干货｜火电厂燃煤机组APS的架构、功能与特点

火力发电厂燃煤机组的各种热工控制都是根据生产实际需求而产生和发展的，比如模拟量调节（MCS）、顺序控制（SCS）、锅炉燃烧器管理系统（BMS）、汽轮机数字式电液控制装置（DEH）等。早在上个世纪六十年代，国外电网为了获取相对合理的安全性能和经济效益，发电厂统一调度，运行机组就有了“每日启停”（DSS）这样的运行方式，是一种立足于电网整体考虑经济效益的调峰方法，世界上一些先进工业国家，当时参与DSS的火电燃煤机组单机容量为400MW等级，到了八十年代，参与DSS的火电燃煤机组单机容量提升到700WM等级。DSS通常是当日8：00时～22:00时机组带负荷运行，22:00时停机备用，次日8:00时机组重新带满负荷。显然，燃煤机组的启停安全和时间关乎DSS的成败。为了确保在机组允许的最短时间内安全地启动机组，热工控制系统经历了一次彻底的变革，将热工（复变参数）控制系统提升到了“一键启停”的高等级水准，而出现了APS（APS-Automatic Procedure Start-up／Shut-down—机组自动程序启停系统），这是一种依托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，促进了燃煤机组DSS安全、经济的运用。

（来源：北极星电力网 作者：王立地）

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APS的工作区间

APS的工作区间是有限制的。若以机组发电负荷划分，对燃煤机组而言，启动时，从机组停运的静止状态开始，投入APS，应用APS启动机组，待机组达到锅炉“不投油稳燃负荷”后，APS自动退出。机组停止时，在高于锅炉不投油稳燃负荷之上15%的负荷下投入APS，应用APS降负荷及至机组设备全部停运（备用停机或检修停机），APS自动退出。

依据汽轮机（以亚临界机组为例）第一级金属温度，机组启动划分有冷态（＜120℃） 、温态（120℃～300℃） 、热态（300℃～380℃）和极热态（＞380℃）等四种状态。APS最适宜的应用是在机组温、热和极热状态下启动以及某一预定负荷（高于不投油稳燃负荷15%ECR）以上的停机。

机组冷态启动，通常还是采用热工控制系统的“一键启停”方式更符合电厂运行的实际情况，这是因为：

1）机组冷态启动一般的都是在停机检修后，以600MW等级亚临界燃煤汽包炉为例，集控室内远方操作的设备超过五百多台套，机组启动前全部在“手动”操作方式，APS是一套全自动的控制系统，应用的充要条件是把管控的所有设备全部投入“自动”工作方式，这种操作“一键都不能少”，APS冷态启动面临着大量的设备预置操作。

2）APS管控的设备是有限度的，还有许多机组设备（汽、油、水、氢、气）和控制系统并没有参与APS控制，在运用APS启动机组之前这些自成系统的控制还是需要独立启动的。

3）机组检修后，尤其是A、B级检修后机组有许多试验项目，机组各系统需要配合启动，对APS控制来讲可能会发生“后序先行”的情况，此时用热工系统“一键启停”控制比APS更为便捷。

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APS的设备管控

APS完成的是机组启停中最复杂、最具风险的控制，并非简单地重复人工操作，而是以 “电脑”的能力发挥DCS的作用控制机组启停。人工操作只能串行控制，也就是一台一台设备逐台操作，以DCS为平台的APS能够并行批量操作设备，所谓的多线程控制，APS阶段步序逻辑发出一条指令可以驱动多达5套控制系统同时动作，一波指令可以操控的设备可达几十台，能同时控制开关量设备和模拟量调节回路。如果真的按照电厂运行规程完全照搬人工手动启动、停止的操作顺序，把APS控制看成或做成“电子规程”，实在是浪费了DCS的资源和误解了APS的功能。

