超超临界机组全程自启停系统研究与应用

徐柳斌，王 策，季德亨，宋佳辉，陈巍文

(1.杭州意能电力技术有限公司，浙江 杭州 310012；2.浙江浙能台州第二发电有限责任公司，浙江 台州 318000；3.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，浙江 杭州 310014)

0 引言

近年来，随着绿色“双碳”战略的逐步实施，发电能源中的可再生能源机组比重持续上升。火电机组由主要发电能源逐渐向调峰调频的支撑角色转型，用于稳定电网运行。这对火电机组的自动化水平和可靠性水平都提出了更高的要求。为保证机组启停过程严格遵循运行规程、减少运行的误操作，需要增强机组的自动化水平。得益于国内主、辅机可控性的不断提高、分布式控制系统(distributed control system，DCS)性能的不断完善，发电机组自启停控制系统(automatic power plant startup and shutdown control system，APS)作为一种能提高机组运行安全可靠性和经济效益的有效方法，正在越来越多的火电机组中获得应用[1-2]。

APS是一种用于控制发电机组全程自动化启动和停运的控制系统。该系统采用断点控制方式，根据生产工艺流程将整个启停过程划分为若干个由断点作为分界的子过程的自动控制，通过设定的顺序逐步自动启停各个子过程，从而实现全程自动启停。由于APS设计涉及整个机组系统，系统调试复杂。当前，大部分国内机组只实现了机组部分系统的自启停设计。因此，设计合理、有效的全程APS，是一个值得深入研究的问题。

本文对全程自启停系统的系统设计方案及机组全程控制策略进行了分析与讨论，阐述了面向自治对象APS设计的总体框架、技术要点及异常处理设计和风量、燃料、给水的全程控制策略，并对系统在某超超临界机组的实际投运效果作了论述。

1 全程自启停系统设计方案

1.1 系统体系框架设计

全程自启停系统总体研究主要包括系统框架设计、类功能组设计、APS与其他系统的接口设计以及硬件设计[3]。APS在原有系统控制逻辑中添加接口设计，结合常规控制系统辅助，通过添加上层自启停规划逻辑以协调各类子系统的形式，实现对电厂的自动启停控制。设计过程中，需要充分考虑机组运行过程容错与操作的自由度。

APS的组织结构采用金字塔形分层。APS组织结构如图1所示。

图1 APS组织结构图

面向自治对象的APS的组织架构区别于传统相对单一、固化的面向过程的设计模式。将面向对象编程技术引入机组全程控制中，能够在复杂多变的工况下自治规划路径，使控制系统具备较强的自治性和健壮性[4]。APS的组织结构分为3层，即全局规划层、分系统层和自治对象层。全局规划层负责布局全局自动控制流程。分系统层接收上层任务指令，调用自治对象完成指令要求。自治对象层由以动力设备为核心并形成自治关系的设备组成，能够自动执行启停程序、联锁保护、调节切换与特定操作功能。分层控制方式能够使系统结构清晰严谨，功能指向明确，层与层之间界限分明。

在接口设计中，要求APS能够通过对应接口模件发出控制指令到其他控制系统，其他控制系统必须按照要求顺利完成相应功能，并将完成信息反馈至APS。其中，APS与模拟量控制系统(modulating control system，MCS)的接口设计最为复杂也最为重要，需要在设计过程中对MCS控制进行优化，使MCS调节既满足运行要求又符合APS的规划要求，从而保证机组的运行安全。

在硬件设计中，采用“故障影响最小”设计原则，将自启停系统的上层规划逻辑以及对外通信信号均集中至同一个控制器中完成。这样能够将故障影响降到最低，并方便维护，从而提高系统的可靠性。

1.2 系统控制设计与分析

1.2.1 断点设计

断点设计是机组APS的核心问题之一，关系到APS的功能实现以及机组的运行安全。面向自治对象的APS与传统APS断点设计相同，仍根据机组主机与辅机启动方式和设备及系统启动巡检内容共设置9个断点。但其以分布式自治的对象系统为基础，采用全局的任务规划与调用结构，一定程度上弱化了断点控制。机组APS启动设置6个断点[5]。

①辅机准备：完成机组启动必要辅助设备启动。

②机炉准备：完成锅炉本体与机侧水系统的准备。

③锅炉点火及升压升温。

④汽轮机冲转。

⑤机组并网。

⑥机组升负荷。

机组APS停运设置3个断点。

①机组降负荷：协调控制系统(coordination control system，CCS)撤出，在相应负荷点停运制粉系统及水泵，并将锅炉转为湿态运行。

②机组解列：汽机、发电机解列。

③机组停运：停运最后1台制粉系统，闷炉。

1.2.2 系统设计技术要点分析

考虑到机组为运行机组，控制系统逻辑成熟、可靠，运行人员熟悉机组和设备的特性，设计思路明确，在设计阶段可以充分参考集控机组运行规程等已有资料。因此，在APS的设计过程中，主要应该考虑在原有基础上进行设计，尽量减少对原逻辑的影响，保证机组的安全运行。

