龍海云

(四川省江電建設(shè)監(jiān)理有限責任公司，四川 成都 610021)

0 引言

截至2011年，中國投運的1 000 MW 超超臨界機組已達30 多臺。超超臨界機組尤其是百萬千瓦超超臨界機組的設(shè)備數(shù)量多、容量大，運行參數(shù)高和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此機組對運行人員的操作和管理水平提出了更高要求，在機組運行特別是機組啟動和停運過程中，如果靠運行人員手動操作，不僅容易發(fā)生誤操作事故，而且也極大地影響了機組運行的安全性和經(jīng)濟性。機組自啟?？刂葡到y(tǒng)(automatic power plant start up and shutdown system，APS)可以使機組按照規(guī)定的程序進行設(shè)備的啟停操作，不僅大大簡化了操作人員的工作，減少了出現(xiàn)誤操作的可能，提高了機組運行的安全可靠性，同時也縮短了機組啟動時間，提高了機組的經(jīng)濟效益。因此對發(fā)電機組特別是大容量、超超臨界機組自啟?？刂萍夹g(shù)進行研究和應(yīng)用，提高機組的運行效率和經(jīng)濟性，成為近年電廠熱工自動化和自動控制技術(shù)的研究熱點。

1 自啟?？刂葡到y(tǒng)(APS)

機組自啟?？刂葡到y(tǒng)APS(automatic power plant startup and shutdown system)是機組自動啟動和停運的控制中心。APS 系統(tǒng)作為一個機組級的順控系統(tǒng)，充分考慮機組啟停運行特性、主輔設(shè)備運行狀態(tài)和工藝系統(tǒng)過程參數(shù)，并通過相關(guān)的邏輯發(fā)出對其它順控功能組SCS、FSSS、MCS、汽機控制系統(tǒng)、旁路控制系統(tǒng)、給水全程控制系統(tǒng)、燃燒器負荷控制系統(tǒng)及其它控制系統(tǒng)(如電氣控制系統(tǒng)ECS、電壓自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)AVR 等)等的控制指令來完成機組的自啟?？刂?，以最終實現(xiàn)發(fā)電機組的自動啟動或自動停運。

APS 對電廠的控制是應(yīng)用在電廠常規(guī)控制系統(tǒng)與上層控制邏輯共同實現(xiàn)的。在沒有投入APS 的情況下，常規(guī)控制系統(tǒng)獨立于APS 實現(xiàn)對電廠的控制;在APS 投入時，常規(guī)控制系統(tǒng)給APS 提供支持，實現(xiàn)對電廠機組的自動啟/?？刂?。在設(shè)計有APS功能的機組時，MCS、CCS、FSSS、MEH、DEH 等系統(tǒng)均要圍繞APS 進行設(shè)計，協(xié)調(diào)APS 完成機組自啟動和停止功能。APS 下面的功能組設(shè)計就不能是單純的順控，而是一個能自動完成一定功能的功能組，功能組具有很強的管理功能，作為中間的連接環(huán)節(jié)，向下協(xié)調(diào)有關(guān)的控制系統(tǒng)(如MCS)按自啟停系統(tǒng)的要求控制相關(guān)的設(shè)備，向上盡量減少和APS 的接口，成為功能較為獨立的一塊，這樣就減輕了上一級管理級APS 的負擔，同時也提高了機組自動化水平。

APS 功能包括機組自動啟動與自動停止。其中自動啟動有冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)和極熱態(tài)4種啟動方式，對于汽輪機來說，其區(qū)別主要在于汽輪機自動開始沖轉(zhuǎn)時對主蒸汽參數(shù)的要求不同，因而汽輪機沖轉(zhuǎn)前鍋爐升壓時間不同。對于鍋爐來說，區(qū)分以上4種啟動方式，主要由鍋爐壁溫、分離器壓力和停爐時間等來決定。

