徐柳斌，王 策，季德亨，宋佳輝，陳巍文

(1.杭州意能電力技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310012；2.浙江浙能臺州第二發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 臺州 318000；3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014)

0 引言

近年來，隨著綠色“雙碳”戰(zhàn)略的逐步實施，發(fā)電能源中的可再生能源機(jī)組比重持續(xù)上升?；痣姍C(jī)組由主要發(fā)電能源逐漸向調(diào)峰調(diào)頻的支撐角色轉(zhuǎn)型，用于穩(wěn)定電網(wǎng)運行。這對火電機(jī)組的自動化水平和可靠性水平都提出了更高的要求。為保證機(jī)組啟停過程嚴(yán)格遵循運行規(guī)程、減少運行的誤操作，需要增強(qiáng)機(jī)組的自動化水平。得益于國內(nèi)主、輔機(jī)可控性的不斷提高、分布式控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)性能的不斷完善，發(fā)電機(jī)組自啟?？刂葡到y(tǒng)(automatic power plant startup and shutdown control system，APS)作為一種能提高機(jī)組運行安全可靠性和經(jīng)濟(jì)效益的有效方法，正在越來越多的火電機(jī)組中獲得應(yīng)用[1-2]。

APS是一種用于控制發(fā)電機(jī)組全程自動化啟動和停運的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用斷點控制方式，根據(jù)生產(chǎn)工藝流程將整個啟停過程劃分為若干個由斷點作為分界的子過程的自動控制，通過設(shè)定的順序逐步自動啟停各個子過程，從而實現(xiàn)全程自動啟停。由于APS設(shè)計涉及整個機(jī)組系統(tǒng)，系統(tǒng)調(diào)試復(fù)雜。當(dāng)前，大部分國內(nèi)機(jī)組只實現(xiàn)了機(jī)組部分系統(tǒng)的自啟停設(shè)計。因此，設(shè)計合理、有效的全程APS，是一個值得深入研究的問題。

本文對全程自啟停系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計方案及機(jī)組全程控制策略進(jìn)行了分析與討論，闡述了面向自治對象APS設(shè)計的總體框架、技術(shù)要點及異常處理設(shè)計和風(fēng)量、燃料、給水的全程控制策略，并對系統(tǒng)在某超超臨界機(jī)組的實際投運效果作了論述。

1 全程自啟停系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)體系框架設(shè)計

全程自啟停系統(tǒng)總體研究主要包括系統(tǒng)框架設(shè)計、類功能組設(shè)計、APS與其他系統(tǒng)的接口設(shè)計以及硬件設(shè)計[3]。APS在原有系統(tǒng)控制邏輯中添加接口設(shè)計，結(jié)合常規(guī)控制系統(tǒng)輔助，通過添加上層自啟停規(guī)劃邏輯以協(xié)調(diào)各類子系統(tǒng)的形式，實現(xiàn)對電廠的自動啟?？刂?。設(shè)計過程中，需要充分考慮機(jī)組運行過程容錯與操作的自由度。

APS的組織結(jié)構(gòu)采用金字塔形分層。APS組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 APS組織結(jié)構(gòu)圖

面向自治對象的APS的組織架構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)相對單一、固化的面向過程的設(shè)計模式。將面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)引入機(jī)組全程控制中，能夠在復(fù)雜多變的工況下自治規(guī)劃路徑，使控制系統(tǒng)具備較強(qiáng)的自治性和健壯性[4]。APS的組織結(jié)構(gòu)分為3層，即全局規(guī)劃層、分系統(tǒng)層和自治對象層。全局規(guī)劃層負(fù)責(zé)布局全局自動控制流程。分系統(tǒng)層接收上層任務(wù)指令，調(diào)用自治對象完成指令要求。自治對象層由以動力設(shè)備為核心并形成自治關(guān)系的設(shè)備組成，能夠自動執(zhí)行啟停程序、聯(lián)鎖保護(hù)、調(diào)節(jié)切換與特定操作功能。分層控制方式能夠使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰嚴(yán)謹(jǐn)，功能指向明確，層與層之間界限分明。