APS设计时遵循 “集中连贯、效率优先”的原则，在设备选择方面，首先考虑在机组启、停时，那些操作量大，需要反复启停操作的设备，比如锅炉燃烧系统、锅炉给水系统、汽轮机回热系统、汽轮机真空系统、汽轮机润滑油系统等。评判哪些设备纳入APS，一个简单有效的方法就是在机组短时停机后，汽轮机处在温态状态下再次启动，此时需要启动的设备都可以纳入APS进行控制。而一次启动后，机组即便短时间停机也无须或不允许停运的系统则单独控制，没有必要纳入APS。比如辅助蒸汽系统、空压机系统、冷却水系统、发电机氢冷系统等。APS导引热工控制系统启动机组，纳入APS的系统必须有取有舍，设计APS的目的就是要在机组启停过程中，特别在启动过程中省却大量的人工操作，优先考虑那些操作反复、启停先后连贯、设备数量多的工艺系统利用APS代替人工操作，体现出计算机辅助操作的优势，而那些只有当机组全停检修时才需要隔离操作的装置或系统，无须由APS控制，否则，反而降低了APS的使用效果。

如果以APS管控的设备数量划分，启动机组，发电机并网前操控的系统或设备约占APS管控设备总量的80%，发电机并网后升负荷操控的系统或设备占比约为APS管控设备总量的20%。停运机组，发电机解列前的降负荷过程APS操控的系统或设备约占APS管控设备总量的40%，发电机解列后停炉停机到设备全停，APS操控的系统或设备约为APS管控设备总量的60%。

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APS的架构与功能

APS系统逻辑结构采用纵、横制设计。横向为菊花链拓扑，同层级若干个独立的分布式主控器次第连接，构成APS控制系统。在机组启动或停止的整个过程中，每个分布式主控器有限控制机组的一个阶段，阶段之间首尾衔接，按条件逻辑递进。每个阶段以节点开始，设置若干步序，包含步序逻辑在内，每一步序纵向四级分层导引相关的系统和设备。APS横向步进发出目标指导，纵向功能系统分级顺序控制、执行设备启停操作，往复循序渐进，直至完成机组的启动或停止。

机组设备按照工艺流程，分为机组主设备，如汽轮机、锅炉和发电机。机炉主要辅机，如锅炉的送风机、引风机、一次风机、锅炉给水泵，汽轮机的凝结水泵、真空泵等。机组的辅助系统，如汽轮机的疏水、高加、低加、汽轮机辅助润滑油系统、锅炉的排气疏水、发电机的定子冷却水和氢气冷却/密封系统等等。还有一些是机组的公用系统，比如辅助蒸汽、冷却水、压缩空气等。

APS作为机组启停的热控标准功能配置和例行应用的操作方式，总共分为12个阶段，机组启动和停止各由6个分布式主控器串联组成，每个APS分布式主控器控制机组启、停过程中的一个阶段，每个阶段进程都是从节点（BREAK POINT）开始，完成阶段任务后结束（BP COMPLETE），前序阶段的完成状态作为后序阶段的许可条件。