2 APS 系統(tǒng)設(shè)計的目的和意義

機組自啟?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計研究和應(yīng)用是個復(fù)雜的課題，涉及范圍比較廣，啟動過程從循環(huán)水泵開始運轉(zhuǎn)到機組帶到一定的負荷，停止過程從當前負荷減負荷到真空破壞、風煙系統(tǒng)停運。因此，真正實現(xiàn)機組自啟?？刂?，對機組的控制和運行具有重要意義。

2.1 提高機組的控制和自動化水平

機組自啟停控制系統(tǒng)提高了機組的控制和自動化水平，機組自啟?？刂剖且环N先進的控制理念，它涉及到多種復(fù)雜控制策略。APS 對電廠的控制是通過電廠底層控制系統(tǒng)與上層控制邏輯共同實現(xiàn)的。在沒有投入APS 的情況下，常規(guī)控制系統(tǒng)獨立于APS 實現(xiàn)對電廠的控制;在APS 投入時，由常規(guī)控制系統(tǒng)執(zhí)行APS 的控制策略，實現(xiàn)對電廠的自動啟/停控制。它將模擬量控制和順序控制等各個控制系統(tǒng)整合起來，共同完成設(shè)備啟停任務(wù)。

百萬千瓦超超臨界機組是典型的多輸入多輸出控制系統(tǒng)，參數(shù)之間耦合較強，而且控制對象動態(tài)特性的延遲時間和慣性時間比較大，非線性比較嚴重，這些都對自動控制系統(tǒng)提出了更高的要求。另外，為了實現(xiàn)機組自啟?？刂?，就必須實現(xiàn)風煙系統(tǒng)的全程自動、全程給水自動、燃料的自動增減、燃燒器負荷全程控制、主蒸汽壓力全程控制及主蒸汽溫度的全程控制。這些控制策略的實施和應(yīng)用，從本質(zhì)上提高了機組整體的自動化控制水平和運行效率。

2.2 提高電廠的管理水平和經(jīng)濟效益

機組自啟停控制系統(tǒng)實質(zhì)上是對電廠運行規(guī)程的程序化，它的應(yīng)用保證了機組主、輔機設(shè)備的啟停過程嚴格遵守運行規(guī)程，減少運行人員的誤操作，增強設(shè)備運行的安全性。

機組自啟?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計研發(fā)過程，既是對主設(shè)備運行規(guī)范優(yōu)化的過程，也是對控制系統(tǒng)優(yōu)化的過程。APS 系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用不但要求自動控制策略要更加完善和成熟，機組運行參數(shù)及工藝準確詳實，而且對設(shè)備的管理水平也提出了更高的要求?？焖贉蚀_的機組啟動縮短了機組啟、停設(shè)備時間，優(yōu)化的控制策略降低了啟停過程中的煤耗和油耗，提高了機組運行經(jīng)濟效益。

2.3 具有廣泛的推廣和應(yīng)用價值

百萬千瓦超超臨界機組是目前國內(nèi)單機容量最大的火電機組，也是今后國內(nèi)電力系統(tǒng)的主導(dǎo)機組。百萬千瓦機組自啟?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計研究和應(yīng)用提高了機組的自動控制水平，豐富了熱工自動控制的內(nèi)容，對熱工控制先進理論的應(yīng)用和研究起到了積極的推動作用。同時在百萬千瓦超超臨界機組自啟?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計和調(diào)試中，積累的經(jīng)驗對其他同類型機組自啟停控制系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試具有重要的參考價值。

3 APS 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3.1 APS 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

APS 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)采用金字塔形的分層結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示?？傮w上是4 層結(jié)構(gòu)，即機組控制級、功能組控制級、功能子組控制級和設(shè)備控制級。

機組控制級執(zhí)行最高級的控制任務(wù)，包括啟動方式的預(yù)先選擇和協(xié)調(diào)，可有冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)、極熱態(tài)4種啟動方式;運行整個電廠的“啟動”和“停止”程序;基于CRT 的操作;運行方式的切換。機組控制級是整個機組啟?？刂乒芾碇行模鶕?jù)系統(tǒng)和設(shè)備運行情況及既定的控制策略，向底層功能組及功能子組發(fā)出啟動和退出的指令，保證機組的安全運行。