①测点增加最小化。根据设计方案，对进入的APS进行评估，增加辅助判定的测点，以提高APS逻辑的自动化程度。但考虑DCS总点数限制，应尽量减少不必要的中间点设置。对于设备启动允许和普通设备保护逻辑，采用一个模拟量的多位实现，可提高组态模块使用率，减少以往不必要的、繁杂的逻辑实现方式，降低单元辅助系统(电除尘、吹灰等)控制逻辑实施的繁杂程度。

②阀门智能化改造。火电机组系统庞大，包含了大量的手动阀门。目前常规的APS设计中，考虑工程成本的因素，仍然保留大量的手动门，如：在泵体注水时仍然通过运行手动注水，只是在APS功能组中增加了人工确认的按钮。因此，在APS全程自启停设计时，应根据APS的总体目标，明确需要保留的手动门，对需要参与自动启停的阀门进行智能化升级改造；同时，可增加相应阀测点，对程控步序进行辅助判定。

③原逻辑优化调整。部分原有逻辑可能会与APS逻辑相冲突。在组态设计阶段，需要对原始逻辑进行整体评估。对部分原始逻辑，可以针对APS逻辑进行相应的优化调整。优化调整后的逻辑应切实符合生产过程的工艺特点及控制要求，并能使APS逻辑组态的复杂度尽可能小。在设计阶段，为保证机组的安全运行，所有逻辑的修改调整应经过充分的讨论研究。

④接口及数据库容量的考量。在组态阶段，应尽量使用接口逻辑。所有的运算皆位于APS控制器，只通过少量的接口连接到各个设备上，以减少对原联锁逻辑的改动。APS控制站预留多个第三方通信接口和优化控制器接口，可以用于后期优化控制算法的接入。一般运行机组的数据库都有一定量的冗余。但APS涉及系统繁多，逻辑复杂，对数据库的容量要求较高。因此，在设计阶段应论证现有数据库容量是否满足要求。

⑤DCS界面组态设计。APS界面设计应具备规范、明确的指示功能，简易、便捷的操作功能，以及准确、丰富的监视功能。APS的操作画面在保留主流程集中操作界面的同时，在工艺画面中增加对象操作界面，并对执行进度提供状态显示，在运行确认与状态设置点可弹出操作窗口。工艺画面上的单体设备操作界面作为状态显示与后备操作使用，只有在紧急干预的情况下才进行必要的单体操作。

1.2.3 异常处理设计

由于在生产过程中不可避免地会出现设备失电、故障等意外情况，在自启停过程中异常状态发生时，对其作出妥善处理是十分必要的。APS异常处理设计如表1所示。

表1 APS异常处理设计

2 全程自启停系统控制方案

2.1 控制策略

超超临界机组全程自启停控制包括了从机组冷态启动到机组正常运行全程自动控制。这主要涉及风、煤、给水、凝结水等多个系统的重要设备顺序控制和模拟量控制，以及特定工况下的联锁、闭锁功能管理。

在整体控制方案中，针对主要模拟量划分负荷全程控制、给水全程控制、减温水全程控制、燃料全程控制及风量全程控制多个全程自动控制系统，并将其与协调控制逻辑、自动并退泵技术和顺序控制相结合，实现机组的全程自启停控制策略。通过此控制方案，实现了主汽温度、主汽压力、给水流量、过热度、燃料量、总风量及炉膛负压等重要参数随负荷变动时的平稳控制，保证了机组的安全运行[6-8]。本文主要对风量、给水及燃料的全程控制策略进行要点阐述。

2.2 风量全程控制

2.2.1 风量全程控制

风烟全程控制包含了六大风机及其附属系统的启停、并列、投退及其过程中的模拟量控制系统，并需要保证过程中风量、炉膛负压、一次风压的稳定，最终完成目标值控制[9]。其中，炉膛总风量主要由一次风流量和二次风流量叠加而成。风量全程控制如图2所示。

图2 风量全程控制示意图

风量控制步骤如下。

①建立风道，启动风机，保持一定通风量。

②锅炉建立吹扫风量，置位风量指令至30%吹扫风量值，完成锅炉吹扫。

③湿态带部分负荷后，风量设定值大于最小风量。锅炉主控经过函数换算形成基本风量指令，经氧量校正形成风量指令。

④负荷大于30%额定负荷。燃料设定经过函数换算形成基本风量指令，经氧量校正形成风量指令。

⑤调节过程中根据工况需求，自动投退另一侧对应风机，并自动调平出力。

2.2.2 给水全程控制

给水全程控制包括给水调节回路、锅炉启动系统控制回路、干湿态转换回路以及给水泵的启停和并泵程控回路。给水调节回路控制给水流量的调节。在低负荷时，维持水冷壁具有流速稳定的最小水流量，保持锅炉启动流量和启动压力；在高负荷时，维持一定的水煤比，控制中间点温度。锅炉启动系统控制回路负责锅炉启动过程中的开式水清洗、冷态循环清洗、热态清洗、分离器水位控制等。干湿态转换回路完成锅炉自动转态过程中给水流量和锅炉主控指令的控制调整。给水程控回路完成各个泵组的启动/停止控制，以及汽泵的并泵/退泵等控制[10]。