在接口設(shè)計中，要求APS能夠通過對應(yīng)接口模件發(fā)出控制指令到其他控制系統(tǒng)，其他控制系統(tǒng)必須按照要求順利完成相應(yīng)功能，并將完成信息反饋至APS。其中，APS與模擬量控制系統(tǒng)(modulating control system，MCS)的接口設(shè)計最為復(fù)雜也最為重要，需要在設(shè)計過程中對MCS控制進(jìn)行優(yōu)化，使MCS調(diào)節(jié)既滿足運行要求又符合APS的規(guī)劃要求，從而保證機(jī)組的運行安全。

在硬件設(shè)計中，采用“故障影響最小”設(shè)計原則，將自啟停系統(tǒng)的上層規(guī)劃邏輯以及對外通信信號均集中至同一個控制器中完成。這樣能夠?qū)⒐收嫌绊懡档阶畹停⒎奖憔S護(hù)，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

1.2 系統(tǒng)控制設(shè)計與分析

1.2.1 斷點設(shè)計

斷點設(shè)計是機(jī)組APS的核心問題之一，關(guān)系到APS的功能實現(xiàn)以及機(jī)組的運行安全。面向自治對象的APS與傳統(tǒng)APS斷點設(shè)計相同，仍根據(jù)機(jī)組主機(jī)與輔機(jī)啟動方式和設(shè)備及系統(tǒng)啟動巡檢內(nèi)容共設(shè)置9個斷點。但其以分布式自治的對象系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用全局的任務(wù)規(guī)劃與調(diào)用結(jié)構(gòu)，一定程度上弱化了斷點控制。機(jī)組APS啟動設(shè)置6個斷點[5]。

①輔機(jī)準(zhǔn)備：完成機(jī)組啟動必要輔助設(shè)備啟動。

②機(jī)爐準(zhǔn)備：完成鍋爐本體與機(jī)側(cè)水系統(tǒng)的準(zhǔn)備。

③鍋爐點火及升壓升溫。

④汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)。

⑤機(jī)組并網(wǎng)。

⑥機(jī)組升負(fù)荷。

機(jī)組APS停運設(shè)置3個斷點。

①機(jī)組降負(fù)荷：協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(coordination control system，CCS)撤出，在相應(yīng)負(fù)荷點停運制粉系統(tǒng)及水泵，并將鍋爐轉(zhuǎn)為濕態(tài)運行。

②機(jī)組解列：汽機(jī)、發(fā)電機(jī)解列。

③機(jī)組停運：停運最后1臺制粉系統(tǒng)，悶爐。

1.2.2 系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)要點分析

考慮到機(jī)組為運行機(jī)組，控制系統(tǒng)邏輯成熟、可靠，運行人員熟悉機(jī)組和設(shè)備的特性，設(shè)計思路明確，在設(shè)計階段可以充分參考集控機(jī)組運行規(guī)程等已有資料。因此，在APS的設(shè)計過程中，主要應(yīng)該考慮在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計，盡量減少對原邏輯的影響，保證機(jī)組的安全運行。

①測點增加最小化。根據(jù)設(shè)計方案，對進(jìn)入的APS進(jìn)行評估，增加輔助判定的測點，以提高APS邏輯的自動化程度。但考慮DCS總點數(shù)限制，應(yīng)盡量減少不必要的中間點設(shè)置。對于設(shè)備啟動允許和普通設(shè)備保護(hù)邏輯，采用一個模擬量的多位實現(xiàn)，可提高組態(tài)模塊使用率，減少以往不必要的、繁雜的邏輯實現(xiàn)方式，降低單元輔助系統(tǒng)(電除塵、吹灰等)控制邏輯實施的繁雜程度。

②閥門智能化改造?；痣姍C(jī)組系統(tǒng)龐大，包含了大量的手動閥門。目前常規(guī)的APS設(shè)計中，考慮工程成本的因素，仍然保留大量的手動門，如：在泵體注水時仍然通過運行手動注水，只是在APS功能組中增加了人工確認(rèn)的按鈕。因此，在APS全程自啟停設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)APS的總體目標(biāo)，明確需要保留的手動門，對需要參與自動啟停的閥門進(jìn)行智能化升級改造；同時，可增加相應(yīng)閥測點，對程控步序進(jìn)行輔助判定。

