火电厂智能自动控制的技术路线

计算机分散控制系统（DistributedControl System-DCS）在发电厂中已经普及应用，我们国家DCS的硬件水平早就跻身世界先进行列，但在机组控制应用软件方面与先进工业国家相比还是有明显的落差。1985年，从先进工业国家引进的350MW及以上等级燃煤机组中设计有数字式智能自动化系统（DIASYS‑DigitalIntelligent Automatic System），APS（Automatic Procedure Start-up／Shut-down-机组程序自动启停系统）和FCB（FCB- Fast Cut Backe-锅炉快速减出力）功能作为DCS热工控制的标准配置。

一、先进控制的内涵

现代大型火电燃煤机组热工自动控制的头上有两颗耀眼的明珠，一个是APS，另一个就是FCB。两者都采用现代控制理论构建了高度自动化和智能化的控制功能。

1.APS

APS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，是现代电厂高度自动化、智能化的标志。这是因为，想要实现APS，所有参与APS的热工控制必须具有“一键启停”的基本能力，APS的先进控制令MCS、SCS、CCS等热工控制系统的工作方式、控制策略和逻辑模块在智能化方面有了脱胎换骨的变革。APS因DSS（每日启停）方式应运而生，因APS而极大地提高了机组的热工自动化水平，智能化的热工自动控制成就了APS，相得益彰，促进了燃煤机组的安全、经济运行。APS也就成为评价电厂生产技术管理、热工控制和机组运行水平高低的一种标准。即便电厂不是DSS运行方式，APS同样值得大力推广应用。

2.FCB

机组在高于锅炉最低稳燃负荷工况下正常运行时，因汽轮发电机组（内部）或电网（外部）突发故障造成发电机与电网解列，甩掉全部对外供电实发功率，但锅炉尚未发生MFT（Master FuelTrip－主燃料跳闸）的瞬间，用以快速减少锅炉出力维持“发电机解列带厂用电”或“停机不停炉”运行方式且过程中能确保热力参数不超过保护动作值的超驰控制功能。过往FCB的实践充分证明，FCB“功在电网、利在电厂”。在电网出现大面积停电事故时，发电厂利用FCB功能“保厂用电” 维持“孤岛运行”，有助于电网在最短的时间内恢复正常供电，其社会效益无法用简单的数字来估量，更有利于电厂提高机组运行安全水平、降低运行成本、延长机组寿命、防止超临界直流炉爆管以及提升机组的节能效果。

3.先进控制的特点

DCS逻辑引入智能化模块，在模拟量自动调节（MCS）回路中已经全面采用“傻瓜自动”，在开关量顺控控制（SCS）中也全部应用了“一指联锁”，针对电厂特有的“复变参数”环境，采用了“交叉引用、条件自举”控制策略，实现了热工控制系统的“一键启停”。

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和FCB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，形成一种应用先进技术的潮流，同时也表明APS和FCB已经是一种非常实用的控制技术。

二、国内DCS应用现状

那么国内电厂DCS应用控制的现状是怎样的呢？控制理念、逻辑策略和应用软件仍停留在上个世纪八十年代初的水平。

1.设备联锁

绝大多电厂联锁设备的运行、备用和联锁开关的投、切以及状态监测、判定等相互关联的一系列操作都由人工完成。设备联锁人工投入时，①手动启动第一台设备，② 待工艺参数稳定，再手动合闸联锁开关，第二台设备投入联锁备用。切除时，③停止在运设备前，人工先行手动断开联锁开关，切除备用设备联锁，④ 手动操作停止在运设备。这是软键盘的操作硬开关的策略。

2.模拟量自动调节

自动调节回路“手动／自动”的投切、调节器“手动”投“自动”之前调节器入口偏差的纠正，一切都要由人工判断、人工决策和人工操作。与1975年代DDZ-Ⅱ电动单元组合仪表时代的操作没有本质区别，只不过操作平台换成了DCS。

3.顺序自动控制

SCS顺控与MCS调节分别自成体系独立存在，相互间缺失逻辑交集，步进过程中开关量自动控制和模拟量手动操作各行其是，形成不了有机关联的整体而降低了自动控制性能。顺序控制、自动联锁和自动调节共处同一工艺系统时，在顺序自动控制进程中，自动联锁和自动调节的投、切时机要依靠操作人员来观察、判定，并只能伴随着顺序控制的自动步序人工伺机手动操作，把自动联锁和自动调节工作方式由“手动”转向“自动”，手动操作与自动顺序控制形成了“混搭”现象，既降低了工艺系统的自动化水准，又给系统控制安全带来不确定的风险。

4.热工系统“一键启停”

