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摘要：本文对火电厂机组自启停控制系统（APS）的设计实现问题进行了初步分析，包括设计条件实现的难点，与DCS系统的接口问题，在实现过程中遇到的关键技术以及自启停控制系统实现的意义等。
关键词：APS；顺序控制；MCS
Automatic Power Plant Start-up and Shut-down 是火力发电厂机组自启停控制系统，简称APS。它是实现机组启动和停运过程自动化的系统，即按照火力发电厂的热力流程和设备运行工况、主辅机启停及运行特征、启停过程中各工艺系统的运行要求，通过对主辅设备运行状态及相关工艺过程参数全面、准确、实时的检测，在大量的条件与时间等方面的逻辑判断基础上，按定制好的模式向顺序控制系统（SCS）中的各功能组、功能子组及单体设备发出启动或停运命令，并通过协调控制系统（CCS）、模拟量控制系统（MCS）、炉膛安全监控系统（FSSS）、汽轮机数字电液调节系统（DEH）、给水泵汽轮机调节系统（MEH）、汽机旁路控制系统（BPC）及电气专用控制装置之间的相互配合，最终实现发电机组的安全、经济自动启停。
本文从APS的实现难点、APS的关键技术及实现APS的意义三个方面进行探讨，以期对发电厂实现机组自启停控制系统提供参考和指导。
1 整机自启停系统APS的实现难点
1.1 APS设计条件的难点
（1）设计要求问题。在APS设计之前，设计院的初设和设备定购已经完成，设计要求并不是按照APS的控制要求来实现，这样会造成APS的很多控制思想没法体现。
（2）设计工期问题。国内DCS控制逻辑设计都由组态厂家兼顾完成，而DCS系统建设通常在电厂设备采购招标第五批后才进行，这意味着从就地远传仪表的确定，经过I／0清单确定、I／0分配完成、控制逻辑设计、控制组态完成到系统出厂，一般只有半年～一年左右时间。控制逻辑的设计和确定也就l～2个月左右，这种常规的时间跨度难以完成APS系统繁复的的设计工作量。
1.2 在DCS的控制难点
APS控制是基于DCS系统的数据采集系统(DAS)、模拟量控制系统(MCS)、顺序控制系统(SCS)、炉膛安全保护系统(FSSS)以及电气控制系统(ECS)和其它辅助系统的机组级控制系统。DCS的分系统中的MCS和SCS系统的实现效果将直接影响APS的控制效果。目前来说，主要存在以下几个关键难点影响APS的实现。
1.2.1 超（超）临界控制难点
超（超）临界机组运行控制的要点主要有三点：一是锅炉蓄能较小，这对锅炉与汽机之间的工质平衡问题提出了更高的要求。二是直流特性，即其受热面没有固定分界线，蒸发量、汽压和汽温等各参数间相关性较强。三是非线性明显。由于汽水比热、比容、热焓与压力、温度的关系是非线性的，尤其在机组的超临界点附近的大比热容区内。所以APS设计时要充分考虑超（超）临界机组的特点，例如中间点温度(焓值)修正的投入点；考虑机组转干态前进行给水泵汽轮机与电泵间转换等。
1.2.2 模拟量控制(MCS)自动控制全程化
超超临界机组一般设计有几十套模拟量调节系统，但其中锅炉燃烧调节和锅炉给水调节的自动控制水平决定了APS能否全程自动运行，是APS成功实现的关键。
（1）锅炉主控自动控制的全程化
超（超）临界临界机组在启动点火时，给水量、送风量控制给定都有最小流量的限制，燃料量在升温升压的过程中，需要根据锅炉的不同态(冷态、温态、热态、极热态)来给定；带初负荷时，如何控制燃料率使旁路迅速关闭，使锅炉主控尽快根据负荷或压力自动控制都是全程的难点问题。因此，实现机组自动启动，必须要解决锅炉主控全程控制的问题。
（2）燃烧自动控制
