APS 技术在机组 DCS 改造中的应用

http://www.sooq.cn2009年03月19日
摘要：机组自启停控制系统（APS）是热工自动化技术的最新发展方向之一。以某国产600MW 机组DCS系统改造为实例，介绍了在老机组改造项目中设计和应用APS系统的方法，并重点探讨了功能组设计和闭合控制回路投自动等关键技术问题。APS系统在给运行人员操作指导的基础上，还可以进一步
DCS 控制系统的发展及其在火电机组中应用的成熟，为热工自动化技术的发展提供了广阔的空间。而如何改进火电机组的自动控制系统，在保证机组运行安全性的基础上，提高运行的经济性，增强电力企业的市场竞争能力，始终是热工自动化发展的方向。机组自启停控制系统（Automatic Plant Start-up and Shutdown System , 简称 APS）作为提高自动化水平行之有效的方法，受到越来越多的关注和重视。
APS 是实现机组启动和停止过程自动化的系统，其优势在于可以提高机组启停的正确性、规范性，大大减轻运行人员的工作强度，缩短机组启停时间，从整体上提高机组的自动化水平。因而，如何设计和完善APS 机组自启停控制系统，使其强大的功能得到充分发挥，是值得深入研究的问题。
本文以华东某电厂600MW机组DCS系统改造项目为实例，介绍了APS 机组自启停控制系统在老机组改造中的设计和应用，并探讨了功能组设计和闭环控制回路投自动等关键技术问题。
一、APS 系统的构成
(1) APS 系统硬件分配
APS系统涉及到大量设备启停和自动控制，为APS特别设置一个控制器以实现其功能，在电厂控制系统改造工程中实用性不大。将APS 控制功能分散在SCS（顺序控制系统）中，既可以减少系统通信负荷压力，也能保障APS安全运行，不致于出现一个控制器故障造成 APS 所有功能不能使用的情况。
(2) APS 系统软件结构
在实际功能设计中，APS系统采用分级控制结构，将热力系统工艺流程分解成若干局部的独立过程。由设备级控制设备实现相对独立的启停阶段；再由功能组级联系设备级完成单系统启停和自动控制；最终由机组级协调功能组级、相对独立的设备和控制系统等，来共同实现机组的全程启停控制。分级控制使系统结构清晰严谨，有利于提高设计、组态及调试的工作效率。同时，分级控制在同级之间相互独立，具有很大的灵活性，有利于投运后的运行管理和热工维护，运行人员可以根据具体情况选择各种控制方式。如在凝结水流程图上，运行人员可以单操某台凝泵及其相应阀门，完成设备级控制，实现单设备操作；也可启动凝结水泵子组，完成从开启放气阀到凝泵再循环阀投自动的一系列功能组控制。
功能组级实现某一工艺流程涉及的相关设备启停和控制，是整个APS 系统的中间环节，也是实现机组级控制的前提。它根据工艺流程的需要和特点，按照预定的顺序、时序和逻辑条件的要求进行判断和运算，发送指令、控制设备，依次进行一系列的动作。机组级属于系统最高层控制，它对机组的运行工况进行全面监视，根据机组启停过程中不同阶段的需要，向各功能组或设备级、及相关其它系统如 DEH（汽机电液调节系统）、NCS（电气控制系统）等发出控制指令，并根据各控制系统的工作情况，协调机炉电各系统的控制，以保证在少量人工干预甚至完全不用人工干预的情况下，自动地完成整台机组的启停。组级控制需要实现的基本功能是步序控制。如何保障步序指令的发送及反馈信号的接受准确、及时，是设计时重点考虑的问题。同时，还需要兼顾控制器的工作负荷，在完成同样功能前提下，功能块所占控制器资源最少。
二、APS系统功能
