火电燃煤机组APS十问十答

核心提示:  多年来,APS(APS-Automatic Procedure Start-up/Shut-down)在国内也算是一个热门话题。说是智慧电厂也好还是智能电厂也好,无非两...

  多年来,APS(APS-Automatic Procedure Start-up/Shut-down)在国内也算是一个热门话题。说是“智慧”电厂也好还是“智能”电厂也好,无非两个方面,一个是电厂的经营管理,另一个就是机组的生产过程控制。APS就是生产过程控制中高度自动化的标志性功能,因其有协同的广域性,全程的自动化能力,控制策略和逻辑模块的智能化,所以被看做是智能电厂的重要组成部分。毕竟,电厂终归还是以发电为主业,确保机组安全、经济运行是电厂创造价值的坚实基础,生产过程控制是形成这个基础的主要因素之一,APS就成了这个主要因素的热点。国内从上个世纪九十年代初就有专业人员涉足APS的研究,2004年开始陆续有电厂提出或实施了以APS为名目的项目。但是,从公开的报道和实地了解,某些项目似乎与APS有同名歧意之嫌。真实地还原APS本来的理念、用途、特点,将有利于今后电厂智能控制的进步和发展。

1 、 火电厂的APS都一样吗?

  火力发电厂通常有两种机组,一种是燃气轮机,另一种是燃煤机组,两种机组都有APS控制,燃气轮机APS的产生和应用早于燃煤机组。燃气轮机发电机组的APS,英文全称是Automatic Plant Start-up and Shut down System,控制功能与汽轮发电机组的DEH更为相似,但比蒸汽轮机多了燃烧控制。燃煤机组的APS英文全称是Automatic Procedure Start-up/Shut-down,从控制范围、整体结构到回路控制方式相比于燃气轮机,燃煤机组的APS要复杂得多,控制难度也高了许多。

2 、 APS是干什么用的?

  简单地说,就是用于自动启、停机组的。复杂点儿描述APS用于燃煤机组的用途是:在机组规定的运行区间内分阶段自动程序控制递进导引热控系统启、停机组。按步序循序递进是APS的基本工作方式,火力发电厂燃煤机组被控对象的特点是开关量与模拟量交织在工艺流程中,我们把这种系统称之为“复合变量系统”(简称“复变系统”),APS直接指令或调用如SCS、MCS、BMS、DEH、CCS等的各种热工控制系统,全工况、全过程、全自动地参与机组启停控制,完成复变系统的调控。在先进的工业发达国家,APS已经是一种非常实用的控制技术,成为大型燃煤机组的标配。

3 、 为什么说APS是程序控制?

  程序控制与顺序控制一字之差,虽然两种控制都是按步序循序递进,但控制理念、逻辑策略和复杂程度大不相同。单纯的开关量步进自动控制被定义为顺序控制(Sequence Control),知道多米诺骨牌吧?可以把单纯的开关量执行过程想象成如同推倒一副多米诺骨牌。能够让开关量和模拟量两种以上不同变量交叉引用、互为因果,融为一体并按步序递进的控制被称为程序控制(Procedure Control)。APS是不同控制方式的集合,控制多种不同类型的参数,所以是程序控制。

  有人说APS就是一个大顺控,意思是把常规控制各自独立的顺序控制连接起来就成了APS。APS逻辑步序虽然与顺控“疑似”,但内里乾坤与顺控差的就不是一星儿半点儿。顺控,一棵树,大顺控,一棵大树,APS,一片大森林,那是相当的不一样。

4 、 APS是如何产生的?

  上个世纪七十年代,国外某些先进工业国家的电网为了确保电能品质,同时兼顾电网的安全和经济性,采用了DSS(每日启停)运行方式来实现电网的深度调峰,430MW燃煤机组作为调峰主力参与其中,到了八十年代采用了容量更大的700MW机组加入DSS调峰。DSS方式一般是当日8:00时~22:00时高负荷运行,22:00时停机备用,次日启机8:00时带负荷迎早高峰。这种大容量的燃煤机组若依靠人工手动启、停耗时费力,安全风险自不待言。天长日久,每天一次启停,燃煤机组启、停时间相对较长的问题若不解决,燃煤机组以DSS方式参与电网调峰将无以为继。有什么样的需求,就有什么样的控制。为了确保在机组允许的最短时间内安全地启停机组,因此催生了APS,成为大型燃煤机组热控的标配。这里特别需要说明的是,随着科技进步,DCS的应用有力地支持了APS快速地走向成熟。DSS运行方式, 机组启停APS日日相伴,成为运行人员手中的常备利器。可能有人会问,我们这种长期运行一年也启停不了几回的机组,用APS有意义吗?

