文献标识码：B文章编号：1003-0492（2023）03-076-04中图分类号：TP273

★ 朱启勇，曹文浩（浙江巨化热电有限公司，浙江衢州324000）

摘要：机组一键启停（APS）是火电机组高度自动化的控制系统，它采用先进的控制策略，能识别机组和设备的运行状态。APS按照预设的运行曲线控制设备，可以使机组运行最优化，从而全面提高了电厂自动化运行水平，确保了机组安全和经济运行。立足于APS的实际应用及前期研究，笔者分析了现有APS主要针对大机组设计的问题，并结合自备电站工艺特色、运行方式提出了基于断点级、功能级和步序级的APS的解决方案。本文着重阐述了APS的关键技术路线，并以浙江某自备电厂作为实例对其进行了功能逻辑的验证，验证效果满足运行需求，并且其结构简单，易于工程运用，具备较好的拓展价值。

关键词：机组一键启停；火电厂；自动化

1 引言

目前，我国火力发电机组控制系统的自动化水平在逐步提高，系统的稳定性、准确性、经济性也在逐步完善，但没有达到完全自动控制的水平，还需要大量的人力来监控生产运行，参数的准确性和经济性也无法达到最高要求。也就是说，DCS控制系统虽然已经很完善，但仍然存在一些不足之处。随着我国电力事业的快速发展，大容量、高参数的超超临界机组已成为发电主流。目前大部分科研机构和高校都将精力放在大机组的自动化控制优化上，但针对自备电厂的燃煤机组仍然存在很大的控制问题。从需求维度上来说，管理者期望DCS控制系统能够快速地升降负荷，且在频繁变负荷的过程中具有快速响应负荷的能力并保持参数的稳定性。同时，在发电量一定的情况下，有效地节约能源已成为我国电力行业重点考虑的问题，所以在这些问题上应投入大量的人力去研究更优的控制系统，以有效地节约能源消耗。鉴于机组自启停控制技术在引进机组上的成功应用经验，目前很多国内新建大型火电机组项目都提出了设计自启停APS（Automatic Power Plant Startup And Shutdown System，自启停控制系统）功能。机组APS是目前发电机组最高级的控制系统，可以根据机组工艺流程在启停过程中不同阶段的需要对机组工况进行全面的检测，并通过条件和时间的逻辑判断，按规定好的程序向各功能组、功能子组、协调控制系统（CCS）、模拟量自动控制系统（MCS）、炉膛安全监控系统、汽轮机数字电液控制系统（DEH）、小汽机调节系统（MEH）、汽轮机旁路控制系统等发出启停命令，最终实现机组的自动启动或停运。超超临界机组自启停控制系统的设计研究过程复杂，涉及范围广，启动过程从循环水系统启动到机组CCS投入，停运过程从当前负荷减负荷到汽轮机打闸、风烟系统停运。因此，实现机组自启停控制对机组的控制和运行具有重要意义。

传统的APS功能一般采用图形化的组态方式，这种方式适用于简单的顺序控制启停，但针对整个机组的一键启停，要面临中断、循环、复位、跳步、切换等多种不同功能需求，图形化的组态方式非常繁琐且无法保证功能的鲁棒性。目前国内已知的APS案例，如华能海门电厂2×1000MW机组、珠海电厂4号600MW机组、湛江奥里油电厂2×600MW机组、广西北海电厂2×300MW机组等机组已经完成了APS功能的调试且成功投入运行，但关于一些小型自备电站的机组APS仍然处于空白阶段。而实际上，小机组的操作、巡检人员紧缺，且机组启停切换频繁，其对APS需求更甚于大型机组。

鉴于以上信息，本项目以断点级、功能级和步序级为功能架构，以机组启动准备、锅炉点火、升温升压第一阶段、冲转并网、升负荷为工艺流程架构设计并实现了适用于小型自备电站的APS启停功能，并以国内某燃煤自备电站为实例对其进行了功能验证，取得了良好的效果。