由于以上1.2.3.三方面应用软件的缺陷和不足，目前电厂热工控制系统尚不能实现“一键启停”。

5.APS

热工系统“一键启停”是实现APS的基础，没有基础，无法构建APS。

6.FCB

多年来，在控制理念方面存在较大错误认知，设备配置等方面受某些进口机组误导，300MW等级及以上容量机组的FCB基本上处于空白状态。

三、先进控制推进规划

总体的指导思想：明确目标、全面规划、夯实基础、分步实施。

1.目标与规划

充分利用DCS硬件优势，正确把握当代科技发展动向，对标先进工业国家电厂先进控制水平，结合国内实际情况，功夫下在应用软件的开发研制上，APS和FCB虽然是一个复杂的热工控制系统，但APS和FCB也有自己的形成过程，只要找出APS和FCB的内在的特性和规律，合理规划APS和FCB的设计和实施计划，完全可以事半功倍。力争在三到五年时间能够成功地全面应用APS和FCB，实现电厂的“先进控制”。

2.分步实施

(1)智能化模块攻关

主要包括以下基础智能模块和逻辑：

1）模拟量三态式切换逻辑；

2）超驰纠偏逻辑；

3）开关量设备的本安开关逻辑；

4）缺省自动选择器逻辑；

5）开关量和模拟量控制的“交叉引用、条件自举”原则策略。

(2)智能模块构建应用逻辑

1）模拟量“傻瓜自动”

模拟量自动调节回路“三态式自举切换”，采用控制装置品质条件以及工艺设备状态条件自举转换自动调节回路的工作方式，与“超驰纠偏”无缝衔接，模拟量调节回路从手动到自动的过程只需经过一次人工操作，后续的控制都由算法逻辑自动完成，我们称这种智能化、人工操作简便的MCS为“傻瓜自动”。一台600MW等级的燃煤机组大约有110个模拟量自动调节回路。

2）开关量“一指联锁”

自动联锁要具备联锁设备状态监测、判定的“思维”能力和“联锁开关投、切” 的自动操作，还应具备在运设备记忆、电气联锁、热工联锁、异常自检等功能。人工操作也简化成一次完成，如同操作一部“傻瓜相机”。我们定义这种自动联锁为“一指联锁”。

(3)热工控制系统 “一键启停”

1）锅炉SCS

规划有①锅炉给水、②给水泵小汽机润滑油油／蒸汽、③锅炉风烟、④锅炉一次风、⑤锅炉炉水循环泵、⑥锅炉排空气与疏水、⑦辅助蒸汽、⑧轻油、⑨锅炉燃烧器管理系统（BMS）等共9个系统。BMS内含锅炉制粉系统的“一键启停”。

2）汽机SCS；

规划有：① 汽轮机凝结水系统、② 循环水／闭式冷水系统、③ 汽轮机凝汽器真空系统、④ 低压给水加热系统、⑤ 高压加热给水系统、⑥ 汽轮机盘车系统、⑦ 汽轮机透平油系统、⑧ 汽轮机疏水系统、⑨ 发电机辅助系统等9个系统。

3）机炉辅助系统

除参与APS以外的锅炉、汽机辅助系统开关量控制。

(4)构建APS与FCB

1）构建APS

有了模拟量调节M/A站的“三态式”切换+PID调节器的“超驰纠偏”，就有了MCS的“傻瓜自动”。有了开关量控制的“本安操作开关”+“缺省自动选择器”，就有了SCS的“一指联锁”。有了MCS的“傻瓜自动”和SCS的“一指联锁”，就能实现程序控制的“一键启停”。有了程序控制的“一键启停”，就有了构建APS的坚实基础，APS也就水到渠成。

2）构建FCB

FCB实现两种控制功能：

① 机组负荷高于35％ECR（或不投油稳燃负荷+5%ECR），汽轮机因故障跳闸，但锅炉没有MFT，停机不停炉。因机组内部原因引发汽机跳闸而触发FCB动作。

② 机组负荷高于35％ECR（或不投油稳燃负荷+5%ECR），发电机因故障解列，但汽轮机转速仍高于2950rpm，且锅炉没有MFT，发电机解列带厂用电。因电网故障造成发电机解列触发FCB。

建议采用“排导法”实现FCB。汽轮机宜配备容量40%MCR汽机高旁+45%MCR低旁，锅炉配备32%MCR过热器PCV阀。PCV阀安装在锅炉过热器联箱出口蒸汽管道上，开阀即泄压；方式简单，过热蒸汽直排大气，无需减温，此为“排”。接到FCB指令立刻开启汽机旁路，则为“导”。锅炉PCV阀和汽机旁路阀的合力“排导”用于抑制机组＞75ECR时的锅炉压力飞升，负荷低于75％BMCR， PCV阀无须“排”，只用汽机旁路的“导”，因为锅炉有足够的压力飞升空间。

3.关键技术拓展

(1)给水系统 “一键启停”

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是给水系统“一键启停”的核心技术。

(2)锅炉风烟系统“一键启停”

锅炉风烟系统中含有8套自动联锁，工作是缺省联锁自动状态。模拟量调节应用“一次硬操作、两次软逻辑”的功能，在“设备静止”状态，调节回路就可以工作在自动方式，DCS逻辑进行判断，热工装置符合要求，进入Stand-By，工艺系统满足要求，投入自动。开关量和模拟量信号交叉引用、互为因果，两者融为一体实现程序控制。顺序控制和模拟量调节无缝衔接，超驰控制，自动纠偏，锅炉风烟系统完成“一键启停”。