功能控制級又可細分為功能組控制、功能子組控制兩個層次，它和機組控制系統(tǒng)相連，接受上級或同級控制系統(tǒng)的指令自動啟動或以手動方式啟動。其中功能組接受機組控制級的激勵信號，決定什么時間哪個功能子組需投運和進入備用狀態(tài)，運行本功能組內(nèi)設(shè)備的“啟動”和“停止”程序。功能子組接受來自功能組的激勵信號，決定什么時間哪個子回路需投入運行，運行本功能子組內(nèi)所控設(shè)備的“啟動”和“停止”程序。功能子回路接受功能子組來的命令，將子回路控制設(shè)定為要求的運行方式，運行設(shè)備的“啟動”和“停止”程序。功能組控制的操作方式可以手動操作，也可以接受自動指令。

圖1 機組自啟停系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

3.2 機組自啟?？刂葡到y(tǒng)功能組設(shè)計

功能組和機組控制級以及常規(guī)控制系統(tǒng)的關(guān)系，機組控制級不直接發(fā)指令到常規(guī)控制系統(tǒng)驅(qū)動設(shè)備，更多地是通過對功能組管理實現(xiàn)對設(shè)備的調(diào)用，因此底層功能組安全順利地運行，是實現(xiàn)機組自啟停控制系統(tǒng)的根本保證。

3.3 斷點的設(shè)計思想

對于火電機組來說，設(shè)計機組自啟停時，根據(jù)機組的運行方式采用斷點控制方式較為理想，根據(jù)國外成功的例子，火電機組都是采用斷點控制方式的。

斷點方式，就是將APS 啟動這個大順控分為若干個順控功能來完成，每個斷點的執(zhí)行均需要人為確認才開始執(zhí)行。采用斷點方式也符合火電機組的運行工藝要求，對于火電機組的點火、沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)等均要人為的確認才能進行。另外，采用斷點控制方式，各個斷點既相互聯(lián)系，又相互獨立，只要條件滿足，均可獨立執(zhí)行，這樣適合火電機組多種多樣的運行方式，符合電廠生產(chǎn)過程的工藝要求。

APS 系統(tǒng)使用斷點方式進行機組自啟?？刂?，可實現(xiàn)從機組啟動準備到帶50%MRC 負荷，以及由減負荷至停爐的自動控制。APS 分啟動模式和停止模式，其中自動啟動模式有冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)和極熱態(tài)4種啟動方式，有關(guān)APS 斷點的設(shè)置，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的實際情況，滿足各常規(guī)控制系統(tǒng)運行要求，即可給APS 提供支持，實現(xiàn)機組自動啟/?？刂?，亦可滿足操作員對各單獨運行工況及過程的操作要求。

4 自啟?？刂葡到y(tǒng)APS 設(shè)計

4.1 APS 系統(tǒng)設(shè)計范圍

百萬千瓦機組自啟停控制系統(tǒng)APS 啟動過程起點從凝補水系統(tǒng)啟動開始，終點至機組帶500 MW 負荷(高壓加熱器投入完成、第2 臺汽動給水泵并泵完成、至少3 臺磨煤機投入，協(xié)調(diào)投入)，投入給煤機自動管理系統(tǒng)，設(shè)定1 036 MW 負荷，退出自啟停控制啟動模式。APS 系統(tǒng)停止過程從機組當前負荷開始減負荷至投汽輪機盤車結(jié)束、風煙系統(tǒng)停運。

