火电厂APS的认知

概述：APS（Automatic Procedure Start-up／Shut-down）是火力发电厂一种热工自动控制功能，专注于机组的程序启动和停止。一台600MW等级的燃煤机组APS大约管控设备500多台套，一台450MW的燃气-蒸汽联合循环机组APS大约管控设备200多台套。满足DIA（Digital Intelligent Automation—数字式智能自动化）标准的APS能够真正实现机组 “全工况、全过程、全自动” 的启、停。机组处在热备用状态下，利用APS启动机组能够实现节点的“一键启动”，机组在正常高负荷运行中，能够利用APS完成节点的“一键停止”。显然，APS是一种具备高度自动化、智能化的热工控制功能。

来源：北极星电力网 作者：王立地

一、 我国火电厂热工自动控制高光时刻的记忆

上个世纪七十年代初期，我们国家火电厂的热工自动化仪表告别了电子管元件的DDZ-Ⅰ型仪表，跨进了DDZ-Ⅱ型电动单元组合仪表时代，仪表采用了分立半导体元件。当时，在国际过程自动化仪表领域比电动单元组合仪表超前一代的是“组装组件”式仪表系统，功能提高了很多，许多功能特别对系统的集中控制，电动单元组合仪表是不具备的。

1975年，元宝山发电厂引进全国首台300MW机组，法国CEM公司的汽轮机（2011年6月1日机组退役拆除）。控制汽轮发电机组自动启、停机的程序控制装置-TM（TUR－BOMAT），由瑞士BBC公司于70年代设计制造，是一套基于晶体管分立元件的组装组件式顺序自动控制装置，用于汽轮机组的自启停，按设计好的程序控制汽轮机功频电调和汽轮机辅机设备，从汽轮发电机组启动直到并网带负荷的全部操作完全自动进行，停机时的操作也是自动完成的。上个世纪八十年代中期，我国曾出口巴基斯坦几座火电厂，汽轮机曾配置过AEH（模拟量电液调节装置），以组装组件仪表为平台，基本功能近似TM，想必消化吸收了相关技术。国内在上个世纪八十年代末期，也有国产机组应用过AEH。TM对国内热工界的影响相对深远，直到近几年，见于科技期刊的论文中仍然能见到TM中的术语，比如“一次判据、二次判据”等等，多少有点儿沧桑感。

1985年，元宝山电厂2号机组，是法国阿尔斯通-大西洋公司生产的600MW汽轮机，配有以计算机为核心的汽轮发电机组顺序自启停装置TURBO－DEM，法国CGEE－ALSTHOM公司提供。能够实现汽轮发电机组及其汽动给水泵的自启停。TURBO－DEM延续了TM的全部功能并略有改进，采用MC6800汇编语言编制系统软件以及表格式程序设计方法进行应用逻辑组态。相对于国内同期的燃煤机组热工自动化水平要高出几个等级。

1986年，华能大连电厂和福州电厂从日本三菱公司引进350MW单元燃煤机组，热工装置配套有APS功能，这也是国内电厂热工自动控制专业术语“APS”的源头。350MW机组的机、炉、电热工控制采用MIDAS－8000计算机控制系统，由单总线以太局域网链接了15台PDP－11/73小型计算机和9套C2000可编程控制器（PLC）组成，APS功能设计在其中的一台计算机上，命名为DAPS，其上的“APS导引中心”发出指令指挥其他计算机和PLC完成单元机组的自动启停。APS机组启、停的控制策略分为11个节点。

机组启动：1)辅机启动、2)锅炉点火、 3)汽机冲转、 4)发电机同期、 5)升负荷1（发电机负荷＞30%MCR）、6)升负荷2（发电机负荷＞50%MCR）。

机组停止：1)减负荷（发电机负荷＜5%MCR）、2)发电机解列、3)停机、4)停炉、5)停辅机。

1999年，广东粤电集团珠海发电厂引进的日本三菱公司700MW燃煤机组投入商业运行，热工装置为DISYS-UP/V，这是一款控制型的DCS（Distributed Control System-DCS），与美国西屋综合型的WDPFⅡ相比，系统未配置历史记录站、计算站。APS作为标准功能配置在热工控制系统中。

APS机组启动6个节点：1）机炉辅助系统启动、2）汽轮机抽真空、3）炉膛吹扫＆点火、4）汽轮机冲转、5）发电机并网＆初负荷、6）机组升负荷。

APS机组停机6个节点：1）机组降负荷、2）机组最低负荷、3）发电机解列、4）汽轮机停机、5）锅炉燃烧器切除、6）锅炉停炉＆汽轮机切真空。

2011年，珠海发电厂将DCS更新为NETMATION，全面配置了历史记录站、计算站、数据库，标准的综合型DCS，整体性能大幅提升。应用软件全部得以保留，并且增加了锅炉脱销、微油点火等新的逻辑。

二、 电厂APS的发展历程

伴随着科学技术的日新月异，各领域新技术新设备层出不穷，电厂热工控制技术也随着时代的步伐在持续地开拓和进步。前面介绍的几个例子，可以看做电厂热工控制技术发展过程中的几个高光时刻。当然啦，技术浪潮也同样有“长江后浪推前浪，前浪死在沙滩上”的宿命。比如TM，在当时那个年代，确实让国内热工专业技术人员眼前一亮，“哦，汽轮机还可以这样控制？”。不过，若说起TM与APS两者的设计理念、对象参量、应用范围、实用功能则大相径庭，充其量在汽机顺序控制方面有那么一点儿交集，如果用TM来解释APS就有点儿贻笑大方了，真的沾了些“关公战秦琼”的黑色幽默。如今，TM早已成为“前浪”，但也不能否定前浪在技术变革中起到的启迪作用。