③原邏輯優(yōu)化調(diào)整。部分原有邏輯可能會與APS邏輯相沖突。在組態(tài)設(shè)計階段，需要對原始邏輯進(jìn)行整體評估。對部分原始邏輯，可以針對APS邏輯進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整。優(yōu)化調(diào)整后的邏輯應(yīng)切實符合生產(chǎn)過程的工藝特點及控制要求，并能使APS邏輯組態(tài)的復(fù)雜度盡可能小。在設(shè)計階段，為保證機(jī)組的安全運行，所有邏輯的修改調(diào)整應(yīng)經(jīng)過充分的討論研究。

④接口及數(shù)據(jù)庫容量的考量。在組態(tài)階段，應(yīng)盡量使用接口邏輯。所有的運算皆位于APS控制器，只通過少量的接口連接到各個設(shè)備上，以減少對原聯(lián)鎖邏輯的改動。APS控制站預(yù)留多個第三方通信接口和優(yōu)化控制器接口，可以用于后期優(yōu)化控制算法的接入。一般運行機(jī)組的數(shù)據(jù)庫都有一定量的冗余。但APS涉及系統(tǒng)繁多，邏輯復(fù)雜，對數(shù)據(jù)庫的容量要求較高。因此，在設(shè)計階段應(yīng)論證現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫容量是否滿足要求。

⑤DCS界面組態(tài)設(shè)計。APS界面設(shè)計應(yīng)具備規(guī)范、明確的指示功能，簡易、便捷的操作功能，以及準(zhǔn)確、豐富的監(jiān)視功能。APS的操作畫面在保留主流程集中操作界面的同時，在工藝畫面中增加對象操作界面，并對執(zhí)行進(jìn)度提供狀態(tài)顯示，在運行確認(rèn)與狀態(tài)設(shè)置點可彈出操作窗口。工藝畫面上的單體設(shè)備操作界面作為狀態(tài)顯示與后備操作使用，只有在緊急干預(yù)的情況下才進(jìn)行必要的單體操作。

1.2.3 異常處理設(shè)計

由于在生產(chǎn)過程中不可避免地會出現(xiàn)設(shè)備失電、故障等意外情況，在自啟停過程中異常狀態(tài)發(fā)生時，對其作出妥善處理是十分必要的。APS異常處理設(shè)計如表1所示。

表1 APS異常處理設(shè)計

2 全程自啟停系統(tǒng)控制方案

2.1 控制策略

超超臨界機(jī)組全程自啟?？刂瓢藦臋C(jī)組冷態(tài)啟動到機(jī)組正常運行全程自動控制。這主要涉及風(fēng)、煤、給水、凝結(jié)水等多個系統(tǒng)的重要設(shè)備順序控制和模擬量控制，以及特定工況下的聯(lián)鎖、閉鎖功能管理。

在整體控制方案中，針對主要模擬量劃分負(fù)荷全程控制、給水全程控制、減溫水全程控制、燃料全程控制及風(fēng)量全程控制多個全程自動控制系統(tǒng)，并將其與協(xié)調(diào)控制邏輯、自動并退泵技術(shù)和順序控制相結(jié)合，實現(xiàn)機(jī)組的全程自啟?？刂撇呗?。通過此控制方案，實現(xiàn)了主汽溫度、主汽壓力、給水流量、過熱度、燃料量、總風(fēng)量及爐膛負(fù)壓等重要參數(shù)隨負(fù)荷變動時的平穩(wěn)控制，保證了機(jī)組的安全運行[6-8]。本文主要對風(fēng)量、給水及燃料的全程控制策略進(jìn)行要點闡述。

2.2 風(fēng)量全程控制

2.2.1 風(fēng)量全程控制

風(fēng)煙全程控制包含了六大風(fēng)機(jī)及其附屬系統(tǒng)的啟停、并列、投退及其過程中的模擬量控制系統(tǒng)，并需要保證過程中風(fēng)量、爐膛負(fù)壓、一次風(fēng)壓的穩(wěn)定，最終完成目標(biāo)值控制[9]。其中，爐膛總風(fēng)量主要由一次風(fēng)流量和二次風(fēng)流量疊加而成。風(fēng)量全程控制如圖2所示。

