智慧电厂干货｜APS导引的锅炉给水一键启停控制

6 、 A汽动给水泵润滑油单元

APS自动控制方式下，汽动给水泵润滑油单元同样由APS直接启动。作为安全措施，给水泵汽轮机润滑油单元没有设计任何远方停止功能，给水泵汽轮机停机后，分闸（OFF）润滑油泵只能到就地控制盘上手动操作。

STEP0 接到APS启动“汽机抽真空”（VACUUM UP）阶段发来指令：投A给水泵汽轮机油单元（A-BFPT OIL SG “ON”）

STEP1 启动油箱排烟风机（A-BFPT OIL TANK VAPOUR EXTRACTOR “ON”）；

STEP2 启动1号或2号润滑油泵（OIL PUMP “ON”）；

STEP3 投给水泵汽轮机盘车（TURNING GEAR “ON”）。

给水泵汽轮机盘车投入后，状态反馈到APS启动“汽轮机冲转”阶段作为汽机冲转准备条件（TURBINE ROLLING PRE-OPE CONDITION）。

7 、 A汽动给水泵停止步序

STEP 0 A汽动给水泵单元顺控步序逻辑接到单元主控器发来“单元顺控停止A汽动给水泵”（SG A-BFPT SHUT-DOWN）命令,或者主汽流量低于16%，即开始单元顺控停A汽动给水泵。

STEP 1 发出指令关闭A汽动给水泵出口电动门（A-BFPT DISCH. MV “CLOSE”）。此时，汽动给水泵汽轮机MEH已退出自动伺服方式（T-BFP “NOT STAND-BY MODE”）；

STEP 2 单元顺控启动润滑油泵（SG A-BFPT OIL START-UP）；

STEP 3 停A汽动给水泵前置泵（A-BFPT BOOSTER PUMP “OFF”）、A汽动给水泵汽轮机打闸（A-BFPT TRIP）。

图9 A汽动给水泵停止步序

8 、 A汽动给水泵升速已完成

同时满足3个逻辑条件： ①A汽动给水泵出口压力接近给水母管压力相差小于1MPa，且超过2秒；② A给水泵汽轮机实际转速＞2200rpm；③ A汽动给水泵出口压力正常或给水母管压力正常。则确认汽动给水泵升速已完成（A-BFPT SPEED UP COMPLETE）。

汽动给水泵正常启动过程中，主要根据给水泵汽轮机运行转速、给水泵出口压力与给水母管压力差值综合判断给水泵汽轮机升速是否完成。设定汽动给水泵转速不低于2200rpm，是给水泵汽轮机暖机转速，而给水压力参数则与锅炉给水系统运行实际工况密切相关。因为锅炉给水系统运行，要先启动电动给水泵，汽动给水泵启动时锅炉给水母管已经升压，给水母管压力会随着锅炉运行工况变化，汽动给水泵启动后，还要并入锅炉给水母管才能向锅炉给水，这就需要给水泵出口与给水母管维持一个合适的压差，设定给水泵出口压力低于给水母管小于1MPa，既保证了汽动给水泵出口逆止门正常关闭又降低了汽动给水泵并泵时转速提升的空间。待并泵条件符合要求时执行汽动给水泵的并列操作，开始并泵的指令可以是全自动的，也可以人工在操作员站上按键触发。

9 、 汽动给水泵给水自动调节

1）调节回路

汽动给水泵给水调节设计有一个单回路PI转速调节器，是锅炉给水自动调节系统的副回路，调节定值（A-FPT FWD）来自A汽动给水泵给水调节“自动纠偏”回路输出，过程测量值为给水泵给水流量（A-BFPT DISCH FLOW），形成的偏差（Δ）先经过锅炉目标功率函数修正，再通过最小流量阀开关状态增益校正，最小流量阀全关时（A-BFPT MIN FCV CL），增益等于1，打开时增益为0.9，然后输入PID调节器。输出有一超驰控制，在汽动给水泵已经并列运行后，如果给水泵入口流量低于最低流量（A-BFPT MIN OVER），给水泵转速将被强制在额定转速的74.2%，快速增加A-BFPT的给水流量。