4.2 APS 啟動過程設(shè)計

依據(jù)目前百萬千瓦機組的實際情況，APS 系統(tǒng)啟動過程設(shè)置6 個斷點，停止過程設(shè)置3 個斷點。只有在上一斷點啟動完成后，運行人員才能通過所提供的按鈕確認啟動下一斷點，在每一斷點的執(zhí)行過程中，均設(shè)計“GO/HOLD”邏輯。啟動過程包括6個斷點，分別是機組啟動準備斷點、冷態(tài)沖洗和真空建立斷點、鍋爐點火及升溫斷點、汽輪機沖轉(zhuǎn)斷點、并網(wǎng)及初負荷控制斷點、升負荷斷點。

投入APS 前，必須投入相關(guān)的外圍系統(tǒng)，包括工業(yè)水系統(tǒng)、化學(xué)凝補水系統(tǒng)等，且灰處理系統(tǒng)具備投入條件，發(fā)電機充氫等已準備好。

機組啟動準備斷點，APS 投入凝補水系統(tǒng)啟動功能組、閉冷水系統(tǒng)啟動功能組、循環(huán)水系統(tǒng)啟動功能組、磨煤機油站和旁路油站、汽輪機油系統(tǒng)啟動功能組(主機潤滑油、頂軸油系統(tǒng)、密封油系統(tǒng)及盤車)、機組輔汽系統(tǒng)、爐底水封及渣水系統(tǒng)。

冷態(tài)沖洗及真空建立斷點，APS 啟動凝結(jié)水系統(tǒng)、用凝結(jié)水上水功能組進行凝結(jié)水系統(tǒng)清洗，凝結(jié)水水質(zhì)合格后，除氧器上水，爐水泵注水、投輔汽系統(tǒng)、鍋爐疏水排氣、管道靜態(tài)注水、啟動投軸封、抽真空、除氧器加熱、鍋爐上水、冷態(tài)循環(huán)清洗。

鍋爐點火及升溫斷點，APS 投入鍋爐風煙系統(tǒng)，啟動火檢冷卻風機、給水投自動維持省煤器入口給水流量25%BMCR，等離子點火裝置點火準備，進行燃油泄漏試驗、爐膛吹掃、開始高壓缸預(yù)暖、等離子點火裝置點火或采用油槍點火、投汽輪機旁路系統(tǒng)、啟動EH 油，投定子冷卻水系統(tǒng)，當啟動分離器進口溫度達到190℃開始熱態(tài)清洗直至Fe≤100 μg/L鍋爐繼續(xù)升溫升壓，當主蒸汽溫度高于271℃，調(diào)節(jié)閥(CV)蒸汽室內(nèi)壁或外壁溫度低于150℃時，高壓主汽門、調(diào)門室預(yù)暖，直至調(diào)門室預(yù)暖完成，主蒸汽參數(shù)達到?jīng)_轉(zhuǎn)參數(shù)。

汽輪機沖轉(zhuǎn)階段，汽輪機沖轉(zhuǎn)采用ATC 沖轉(zhuǎn)，在沖轉(zhuǎn)過程中汽輪機轉(zhuǎn)速＞1 500 r/min 將低壓加熱器隨機投入。

機組并網(wǎng)斷點，APS 投入電氣同期裝置，并網(wǎng)及帶初始負荷暖機。

升負荷斷點，APS 以一定的速率升負荷，旁路調(diào)節(jié)主蒸汽壓力，逐漸退出運行;機組負荷升至150 MW 時投入第二套制粉系統(tǒng);負荷到180 MW 時將給水上水旁路調(diào)門切到主路運行，維持給水流量穩(wěn)定;升負荷至200 MW 第1 臺汽動給水泵開始沖轉(zhuǎn)升速暖機(若臨爐供汽，開始升負荷時第1 臺汽動給水泵就開始沖轉(zhuǎn)升速暖機);升負荷到230 MW 并入第一臺汽動給水泵，退出電動給水泵并維持電動給水泵回水循環(huán)運行;由濕態(tài)轉(zhuǎn)為干態(tài)升負荷到300 MW，投第3 臺磨煤機;升負荷到350 MW 沖轉(zhuǎn)第2 臺小機進行暖機，投入高壓加熱器;升負荷到400 MW 啟第2 臺變頻凝結(jié)水泵運行，將第2 臺小機并入運行，停電動給水泵、退油槍、退等離子點火裝置;升負荷至500 MW 啟動第4 套制粉系統(tǒng)，投入磨煤機管理自動，設(shè)定目標負荷1 036 MW，完成APS 啟動過程。

