电厂机组自启停控制系统的应用分析

郑慧莉

(电力规划设计总院，北京 100120)

通常APS (Automatic Plant Start-up and Shutdown System)是机组自启停控制系统的代名词。发电机组按照设计的先后顺序、规定的时间和各控制子系统的运行情况，通过大量的条件和逻辑判断自动启停工艺过程中的相关设备，协调机、炉、电各系统的控制，在极少量人工干预的情况下，自动地完成整台机组的启停。

1 概述

APS是电厂顺序控制系统中最高一级的控制。顺序控制系统包括机组级、功能组级、子功能组级、驱动级四级设计水平。APS是对包括锅炉、汽轮发电机组及相应辅助系统和辅助设备的单元机组，按启停的操作规律实现自动启动和停止的控制，是电厂自动化水平的最高体现。

APS的实质是电厂运行规程的程序化，按照优化的程序自动执行机组启、停步序，其优势在于可以大大减轻运行人员工作强度，规范机组启停操作标准程序，避免人为操作中的各种不稳定因素，可有效减少误操作事故发生，提高了机组运行的安全可靠性。

由于目前国内电厂设备自身的可控性和可用率还不能满足高自动化要求，工艺和技术上还存在一些问题，更主要是调试时间不能完全满足APS调试的需要，所以燃煤机组实现APS功能的电厂还为数不多。

为了促进APS的发展，新版《大中型火力发电厂设计规范》(GB50660-2011)，在仪表与控制章节的开关量控制中提到：“顺序控制应按照驱动级、子功能组级、功能组级三级水平设计，600MW级以上容量的机组可根据实际需要设置带断点的机组级顺序控制功能”，与《火力发电厂设计技术规程》(DL5000-2000)中顺序控制设计水平相比，有了很大的提高。

2 APS在国外的应用

APS是衡量机组自动化水平高低的一个重要方面，早在上世纪八十年代，就开始得到应用，在美国、欧洲、日本等发达国家的很多电厂都实现了机组自启停功能。例如：

德国Altbach HKW1 1×(465MWe+280MWth)Altbach电厂于 1985年投运。

德国RDK Block 71×(550MWe+220MWth)Karlsruhe电厂于1985年投运。

澳大利亚Stanwell 4×350MW Queensland电厂于 1994年投运。

澳大利亚Callide C2×450 MW Biloela电厂于2001年投运。

德国Wi l h e l m s h a f e n 1×7 5 6 M W Wilhelmshafen电厂于2002年投运。

德国BOA1 Niederaussem 1×1012MW Bergheim电厂于 2003年投运。

澳大利亚Muja Stage C&D 2×200MW+2×227MW Perth电厂于 2009年投运。

法国ALSTOM公司设计的Tangjin电厂500MW(主汽压25Mpa，主气温541℃)机组于2001年投运。

日本电源开发公司的橘湾电厂1000MW机组于2000年投运。

日本东京电力公司的常陆那珂电厂1000MW机组于2003年投运。

最近几年国外应用APS功能的电厂就更多，在此不再一一列举。发达国家电厂的机组自启停控制功能应用已较为普遍，运行人员也已习惯于这种运行操作模式。

3 APS在国内的应用

早先国内成套引进的机组，如华能福州电厂、华能大连电厂、阳城第一发电厂、上海石洞口二电厂、华能山东日照电厂、山西河津电厂一期、宝钢电厂、上海外高桥电厂、广东珠海电厂等均设计了APS功能，虽然各电厂运行情况不尽相同，但或多或少都发挥了有效作用。

目前多数国产机组的顺序控制系统仅做到了功能子组级或功能组级，电厂运行人员通过对每一个主、辅设备的功能子组或功能组的操作，最终完成机组的启动、停止和事故处理等。国产机组未考虑机组自启停功能的原因，一方面主要是国产机组主、辅机的可控性无法满足机组自启停功能的控制要求，另一方面由国内公司供货、组态的电厂分散控制系统也很少有设计机组自启停功能的经验。