图10 汽动给水泵自动调节原理图

2）自动伺服（Stand-By）

同时满足5个条件：① A汽动给水泵入口流量信号正常；② 锅炉给水自动许可（单冲量调节时锅炉汽包水位信号正常或者三冲量调节时锅炉汽包水位信号正常、给水流量信号正常以及主汽流量信号正常）；③ A汽动给水泵调节自动按键已触发；④ A汽动给水泵调节手动按键未触发；⑤ A给水泵汽轮机转速控制输出正常（A-BFPT DRV NOR）。

3）自动调节（A-BFPT CONT.DMD AUTO）

同时满足2个条件： ① A汽动给水泵给水流量调节已在自动伺服（A-BFPT AUTO ST-BY）；② A汽动给水泵汽轮机转速自动许可（A-BFPT AUTO PERM）。

4）汽动给水泵转速控制自动许可（A-BFPT AUTO PERM）

来自汽动给水泵汽轮机电液控制装置MEH（A BFP-T MCS AUTO PERMIT），同时满足5个条件：① A汽动给水泵汽轮机调节阀电液转换器已在AUTO；② A汽动给水泵MEH转速控制自动许可（A-BFP MAST AUTO PER.）；③ A给水泵汽轮机升速已完成（A BFP-T SPEED-UP COMPLETE）；④ A汽动给水泵转速MCS调节器转速指令正常；⑤ MCS系统状态正常（MCS RECEIVE NORMAL）。

10 、 汽动给水泵自举纠偏回路

图11 A汽动给水泵自举纠偏回路逻辑原理图

A汽动给水泵并列/解列纠偏回路设计在锅炉给水MASTER和A汽动给水泵给水PI调节器之间，纠偏回路能够完成A汽动给水泵并列和解列两种控制功能。纠偏回路主要由输入偏差（Δ）、纠偏回路切换器（T）、A汽动给水泵偏置给定器（S/S）、并/解列切换器（TR）等组成。输入偏差Δ＝（A-BFP DISCH.FLOW）－（BFW DEM），由A汽动给水泵给水流量减去给水调节MASER目标流量得出，作为纠偏控制起始基准。纠偏回路切换器在A汽动给水泵并列和解列过程中闭合纠偏给定回路。A汽动给水泵偏置给定器在给水调节回路正常控制时设定A汽动给水泵给水调节的偏置。并/解列切换器在接到并列/解列指令后，给定并列/解列纠偏目标值和变化速率，并按变化速率从输入偏差Δ开始变化至纠偏目标值，产生给定斜率的纠偏偏差A-BFPT BIAS。给水调节MASER目标流量BFW DFW和纠偏偏差A-BFPT BIAS代数和形成纠偏回路输出A-BFPT FWD，作为后续A汽动给水泵给水PI调节回路的给定值。

11 、 汽动给水泵并列与解列

汽动给水泵并列有两种不同工况，参阅图11。一种是机组启动时给水泵的切换，即第一台汽动给水泵并泵，同时已经运行的电泵解列，另一种情况是第一台汽动给水泵已经运行，第二台汽动给水泵并列。在第一种运行情况下，给水调节MASER输出的BFW DEM在汽泵和电泵并列／解列切换过程中基本保持不变。第二种情况，在第二台汽动给水泵并泵时BFW DEM会降低，减少第一台汽动给水泵给水流量，平衡第二台泵的给水流量，来保持锅炉总给水流量不变。

