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火电厂燃煤机组自动程序启停APS与智能控制

北极星电力网新闻中心  来源:北极星电力网  作者:王立地  2020/3/24 13:06:03  我要投稿  
所属频道: 火力发电   关键词: 智慧电厂 APS 火电

北极星火力发电网讯:展望未来,APS一定会更多的加入人工智能的元素,成为智慧电厂的基石。

(来源:北极星电力网 作者:王立地)

一、 什么是APS

火力发电厂燃煤机组有启动、停运和正常三种运行工况,机组启动、停运过程的安全风险比正常运行要高得多。以600MW等级亚临界燃煤汽包炉为例,机组冷态启动前,不算外围辅助车间,机组主厂房内炉、机、电等系统设备现场巡视检查和就地操作的项目超过5000多项,集控室内远方操作的设备超过五百多台套。由于现代大型机组参数高、工况转换迅速、工艺系统关联紧密,增加了人工操作的难度和启停时间,不利于机组的安全、经济运行。尤其在机组启动和停运阶段集中了大量设备启停切换、参数调整等操作,操作人员在限定时间内为应对运行工况精神高度紧张、劳动强度大,风险性大幅度提高,稍有不慎甚至可能发生不安全事件,严重的会造成重大经济损失。因此,现代化的火力发电燃煤机组都装备了热工自动控制系统辅助运行人员操作和调节,目前主流的控制装置采用的是3C(Computer-计算机、Communications-通信、Control-控制)技术为核心的计算机分散控制系统(Distributed Control System-DCS)。功能性的应用系统(后序文中称为“功能控制系统”)都是在DCS上实现的,

例如:

1) 模拟量调节系统(MCS-Modulation Control System);

2) 数据采集系统(DAS-Date Acquisition System);

3) 顺序控制系统(SCS-Sequence Control System);

4) 汽轮机数字式电液控制装置(DEH-Digital Electro-Hydraulic Control);

5) 锅炉燃烧器管理系统(BMS-Burner Management System);

6) 机炉协调控制系统(CCS-Coordinated Control System);

7) 辅机故障降负荷控制(RB-Run Back);

8) 锅炉快速减出力控制(FCB-Fast Cut Back);

9) 机组自动程序启停系统(APS-Automatic Procedure Start-up/Shut-down)。

绝大多数系统或控制功能已经在电厂生产中广泛使用,被大家所熟知。而APS系统,对国内用户来说则相对生疏。那么,什么是APS呢?概括的定义就是:

依托DCS能够在燃煤机组规定的运行区间内分阶段递进导引热工控制系统完成机组启动或停止的自动程序控制,被称之为APS。

按步序循序递进是APS的基本工作方式,在国外文献中对单纯的开关量步进自动控制被定义为Sequence Control(顺序控制),而同时能够对开关量和模拟量两种以上不同类型进行控制的过程被称为Procedure Control(程序控制),英文语境中Procedure表示的是多种不同类型参数、不同控制方式的集合。所以APS是一种复杂变量的步进控制系统。

通常情况下,被控对象的特性有两种类别,一种是开关量控制,比如电动机的启、停,风门挡板的开、关或电磁阀的通、断,单纯开关量的工艺系统采用顺序自动控制,电厂中的化学制水、皮带输煤、气力除灰等系统都属于这类控制。另一种是模拟量的调节,例如锅炉给水、燃烧、减温等调节回路。火力发电厂还有一种开关量的“自动联锁”控制,设备按相同容量双重(或多重)配置,正常工作时一套设备运行,另一套备用,在运设备因故跳闸或出力不足备份随即启动。火力发电厂燃煤机组被控对象的特点是开关量与模拟量交织在工艺流程中,我们把这种系统称之为“复合变量系统”(简称“复变系统”,下文同),分别设计有相应的顺序控制、模拟量调节和自动联锁,一同出现在复变系统中。

DEH、BMS和CCS系统控制的都是单一对象、专项功能,DEH控制汽轮机,BMS控制锅炉燃烧器,CCS调节模拟量参数适应机炉负荷,SCS控制开关量设备。APS则是直接指令或调用如SCS、MCS、BMS、DEH、CCS等的各种功能控制系统,参与机组启停控制,完成复变系统的调控。这就要求与APS配合的功能控制系统必须具备较高的自动化控制水平。认清楚这一点非常重要,APS调动多种样式的功能系统和设备控制机组启停,机组主要控制系统如CCS、BMS、DEH、MEH、SCS、BPC(汽轮机旁路控制)、EP(电除尘器)、ASS(自动准同期)等都在APS协同控制之下。控制范围宽,从工艺系统零参数开始历经机炉辅助系统启动、汽机抽真空、锅炉点火升压、汽机暖管冲转、发电机同期并网、机组带负荷等过程,直至压力、温度、流量等参数达到正常工作值。所以APS提出全过程、全工况、全自动的控制标准也是必须的。

