火力发电厂机组自启停控制（APS）技术

李远

摘 要：火力发电厂自动启/停机控制系统（简称APS），即能够按照火力发电的热力流程和设备运行工况，调动并协调各功能子系统进行预定参数、预定进程的控制，从而使得整个机组能够在极少的人工干预下自动、安全地完成启动或停运过程的自动控制系统。本文分析了火力发电厂机组自启停控制（APS）技术。

关键词：火力发电厂机组；自启停控制（APS）；技术

1 引言

近年来，大型火电机组不断投产。这些火电机组，尤其是超临界、超超临界机组，运行参数高、工艺系统复杂、且工艺系统间关联紧密、工况转换快，增加了人工操作的难度，尤其在机组启动和停运过程中集中了大量的设备启停切换、参数调整等操作，操作人员在限定时间内为应对运行工况精神高度紧张、劳动强度大，风险性大幅度提高，稍有不慎甚至可能发生不安全事件，严重的会造成巨大经济损失。

2 实现机组自启停的意义

机组自启停是衡量机组自动化水平高低的标杆，是电厂自动化程度的标志。随着火电厂技术水平的提高机组容量不断加大、设计参数也不断的提高，超超临界机组的投运数量越来越多。机组自启停控制系统是建立在完善的控制系统设计、主辅机有良好的可控性基础上的。它可以有效促进和提高机组自动化水平，使机组按照规定的、优化的程序进行设备的启停操作，不仅大大简化了操作人员的工作，更重要的是规范机组启停操作标准程序、减少了出现误操作的可能性，整体提高了机组的安全性能，同时它可以缩短机组启动时间，提高机组起停运行的经济效益。实施APS不仅提高了机组的自动化水平，而且可以提高运行管理水平。

在机组运行尤其是机组启动和停运过程中，如果运行人员仅靠手动操作，不仅容易发生误操作事故，而且极大地影响了机组运行的安全性和经济性。

APS与传统机组的热工控制相比具有全新的理念和控制策略。通过研究对比发现，APS设计阶段，最需要深入研究、探讨和定制APS的基础逻辑。

3 火力發电厂机组自启停控制（APS）技术

APS系统是一个机组级的顺控系统，充分考虑机组启停运行特性、主辅设备运行状态和工艺系统过程参数，并通过相关的逻辑发出对其它顺控功能组、FSSS、MCS、DEH、旁路控制系统、MEH、电气专用控制装置等的控制指令来完成机组的自启停控制。

APS系统能根据机组不同工况实现冷态、温态、热态、极热态四种启动方式，将机组从启动升至满负荷；停机时，则依据停机条件，可以让机组从满负荷安全停运。APS系统的主要功能包括断点操作、机组启停操作指导及操作员信息三部分。

3.1 APS 系统设计方案

一是断点设置。在火电厂APS 系统设计的过程中，断点设置是非常重要的，断点设置的水平将直接决定APS 系统的控制水平。断点设置包括启动断点设置和停机断点设置。①介绍启动断点。启动断点包括机组启动准备断点、汽机冲转断点等。在所有的启动断点完成以后，机组的启动操作就完成了。②介绍停机断点。其中主要包括降负荷断点、机组停运断点等。二是APS 功能的投入和退出。APS 功能投入和退出方案主要是为了应对各种紧急突发情况。有了APS 功能投入和退出方案，在设备出现故障时，机组就可以选择安全的运行方式。在对APS 功能投入和退出进行设计时应遵守下述的原则： ①在判断功能组指令是否完成时应以整个系统的运行状态为主要参考对象； ②需要提高功能组的判断能力，确保在任何状态下都可以启动对应设备，确保设备运行的安全性； ③APS 系统要对机组运行的状态进行全面地判断，避免出现判断失误的情况；④在系统中应有APS 功能投入和退出的按钮。如果设备在运行过程中出现异常情况时可以退出APS 系统，待设备异常情况排除以后则可以重新投入APS 系统。三是APS 控制器设置。在APS 运行的过程中可以通过机组的控制器对其进行控制，因为APS 的控制点是比较少的，使用机组控制器可以减少资金投入。但在国内常规设计不会使用机组控制器，而是给APS系统配置独立的控制器。这样做的原因有两种：①APS 系统的独立性比较强，使用独立的控制器可以减少对主机逻辑的影响，保证机组运行的安全性；②APS 系统调试的周期比较长，在调试的过程中需要频繁地进行逻辑修改，如果使用机组控制器则会影响到机组运行的安全性。综合以上两点原因，国内火电厂在投运APS 系统时大多会设置独立的控制器。

3.2 系统构架

机组控制级是整个自启停控制系统结构的最上层。而设备控制级则是整个自启停控制系统结构的底层。机组控制级是整个APS 系统的核心， 可以根据机组运行的情况向其它各层级发送指令， 同时也可以根据其它层级的控制情况对电气、锅炉等系统进行控制。机组控制级的存在可以减少人工干预，从而保证机组运行的稳定性、安全性。功能组控制级主要包括锅炉风烟系统、给水系统等。功能子组级是在功能组的控制下工作的，可以对子组内相关设备进行控制。设备控制级直接对阀门、风机、变频器等设备进行控制。APS 系统的启动方式一共有四种， 但采用何种启动方式还需要根据高压缸调节级处内缸壁温度进行判断。如果该温度低于320℃， 则需要采用冷态启动的方式。如果该温度在320℃和420℃之间，则需要采用温态启动的方式。如果该温度在420℃和445℃之间，则需要采用热态启动的方式。如果温度大于445℃，则需要采用极热态启动的方式。