4.3 APS 停機過程設(shè)計

機組停運前的各項試驗及操作由運行人員進行，此部分可作為機組投入APS 前的斷點內(nèi)容，停運過程的APS 設(shè)計包括3 個斷點。分別是降負荷斷點、機組解列斷點、機組停運斷點。

降負荷斷點，設(shè)定目標負荷450 MW，以一定的速率減負荷，機組負荷到450 MW 時第1 臺汽動給水泵SERVICE OUT 并停運，降負荷至400 MW;若A 磨煤機運行，將等離子點火裝置投入運行，否則投入兩層油槍助燃;停運第3 臺磨煤機;降負荷至350 MW，退出CCS 模式，降負荷至250 MW 由干態(tài)轉(zhuǎn)濕態(tài)，啟動電動給水泵將第2 臺汽動給水泵退出，停運1 臺凝結(jié)水泵，停運倒數(shù)第2 臺制粉系統(tǒng)，減少最后1 臺給煤機出力，將最后1 臺制粉系統(tǒng)退出運行。

機組解列斷點:汽機跳閘、發(fā)電機解列。

機組停運斷點，停運燃燒器，鍋爐風煙系統(tǒng)停運，停運底渣系統(tǒng)，關(guān)閉高中壓主汽門前疏水，啟動真空停運功能組子組，破壞真空，啟動軸封停運功能組，停運1 臺循環(huán)水泵。

4.4 APS 系統(tǒng)機組控制級框架

從APS 系統(tǒng)的軟件邏輯上分析，機組自啟停系統(tǒng)機組控制級的框架可分為3 層。

第1 層為操作管理邏輯。其作用為選擇和判斷APS 系統(tǒng)是否投入，選擇啟動模式還是停止模式:選擇哪個斷點及判斷該斷點允許進行條件是否成立。如果條件成立則使斷點進行。從斷點的選擇邏輯上分析，可以直接選擇最后1 個斷點(如升負荷斷點)，其產(chǎn)生的指令會判斷前面的6 個斷點是否已完成，如沒有完成則先啟動最前面的未完成斷點，即具有判斷選擇斷點功能，從而實現(xiàn)機組的整機啟動。

顯示啟動的狀態(tài)，是冷態(tài)啟動、溫態(tài)啟動、熱態(tài)啟動還是極熱態(tài)啟動。

第2 層為步進程序。是APS 機組控制級構(gòu)成的核心內(nèi)容，每個斷點都具有邏輯結(jié)構(gòu)大致相同的步進程序(STEP SEQUENCE)。

第3 層為各步進行時產(chǎn)生的指令，即產(chǎn)生送至各個控制系統(tǒng)的功能組命令。當該功能組啟動完畢，則由鍋爐順序控制系統(tǒng)返回該步完畢信號到APS。

5 APS 系統(tǒng)與其他系統(tǒng)接口

APS 系統(tǒng)與MCS、FSSS、SCS、DEH、MEH、ECS等系統(tǒng)的接口信號全部采用通信的方式實現(xiàn)。APS系統(tǒng)作為基于MCS、FSSS、SCS、DEH、MEH、ECS、BPS 之上的機組級指管理、調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)APS 系統(tǒng)與這些底層系統(tǒng)的無縫連接是實現(xiàn)APS 系統(tǒng)自啟停的關(guān)鍵。這些系統(tǒng)與APS 系統(tǒng)接口功能設(shè)計的好壞將直接影響APS 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。

