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APS的前世今生及未来

2022-12-26 13:43来源:北极星电力网作者:王立地关键词:APS智慧电厂王立地收藏点赞

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有人说:我国自二十世纪九十年代发电厂引进应用 DCS(Distributed Control System—计算机集散控制系统),多年来经过了学习入门、全面掌握,再到进一步提升整体机组热工自动化水平的历程,由此APS应运而生。这种论点对不对呢?本文就APS的前生今世、来龙去脉做一介绍,解惑APS从何而来,答疑现状如何,以飨读者诸君,抛砖引玉,展望未来。

APS(Automatic Procedure Start-up/ Shut-down—自动程序启、停系统)是一种热工控制功能,DCS是一套控制系统,谈论DCS与APS之间的关联,其实有点儿像讨论哲学上一个无解的古老话题,先有“鸡”还是先有“蛋”?好在,看看APS和DCS发展的历程,问题不会无解。

APS的前世。说起APS,不能不先说一说DSS(Daily Start-Stop—每日启停),DSS是电网调峰的一种手段,电网调峰的目的明确且直接,削峰填谷,平衡供需,保证电网的供电品质。水电、燃机当然是电网调峰的首选,但上个世纪七十年代的日本,单机容量430MW的燃煤机组照样被调用参与电网调峰,这种操作与我们国内的观念有很大不同,参与调峰的燃煤机组基本上都是容量较小的机组。当然了,那时(1970年代)国内200MW机组就是大机组了,但即便是100MW机组也没有采用DSS方式参与电网调峰的。并且,日本DSS运行方式的燃煤机组,参与调峰时,那真的是要把机组停下来,人家没有什么“灵活性”运行,也不需要什么“灵活性”改造。燃煤机组 “灵活性”的定义,不太像是一个工业技术术语,硬要找一个对应的专业表达,好像应该是“不投油最低稳燃负荷”,电站锅炉设计都是依据热力学原理付诸实践的死规矩,烧不同的煤,炉膛的尺寸都不一样,不投油最低稳燃负荷也都是在设计阶段确定的,锅炉负荷越低,炉膛火焰的充满度就越低,燃烧效率就越差。所以,唯利是图的资本家们想尽一切办法规避锅炉在不投油最低稳燃负荷附近运行,与其低负荷运行,莫不如来个干脆的,停炉熄火,机组运行的经济性相比低负荷运行反而要提高很多。于是就有了DSS这种机组运行方式,但新的矛盾也随之而来,那就是机组的启动操作繁多,人工操控、调节,一台300MW等级的燃煤机组,即便在备机组用状态下,启动一次机组操作和调节至少也有几百个项目,安全风险增大,没有了安全,哪有效益呢?破解矛盾的办法只有走自动化控制的技术路线,于是乎,就有了“机组自动程序启停”这个点子,机组热工控制中多了一项新的功能APS。

APS并非一蹴而成,有了技术路线,设计出了控制策略,还要有一个作为支撑的热工自动控制平台,APS才能有所表现。APS是开关量和模拟量集合的复合控制,常规的热工仪表无法胜任,1970年代,全球范围内主流的热工过程自动化仪表是“电动单元组合仪表”,在我国代表性的是DDZ-Ⅱ型仪表。在日本,为实现APS走的是计算机控制路线,比如日本三菱公司研制了MIDAS-8000计算机控制系统,APS雏形初现。到了1980年代,APS不断完善,日本DSS方式调峰的燃煤机组单机容量也提高到了700MW。

1980年代中后期,华能大连电厂和福州电厂从日本三菱公司引进了350 MW单元燃煤机组,APS现身在热工控制功能中。用的就是MIDAS-8000计算机控制系统,由一个单总线的小型以太局域网链接15台PDP-11/73小型计算机、9套C2000可编程控制器搭建而成,DAPS计算机(APS专用)通过以太网通信指挥其它计算机完成单元机组的自动启停。虽说号称小型计算机(PDP-11/73,美国出品),但配置和性能未必高于后来的Apple-Ⅱ。不过,计算机+通信网络+APS,应用通用计算机设备承载专业的APS功能,总算把APS在电厂中提升到了商业化的实用水平。APS机组启停的控制策略分为11个节点。启机,依次为:1)点火准备; 2)锅炉点火; 3)汽机冲转; 4)同期; 5)升负荷1(发电机负荷>30%);6)升负荷2(发电机负荷>50%)。停机, 1)减负荷(发电机负荷<5%);2)解列;3)停机;4)停炉;5)停辅机。