2 APS功能设计

2.1 断点级别分解

2.1.1 断点级定义

定义断点级序号：Break Point（BP_i）；

定义断点级启动允许条件：PMT_i（满足=1，不满足=0）；

定义断点级完成标志条件：FN_i（已完成=1，未完成=0）；定义断点级正在进行条件：BP_iON GOING（在进行=1，未进行=0）。

其中1＜i＜N，N为总断点数。

2.1.2 功能级定义

定义功能级序号：System（S_ij）；

定义功能级启动允许条件：PMT_ij（满足=1，不满足=0）；

定义功能级完成标志条件：FN_ij（已完成=1，未完成=0）；

定义功能级正在进行条件：S_ijON GOING（在进行=1，未进行=0）。其中1＜j＜M，M代表第i个断点内系统的数量。

2.1.3 步序级定义

定义步序级序号：STEP（STP_ijk）；

定义步序级执行逻辑；

定义步序级执行条件：STP_ijkON GOING（满足=1，不满足=0）；定义步序级执行延时时间：DLY_ijk。

其中1＜k＜Q，Q代表第i个断点内第j个功能中需要执行的步序数量。

2.2 逻辑设计

2.2.1 断点级执行逻辑

BP_iON GOING=PMT_i&（自定义判断）=FN₁&FN₂&···&F_i-1&（NOT）F_i&（自定义判断）

其中BP_i为闭环控制方式，其控制逻辑为当第i个断点之前的全部断点均完成且i断点未完成且自定义判断条件满足时，让BP_iON GOING置1，自定义判断条件可以为人为判断启动指令、暂停指令及复位指令等。

2.2.2 功能级执行逻辑

S_ijON GOING=（BP_iON GOING）&PMT_ij&（自定义判断）=（BP_iON GOING）&FN_i1&FN_i2&···&F_i（j-1）&（NOT）F_ij&（自定义判断）

其中S_ij为闭环控制方式，其控制逻辑为当断点i正在进行并且在断点i中的第j个系统之前的系统全部完成且系统j未完成且自定义判断条件满足时，让S_ijON GOING置1，自定义判断条件可以为人为判断启动指令、暂停指令及复位指令等。

2.2.3 步序级执行逻辑

STP_ijkON GOING=（S_ijON GOING）&（自定义判断）&DLY_ijk

其中STP_ijk为开环控制方式，其控制逻辑为当第i个断点中的第j个系统正在进行且自定判断条件满足时，根据每个步序的启动时间需求进行分段延时发送指令。

2.3 模拟量控制回路柔性设计

模拟量控制投入自动的设定值逻辑设计为两种模式：一种为非一键启停模式，该模式通过一个偏置跟踪模块实现手自动切换间的无扰切换，控制变为自动后，通过手动设定偏置块进行模拟量控制的设定值调整；另一种模式为一键启停模式，该模式在控制变为自动后，会根据一个脉冲模块和一个速率限制模块将设定值按照系统需求缓慢增加或减少至控制所需的额定设定值。前面所述的脉冲模块和速率限制模块的参数可根据控制回路的不同特性进行差异化设置。

2.4 工艺流程设计

如图1所示，根据机组启动需求，本项目按照启动准备、锅炉点火、升温升压、冲转并网和升负荷几个大断点进行了全厂的工艺流程启动设计，其范围涵盖了机组从冷态启动至机组投入锅炉燃料控制的全过程。

图1 机组启停工艺流程设计

3 实例验证

浙江某热电有限公司#11机组有一台280t/h自然循环锅炉和30MW背压排汽汽轮机组，其中DCS采用施耐德电气上海福克斯波罗有限公司I/A Series分散控制系统。本项目涉及的#11机组背压新建项目工程，于2020年12月建设，2022年1月投产，其中APS改造作为其改造项之一，针对该机组进行了详细的功能设计，并很好地将系统投入了使用。