6 APS 系統(tǒng)調(diào)試和試驗要求

APS 實現(xiàn)從機組啟動準備到帶滿負荷全過程的自動控制，或從滿負荷減到零以至機組完全停止的全過程自動控制。實現(xiàn)機組級自啟/停要通過一個漸進的過程來實現(xiàn)。如何在較短時間內(nèi)高水平實現(xiàn)APS 功能且不影響DCS 其他功能的實現(xiàn)，對APS 的調(diào)試和投運工作提出了較高的要求。

6.1 APS 調(diào)試的環(huán)境和特殊要求

實現(xiàn)機組級自啟/停要通過一個漸進的過程來實現(xiàn)。如何在較短時間內(nèi)既能較高水平地完成DCS各個功能，又能實現(xiàn)APS 功能且不影響DCS 其它功能的實現(xiàn)，APS 的結(jié)構(gòu)方案成了關(guān)鍵。機組級自啟停(APS)采用多層級功能組結(jié)構(gòu)，最高層為機組級自啟停功能組。這樣做不但使APS 對下層DCS 功能的影響較小，而且還可以把APS 拆開分步試投。

APS 的調(diào)試要盡早進入，在APS 設(shè)計階段應(yīng)對APS 的方案進行審查，對APS 邏輯進行深入分析研究，不斷優(yōu)化邏輯，在DCS 系統(tǒng)復(fù)原后，滿足DCS 具備啟動條件即可逐漸開始APS 的靜態(tài)試驗調(diào)試。

6.2 自啟停控制系統(tǒng)仿真試驗和測試

自啟?？刂葡到y(tǒng)邏輯和畫面組態(tài)完成后要進行系統(tǒng)仿真試驗和測試，仿真試驗的目的是檢查邏輯設(shè)計的合理性和畫面組態(tài)及連接的正確性。

6.3 自啟?？刂葡到y(tǒng)靜態(tài)調(diào)試

機組斷點的靜態(tài)調(diào)試是和仿真試驗同時進行的，功能的靜態(tài)調(diào)試是把相關(guān)設(shè)備(泵和風機等)打到試驗位置，電動門、調(diào)節(jié)門盡量實際開關(guān)，不能實際開關(guān)的要做好隔離措施，保證能實際開關(guān)電動門和調(diào)節(jié)門，強制不滿足的條件，啟動功能組，模擬功能組的啟動過程，試驗每一步是否能正常進行下去。

6.4 自啟停控制系統(tǒng)動態(tài)調(diào)試及投運

動態(tài)調(diào)試階段是控制系統(tǒng)的實際投運過程，在調(diào)試工程中必須密切關(guān)注設(shè)備的動作和系統(tǒng)的狀態(tài)，根據(jù)實際情況對APS 系統(tǒng)進行了進一步的修改和完善，確保了機組的安全運行。

在動態(tài)調(diào)試時，機組斷點投運前必須保證斷點中的相關(guān)設(shè)備的傳動正確，聯(lián)鎖保護試驗完成，設(shè)備能夠正常啟停和投運，斷點中所涉及的功能組完成靜態(tài)試驗并可實際投運或已經(jīng)實際投運過，才能確保APS 系統(tǒng)控制動作的正確性和整個機組的可靠運行。在動態(tài)調(diào)試過程中還對投入和使用的控制策略進行了進一步優(yōu)化和調(diào)整，確保了控制的穩(wěn)定性和準確性。

7 結(jié)語

廣東海門2 ×1 000 MW 機組電廠自啟?？刂葡到y(tǒng)的成功應(yīng)用，推進了國內(nèi)其他電廠技術(shù)進步和技術(shù)改造的步伐，目前國內(nèi)其他一部分1 000 MW機組電廠等技術(shù)改造項目也提出了實施機組自啟?？刂葡到y(tǒng)的要求。相信自啟?？刂萍夹g(shù)還將在全國范圍內(nèi)進行推廣，機組自啟?？刂萍夹g(shù)在高參數(shù)、大容量火力發(fā)電站具有廣泛的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。