(3)锅炉制粉系统“一键启停”

锅炉制粉系统被控对象既有开关量又有模拟量，控制方式既有顺序控制又有回路自动调节，并且设备顺序启停过程中，模拟量自动调节也在适时投入工作。所以，我们把锅炉制粉系统控制定义为：复变参量程序控制。制粉系统一键启停的识别标准是：

1） 模拟量自动调节回路须能从工艺系统停止状态至设备正常运行“自举自动”。调节器定值随动给定、偏差自动纠偏，从开环控制自动地投入闭环自动调节，设备启动前调节回路即可投入自动。

2） 开关量设备在设备级须有手动操作和自动控制两种工作方式。杜绝顺序控制过程中的手动/自动混搭现象，确保自动控制功能本质安全。

3） 开关量设备冗余联锁须智能选择、自动投入和切除，自动联锁投入时机应在设备启动前。

如果换一种说法，就是一旦按下制粉系统程序控制的“启动”或“停止”按钮，一切皆由自动装置（DCS）自动控制和调节，运行操作人员只需动眼无须动手，制粉系统即可设备启动、铺煤、制粉乃至吹扫，实现全过程、全工况、全自动运行。

(4)锅炉超前加速BIR

锅炉超前加速（Boiler Input Rating，BIR）控制在锅炉设备硬件不做改变的前提下，利用热工控制策略动态加快锅炉适应不同运行工况，充分应用DCS的软实力，缩短锅炉出力、压力和温度反应时间，与汽轮机工作更加协调，有助于火力发电厂燃煤机组提高供电质量，是一种经济实用的技术。国外先进工业国家对BIR的应用研究已经做得非常深入和细致，既有理论指导，更有现场实践，获得广泛应用。

BIR具有三方面的技术特点，第一，控制的全面性，不同于某些设计，仅在个别调节回路中加入前馈信号，BIR一经动作立即全面发动，锅炉燃烧、减温调节等二十多个回路参与。第二，调节的针对性，每个调节回路设计有的放矢地调节控制对象，各自不同，但为实现整体目标又都异曲同工。第三，数据的实践性，大量应用函数构建控制策略框架，这些函数源于现场经过验证的试验结果。也正是这些实用性的特点，为发挥电厂多专业协作提供了有利条件。

(5)全程CCS

机炉协调控制系统（Coordinated Control System，CCS）是机组重要的模拟量调节回路， CCS是实现APS全工况、全过程、全自动必不可少的支柱，扩展CCS的调节功能，创新“汽轮机高旁自动跟随”（BER）方式，向负荷低端扩展机炉协调控制，实现了CCS主汽压力调节的全程覆盖，CCS能够实现主汽压力全程自动调节，为APS的成功奠定基础。

(6)APS

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，首先要提升功能控制的自动化水平。相对于过往传统设计，围绕APS需要开发多种带有“人工智能”的新型控制策略。

(7)FCB

实现FCB主要有以下难度：

1）运行工况严酷，成功的可能仅存瞬息

由于突发故障，机组立即失去全部负荷，FCB是在机组悬于全停边缘的瞬间进行快速控制，控制系统的反应一定要足够快速，3秒钟定成败。机、炉、电所有自动控制系统都要在极短时间内对方式切换、过程调节作出准确的协调反应，控制系统的反应必须要足够精准，10秒钟见好坏。

2）运行参数趋近红线，事故边缘保运行保安全

机组大范围甩负荷，各种参数变化幅度加大，在确保设备安全的前提下尽最大的可能维持机组运行，需要建立“安全容错”机制。

3）锅炉过热蒸汽压力飞升

机组突然大幅度甩负荷，能量失衡，尤其高于75％额定负荷时，如果处置不当，锅炉蓄热和汽水潜热会使过热蒸汽压力飞升而引发锅炉MFT。

4）锅炉燃烧强度突变

锅炉燃烧强度变化最大可达60％，锐减燃烧率可以抑制压力上升，但也可能引起燃烧劣化、炉膛灭火；缓减燃烧率炉膛火焰稳定，但又可能造成锅炉超压，燃烧率的变化要在锅炉稳压与炉膛稳燃之间取得平衡。

5）汽轮机可能超速

发电机甩负荷的瞬间，锅炉仍然在正常运行压力，如不快速控制汽轮机转速马上会急速上升而超速跳闸。

FCB的控制策略和设备配置要通盘考虑，确保：

1）锅炉、汽机不超温，不超压；

2）汽机不超速；

3）机、炉安全运行带厂用电。

4）发电机跳闸，电气系统自动转换厂用电。

四、结语

今年，国家在经济发展战略层面上提出了“新基建”的目标，持续的推进科技进步，是促进企业发展的动力。结合集团公司的生产实际，在电厂DCS平台上大力赶超世界先进水平，努力实现电厂自动化的“先进控制”，以提升软实力为推手，夯实电厂安全基础、提高经济运行指标，引领国内电厂热工自动化的进步。

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