DQZHAN技術(shù)訊：火電廠智能自動控制的技術(shù)路線

計算機分散控制系統(tǒng)（DistributedControl System-DCS）在發(fā)電廠中已經(jīng)普及應(yīng)用，我們國家DCS的硬件水平早就躋身世界先進行列，但在機組控制應(yīng)用軟件方面與先進工業(yè)國家相比還是有明顯的落差。1985年，從先進工業(yè)國家引進的350MW及以上等級燃煤機組中設(shè)計有數(shù)字式智能自動化系統(tǒng)（DIASYS?DigitalIntelligent Automatic System），APS（Automatic Procedure Start-up／Shut-down-機組程序自動啟停系統(tǒng)）和FCB（FCB- Fast Cut Backe-鍋爐快速減出力）功能作為DCS熱工控制的標準配置。

一、先進控制的內(nèi)涵

現(xiàn)代大型火電燃煤機組熱工自動控制的頭上有兩顆耀眼的明珠，一個是APS，另一個就是FCB。兩者都采用現(xiàn)代控制理論構(gòu)建了高度自動化和智能化的控制功能。

1.APS

APS是依托DCS能夠在燃煤機組規(guī)定的運行區(qū)間內(nèi)分階段遞進導(dǎo)引熱工控制系統(tǒng)完成機組啟動或停止的自動程序控制，是現(xiàn)代電廠高度自動化、智能化的標志。這是因為，想要實現(xiàn)APS，所有參與APS的熱工控制必須具有“一鍵啟停”的基本能力，APS的先進控制令MCS、SCS、CCS等熱工控制系統(tǒng)的工作方式、控制策略和邏輯模塊在智能化方面有了脫胎換骨的變革。APS因DSS（每日啟停）方式應(yīng)運而生，因APS而極大地提高了機組的熱工自動化水平，智能化的熱工自動控制成就了APS，相得益彰，促進了燃煤機組的**、經(jīng)濟運行。APS也就成為評價電廠生產(chǎn)技術(shù)管理、熱工控制和機組運行水平高低的一種標準。即便電廠不是DSS運行方式，APS同樣值得大力推廣應(yīng)用。

2.FCB

機組在高于鍋爐*低穩(wěn)燃負荷工況下正常運行時，因汽輪發(fā)電機組（內(nèi)部）或電網(wǎng)（外部）突發(fā)故障造成發(fā)電機與電網(wǎng)解列，甩掉全部對外供電實發(fā)功率，但鍋爐尚未發(fā)生MFT（Master FuelTrip－主燃料跳閘）的瞬間，用以快速減少鍋爐出力維持“發(fā)電機解列帶廠用電”或“停機不停爐”運行方式且過程中能確保熱力參數(shù)不超過保護動作值的超馳控制功能。過往FCB的實踐充分證明，F(xiàn)CB“功在電網(wǎng)、利在電廠”。在電網(wǎng)出現(xiàn)大面積停電事故時，發(fā)電廠利用FCB功能“保廠用電” 維持“孤島運行”，有助于電網(wǎng)在*短的時間內(nèi)恢復(fù)正常供電，其社會效益無法用簡單的數(shù)字來估量，更有利于電廠提高機組運行**水平、降低運行成本、延長機組壽命、防止超臨界直流爐爆管以及提升機組的節(jié)能效果。

3.先進控制的特點

DCS邏輯引入智能化模塊，在模擬量自動調(diào)節(jié)（MCS）回路中已經(jīng)**采用“傻瓜自動”，在開關(guān)量順控控制（SCS）中也全部應(yīng)用了“一指聯(lián)鎖”，針對電廠特有的“復(fù)變參數(shù)”環(huán)境，采用了“交叉引用、條件自舉”控制策略，實現(xiàn)了熱工控制系統(tǒng)的“一鍵啟停”。

近些年來，在世界范圍內(nèi)，許多國家都在火力發(fā)電廠燃煤機組招標技術(shù)規(guī)范中明確了APS和FCB作為熱工自動控制的必備功能，列入機組商業(yè)運行的考核項目，足以見得各國對燃煤機組APS的信任程度，形成一種應(yīng)用先進技術(shù)的潮流，同時也表明APS和FCB已經(jīng)是一種非常實用的控制技術(shù)。