3.1 模板设计

3.1.1 下位机模板制定

根据断点级、功能级、步序级的不同使用需求，制定功能块模板如图2所示。

图2 下位机功能模板

3.1.2 上位机模板制定

根据下位机逻辑模板制定对应的上位机画面模板，如图3所示。

图3 上位机画面模板

各个断点系统的各层级画面中应显示不同层级需求的启动允许、预选、程控启动、程控暂停、程控复位、程控跳步等功能，以满足机组正常使用需求。

3.2 逻辑组态及调试

根据逻辑设计文档进行DCS下位机逻辑组态，如图4和图5所示。组态方式采用图形化+语言结合的方式，可极大程度上提高组态效率和组态可用度。

图4 图形化组态方式

图5 语言组态方式

3.3 APS的完善与优化

APS投用前需根据实际需要对其进行必要的完善和优化，并解决设计逻辑及组态中存在的各种问题，使其合理可行。其主要完善与优化项如下：

3.3.1 步序问题

步序即机组启停过程中启停各相关设备的先后次序。在APS投用前，必须以运行规程为依据分析APS启停步序的合理性和机组的安全性，对APS逻辑、组态进行静态具体检查。在检查过程中，如发现某些步序不合理，需要进行必要的修改；如某些步序不完全，需要进行必要的补充完善。

以“点火准备”阶段引风机和送风机的启动逻辑为例，原设计的启动顺序为“#1引风机、#2引风机、#1送风机、#2送风机”，即先启双引，后启双送。这不符合锅炉运行规程“单侧启动”的要求，也不利于锅炉设备的安全。为此，将启动步序改为“#1引风机、#1送风机、#2引风机、#2送风机”就符合运行规程的要求了。

3.3.2 时序问题

时序是指APS程序动态执行过程中所发指令脉冲的时间序列。它既包含了启停步序的含义，同时又有别于步序。比较而言，步序相当于APS的算法，而时序相当于APS的程序，提出时序问题有助于保证程序本身可行、合理。对APS进行时序分析，消除可能存在的时序问题，是APS程序能顺利执行并实现APS功能的基础。时序设计首先必须符合运行规程，其次满足实际工艺流程要求，同时还应尽量缩短启停时间，以提高生产效率，这就对APS设计提出了优化要求。

3.3.3 人机交互界面

应用APS启动时，设备的启动由APS自动完成，运行人员主要是监盘和调节，但APS必须给出适当的提示信息，报告受控设备状态并告知运行人员需要进行的操作。若有设备启停失败或系统出现故障，也应给出适当的提示信息，提示运行人员或系统维护工程师进行处理。

3.3.4 故障处理

APS操作对象涉及面广，几乎覆盖了电厂所有设备，在启停过程中必然会遇到某些设备启停失败或故障，成熟可靠的APS应能对出现的问题进行分析判断，并采用相应方案进行处理，保障设备安全。较强的故障处理能力将使APS更安全可靠，更有利于APS推广应用。

3.3.5 APS效果界面

图6为浙江某热电有限公司#11机组APS功能截图，根据前文所述，本项目对整个APS各个功能层级进行了细致的分解和设计，并于调试后顺利投入运行，运行效果良好。

图6 浙江某自备电站机组APS功能截图

4 结论

APS技术的应用减少了运行人员直接操作设备的次数，从而降低了运行人员的劳动强度。而且APS逻辑是电厂运行规程的程序化，可保证启停过程严格遵守运行规程，从而减少启停阶段误操作，增加设备的安全性。经过优化的、完善的APS技术还可充分缩短电厂启停时间，提高生产效率。本项目中设计的APS方案经过验证具备很好的适应性，能够适用同类型机组，并具备较好的拓展应用价值。

作者简介：

朱启勇（1976-），男，安徽巢湖人，工程师，学士，现就职于浙江巨化热电有限公司，主要从事热工仪表及控制装置工作。

曹文浩（1985-），男，湖北仙桃人，工程师，硕士，现就职于浙江巨化热电有限公司，主要从事热工仪表及控制装置工作。

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摘自《自动化博览》2023年3月刊