给水全程控制如图3所示。

图3 给水全程控制示意图

给水控制步骤如下。

①启动前准备：静压注水、锅炉上水,根据锅炉温度变化限制最大允许给水流量。

②冷态冲洗：根据锅炉温度变化，限制最大允许给水流量。

③启动阶段：从锅炉上水到点火前，流量设定值850 t/h，点火后根据湿态水线。

④湿态带部分负荷阶段：流量设定值根据湿态水线，分离器处于湿态运行，此时的给水自动控制给水流量以满足升温升压要求。

⑤纯直流阶段：基于中间点过热度的动态燃水比值控制。

2.2.3 燃料全程控制

燃料全程控制如图4所示。

图4 燃料全程控制示意图

图4中：燃料指令为0～500 t/h;蒸汽流量为0～3 200 t/h;分离器出口温度为0～400 ℃。

燃料全程控制燃烧过程,使燃料燃烧所提供的热量适应外界对锅炉输出的蒸汽负荷的需求,同时保证锅炉的安全经济运行。燃料指令按上层规划指令进行模式切换，以锅炉主控指令为基准线，接收风煤、水煤交叉限制条件，并添加水煤比修正后生成[11-12]。

燃料控制步骤如下。

①微油系统投入。

②首台给煤机启动，待稳定后切换至给煤机自动，燃料量将自动调整至校准后的基础燃料指令。

③锅炉点火且首台磨稳定投运一定时间后，开始升温升压。升温过程中，必须注意温升速率，以保证锅炉受热均匀。

④机组并网，燃料主控根据启动燃料量曲线进行调节。

⑤当负荷到达相对应的额定负荷时，逐步投入剩余的制粉系统。

3 全程自启停系统的应用与实现

本文设计的全程自启停系统在某百万机组的APS改造项目中进行了实际投运试验。该项目控制系统软件采用艾默生的Ovation DCS控制系统。正式投运后的APS流程监控如图5所示。图5展示了APS从冷态到满负荷的全过程功能监视。图5中，方框为APS中各个工艺节点。

图5 APS流程监控图

在APS模式下，机组进行启动准备阶段，根据预设的程序逐步投运循环水系统、凝结水系统和冷机油系统模块，并投入给水全程控制功能，进行锅炉上水和冲洗。在此阶段，可同步投运真空系统，以减少机组总体启动时间。冷态冲洗结束后，机组投入风烟全程控制，建立风道并将风量打至吹扫值，完成锅炉吹扫。随后机组投入全程燃料控制：准备锅炉点火，投入旁路自动控制主汽压力，进入热态冲洗阶段；通过燃料全程控制和给水全程控制配合，进行升温升压。待满足冲转条件后，机组通过数字电液控制系统启动顺控进行冲转和并网步骤。过程中，机组在汽机转速达到360 r/min时，并入第二列风机，并自动调平出力；当汽机转速到达3 000 r/min时，投运第二台磨组。当机组负荷升至20%以上，给水切至主路，第三台磨组投运，机组进行干湿态转换。转换过程为，全程给水控制模块自动设定给水流量，待汽泵转速调节给水流量至设定值后，锅炉主控指令逐渐提升使机组进入干态。当机组进入干态后，锅炉主控指令将会再次增加，以保证机组稳定在干态。机组在完成干湿态转换后，投入协调控制系统控制模式，启动低加疏水泵，自动并入第二台汽泵并调平出力，并按照实际设定逐步投入第四台、第五台磨组，升至指定负荷。整个过程中，风烟全程控制保证合适风煤比，并维持炉膛压力。

4 结论

本文首先对超超临界百万机组的全程APS设计的研究内容进行了全面阐述，提出了一种面向自治对象的系统框架设计方案和机组全过程自动启停控制策略。其次，本文对系统的整体架构设计、设计过程中的技术要点及异常处理作了分析与讨论，并对机组全程自启停控制策略中的风量、给水、燃料全程控制作了简要论述。最后，本文将设计的系统在某一超超临界机组中进行了实际投运试验。试验结果表明，该系统能够实现机组从冷态到满负荷的全过程自动启停控制，且机组启停过程中机组的主要过程参数波动平稳，达到了预期的效果。面向自治对象的APS区别于传统面向过程设计的APS，下层自治对象能够根据上层任务规划根据当前工况进行自适应调整，具备更高的灵活性和可靠性。