二、國內(nèi)DCS應(yīng)用現(xiàn)狀

那么國內(nèi)電廠DCS應(yīng)用控制的現(xiàn)狀是怎樣的呢？控制理念、邏輯策略和應(yīng)用軟件仍停留在上個世紀八十年代初的水平。

1.設(shè)備聯(lián)鎖

絕大多電廠聯(lián)鎖設(shè)備的運行、備用和聯(lián)鎖開關(guān)的投、切以及狀態(tài)監(jiān)測、判定等相互關(guān)聯(lián)的一系列操作都由人工完成。設(shè)備聯(lián)鎖人工投入時，①手動啟動**臺設(shè)備，② 待工藝參數(shù)穩(wěn)定，再手動合閘聯(lián)鎖開關(guān)，**臺設(shè)備投入聯(lián)鎖備用。切除時，③停止在運設(shè)備前，人工先行手動斷開聯(lián)鎖開關(guān)，切除備用設(shè)備聯(lián)鎖，④ 手動操作停止在運設(shè)備。這是軟鍵盤的操作硬開關(guān)的策略。

2.模擬量自動調(diào)節(jié)

自動調(diào)節(jié)回路“手動／自動”的投切、調(diào)節(jié)器“手動”投“自動”之前調(diào)節(jié)器入口偏差的糾正，一切都要由人工判斷、人工決策和人工操作。與1975年代DDZ-Ⅱ電動單元組合儀表時代的操作沒有本質(zhì)區(qū)別，只不過操作平臺換成了DCS。

3.順序自動控制

SCS順控與MCS調(diào)節(jié)分別自成體系獨立存在，相互間缺失邏輯交集，步進過程中開關(guān)量自動控制和模擬量手動操作各行其是，形成不了有機關(guān)聯(lián)的整體而降低了自動控制性能。順序控制、自動聯(lián)鎖和自動調(diào)節(jié)共處同一工藝系統(tǒng)時，在順序自動控制進程中，自動聯(lián)鎖和自動調(diào)節(jié)的投、切時機要依靠操作人員來觀察、判定，并只能伴隨著順序控制的自動步序人工伺機手動操作，把自動聯(lián)鎖和自動調(diào)節(jié)工作方式由“手動”轉(zhuǎn)向“自動”，手動操作與自動順序控制形成了“混搭”現(xiàn)象，既降低了工藝系統(tǒng)的自動化水準，又給系統(tǒng)控制**帶來不確定的風險。

4.熱工系統(tǒng)“一鍵啟停”

由于以上1.2.3.三方面應(yīng)用軟件的缺陷和不足，目前電廠熱工控制系統(tǒng)尚不能實現(xiàn)“一鍵啟停”。

5.APS

熱工系統(tǒng)“一鍵啟停”是實現(xiàn)APS的基礎(chǔ)，沒有基礎(chǔ)，無法構(gòu)建APS。

6.FCB

多年來，在控制理念方面存在較大錯誤認知，設(shè)備配置等方面受某些進口機組誤導(dǎo)，300MW等級及以上容量機組的FCB基本上處于空白狀態(tài)。

三、先進控制推進規(guī)劃

總體的指導(dǎo)思想：明確目標、**規(guī)劃、夯實基礎(chǔ)、分步實施。

1.目標與規(guī)劃

充分利用DCS硬件優(yōu)勢，正確把握當代科技發(fā)展動向，對標先進工業(yè)國家電廠先進控制水平，結(jié)合國內(nèi)實際情況，功夫下在應(yīng)用軟件的開發(fā)研制上，APS和FCB雖然是一個復(fù)雜的熱工控制系統(tǒng)，但APS和FCB也有自己的形成過程，只要找出APS和FCB的內(nèi)在的特性和規(guī)律，合理規(guī)劃APS和FCB的設(shè)計和實施計劃，完全可以事半功倍。力爭在三到五年時間能夠成功地**應(yīng)用APS和FCB，實現(xiàn)電廠的“先進控制”。

2.分步實施

(1)智能化模塊攻關(guān)

主要包括以下基礎(chǔ)智能模塊和邏輯：

1）模擬量三態(tài)式切換邏輯；

2）超馳糾偏邏輯；

3）開關(guān)量設(shè)備的本安開關(guān)邏輯；

4）缺省自動選擇器邏輯；

5）開關(guān)量和模擬量控制的“交叉引用、條件自舉”原則策略。

(2)智能模塊構(gòu)建應(yīng)用邏輯

1）模擬量“傻瓜自動”