圖2 風(fēng)量全程控制示意圖

風(fēng)量控制步驟如下。

①建立風(fēng)道，啟動風(fēng)機(jī)，保持一定通風(fēng)量。

②鍋爐建立吹掃風(fēng)量，置位風(fēng)量指令至30%吹掃風(fēng)量值，完成鍋爐吹掃。

③濕態(tài)帶部分負(fù)荷后，風(fēng)量設(shè)定值大于最小風(fēng)量。鍋爐主控經(jīng)過函數(shù)換算形成基本風(fēng)量指令，經(jīng)氧量校正形成風(fēng)量指令。

④負(fù)荷大于30%額定負(fù)荷。燃料設(shè)定經(jīng)過函數(shù)換算形成基本風(fēng)量指令，經(jīng)氧量校正形成風(fēng)量指令。

⑤調(diào)節(jié)過程中根據(jù)工況需求，自動投退另一側(cè)對應(yīng)風(fēng)機(jī)，并自動調(diào)平出力。

2.2.2 給水全程控制

給水全程控制包括給水調(diào)節(jié)回路、鍋爐啟動系統(tǒng)控制回路、干濕態(tài)轉(zhuǎn)換回路以及給水泵的啟停和并泵程控回路。給水調(diào)節(jié)回路控制給水流量的調(diào)節(jié)。在低負(fù)荷時，維持水冷壁具有流速穩(wěn)定的最小水流量，保持鍋爐啟動流量和啟動壓力；在高負(fù)荷時，維持一定的水煤比，控制中間點溫度。鍋爐啟動系統(tǒng)控制回路負(fù)責(zé)鍋爐啟動過程中的開式水清洗、冷態(tài)循環(huán)清洗、熱態(tài)清洗、分離器水位控制等。干濕態(tài)轉(zhuǎn)換回路完成鍋爐自動轉(zhuǎn)態(tài)過程中給水流量和鍋爐主控指令的控制調(diào)整。給水程控回路完成各個泵組的啟動/停止控制，以及汽泵的并泵/退泵等控制[10]。

給水全程控制如圖3所示。

圖3 給水全程控制示意圖

給水控制步驟如下。

①啟動前準(zhǔn)備：靜壓注水、鍋爐上水,根據(jù)鍋爐溫度變化限制最大允許給水流量。

②冷態(tài)沖洗：根據(jù)鍋爐溫度變化，限制最大允許給水流量。

③啟動階段：從鍋爐上水到點火前，流量設(shè)定值850 t/h，點火后根據(jù)濕態(tài)水線。

④濕態(tài)帶部分負(fù)荷階段：流量設(shè)定值根據(jù)濕態(tài)水線，分離器處于濕態(tài)運行，此時的給水自動控制給水流量以滿足升溫升壓要求。

⑤純直流階段：基于中間點過熱度的動態(tài)燃水比值控制。

2.2.3 燃料全程控制

燃料全程控制如圖4所示。

圖4 燃料全程控制示意圖

圖4中：燃料指令為0～500 t/h;蒸汽流量為0～3 200 t/h;分離器出口溫度為0～400 ℃。

燃料全程控制燃燒過程,使燃料燃燒所提供的熱量適應(yīng)外界對鍋爐輸出的蒸汽負(fù)荷的需求,同時保證鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運行。燃料指令按上層規(guī)劃指令進(jìn)行模式切換，以鍋爐主控指令為基準(zhǔn)線，接收風(fēng)煤、水煤交叉限制條件，并添加水煤比修正后生成[11-12]。

燃料控制步驟如下。

①微油系統(tǒng)投入。

②首臺給煤機(jī)啟動，待穩(wěn)定后切換至給煤機(jī)自動，燃料量將自動調(diào)整至校準(zhǔn)后的基礎(chǔ)燃料指令。

③鍋爐點火且首臺磨穩(wěn)定投運一定時間后，開始升溫升壓。升溫過程中，必須注意溫升速率，以保證鍋爐受熱均勻。

④機(jī)組并網(wǎng)，燃料主控根據(jù)啟動燃料量曲線進(jìn)行調(diào)節(jié)。

⑤當(dāng)負(fù)荷到達(dá)相對應(yīng)的額定負(fù)荷時，逐步投入剩余的制粉系統(tǒng)。

3 全程自啟停系統(tǒng)的應(yīng)用與實現(xiàn)