日本三菱的MIDAS-8000,还不是真正意义上的DCS。那时的美国已经有了多款DCS投入商业运营,比如西屋的WDPF-Ⅱ、霍尼韦尔的TDC-3000和贝利的N-90等等。日本三菱在1990年代中期才拥有了标准的DCS,型号为DISYS-UP/V,如果你见过DISYS-UP/V的结构原理图,你有曾经有使用过WDPF-Ⅱ的经历,脑海里马上会浮现两个字“高仿”。谁仿谁啊?还是老美的DCS先行了一大步,至少15年。如果要断代的话,MIDAS-8000上实现的APS,应该就是APS的前世。

APS的今生。有了DISYS-UP/V的加持,APS又经历了十多年持续地改进、完善,在1999年,我们在粤电集团珠海发电厂700MW燃煤机组上见到了从里到外都焕然一新的APS,中规中矩的DCS架构,内涵丰富的控制策略。APS也有了标准的定义:依托DCS能够在火电机组规定的负荷区间内分阶段递进导引热工控制系统“一键启停”完成机组启动或停止的程序自动控制,被称之为APS(Automatic Procedure Start-up/ Shut-down—自动程序启、停系统)。当今的APS功能策略已经形成国际性的技术规范。进入二十一世纪,全球范围内火电机组招标,绝大多数国家都将这些规范写入招标文件。

APS系统逻辑结构采用纵、横制设计。横向导引层(APS顶层)为菊花链拓扑,若干个独立的节点主控器次第连接,构成APS控制系统,每个节点 “一键启停”控制机组的一个阶段,阶段之间首尾衔接,按条件逻辑递进。APS纵向分为四个层级,从一级向上至四级,按功能划分为单体设备操作、单元顺序控制、系统程序控制和APS节点程序控制。以700MW燃煤机组为例,机组启动6个阶段: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)。APS停机6个阶段: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)。

现今的APS,与早前的APS相比,控制策略更加实用和智能。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,1990年代后期的APS的确也实现了这个目标,这主要得益于DIA(Digital intelligent automation—数字式智能自动化)的设计理念。DIA倡导一种高效、安全的理念,追求的目标是人工智能控制,现今应用的APS部分DCS逻辑模块和控制策略已经具备了智能化的特质,实现了开关量和模拟量工作过程的“无缝交互连接”,进而能够完成“复变参数”程序控制的“一键启停”。在模拟量回路调节中全面应用了现代的先进控制策略,例如汽轮机转子应力计算、CCS全程调节、BIR锅炉超前加速、函数参量控制、燃料自适应调配、锅炉风烟系统全程启动、锅炉给水系统(给水泵配置两汽一电)自动并列/解列等等。DIA不但促进了APS的发展,还派生出另外一种重要用途,在机组FCB工况下能快速的让机组重新带上负荷,回归正常运行。

APS的未来。根据国内DCS现在的应用水平,应尽快普及DIA的控制理念,研发实用的智能逻辑模块,转换思路,对标国际通用规范,把APS的应用落到实处,让APS真正成为全工况、全过程、全自动控制机组启、停的实用工具。充分发挥DCS自身能力,建立专家功能系统,运用大数据分析、数据挖掘功能,实现故障智能诊断,辅助机组运行操作,促进机组经济、安全运行。在现有DIA的基础上,APS将向更加智能化的方向发展。人机交互从静态变为动态,形象地反应工艺系统参数和状态。以自动程序智能化为支点,最大限度的提高APS的利用率。

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