模擬量自動調(diào)節(jié)回路“三態(tài)式自舉切換”，采用控制裝置品質(zhì)條件以及工藝設(shè)備狀態(tài)條件自舉轉(zhuǎn)換自動調(diào)節(jié)回路的工作方式，與“超馳糾偏”無縫銜接，模擬量調(diào)節(jié)回路從手動到自動的過程只需經(jīng)過一次人工操作，后續(xù)的控制都由算法邏輯自動完成，我們稱這種智能化、人工操作簡便的MCS為“傻瓜自動”。一臺600MW等級的燃煤機組大約有110個模擬量自動調(diào)節(jié)回路。

2）開關(guān)量“一指聯(lián)鎖”

自動聯(lián)鎖要具備聯(lián)鎖設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、判定的“思維”能力和“聯(lián)鎖開關(guān)投、切” 的自動操作，還應(yīng)具備在運設(shè)備記憶、電氣聯(lián)鎖、熱工聯(lián)鎖、異常自檢等功能。人工操作也簡化成一次完成，如同操作一部“傻瓜相機”。我們定義這種自動聯(lián)鎖為“一指聯(lián)鎖”。

(3)熱工控制系統(tǒng) “一鍵啟停”

1）鍋爐SCS

規(guī)劃有①鍋爐給水、②給水泵小汽機潤滑油油／蒸汽、③鍋爐風煙、④鍋爐一次風、⑤鍋爐爐水循環(huán)泵、⑥鍋爐排空氣與疏水、⑦輔助蒸汽、⑧輕油、⑨鍋爐燃燒器管理系統(tǒng)（BMS）等共9個系統(tǒng)。BMS內(nèi)含鍋爐制粉系統(tǒng)的“一鍵啟停”。

2）汽機SCS；

規(guī)劃有：① 汽輪機凝結(jié)水系統(tǒng)、② 循環(huán)水／閉式冷水系統(tǒng)、③ 汽輪機凝汽器真空系統(tǒng)、④ 低壓給水加熱系統(tǒng)、⑤ 高壓加熱給水系統(tǒng)、⑥ 汽輪機盤車系統(tǒng)、⑦ 汽輪機透平油系統(tǒng)、⑧ 汽輪機疏水系統(tǒng)、⑨ 發(fā)電機輔助系統(tǒng)等9個系統(tǒng)。

3）機爐輔助系統(tǒng)

除參與APS以外的鍋爐、汽機輔助系統(tǒng)開關(guān)量控制。

(4)構(gòu)建APS與FCB

1）構(gòu)建APS

有了模擬量調(diào)節(jié)M/A站的“三態(tài)式”切換+PID調(diào)節(jié)器的“超馳糾偏”，就有了MCS的“傻瓜自動”。有了開關(guān)量控制的“本安操作開關(guān)”+“缺省自動選擇器”，就有了SCS的“一指聯(lián)鎖”。有了MCS的“傻瓜自動”和SCS的“一指聯(lián)鎖”，就能實現(xiàn)程序控制的“一鍵啟停”。有了程序控制的“一鍵啟停”，就有了構(gòu)建APS的堅實基礎(chǔ)，APS也就水到渠成。

2）構(gòu)建FCB

FCB實現(xiàn)兩種控制功能：

① 機組負荷高于35％ECR（或不投油穩(wěn)燃負荷+5%ECR），汽輪機因故障跳閘，但鍋爐沒有MFT，停機不停爐。因機組內(nèi)部原因引發(fā)汽機跳閘而觸發(fā)FCB動作。

② 機組負荷高于35％ECR（或不投油穩(wěn)燃負荷+5%ECR），發(fā)電機因故障解列，但汽輪機轉(zhuǎn)速仍高于2950rpm，且鍋爐沒有MFT，發(fā)電機解列帶廠用電。因電網(wǎng)故障造成發(fā)電機解列觸發(fā)FCB。

建議采用“排導(dǎo)法”實現(xiàn)FCB。汽輪機宜配備容量40%MCR汽機高旁+45%MCR低旁，鍋爐配備32%MCR過熱器PCV閥。PCV閥安裝在鍋爐過熱器聯(lián)箱出口蒸汽管道上，開閥即泄壓；方式簡單，過熱蒸汽直排大氣，無需減溫，此為“排”。接到FCB指令立刻開啟汽機旁路，則為“導(dǎo)”。鍋爐PCV閥和汽機旁路閥的合力“排導(dǎo)”用于抑制機組＞75ECR時的鍋爐壓力飛升，負荷低于75％BMCR， PCV閥無須“排”，只用汽機旁路的“導(dǎo)”，因為鍋爐有足夠的壓力飛升空間。