三菱公司1986版的APS，作为正式的工业产品提供给商业用户，说明APS的技术路线和逻辑内核已经实现了开发者的设计理念，应用的效果甚至让人觉得是阳春白雪。但APS的后浪证明，1986版的APS还是有不足之处的。其一，APS的支撑平台非DCS，对热工专业人员并不友好。其二，人机交互功能不完善，提供给运行人员的监控信息还嫌不够全面。不过呢，当时国内的热工控制装置（组装组件仪表）与国际先进水平（DCS）还是有代差鸿沟，这也限制了APS的推广应用，因此，在其后的十几年，1986版的APS依然孤独求败。

三菱公司1999版燃煤机组APS的控制策略，设计细致缜密，有了DCS的加持，整体组态复杂而不失条理，结构严谨而不失灵活，阶段专用而不失全过程共享，全程自动化而不失本质安全。监控界面洗心革面，显示操作、运行指导获得运行人员的赞许。奈何三菱公司自有品牌的DISYS-UP/V，整体性能与国际上同期头部的DCS相比多少还差了那么一小截。2011年，三菱公司推出了焕然一新的NETMATION，DCS数据通信主干网改用了快速以太网、数据处理采用了甲骨文公司的Orical、增加了历史数据站和计算站，DCS成功跻身世界一线品牌。此时2011版的APS，无论是DCS硬件还是应用软件用“炉火纯青”来形容都不为过。

我们都知道，汽轮机控制有DEH（Digital Electric-Hydraulic Control System-汽轮机数字电液控制系统），机炉协调有CCS（Coordinated Control System），模拟量调节有PID，开关量顺序控制有SCS（Sequence Control System-顺序控制系统）。火电厂热工控制功能皆因生产过程需求而产生，那么，APS所为何来呢？

这就不得不说有一种机组运行方式叫做DSS（Daily Start-Stop—每日启停），早8时到晚22时机组正常运行，晚22时到次日早8时停机备用，被定义为DSS运行或称两班制运行方式，产生于上个世纪七十年代的日本，至今仍在应用。为保证电网供电品质，电网削峰填谷，平衡供需，电网调峰是必须的。日本电网运用DSS方式进行调峰，一开始就选择了单机容量430MW的燃煤机组，甫一运行矛盾突现，即便是热备用机组，操作和调节对象少说也有几百个，机组缺少有效协同的热工系统集约控制，仅靠各自独立的模拟量回路调节和开关量顺序控制，操作风险高、机组启停时间长，既不安全更不经济，严重困扰着DSS的应用，也影响到电网的调峰品质。恰逢日本的自动化界提出了DIA的科研方向，结合火电厂燃煤机组调峰的需求，APS呼之欲出。

APS研发的目标是，热工系统集约化全过程自动控制机组启、停。依照APS功能规划，APS系统采用纵、横制逻辑架构，APS顶层的“导引中心”横向为菊花链拓扑，若干个独立的节点主控器次第连接，构成APS控制系统。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（一级）、单元顺序控制（二级）、系统程序控制（三级）和APS节点程序控制（四级）。若要实现APS，逻辑必须从二级开始及至三级到四级都要实现“一键启停”。APS的进程虽然仍然要步序逻辑来执行，但不是简单的顺序控制，而是包含了开关量、模拟量、自动联锁等参量的程序控制，APS面对的是多参量的复合体（复合参量）。这与传统单一的调节和控制完全不同，1936年诞生的模拟量PID调节以及历史更早的开关量控制，被控对象都是单一参量，如同两条并行的车道，永远不会交集，顺序控制中若同时出现模拟量调节和开关量控制，无论如何都无法实现全过程自动的“一键启停”。

因此针对APS特有的“复合参量”控制，设计了多种智能化控制模块，以此为基础，开发了开关量和模拟量交叉引用、交互控制算法，进而实现热工单元级、系统级、和APS导引节点的“一键启停”。

为APS新研制的“汽轮机旁路跟随”全程CCS能够实现主汽压力全程自动调节，汽轮机高旁投入自动，CCS即刻参与调节。锅炉燃烧、给水、减温、制粉等调节采用“锅炉超前加速”（Boiler Input Rating- BIR）控制方式，提升锅炉对机组负荷变化的反应速度。锅炉燃料采用自动配给计算，自动匹配锅炉出力与磨煤机运行台数。应用全程自动的ATC（Automation Tubine Control-自动汽轮机程序控制）启、停汽轮机。这些都是遵从DIA规范的APS所必备的技术要点，也在全球火电热工自动化领域内被视为评价APS的标准。

广东粤电能源集团新会发电厂对标日本三菱1999版APS，创新开发了450MW蒸汽-燃气联合循环机组APS的启停控制，2023年1月，正式投入运行。这也是DIA规范的APS在国内运行二十多年后，第一次在国产机组上成功应用。

APS功能专门应用于机组自动程序启停，机组在DSS运行方式下会频繁启停，DSS是电网调峰的主要方式（至少日本电网是这样），电网调峰即是APS的用武之地，APS就是为电网调峰所用。

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