一般在首台给煤机的启动时，是根据锅炉厂的要求由操作员或APS程序启动，如何根据负荷指令的增减来自动安排磨煤机系统的启动和停止，这项功能很难实现。这需要解决两个问题，一是单层煤层启停功能组的实现，包括磨煤机冷热风挡板匹配控制及给煤机煤量投自动的功能，只有在这功能实现的基础上才有可能去实现煤负荷自动控制的功能。二是煤层自动投运／停运顺序的确定。这与助燃方式和机组特性有关。对于超(超)临界机组，考虑水冷壁出口温度等情况，煤层投运顺序更要慎重选择。
（3）给水的全程控制问题
超临界机组给水系统通常配置为两台汽泵运行和一台启动用电泵，给水管路上装有调节阀在低负荷时使用。超临界机组给水控制可以分成几个阶段：
1）低负荷运行阶段，因为给水管路上压力低，为保证电泵工作在安全区，采用电泵定速，由调节阀来控制流量，使总给水流量满足最小流量的需求。
2）低负荷湿态运行阶段。这时调节阀开度随着负荷的增加逐渐开大，可以调节电泵转速来控制流量。
3）电泵与汽泵的运行转换。考虑机组转干态运行工况的特殊性，选择干态运行前进行小汽机升速、电泵汽泵并列运行、退电泵运行。
4）汽泵运行阶段。由于超（超）临界机组煤水比控制是保证主蒸汽焓值（温度）的重要手段，给水量的波动对机组运行的影响较大，这给给水全程控制带来一定难度。
1.2.3 顺序控制(SCS)存在的控制难点
（1）子功能组结构问题
由于以往功能组由操作员作为单个系统调用，缺少完善的子功能组的允许条件、旁路选择、故障判断、功能组运停状态和APS接口等设计。对于APS系统而言，子功能组是其驱动级，必须有完善的保护、控制、报警功能才能保证机组运行的安全。
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（2）子功能组的划分
APS的启动／停用顺控是由一系列子功能组组成的，这些功能组既是APS的驱动级，也是独立的操作单元。这些子功能组的合理划分和实现直接影响APS的效率。
1.3 设计难度
一个顺序控制系统的应用效果，很大程度上取决于设计者对被控对象工艺流程的了解和掌握程度。APS设计要求设计人员不仅需要熟悉DCS仪表，而且要求对机组的设备特性和使用情况、工艺流程的特性、机组启停操作等情况需要非常熟悉。这对DCS设计组态厂家提出了更高的要求，而且需要与仪表厂商、设计院、用户、调试厂家等多个单位进行充分沟通。
2 APS的关键技术
APS的关键技术，是在功能组实现顺序控制与模拟量控制两种控制方式的平稳衔接。在顺序控制为基础上，功能组能够拟人化地判断当时系统所处的工况，在特定的许可条件下自主、连贯地投入相应系统“自动”，使得开关量控制和模拟量控制无扰衔接，共同完成功能组的全程控制[1]。
2.1 三态式自动调节
燃煤机组工艺过程复杂，各工艺系统的配合要求高，参数耦合性高，关联性强，且运行方式多变，对于自动控制系统的设计要求较高。常规模拟量调节回路的手动调整、手／自动切换以及设备联锁的投／切都在顺序控制自动过程中[2]，使APS功能无法实现。
为此，必须对现有的MCS系统进行优化完善，使之实现全程稳定调节。即模拟量自动调节回路把开关量顺序控制的设备启停进程状态引为转换工作方式的条件，开关量顺序控制系统把模拟量自动调节回路的工作方式用作促进过程的条件，相互交叉引用[3]，设备或工艺系统不论处于运行状态还是待机状态，所有自动调节系统都应在自动位，不应插入人工由“手动”转“自动”的切投。
2.2 与常规MCS设计的不同点
2.2.1 设定值
在通常的MCS设计中，调节回路的设定值环节可以分为这样几种类型：一种是最简单的，设定值只是由运行人员手动增减；二是设定值设计为某个参数（如负荷）的函数，同时可以由运行人员增减其偏置值；三是设定值由上一级主控制回路形成，这种情况是最复杂的，如协调主控回路中的负荷指令和压力定值，直流锅炉给水回路中的给水指令等等。