1999年,国内一座装机容量700MW×2的燃煤火电厂正式投入商业运行,作为标准控制系统配备的APS应用至今,实用的自动化水平的确能够全工况、全过程、全自动地控制机组启停。

APS在我国的应用,始见于1986年前后,随同国外进口的300MW等级机组同步引进,其应用的有效利用率获得了用户的高度认可,再也不是理论上的束之高阁,而如DEH、BMS、CCS一样实实在在的成为机组标配的热工控制系统,运用计算机辅助运行控制,APS成为运行人员手中启停机组的常备利器。多年来,APS也在生产应用中继续不断地完善和优化,到了上个世纪九十年代,APS更加臻于成熟。近些年来,在世界范围内,许多国家都在火力发电厂燃煤机组招标技术规范中明确了APS作为热工自动控制的必备功能,列入机组商业运行的考核项目,足以见得各国对燃煤机组APS的信任程度,同时也表明APS已经是一种非常实用的控制技术。

火力发电厂中,APS其实有两种控制对象,一种是燃气轮机,另一种是燃煤机组,虽然两种控制系统的英文缩写都是APS(燃气轮机进口国别的不同,相同功能名称并非一致,APS是其中之一),但内涵差别较大,这是因为燃煤发电机组的设备无论数量和类别都要比燃气轮机发电机组大幅增加。燃气轮机发电机组的APS,英文全称是Automatic Plant Start-up and Shut down System,控制功能与汽轮发电机组的DEH更为接近,但比蒸汽轮机多了燃料的控制调节功能。燃煤机组的APS英文全称是Automatic Procedure Start-up/Shut-down,从控制范围、整体结构到回路控制方式相比于燃气轮机,燃煤机组的APS要复杂得多,控制难度也高了许多,最简单的道理,燃气轮机的燃料要么是燃油要么是天然气,燃料单一、品质稳定、燃烧器结构简单,便于调节和控制。而燃煤机组启停的始末阶段要先投油,升、降负荷阶段煤/油混烧,机组正常运行时锅炉纯煤(粉)燃烧,原煤研磨成煤粉需要配备制粉系统,一套制粉系统包括给煤机、磨煤机和相应的润滑油站、体量庞大的管道、各种风机以及配套的风门挡板,600MW等级机组额定负荷下运行5套制粉系统,20只煤燃烧火嘴。而煤的发热量、灰分、水分等指标差异性比较分散,这些直接增加了燃煤机组的控制难度。APS工作区间也正好经历了锅炉烧油到煤/油混烧再到烧煤的全过程,机组最为复杂的操作都集中到了APS的控制当中。以下讨论的就是燃煤机组的APS。

二、 APS的特点

一个完整的控制装置,通常都由调节或逻辑运算功能的控制器和测量输入、指令输出的I/O接口组成,例如DEH、SCS、MCS等系统。APS则独具特点,控制功能全部靠软件完成,没有任何一个硬接线的I/O接口,不会去直接控制某一台具体设备的合闸、分闸,只与协同的控制系统进行信息和指令交换,起到机组启、停控制的系统导引(Guid)作用,自然而然的控制逻辑位居系统的顶层。打一个比方,APS更像一个交响乐队的指挥,乐队指挥当然不会去演奏某件乐器,手中的指挥棒却能舞动乐队演奏的旋律。BMS、MCS、DEH、SCS等则好比乐队的乐手,各自专心操演一件乐器。乐队指挥和乐手相辅相成,高水准的乐手才有高水平的演奏效果,再加上乐队指挥高水平的演绎,方能奏出优秀的乐章。

如果我们称带有I/O接口的控制系统为“驱动型”的,APS的控制就是“指导型”的。APS会根据机组启停的节奏分步给出系统将要实现的目标,发出的指令可以看做是对各种功能控制发挥作用的“导引”,协同调度驱动型的控制系统,由驱动型的控制系统去“实战”,执行启、停相关的装置和设备。执行的效果要依靠驱动型系统的控制水平来获取。因此,以往常规设计的MCS、SCS、CCS等就要适应APS的控制要求而作出改变,才能接受APS的导引。APS要求阶段控制过程必须要全工况、全过程、全自动,这显然是一种门槛很高的控制要求,常规的设计无法满足APS的要求。比方说,采用PID调节的MCS系统,从手动工作方式转为自动调节这一过程,常规设计都是由人工眼观参数、手动调整,纠正PID输入偏差缩小到允许值,然后伺机从手动投入自动。开关量设备的自动联锁也需要人工手动操作投、切。CCS也只能在机组高于一定负荷(例如30%ECR)以后才能投入协调控制,煤燃烧器的投、切也要人工判定和手动启停。多台给水泵的切换/并列/解列和锅炉送、引风机的启停/并列/解列等还是需要人工操作,这些手动操作都发生在机组启动或停止过程中,显然这不合APS的规则,只有跨过APS要求的技术门槛,才能有资格参与APS控制。