汽动给水泵解列同样也有两种不同工况。第一、是APS机组停运第一阶段降负荷步序逻辑启动电动给水泵，随着机组负荷降至25%ECR，APS指令电动给水泵并列，锅炉顺控（B-SCS）指令解列第一台汽动给水泵，MCS对电泵/汽泵进行切换，锅炉给水流量基本不变，给水调节MASER也同样维持原有输出。第二、是在APS机组停运第一阶段降负荷步序逻辑指令解列最后一台汽动给水泵（LAST T BFP “OUT SERVICE”），给水调节MASER要把解列汽动给水泵的流量转移到电动给水泵上，相应增加BFW DEM输出，维持锅炉汽包水位在正常值。

五、 自举纠偏的工作原理

1 、 给水泵并列纠偏过程

并泵过程开始之前，给水调节MASER和A汽动给水泵给水PI调节回路都已经在AUTO状态，参阅图11。此时，因A汽动给水泵尚未并列运行，A汽动给水泵给水流量A-BFP DISCH.FLOW＝0，所以，并列纠偏回路输入偏差Δ＝－BFW DEM，切换器（T、TR）与偏置给定器（S／S）切换开关指令A-BFP SERV.OUT、A-BFP SERV.IN、A-BFPT BIAS PERM.均为逻辑“0”状态，输入偏差Δ通过T、S／S、TR输出， TR输出A-BFPT BIAS就等于－BFW DEM，与给水调节MASER输出BFW DEM代数相加，A-BFPT FWD＝0。

图12 A汽动给水泵自举纠偏并列趋势图

A汽动给水泵自举纠偏并列趋势曲线标注

当A-BFPT SERVICE IN＝“1”，A汽动给水泵入口流量A-BFPT SUCT FLW又大于100t/h时，形成有效的并列指令，分别作用在切换器T和TR上，令两个切换器的开关SW接通各自的输入on，参阅图9.18。同时接通切换器TR并列纠偏目标值（S=0.0）和并列斜率（S=120.0）。TR为外部给定斜率切换器，off端输入初始值“－BFW DEM”，on端输入目标给定值S＝0.0，输出A-BFPT BIAS将按S＝120t/min的速率从“－BFW DEM”开始趋向目标值设定值S=0.0，纠偏回路输出A-BFPT FWD =（BFW DEM）+Δ（A-BFPT BIAS），从并列前的零输出按120t/min的速率持续增加，A汽动给水泵相应提高转速，增大给水流量（A-BFPT DISCH.FLOW），汽包水位瞬时升高，经过锅炉汽包水位调节器大环校正，给水调节MASER输出BFW DEM随之降低，减少在运泵的排出流量，维持锅炉给水总流量，调节汽包水位在正常范围，直至纠偏偏差A-BFPT BIAS＜±1％，逻辑认定A-BFPT BIAS＝“0”，纠偏并泵过程结束。作为实例，图12是A汽动给水泵并泵趋势图， B汽动给水泵为在运泵。

2 、 汽动给水泵并列指令

汽动给水泵并列指令（A-BFPT SERVICE IN）触发方式有两种，自动和手动。需要明确的是，汽动给水泵并列全程自主自动完成。手动并列方式，并列指令在DCS操作员站的“BFPT IN/OUT”操作面板上人工输入。自动并列方式，自动触发指令由控制逻辑发出。并列第一台汽动给水泵的指令（1st T-BFP IN SERVICE），从APS启动“机组升负荷”（LOAD UP）阶段步序逻辑发到MCS系统A或B汽动给水泵自举纠偏逻辑回路。至于A或B泵哪一台为第一台并列泵（1st T-BFP IN SERVICE），在锅炉顺控SCS中决定。启动锅炉给水调节回路的自举纠偏、自动并列，可以手动选择给水泵，再手动触发自动并列，也可以全部由APS+SCS+MCS三个控制系统协同自动完成。如果A汽动给水泵是第二台并列泵，触发指令源自锅炉SCS给水系统顺序控制逻辑，当机组目标负荷＞21%ECR，锅炉SCS向MCS发出指令“A-BFPT SERV IN CMD”，A汽动给水泵开始自动并列纠偏。