APS包括机组自动启动和自动停止2 部分。自动启动过程又分为热态和冷态 2 种方式，制造厂在这方面未提供相应划分资料，其划分就根据运行人员经验，将差别主要体现在功能组工况要求不同。如锅炉升温升压功能组，CCS 就根据APS的指令，按照不同的升温升压曲线实现相应操作。 构筑完基本功能块后，开始设计人机接口。让运行人员迅速掌握全新的系统并熟练地使用，对改造机组而言至关重要。     (l）功能组实行步序控制，即按照预定的操作顺序逐一实现设备的启停和控制。每步控制指令可以发送给一个或多个设备，该步操作全部完成后，若相应状态反馈满足该步完成要求，则转到下一步执行；若该步完成要求在上步完成时就已满足，则不发送该步指令而直接跳到下一步。步序的自动执行过程可以由运行人员暂停。执行过程中，功能组显示操作顺序、设备状态、当前步号、执行时间、功能组控制方式等信息，便于运行人员监视执行情况。
(2）功能组启动方式分上一级自动触发或运行人员手动执行。这 2 种方式配有切换按钮。当设置功创绷为指导模式（自动切换手动方式）时，功能组的输出指令被闭锁，相当于操作指导，运行人员按照显示的操作要求完成相应的操作。指导模式采用由大到小原则自动切换，即机组级指导模式触发功能组级，功胆沮级触发设备级。当然，无论采用何种方式启动，都必须满足功能组允许条件。
(3）功能组能对故障进行监视和处理。若当前执行步中有设备出现故障，功能组会自动中断步序执行，以避免继续执行造成无效操作，导致联锁和保护动作。当设备故障解决后，功能组会自动执行下一步；若故障无法解决，则运行人员可以通过复置退出功能组执行，也可以用跳步选项，让功能组从下一步接着往下执行。为灵活起见，我们还设置中断按钮，便于运行人员在功能组执行过程中人为干预暂停程序。
（4）功能组还具备一些方便机组级控制的操作。如旁路功能可以直接将功能组置为顺控完成状态；断点功能为运行人员提供重要操作执行前确认的手段；后备预选功能使运行人员能设定互备设备的启动顺序等。
三、风烟系统APS功能
3.1 风烟系统功能组构成
风烟系统使用多重功能组来实现启停。其功能组内容包括：风烟系统主组、送风机子组、引风机子组、同CCS 相应控制回路的闭环接口等。
风烟系统主组的具体构成如下：
(1)启动某侧引风机子组
l）启动引风机润滑油系统设备级控制；
2）启动引风机顶轴油系统设备级控制；
3）开启引风机隔离挡板设备级控制；
4）启动引风机设备级控制（原 DCS 设计的顺控功能，包含与 CCS 系统动叶控制的接口）；
5）停止引风机顶轴油系统设备级控制。
(2)确认第 2 台引风机进口调节档板、出口隔离挡板关
(3)选择是否采用交又运行方式
(4)启动相应方式下的送风机子组
l）启动送风机润滑油系统设备级控制；
2）启动送风机设备级控制（原DCS 设计的顺控功能，包含与 CCS 系统动叶控制的接口）。
(5)确认第2台送风机出口隔离档板关
(6)自动设里炉膛压力定值，投入引风机控制自动
(7)确认炉膛负压正常
(8)自动设显炉膛总风量，投入送风机控制自动
(9)投入暖风器设备级控制
3.2 功能组联系及功能实现
方案原理图见图l 。
 

处理好功能组内相关系统间的接口是实现功能组正常投运的关键。在风烟系统功能组中，步骤(6)的自动设置炉膛压力定值，投引风机控制自动，涉及SCS与CCS 间信号交换。
具体过程是：CCS 收到自动设置定值指令后，将当前值自动以一定速率变化到给定值，此时判断实际炉膛压力是否随之变化，当实际值接近设定值时， CCS 再自动触发引风机控制自动。
四、总结
火电机组的工艺复杂，而且安全性要求很高，有许多情况需要运行人员的判断和确诊；另外，有些手动阀门等设置需要运行人员到现场去操作和检查，尤其是老机组。所以火电机组要做到一键启动几乎是不可能的，切实的 APS 实施方法，应该是以操作指导为基础的机组自动启停。目前，国内APS系统的投用成功率还不高。除了设备自身的可控性和可用率不能满足自动化要求外，还存在一些工艺和技术上的问题。这些问题需要通过长期、深入地分析研究才能得到解决。