机组启动六个阶段（参阅图1）：

1.机炉辅助系统启动（UNIT START PREPARATION）；

2.汽轮机抽真空（VACUUM UP）；

3.炉膛吹扫＆点火（FURNACE PURGE & LIGHT-OFF）；

4.汽轮机冲转（TURBINE ROLLING）；

5.发电机并网＆初负荷（SYNCHRO. & INIT. LOAD）；

6.机组升负荷（LOAD UP）。

图1 APS系统START-UP架构框图

机组停止六个阶段（参阅图2）：

1.机组降负荷（LOAD DOWN）；

2.机组最低负荷（MINIMUM LOAD）；

3.发电机解列（LINE OFF）；

4.汽轮机停机（TURBINE SHUT-DOWN）；

5.锅炉燃烧器切除（BURNER SHUT-DOWN）；

6.锅炉停炉＆汽轮机切真空（BOILER SHUT-DOWN & VAC. BREAK）。

图2 APS系统SHUT-DOWN架构框图

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APS的功能特点

APS分布式主控器由两部分程序逻辑组合而成，分布式主控器和阶段顺序步进控制逻辑。节点主控器包含节点决策逻辑、信号输入和输出端口以及人机接口（Man-Machine Interface-MMI）三部分内容。节点决策逻辑是节点主控器的运算核心，输入信号包括节点运行许可条件和阶段进程的步序完成状态，输出信号包括阶段顺控启动指令和阶段进程信息，输入信号经节点决策逻辑运算后，输出控制指令至步进顺控逻辑。节点主控器的MMI是运行操作人员与APS交换指令/信息的界面和接口，设计有APS操作显示画面、控制按键、步序进程和操作指导信息画面。阶段顺序步进控制逻辑，按步序判定被控对象完成的进程和状态，确认结果后向下级系统和设备发出控制指令，完成本阶段管辖设备的控制。指令的内容包括启停机炉顺序控制系统，给定模拟量调节回路目标定值以及切换工作方式、赋值DEH目标转速及连接MCS、管控BMS（锅炉燃烧器管理系统）投切锅炉燃烧器、并列/解列锅炉给水泵、切投发电机并网/解列开关等。每一阶段内都有规定的的作业程序和指令，由于阶段启停不同的系统和设备，在某些阶段还另外设计有专用的条件逻辑和操作按键，伴随阶段步序进程完成特定的功能，比如汽轮机摩擦检查、发电机励磁开关合闸、厂用电切换等。APS协同导引的系统，含APS纵向分为四个层级。从一级向上至四级，按功能划分从简至繁依次为单体设备操作、单元控制、系统控制（含SCS、CCS、DEH、BMS等）和APS的分布式主控器（也可以认为是机组级），APS分布式主控器位居顶层。若论虚实，一、二、三级是实体控制，而APS应该归类于逻辑虚拟控制。二、三层级是设备的系统集成，从控制逻辑方面讲，各层级并无技术高低之分，只有作用的不同、简繁之别。要论重要程度，所有的热工保护功能都设计在第一层级，在设备操作的逻辑模块中，保护功能的控制权限是最高的，是设备安全运行的基础。随着控制层级升级，控制范围扩大，自动化程度升高，而随着控制层级的降低，控制权逐级增强，底层有最高的控制权。由APS分布式主控器的阶段顺序步进控制逻辑按需求向布置在其下三个层级中的控制装置发出运行指导或给定赋值，导引热工控制系统实现机组启停的阶段控制功能，这些控制级内包括机炉顺序控制系统、模拟量自动调节回路、锅炉燃烧器管理系统、汽轮机DEH系统、发电机励磁和自动准同期装置等，根据需要在不同的阶段内参与APS控制。程序控制既包括开关量顺序控制也包括模拟量自动调节，APS的分布式主控器开始工作的充要条件就是其下各级被控对象的工作方式都必须符合规则，开关量设备和顺序控制在自动，模拟量自动调节在自动伺服（Stand-By），开关量联锁在自动。这些控制装置或系统都有独立完整的专项功能，没有APS的导引时，对各自原有控制功能的发挥，没有品质方面的影响。说到影响，主要体现在协同控制的时间和各种不同系统控制或调节的精准匹配方面，人工操作的精度、适时性和重复性显然比不上DCS控制。有了APS的总体导引，在DCS的支持下，利用计算机辅助运行操作，可以多线程执行设备启停和切换，能够节省大量时间，也就意味着提高了运行的经济性。控制规则化，无差别的操作重复性，快速反应的设备保护，切实保障了机组长期运行安全。APS极大地提高了机组启停阶段运行的经济性和安全性，这就是应用APS突出的优点和好处。

APS并不能够“一键启停”，实现“一键启停”功能的是参与APS的热工控制系统，热工控制系统若要“一键启停”，构成的逻辑必须要 “智能化”。所以，智能化的热工控制系统成就了APS，一个能用且好用的APS必定要由智能化的逻辑构成。

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