5 、 为什么要用APS?

  APS虽然是热工控制的一种,但却是现代电厂高度自动化、智能化的标志。这是因为,想要实现APS,所有参与APS的热工控制必须具有“一键启停”的基本能力,APS的这道门槛令MCS、SCS、CCS等热工控制系统产生了脱胎换骨的变革,以往常规的热工控制工作方式、控制策略和逻辑模块在智能化方面前进了一大步。在机组静止状态下,MCS就能够投入“自动”,设备系统一旦运转,MCS可以 “超驰纠偏”转入调节。同样在设备静止状态下,SCS能够投入冗余设备缺省自动联锁。CCS也成为名副其实的“全程”控制,只要汽轮机旁路开启,CCS就能投入自动调节。锅炉给水、燃烧、制粉和风烟等热工控制系统“一键启停”,不打半点儿折扣。因APS而极大地提高了机组的热工自动化水平,智能化的热工自动控制成就了APS,相得益彰,促进了燃煤机组的安全、经济运行。APS也就成为评价电厂生产技术管理、热工控制和机组运行水平高低的一种标准。即便电厂不是DSS运行方式,APS同样值得大力推广应用。近些年来,在世界范围内,许多国家都在火力发电厂燃煤机组招标技术规范中明确了APS作为热工自动控制的必备功能,列入机组商业运行的考核项目,足以见得各国对燃煤机组APS的信任程度,形成一种应用先进技术的潮流,同时也表明APS已经是一种非常实用的控制技术。

6 、 APS能够一键启停吗?

  APS从来没有自诩是“一键启停”。APS系统逻辑结构采用纵、横制设计。横向分阶段,若干个独立的分布式主控器次第连接,构成APS控制系统。如若APS启停都设计为6个阶段,每个阶段开始之前皆有按键操作,所以APS不能够“一键启停”。纵向分层级,设置若干步序,每一步序分层分级导引热工系统完成控制,能实现 “投后不管”这种近乎“傻瓜”机的操作,控制逻辑已经具备判断进程方向、路径,决定进退、转辙的“自主思考”能力。所以,真正能“一键启停”的是热工控制系统。例如,锅炉给水、风烟、燃烧、制粉、燃烧器管理等系统。还有技术难度不低于一键启停的自举随机投切自动的MCS回路,一台600MW等级的燃煤机组有上百个这样的MCS回路参与了APS的控制。

  有人设想,APS不需要断点才是最先进的。APS“一键启停”非不可能,APS在先进工业国家已经有了几十年的应用经验,之所以至今仍沿用分阶段控制,主要原因是能有效地提高APS应对机组复杂工况的弹性和利用率。不是说实践出真知吗。

7 、 应用APS有限制吗?

  APS应用的负荷区间是有限制的。若以机组发电负荷划分,对燃煤机组而言,启动时,从机组停运的静止状态开始,投入APS,应用APS启动机组,待机组达到锅炉不投油稳燃负荷后,APS自动退出。机组停止时,在高于锅炉不投油稳燃负荷之上15%的负荷下投入APS,应用APS降负荷及至机组设备全部停运,APS自动退出。

  APS管控的设备是有限度的,一台600MW等级机组纳入APS导引的设备大约有500多台。APS本身是软件的集成,没有硬件I/O通道,只能利用导引的热工控制系统驱动设备,APS设计时优先考虑那些操作反复、启停先后连贯、设备数量较多的工艺系统利用APS代替人工操控,体现出计算机辅助操作的优势。而一次启动后,机组即便短时间停机也无须或不允许停运的系统,比如辅助蒸汽、空压机、冷却水、发电机氢冷等系统都是在APS之外独立启动的,这样的系统大约有20多套。

  APS适用的时机是有条件的。依据汽轮机(以亚临界机组为例)第一级金属温度,机组启动划分有冷态(<120℃) 、温态(120℃~300℃) 、热态(300℃~380℃)和极热态(>380℃)等四种状态。APS最适宜的应用是在机组温、热和极热状态下启动以及某一预定负荷(高于不投油稳燃负荷15%ECR)以上的停机。机组检修后的冷态启动并不适合APS应用,根据不完全统计,启动前机、炉、电设备和系统的现场检查以及就地操作主要项目合计超过5000多项,用APS启动机组显示不出太多的优势,通常还是采用热工控制系统 “一键启停” 的方式更符合电厂运行的实际需要。

8 、 APS相当于“电子规程”吗?