在设计了APS功能之后，第一种类型须要改为第二种类型，甚至更复杂的第三种类型，即增设一套设定值形成回路。第三种类型更为复杂，因为启停状态下机组可能处于完全不同的运行方式，这时就要设计不同的上级控制回路，并保证各回路之间的无扰切换和跟踪。在APS模式下，要另外考虑相应的控制逻辑，保证负荷和压力全程定值的自动调整。
2.2.2 设定值速率
MCS控制回路的设定值速率通常都设计为一个固定值，其主要功能仅仅是要保证定值变化过程中不要对控制回路产生一个阶跃的扰动。在增加了APS功能后，设定值变化速率是在机组大幅度变化工况下完成最优启/停方式的主要控制手段。因此，要增加相当多的速率计算回路，以使各主要控制参数平稳地达到正常运行值，减少机组热应力等的冲击。
2.2.3 控制器变参数
由于机组整个启/停过程的动态特性变化较大，并且具有较强的非线性特征。因此，采用一个固定的PID参数是很难满足APS投入时实际应用需要的。因此，采用变参数控制甚至是更为复杂的控制策略是必须的。这也就需要进行更多的计算和试验调整。
2.2.4 设备的初始定位和超驰逻辑
单元机组重要的MCS回路都会设计一套完整的设备初始定位和超驰逻辑，在回路投入自动前，将接受FSSS或SCS发出的联锁置位指令，将MCS输出置为安全或初始位置。增设APS之后，由于设备不仅仅需要设置未投入工作时的初始位，还要设置回路投入后的应达位，以保证APS断点逻辑按照设计步序执行，这一部分逻辑或参数如果处理不当或过于简单，对整个APS的正常执行影响很大。
3 实现APS的意义
1）全面提高电厂的管理水平
从某种意义上说，APS可以作为评价电厂生产管理水平的一项指标。
2）提高机组的安全性和经济性
APS实质上是对电厂运行规程规范化和程序化的过程，保证了机组主、辅机设备的启停过程严格遵守自动程序进行，减少运行人员的误操作，增强设备运行的安全性，达到节能环保的目的。
3）全面提高机组的自动化水平
APS建立在模拟量控制系统（MCS）、汽机电液调节系统（DEH）、锅炉/汽机及相应辅机顺序控制系统（SCS）和电气量顺序控制系统（ECS）等系统之上，根据单元机组的特定的优化启停过程，通过优化基本控制，综合调度、指挥各子系统。包含了单体设备控制级、功能子组控制级、功能组控制级、机组控制级四个层级的完整的顺序控制系统（SCS），是实现APS的充要条件；模拟量控制系统的大部分调节回路，特别是锅炉给水调节和锅炉燃烧调节回路必须实现全程自动，才能真正实现APS。APS的应用，体现了机组顺序控制和模拟量控制水平的全面提升，本质上全面提高了机组整体的自动化水平。
4 结束语
设计一套完整和成功的机组自启停控制系统（APS），需要与原有DCS系统的各个功能组协调动作，共同完成。并对目前的控制系统提出了更高的要求，体现了机组自动化控制的最高水平，也只有在良好的设备可控基础上，将不同特性的调节控制手段有机的融合起来，才能真正实现系统的全程自动控制。
参考文献：
[1] 李锋;朱亚清;潘凤萍;孙伟鹏; 1000MW超超临界机组风烟系统APS功能设计与应用 电力自动化设备，2010(8).
[2] 王立地;秦莉; 火力发电厂APS应用与设计研究 全国火电600MWe级机组能效对标及竞赛第十四届年会论文集,2010(5).
[3] 王立地;秦莉;火力发电厂APS应用与设计研究 .电力技术2010(6).
论文作者:胡冠,夏亚华
论文发表刊物:《电力设备》2016年第22期
论文发表时间:2017/1/18
标签：机组论文; 回路论文; 控制系统论文; 功能论文; 系统论文; 顺序论文; 设定值论文; 《电力设备》2016年第22期论文;