功能组的启动条件为：上一级功能组完成、工艺条件满足要求。在功能组启动过程中，功能组启动指令通过与SCS系统对接将信号指令送至各设备控制模块，控制设备的开关、启停；通过与MCS系统对接实现控制自动调节系统的投切。当功能组内设备动作完毕，APS检验判断后进入下一步控制流程。

在启动汽机冲转、并网、升负荷的过程中，APS通过与DEH数据交换对汽机进行调速的指令。

锅炉汽包水位调节采用给水全程控制，上水过程采用单冲量控制；并网升负荷后，当负荷升至30%，采用三冲量控制。汽包水位的控制方式，根据APS指令及相关工艺条件进行切换。

5 总 结

APS的设计在水泥余热发电机组的启停阶段提供了最高级层级的自动控制策略和解决方案，是提升水泥余热发电自动化水平也是建设现代化水泥工厂实现智能生产的必然要求。目前将APS技术应用于水泥余热发系统的有江西亚东水泥、泰安中联水泥和西藏藏中水泥，目前这个技术的应用在水泥余热发电控制系统仍处于初级阶段，从技术层面看还然有很多需要完善和改进的地方，如何进一步优化控制策略将是我们未来需要面对解决的问题。