  曾经见到有电厂设计APS,设计思路是,只要依据电厂现行的运行规程和人工操作经验,经DCS逻辑组态成大顺控,就成了APS,认为APS就是运行规程的电子化。这与真正意义上的APS在设计理念、策略、方法、逻辑等方面相差甚远。机组的运行规程基本上都是按人工操作的步骤编写的,用于规范人工操作。人工操控设备只能按次序一台一台的来,这叫串行操作。APS依托的是DCS,DCS是什么?计算机啊,俗称电脑。电脑发出一条指令即刻同时启动设备几台、十几台乃至几十台不等,所谓的并行操作,或多线程控制。APS实施控制就要站在充分发挥电脑特长的角度去设计控制策略才是正确的方法。如果真的按照电厂运行规程照搬人工手动启动、停止的操作顺序,把APS控制看成或做成“电子规程”,实在是浪费了DCS的资源和误解了APS的功能。运行规程只能作为设计APS逻辑的基本素材,应用现代控制理论发挥DCS特长优化设备操控而形成APS的控制策略和逻辑步序才符合计算机控制的规律。成功投运的APS中有大量先进的超驰控制和智能化逻辑,这些生产过程自动控制的专业内容不是简单的一句“电子规程”所能概括的。

9 、 APS有哪些智能化的设计?

  APS含有许多智能化的逻辑设计,仅举两个例子作为简要介绍。

  为APS控制而专门设计的“缺省自动联锁控制逻辑”,能够让设备联锁投、切完全由逻辑算法自动完成,通过对关联设备包括操作开关和MCC(电动机控制中心)运行状态、工作方式、启停进程的综合逻辑运算,自主决定联锁的控制方式和设备的启停顺序,一旦检测到运行中的设备故障跳闸即时启动电气联锁或工艺参数超限马上连动热工联锁。备用设备投入联锁不需要在选定的运行设备启动之后,备用设备切除联锁也不必在已运行设备停运之前,因此联锁的投入或切除不再受设备工作状态的制约。缺省自动联锁的标准工作方式为“无需人工投、切”,设备尚在静止状态,联锁可先行投入。这一点,常规的设备联锁望尘莫及。

  设计有MCS “三态式切换”(手动、自动伺服、自动调节)和“超驰纠偏”(伺服纠偏、AUTO纠偏)逻辑,模拟量调节回路从手动到自动的过程经过一次硬手操、两次软逻辑,利用控制装置品质条件以及工艺设备状态条件自举转换自动调节回路的工作方式,在工艺设备与系统尚未启动之前MCS就可以投入“自动”。在自动伺服工作方式下,MCS定值随动给定、偏差超驰纠偏,从开环控制自动地无扰投入闭环自动调节。也能够在两个自动调节回路之间进行并列、解列或切换,超驰纠偏自动平衡回路输出、校正输入偏差。以上控制过程完全依靠智能逻辑代替人的操控和调节。

10 、 怎样识别APS的有效性?

  实践是检验真理的唯一标准。最直接的办法就是“是骡子是马拉出来溜溜”,不过,除非DSS运行方式,否则,真的让APS在机组运行中走两步,机会不那么容易遇到。最简单的方法是“看”,观察运行机组制粉系统的启动和停止,这个相对容易,通常情况下24小时内机组都有启停制粉系统的机会。一套制粉系统至少有给煤、风量和出口温度等三套MCS调节以及一套磨煤机启、停顺控,操作人员一键按下,能否“一键启停”,效果立判。再进一步仍然是“看”,找一个负荷在65%ECR~90%ECR之间升、降的机会,把“磨煤机出力计算”逻辑投AUTO,看看磨煤机是否能自动启、停,这次是一键都不许按。以上两次观察都通过了,恭喜你,离APS的成功越来越近了。最后的印证,就是50%ECR投入APS停机,机组自动停机、闷炉。4个小时后,投入APS启动机组,110分钟带满负荷。试验通过,APS就真的成功了。
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