3.關(guān)鍵技術(shù)拓展

(1)給水系統(tǒng) “一鍵啟停”

鍋爐給水系統(tǒng)從啟動到停止，調(diào)動幾十臺套特性各異的設(shè)備，歷經(jīng)十多種工作方式轉(zhuǎn)換，有的過程相對簡單，有的則相當復(fù)雜。能實現(xiàn)“一鍵啟停”、“投后不管”這種近乎“傻瓜”機的操作，也絕非運行規(guī)程的原版照排，控制邏輯已經(jīng)具備判斷進程方向、路徑，決定進退、轉(zhuǎn)轍的“自主思考”能力。在APS的導(dǎo)引下，成功實現(xiàn)“一鍵啟停”的鍋爐給水系統(tǒng)無論在啟停的**性、快速性、重復(fù)穩(wěn)定性、經(jīng)濟性等方面明顯高于人工操作，雖然人工操作遵循了操作規(guī)程，人具有智慧，但人工只能串行操作，DCS可以并行控制，各有所長。不過，這還只是能力大小的范疇。若賦予DCS起承轉(zhuǎn)合、自主決策的思維程式，哪怕是簡單的智能邏輯算法，控制功能都會獲得極大地擴展和提升。欲解決復(fù)雜的問題，簡單地采用傳統(tǒng)自動化的方法已無力應(yīng)對，采用更高一籌的智能化控制是解決問題的有力工具。“三態(tài)式”模擬量調(diào)節(jié)、缺省自動選擇器、給水泵并/解列糾偏以及給水泵系統(tǒng)啟停的整體統(tǒng)籌是給水系統(tǒng)“一鍵啟停”的核心技術(shù)。

(2)鍋爐風煙系統(tǒng)“一鍵啟停”

鍋爐風煙系統(tǒng)中含有8套自動聯(lián)鎖，工作是缺省聯(lián)鎖自動狀態(tài)。模擬量調(diào)節(jié)應(yīng)用“一次硬操作、兩次軟邏輯”的功能，在“設(shè)備靜止”狀態(tài)，調(diào)節(jié)回路就可以工作在自動方式，DCS邏輯進行判斷，熱工裝置符合要求，進入Stand-By，工藝系統(tǒng)滿足要求，投入自動。開關(guān)量和模擬量信號交叉引用、互為因果，兩者融為一體實現(xiàn)程序控制。順序控制和模擬量調(diào)節(jié)無縫銜接，超馳控制，自動糾偏，鍋爐風煙系統(tǒng)完成“一鍵啟停”。

(3)鍋爐制粉系統(tǒng)“一鍵啟停”

鍋爐制粉系統(tǒng)被控對象既有開關(guān)量又有模擬量，控制方式既有順序控制又有回路自動調(diào)節(jié)，并且設(shè)備順序啟停過程中，模擬量自動調(diào)節(jié)也在適時投入工作。所以，我們把鍋爐制粉系統(tǒng)控制定義為：復(fù)變參量程序控制。制粉系統(tǒng)一鍵啟停的識別標準是：

1） 模擬量自動調(diào)節(jié)回路須能從工藝系統(tǒng)停止狀態(tài)至設(shè)備正常運行“自舉自動”。調(diào)節(jié)器定值隨動給定、偏差自動糾偏，從開環(huán)控制自動地投入閉環(huán)自動調(diào)節(jié)，設(shè)備啟動前調(diào)節(jié)回路即可投入自動。

2） 開關(guān)量設(shè)備在設(shè)備級須有手動操作和自動控制兩種工作方式。杜絕順序控制過程中的手動/自動混搭現(xiàn)象，確保自動控制功能本質(zhì)**。

3） 開關(guān)量設(shè)備冗余聯(lián)鎖須智能選擇、自動投入和切除，自動聯(lián)鎖投入時機應(yīng)在設(shè)備啟動前。

如果換一種說法，就是一旦按下制粉系統(tǒng)程序控制的“啟動”或“停止”按鈕，一切皆由自動裝置（DCS）自動控制和調(diào)節(jié)，運行操作人員只需動眼無須動手，制粉系統(tǒng)即可設(shè)備啟動、鋪煤、制粉乃至吹掃，實現(xiàn)全過程、全工況、全自動運行。