近几年，随着我国电力建设的高速发展、自动化水平和国产机组主、辅机可控性的提高，一些大容量、高参数的国产机组也逐步开始设计机组自启停功能。如上海外高桥电厂2×900MW机组、华能玉环电厂4×1000MW机组、国电江苏泰州电厂2×1000MW机组、国电双鸭山电厂2×600MW机组、阳城一电厂二期工程2×600MW机组、华能鹤岗电厂三期工程2×900MW机组、浙江北仑港电厂2×1000MW机组、浙江国华宁海电厂2×1000MW机组、国华台山电厂2×600MW机组、国华黄骅电厂2×600MW机组、山东黄岛电厂2×600MW机组等均按照机组自启停功能进行设计和主、辅机设备招标，但很多电厂虽然做了APS逻辑设计，由于后期没有足够的调试时间，APS设计的功能并没有全部调试投入运行。据了解，广西北海电厂2×300MW机组、湛江奥里油电厂2×600MW机组、沙角C电厂2号机组、珠海电厂4号600MW机组、华能海门电厂2×1000MW机组等APS调试通过，并且机组运行状况良好。

另外，需要说明的是，目前国内对APS的认识有一定的误区，APS并非像有些人理解的完全自动即“一键式”，而是需要少量断点实现一键式启停。上述各电厂项目的设计均是按照机组级、功能组级、子组级、驱动级进行机组顺序控制系统的设计并按设置少量断点的方式来实现机组自启停功能的。

4 国产机组APS的应用案例

如前所述，尽管绝大多数国产机组没能实现APS，但也有为数不多的成功案例。下面以某电厂的APS为例进行分析。该电厂投产以来，至今运行状况良好。该电厂汽轮机数字电液控制系统(DEH)和给水泵汽轮机电液控制系统(MEH)采用与分散控制系统(DCS)一体化的硬件实现其控制功能，最大限度的实现了数据共享，减少了各系统间的通讯。机组采用断点控制实现机组的自动启动和停机，启动过程设置了6个断点，分别是：机组启动准备断点、冷态冲洗及真空建立断点、锅炉点火升温断点、汽机冲转断点、机组并网断点、升负荷断点；停机过程设置了3个断点，分别是：降负荷断点、机组解列断点、机组停运断点。

4.1 APS方案简介

该电厂设计APS时，DCS控制器单独设置，APS采用分级控制结构，分为机组级、功能组级、功能子组级和驱动级，并将热力系统工艺流程分解成若干局部的独立过程。系统先由驱动级控制单个设备实现相对独立的启停；再由功能组级联系驱动级完成单系统启停和自动控制；最终由机组级协调完成功能组级、相对独立的设备和控制系统等，共同实现机组的全程启停控制。机组控制级向底层功能组、功能子组发出启动和退出的指令，启停整个机组，保证机组的安全运行。完善的功能组和功能子组设计是实现APS的基本保障。驱动级接受功能组或功能子组级来的命令，与生产过程直接联系。分级控制使系统结构清晰严谨，有利于提高设计、组态及调试的工作效率。同时，分级控制在同级之间相互独立，具有很大的灵活性，有利于投运后的运行管理和热工维护，运行人员可以根据具体情况选择各种控制方式。

APS是机组自动启动和停运的信息控制中心，除顺序控制系统本身外，它还要按规定好的程序向机组其它控制系统发出启动或停运命令，这些系统包括：模拟量控制系统(MCS)、锅炉炉膛安全监控系统(FSSS)、DEH、MEH、汽轮机旁路控制系统(BPS)及其它控制系统(如电气控制系统、电压自动调节系统等)，以最终实现发电机组的自动启动或自动停运。

4.2 APS 总体构架

APS对电厂的控制是应用电厂常规控制系统与上层控制逻辑共同实现的。在没有投入APS的情况下，常规控制系统独立于APS实现对电厂的控制；在APS投入时，常规控制系统给APS提供支持，实现对电厂的自动启/停控制。

APS的控制逻辑分为三层，具体如下：

第一层为操作管理逻辑，其作用为选择和判断APS是否投入，是选择启动模式还是停止模式，选择哪个断点及判断该断点允许进行条件是否成立。如果条件成立则产生一信号使断点进行。可以直接选择最后一断点(如升负荷断点)，其产生的指令会判断前面的断点是否已完成，如没有完成则先启动最前面的未完成断点，具有判断选择断点功能，从而实现机组的整机启动。断点操作通过一个操作面板进行，其逻辑设计包括输入信号和输出信号。输入信号有：自动启动、操作允许条件、断点开始执行、断点执行完成、断点GO/HOLD等，输出信号有：断点执行过程中断(报警)、断点执行允许、断点执行过程中、断点开始执行、断点执行完成等。