3 、 给水泵解列纠偏过程

当解列纠偏指令“A-BFPT SERV.OUT”有效时，切换器（T）闭合纠偏回路，解列切换器（TR）接通解列目标值（S=-1400）和解列速率给定值（S=85），A-BFPT BIAS将按照S=85t/min的斜率从输入偏差Δ＝0开始，向给定的目标值“－1400t/h”变化， 参阅图9.11， A-BFPT FWD的输出值反斜率变化，A汽动给水泵逐渐减少给水流量，直至流量为零。两台泵并列运行时，在运泵就要同步担负起解列泵减少的给水流量，锅炉给水目标流量自然要相应增加，维持锅炉给水流量基本不变。电泵／汽泵切换则控制BFW DEM维持电泵给水流量与汽泵解列前基本相同。

4 、 汽动给水泵解列指令

触发A汽动给水泵解列开始指令（A-BFPT SERV.OUT MODE），同样有手动和自动两种方式，手动操作是在锅炉给水SCS中手动选择给水泵，在MCS给水调节中手动按键触发给水泵解列。自动触发A汽动给水泵的“解列开始指令”源于锅炉给水SCS，当机组目标负荷＜25%ECR时，锅炉给水SCS向MCS给水调节回路发出指令“解列第一台汽动给水泵”，汽动给水泵自动解列时，是按照“后并先解”的规则进行给水泵解列操作，如果给水泵并列时B泵为第一台并列泵，A就是第二台并列泵， A泵首先被解列，而B泵就是最后一台（第二台）解列泵。解列第二台汽动给水泵的指令发自APS，停止机组“机组降负荷”（LOAD DOWN）阶段，指令送达MCS锅炉给水调节回路，触发“A/B汽动给水泵解列开始”。

六、 锅炉给水调节与MEH的互联

汽动给水泵由可调速汽轮机驱动，站在自动控制原理的角度看，汽动给水泵汽轮机和电动给水泵的液力偶合器，都可以抽象成锅炉给水自动调节回路的“执行机构”。但汽动给水泵汽轮机的控制还是相对复杂的，尽管驱动给水泵的调速汽轮机功率较小，汽轮机所具备的蒸汽、润滑油、EH油、疏水、真空等系统，监测的温度、压力、振动、轴窜、转速等参数一样也不少，小汽轮机同样配备有DEH装置，亦即MEH。锅炉给水自动调节回路向给水泵汽轮机MHE发出转速给定信号调节给水泵转速控制给水流量。

不在APS导引下的热工自动控制，MEH控制给水泵汽轮机从启动到并入锅炉给水系统基本上都是手动操作，给水泵汽轮机暖机完成后，转速固定在某一设计值（转速因机组而定），把MEH对给水泵汽轮机转速的控制转交给DCS锅炉给水调节回路，操作人员根据锅炉给水母管压力手动调节给水泵汽轮机转速，完成与电泵的并泵/切换，待锅炉汽包水位稳定在规定偏差以内，投锅炉给水调节到自动工作方式。

锅炉给水调节回路和MEH两者之间的控制连接在非APS系统中完全依靠运行人员手动完成，而APS要求锅炉给水调节系统必须是全自动的。所以，APS导引的锅炉给水调节和汽动给水泵MEH之间的连接必然也是全自动的，那么就要把给水调节回路与MEH连接的手动操作和调节过程以及安全方面的关注用逻辑表述出来且全部自动执行。逻辑设计主要从以下几个方面来确保汽动给水泵的运行安全、调节可靠。