3.3 发挥计算机技术特点，设计全新操作开关

操作开关或按钮是火力发电厂工艺系统电动机的启、停，阀门或挡板的开、关等控制最传统也是最原始的操作装置，在锅炉、汽机、电气分立控制盘（BTG盘）操作时代被广泛应用，判定机炉系统运行工况和控制设备运行状态完全依靠人工，随着机组容量的增大，设备的增多令系统的操作控制变得复杂、繁琐。自动控制装置产生了革命性的变化，操作、监控装置也由原来独立的开关、按钮和指示仪表换成了计算机的鼠标、键盘和显示器，其实质是计算机辅助控制应用于工业自动化，具有了利用计算机技术扩充、完善操作开关功能的基础条件。计算机技术包含硬件和软件两部分内容，如果在应用软件设计上策略得当就可以获得具有本质安全、全方位自动的控制效果。倘若在DCS应用逻辑软件设计方面还是沿用BTG盘时代的基本思路，不做根本性的改变，尽管应用了DCS，也不过是在热控设备硬件方面不落时代的步伐，而综合控制功能只相当于电子版的手动操作，APS也无从谈起。为实现APS的控制功能，就要从最基础的设备操作开关入手，展开全新的设计。这种操作开关应该充分利用计算机系统的信息处理能力，因为DCS能够全方位地采集被控设备和系统运行有关的信号，这些信号包括外部设备的静止状态、执行过程，逻辑算法的中间值和结果、电路元器件的品质，通过计算机能够及时地作出综合判断和决定设备以及系统的操作方向，其快速性和正确性无论从时间还是空间上都是人力无法企及的。目前，国内应用DCS最需要迫切解决的就是操作开关或按钮的软件设计，尤其是操作开关或按钮的智能化逻辑设计。

3.4 智能化缺省自动式联锁选择器的应用

根据火力发电厂工艺系统结构特点，通常APS控制策略规划为四个控制层级，即设备操作级、单元控制级、系统控制级和机组控制级。智能化选择器作为全自动过程控制的基础逻辑，因其智能化程度高，在控制策略应用中适应能力强，可以在多种场合中灵活应用。既可以应用于两台设备之间的联锁也能够用于三台设备的相互联锁，除了在设备联锁中作为标准控制模块用于构建全自动的单元控制级，还能够在系统的控制中发挥作用协调系统控制的自动启停。汽轮机凝结水系统配备了3台凝结水泵，布置在顺序控制系统级，自动工作方式下汽轮机凝结水操作器通过选择器接受APS指令控制，选择器根据汽轮机蒸汽负荷决定凝结水泵投入台数，同时设计有顺序控制、联锁自动和联锁保护，机组正常运行时两台汽动给水泵并列运行，机组启动过程中先启动电动给水泵，然后在机组带上负荷时进行给水泵切换，投入第一台汽动给水泵，停止电动给水泵，负荷时投入第二台汽动给水泵，两台汽动给水泵并列运行。机组停机要经历从较高机组负荷将低到较低负荷的过程，最终停机停炉，其间机组负荷降给水泵同样要进行电动给水泵和汽动给水泵的切换操作，投入电泵，停止第一台汽泵，随着负荷继续下降再停第二台汽动给水泵。所以在机组启动和停止的过程中，电动给水泵和汽动给水泵的切换、两台汽动给水泵之间的并列/解列，是必须的操作，缺省自动式选择器在这个操作过程中为实现过程的起到了全自动控制的作用。

4 解决APS 投运困难的措施

4.1 投运APS 存在的困难

将APS 应用于火电厂中不仅可以保证机组运行的安全性和可靠性， 同时还会有很好的经济效益。但在投运的过程中却存在各种各样的问题。通过对火电厂的调研发现， 火电厂在投运APS 时存在的困难主要表现在下述几个方面：（1）设计方案不完整。在投运APS 时需要有完整的设计方案。所谓的完整设计方案是指要提前预见在投运的过程中可能遇到的各种困难，同时还要对项目的可行性进行论证。但现实情况却并非如此。由于国内的设计人员缺少APS 设计经验，从而使得设计方案存在各种缺陷， 无法为APS 的应用提供可靠的参考；（2）工艺系统比较复杂。要想实现自动控制机组启动、停机，需要使用到多种工艺。这些不同的工艺系统之间必须要具有较高的配合度，这大大增加了设计的难度。而且，机组运行方式多变，对自动控制系统自身的要求也是比较高。

4.2 在投运APS 时我们应借鉴国外的成功经验

通过对国内投运APS 存在的困难的分析， 笔者认为可以采取下述措施解决这些困难：（1）要提前预见投运APS 时会遇到的困难。这就要求设计人员要对投運APS 的可行性进行全面地论证， 并给出初步的设计方案，然后再判断是否应该投运APS；（2）要提前对工艺系统的设计方案进行论证。在初步设计阶段， 应组织相关的人员对工艺系统的设计方案进行全面地分析、评价和论证，确保其中不存在缺陷，保证工艺系统设计方案的完整性；（3）合理选择调试单位。调试单位的技术水平和工作经验将会直接影响APS 应用的效果。因此，火电厂应综合对比各调试单位，选择出具有较高技术水平、工作经验丰富的调试单位；（4）汽机厂、调试单位等参与方应积极配合，相互协调，为APS 设计方案提供相应的数据支持；（5）调试单位应提前进行仿真模拟，及时发现设计方案中存在的问题，对机组运行参数及时进行修改，不断优化运行参数。此外，还应尽可能缩短安装和调试时间。

总之， 火电厂投运APS 系统可以大大提高机组运行的安全性和稳定性，同时还可以提高火电厂的经济效益。但为了充分发挥APS 系统的作用，必须要做好设计工作，确保APS 系统设计方案的完整性、可行性和经济性。

参考文献：

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