第二层为步进程序，是APS的核心构成内容，每个断点都具有逻辑结构大致相同的步进程序，步进程序结构分为允许条件判断(与门)，步复位条件产生(或门)及步进计时。当该断点启动命令发出而且该断点无结束信号，则步进程序开始进行，每一步需确认条件是否成立，当该步开始进行时同时使上一步复位。如果发生步进时间超时，则发出该断点不正常的报警。

第三层为各步进行产生的指令。指令送到各个顺序控制功能组实现各个功能组的启动/停止，各个组启动/停止完毕后，均返回一个完毕信号到APS。

APS功能构架确定了APS启动的运行管理模式，APS功能构架确定后，其它各控制系统根据这个架构进行设计，确保各控制系统的各个逻辑功能满足APS的启动/停止要求。APS的总体构架图如图1所示。

图1 APS总体构架图

采用断点控制方式。断点方式就是将APS启动和停止这个大顺控分为若干个顺控来完成，每个断点的执行均需人为确认才能开始。采用断点控制方式，各断点既相互联系又相互独立，只要条件满足，各断点均可独立执行。有关APS断点的设置，根据现场设备的实际情况，满足各常规控制系统的运行要求，既可给APS提供支持，实现机组的自启停控制，也可满足对各单独运行工况及过程的操作要求。

APS分启动模式和停止模式，其中启动模式有冷态、温态、热态和极热态4种启动方式。

5 电厂应用APS的经济效益

国内多数已运行火力发电机组的控制水平与国外先进控制水平存在着一定的差距，未能充分发挥DCS强大的逻辑组态和软件功能，APS便是最明显的标志。

实际上，电厂设置APS后需要进一步提高设备的可控性，设计院控制逻辑组态工作量需要增加，调试工程量以及接口配合工作量也都需要增加，另外还需要增加1对DCS控制器。由于目前国内软件工作通常是借鉴已投运电厂的设计，因此DCS招标中相应的费用增加不是很多，仅体现在硬件和仪表、执行器等设备费用的增加。

虽然应用APS会增加一定的工作量和设备费用，但其带来的收益却是非常多的，主要体现在：应用APS功能可以提高电厂自动化水平，减轻运行人员工作强度，规范机组启停操作标准程序，减少误操作，减少人为因素造成的运行损失，同时可大大缩短机组启停时间，达到电网对大机组调峰的要求，大幅提高机组的安全可靠性和运行效率。因此，APS给电厂带来的经济效益虽然无法量化，却是显著的。

6 电厂应用APS的建议

根据目前国内电厂的实际运行情况和近年来咨询、审查电厂设计方案的经验，对今后电厂应用APS的建议如下：

(1)设计院、调试单位以及DCS厂商应密切配合，积极推动APS在电厂的应用发展，不断收集已投运电厂APS存在的问题，收集电厂运行反馈意见，完善控制逻辑和接口。

(2)一次检测元件、仪表、执行机构、控制逻辑、控制系统以及接口设计要满足APS设计要求。APS是电厂自动控制的最高层次，完善的仪表与控制系统设计是APS应用的前提。

(3)主机、辅机和相关辅助系统的可控性也要满足APS设计要求。要真正实现该功能，不仅取决于系统控制策略设计的全面，还与系统设备自身的可控性和可用率有很大的关系，只有在良好的系统和设备可控性基础之上，将各种特性不同的调节控制有机融合为一体，才能实现系统APS自动控制。

(4)在机组调试过程中，应留出足够的APS调试时间。APS调试和其它系统的调试是不同的，它是统领各控制系统的系统，它既是各控制系统的指挥系统，又与各控制系统有着诸多横向和纵向的联系。

(5)由于APS与三大主机技术要求、设备和系统可控性、接口配合等有着密切联系，因此在工程可行性研究阶段的设计报告书中就应明确是否设置机组APS，以便确定主机招标条件。

(6)由于APS的应用成功与否，取决于机组所有工艺系统和设备的可控性，因此，无论是设计，设备订货，还是运行调试，都要协调好各个专业的关系，共同为APS的成功运行奠定基础。

[1]GB 50660-2011，大中型火力发电厂设计规范[S]

[2]张红福，等.自启停系统人机接口界面设计与研究[J].广东电力，2009，(11).

[3]潘凤萍，等.1000MW超超临界机组自启停控制系统总体方案设计与应用[J].中国电力，2009，(10).