1 、 DPU品质安全举证

由于给水泵汽轮机控制的复杂性，为了确保给水调节系统在全自动工况下长期安全可靠运行，给水泵汽轮机MEH和汽动给水泵给水调节回路之间必须建立一套实时安全状态相互识别功能，来保障相互之间传输的信号时刻都是可信和安全的。通常情况下，给水泵汽轮机MEH和汽动给水泵给水自动调节逻辑组态在DCS不同的分布过程控制站（Distributed Processing Unit-DPU）中，两个自动控制系统连接在一起时，两个DPU都应该设计有发往对方报告本站工作状态的安全标志信号，随时监测、查证DPU工作是否发生异常，这是汽动给水泵给水调节回路正常工作的基本保证。所以，MEH和汽动给水泵给水调节回路将各自所在DPU的品质状态信号互送对方，MEH把DPU的工作状态发送给锅炉给水调节，同时也接收来自汽动给水泵给水调节回路DPU的工作状态。这两个信号分别是MEH主控器自动许可和汽动给水泵给水调节回路自动许可的条件逻辑，最终都汇集在汽动给水泵给水调节回路“工作在自动”逻辑中，任何一个环节出现异常，汽动给水泵给水自动调节回路立即退出“自动”避免次生事故。

2 、 转速控制交互验证

汽动给水泵自动调节采用“三态式”逻辑设计，锅炉给水系统的设备没有启动之前，汽动给水泵调节回路已经工作在自动伺服方式（A/B-BFPT AUTO ST-BY），处于等待给水系统启动的状态。

A/B汽动给水泵给水调节进入AUTO工作方式是通过给水泵汽轮机MEH上传的A/B给水泵汽轮机转速自动许可确定的，信号中又含有MCS发给MEH的“工作正常”信号，分别是DPU工作正常和A汽动给水泵转速PI调节器输出正常。

3 、 控制指令比较监测

调节回路这一级，则形成一个闭合的信号品质识别环路，从汽动给水泵给水调节回路M/A站发出的给水泵转速指令，作为调节给定值进入MEH，MEH接受外部给定值控制汽动给水泵转速的同时，将执行后的给定值作为应答信号同步反馈回到给水调节回路，与汽动给水泵给水转速指令进行实时比较，如果误差在设定的允许范围（±5%）内，汽动给水泵给水调节回路和MEH控制回路则被认为“信号传递正确”。否则，会立即中断两个系统的联系，各自降低自动控制水平，分别单独调节，升高安全等级来保证运行安全。

七、 结语

锅炉给水系统从启动到停止，调动几十台套特性各异的设备，历经十多种工作方式转换，有的过程相对简单，有的则相当复杂。能实现“一键启停”、“投后不管”这种近乎“傻瓜”机的操作，也绝非运行规程的原版照排，控制逻辑已经具备判断进程方向、路径，决定进退、转辙的“自主思考”能力。在APS的导引下，成功实现“一键启停”的锅炉给水系统无论在启停的安全性、快速性、重复稳定性、经济性等方面明显高于人工操作，虽然人工操作遵循了操作规程，人具有智慧，但人工只能串行操作，DCS可以并行控制，各有所长。不过，这还只是能力大小的范畴。若赋予DCS起承转合、自主决策的思维程式，哪怕是简单的智能逻辑算法，控制功能都会获得极大地扩展和提升。欲解决复杂的问题，简单地采用传统自动化的方法已无力应对，采用更高一筹的智能化控制是解决问题的有力工具。“三态式”模拟量调节、缺省自动选择器、给水泵并/解列纠偏以及给水泵系统启停的整体统筹，都是值得深入研究和借鉴的，他山之石可以攻玉，将有力地促进DCS物尽其用，提升机组安全、经济运行水平。

《火电燃煤机组程序自动启停系统（APS）与智能控制》 作者：王立地

可供大型火力发电厂、电力研究院、电力设计院、DCS生产厂家、火电安装调试等单位从事热工自动化、节能优化运行、智能电厂规划等专业的技术人员在生产培训、工程设计、系统调试、软件组态时借鉴应用，也可作为大专院校相关专业的辅助教材。

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