要实现APS控制,首先要提升功能控制的自动化水平。因此, MCS、SCS、CCS等一定要适应APS全自动的要求作出改变甚至是变革,相对于过往传统设计,于是就有了围绕APS产生的带有“人工智能”的多种新型控制策略:

1. 开关量和模拟量控制的“交叉引用、条件自举”;

2. “三态式”(手动、自动伺服、自动调节)MCS回路M/A的“设备静止”(亦即设备启动前)切换;

3. 模拟量调节回路的“超驰自举纠偏、自举投自动”;

4. 开关量设备M/A切换方式的“本安”操作;

5. 智能自动选择器的联锁“设备静止”自动投、切;

6. “汽轮机旁路跟随”的全程CCS;

7. 电泵/汽泵以及汽泵全自动并列/解列;

8. 锅炉给水、风烟复变系统顺控的 “一键启停”;

9. 锅炉燃料调节的“磨煤机出力自动计算/自动启停控制”;

10. 锅炉制粉系统的(给煤、出口温度、风量MCS调节+风/温解耦+磨煤机SCS控制) “一键启停”;

11. APS的多线程控制;

12. 函数定量调节;

13. 超驰控制;

14. 入炉煤的热量自动校正;

15. APS适用的锅炉超前预估BIR(Boiler Input Regulation control)控制;

16. DEH、MEH和BMS与MCS或CCS的自动交互连接、安全认证。

所有这些,还不限于此,都由DCS逻辑自动完成,是实现APS实用化控制的技术根基。

三、发电厂高度自动化的标志——APS

APS是一种应用,是在燃煤发电机组DSS(每日启停)运行方式的迫切需求下应运而生。DSS运行方式在安全、经济等方面对机组启动提出了明确目标,期望能以机组允许的最短时间安全地启动机组是应用APS的初衷。燃煤发电机组启动的复杂性和技术难度要求参与APS的CCS、BMS、DEH、MEH、SCS等热工控制系统必须具备“一键启停”的控制水准,只有技术达标经济才能受益,这也许是催生APS成熟运用的潜在动力。APS还派生出另外一种重要用途,机组甩负荷后的快速恢复,有了APS会让机组迅速重新带上负荷,回归正常运行,这让应用APS进一步获得用户青睐。智能化的热工自动控制成就了APS,因APS而全面提升了燃煤机组的自动控制水平,相辅相成,APS也就成为发电厂高度自动化的标志,成为评价电厂生产技术管理水平、热工控制水平、机组运行水平的一种标准。

APS高度自动化的基础来自参与APS的顺序控制和模拟量调节,任选BMS、SCS中的一个系统都是“一键启停”的控制水平,须知此顺序控制非彼顺序控制,虽然也按步进方式启停设备,但控制的对象包含了模拟量调节,准确的说,应该是程序控制,是能够完成“复变参数”的程序控制,这就是APS所要求的基础。系统控制“一键启停”成功的原因有两方面,一方面应用了智能化的开关量控制模块,顺序控制自动步进过程中再不需要人工参与。另一方面,模拟量自动调节实现了自动地投“自动”,手动投自动的“纠偏”过程全程人工智能电脑完成。汽轮机转子应力计算、CCS功能扩展、BIR锅炉超前加速、函数参量控制、并联式PID、磨煤机出力自动控制、锅炉风烟系统全程启动、锅炉给水系统自动并列/解列等先进控制策略的应用是电厂高度自动化的中坚。只有具备了坚实的自动化基础,APS才能水到渠成。试举一例,倘若磨煤机的1套SCS、4套MCS仍然以手动操作为主而不能全工况全过程全自动,制粉系统何来一键启停?制粉系统尚不能一键启停,BMS如何能一键启停?遑论APS了。于其他功能控制系统,皆同此理。

APS倡导一种高效、安全的理念,追求的目标是人工智能控制,现实应用中的APS部分DCS逻辑模块和控制策略已经具备了智能化的特质。APS是火力发电厂燃煤机组锅炉、汽机、运行、电气专家们对设备技术特性的理解和运行操作经验的总结,经过提炼和优化转化为热工控制系统中的函数、算法和逻辑,热工控制专家们运用DCS的内在功能,应用DCS组态语言表达出来并运用在生产过程中,取得了令人满意的经济和安全效果。APS坚持一种原则,完成机组启停中最复杂、最具风险的控制,不去简单的重复人工操作,而是站在电子计算机的角度充分发挥DCS的能力控制机组启停,利用DCS完成人的工作。DCS的组态逻辑复杂了,人工的操作更加简单、更加安全了。若要APS 实现机组智能化的控制,需要更多专业的工程师们参与其中通力合作,才能更广泛的把APS应用在火力发电厂燃煤机组启停控制中。展望未来,APS一定会更多的加入人工智能的元素,成为智慧电厂的基石。

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