本文設(shè)計的全程自啟停系統(tǒng)在某百萬機(jī)組的APS改造項目中進(jìn)行了實際投運試驗。該項目控制系統(tǒng)軟件采用艾默生的Ovation DCS控制系統(tǒng)。正式投運后的APS流程監(jiān)控如圖5所示。圖5展示了APS從冷態(tài)到滿負(fù)荷的全過程功能監(jiān)視。圖5中，方框為APS中各個工藝節(jié)點。

圖5 APS流程監(jiān)控圖

在APS模式下，機(jī)組進(jìn)行啟動準(zhǔn)備階段，根據(jù)預(yù)設(shè)的程序逐步投運循環(huán)水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)和冷機(jī)油系統(tǒng)模塊，并投入給水全程控制功能，進(jìn)行鍋爐上水和沖洗。在此階段，可同步投運真空系統(tǒng)，以減少機(jī)組總體啟動時間。冷態(tài)沖洗結(jié)束后，機(jī)組投入風(fēng)煙全程控制，建立風(fēng)道并將風(fēng)量打至吹掃值，完成鍋爐吹掃。隨后機(jī)組投入全程燃料控制：準(zhǔn)備鍋爐點火，投入旁路自動控制主汽壓力，進(jìn)入熱態(tài)沖洗階段；通過燃料全程控制和給水全程控制配合，進(jìn)行升溫升壓。待滿足沖轉(zhuǎn)條件后，機(jī)組通過數(shù)字電液控制系統(tǒng)啟動順控進(jìn)行沖轉(zhuǎn)和并網(wǎng)步驟。過程中，機(jī)組在汽機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到360 r/min時，并入第二列風(fēng)機(jī)，并自動調(diào)平出力；當(dāng)汽機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)3 000 r/min時，投運第二臺磨組。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷升至20%以上，給水切至主路，第三臺磨組投運，機(jī)組進(jìn)行干濕態(tài)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換過程為，全程給水控制模塊自動設(shè)定給水流量，待汽泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)給水流量至設(shè)定值后，鍋爐主控指令逐漸提升使機(jī)組進(jìn)入干態(tài)。當(dāng)機(jī)組進(jìn)入干態(tài)后，鍋爐主控指令將會再次增加，以保證機(jī)組穩(wěn)定在干態(tài)。機(jī)組在完成干濕態(tài)轉(zhuǎn)換后，投入?yún)f(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制模式，啟動低加疏水泵，自動并入第二臺汽泵并調(diào)平出力，并按照實際設(shè)定逐步投入第四臺、第五臺磨組，升至指定負(fù)荷。整個過程中，風(fēng)煙全程控制保證合適風(fēng)煤比，并維持爐膛壓力。

4 結(jié)論

本文首先對超超臨界百萬機(jī)組的全程APS設(shè)計的研究內(nèi)容進(jìn)行了全面闡述，提出了一種面向自治對象的系統(tǒng)框架設(shè)計方案和機(jī)組全過程自動啟停控制策略。其次，本文對系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計、設(shè)計過程中的技術(shù)要點及異常處理作了分析與討論，并對機(jī)組全程自啟?？刂撇呗灾械娘L(fēng)量、給水、燃料全程控制作了簡要論述。最后，本文將設(shè)計的系統(tǒng)在某一超超臨界機(jī)組中進(jìn)行了實際投運試驗。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)組從冷態(tài)到滿負(fù)荷的全過程自動啟?？刂疲覚C(jī)組啟停過程中機(jī)組的主要過程參數(shù)波動平穩(wěn)，達(dá)到了預(yù)期的效果。面向自治對象的APS區(qū)別于傳統(tǒng)面向過程設(shè)計的APS，下層自治對象能夠根據(jù)上層任務(wù)規(guī)劃根據(jù)當(dāng)前工況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，具備更高的靈活性和可靠性。