火力发电机组自启停（APS）系统架构设计方案探讨

火力发电机组自启停（APS）系统架构设计方案探讨

郑锴

神华（福州）罗源湾港电有限公司福建福州350512

摘要：机组自启停控制系统（APS）作为提高自动化程度的一种方法，受到越来越多的关注，APS作为机组自动启动和停运的信息控制中心，自启停控制系统按规定好的程序向各个设备/系统发出启动或停运命令，最终实现发电机组的自动启动或自动停运。APS同样存在多种实现方式，不同的方式对人员要求、设备要求及自动化提高程度均存在着差异。

关键词：APS系统结构模块化架构断点程序

1.APS系统概述

随着发电机组容量的不断增大，参数提高，设备增多，各子系统联系更加紧密，且运行工况更加多变，从而使机组运行风险及运行员的操作难度加大。尤其是在机组启停阶段，运行员需要操作监视大量的设备和参数。APS（AutomaticPowerPlantStartUpAndShutdownControlSystem）是基于机组自动启停控制思想，建立在常规机组分散控制系统基础上的顶层控制逻辑。APS既能够实现机组按照规定程序安全可靠、经济高效的实现自启停操作，同时可确保机组安全稳定、提高自动化水平、减轻运行员的工作强度，是国内外火力发电厂自动化提高和发展的一个重要方向。

机组自启停（APS）控制范围广、设备多，基本包含了机组启停过程的涉及的全部设备。现阶段我国火电行业建设特点是设备供货商多，控制要求多样。在这样一个大系统中实现自动启停，首先要求设备供货质量和安装质量要高，保证设备的可靠性和可用率；同时，在设计阶段还要考虑各系统、各设备之间如何无缝衔接，做好APS系统设计，从而在DCS上实现APS功能。

在深入探索了国内外APS技术应用现状，本文主要针对目前APS的两种技术方案：常规程控架构程序设计、模块化架构设计方案进行了探讨研究。

2.APS系统结构

APS系统为最高层机组级的控制系统，APS是基于整套机组自动启停控制思想，由建立在常规控制系统（原有的DCS系统）基础上的上层控制逻辑（APS逻辑）与优化后的原有控制系统共同实现的。在没有投入APS的情况下，DCS常规控制系统可独立于APS实现对电厂的控制。在APS投入时，常规控制系统给APS提供支持，实现对机组的自动启/停控制。

APS的整体结构采用金字塔形结构，总体上分4层，即机组控制级、功能组控制级、功能子组控制级和单个设备控制级。机组控制级是整个机组启停控制的管理中心，它根据系统和设备的运行情况，向底层功能组、功能子组发出启动和退出的指令，保证机组的安全运行。完善的功能组和功能子组设计和调试是实现APS的基本保障。单个设备控制级接受功能组或功能子组控制级来的命令，与生产过程直接联系。

采用上述分层控制方式，每层的任务明确，层与层之间接口界限分明，同时，4层之间的联系密切可靠。这种分层的结构将整个机组控制化大为小，将复杂的控制系统分成若干个功能相对独立和完善的功能组，减轻了机组控制级统筹全厂控制的压力，简化了控制系统的设计。机组控制级主要完成各功能组和系统的衔接，减少了和具体设备的连接，方便了各系统的设计和调试，但对底层功能组的设计提出了较高要求。

实现机组自启停机组控制级多采用断点控制方式。断点方式就是将机组启动和停止过程根据机组工艺控制顺序分为若干个子过程来完成。每个断点的执行均需人为确认才能开始。采用断点控制方式，各断点既相互联系又相互独立，只要条件满足，各断点均可独立执行，适合火电机组多种多样的运行方式，符合电厂生产过程的工艺要求。

典型的机组APS系统，启动过程可设计6个断点：机组准备断点、锅炉启动断点、汽机冲转断点、机组并网断点及升负荷断点。

停止过程设计3个断点：降负荷断点1、降负荷断点2断点及机组停机断点。

以上述架构设计的APS系统结构图如下图所示：

3.APS系统机组控制级（断点程序）的两种实现方法

3.1常规的断点程序设计

常规的断点程序设计与下层的功能组设计类似，是由程控的框架结构实现的，故有的项目断点程序也称为机组级程控（大程控）。

但由于部分断点控制范围广，步骤多。为了调试方便，在基本程控的功能上需要增加可单步运行的功能，即单步运行时断点某步完成后可停留在此步，但手动步进操作才执行下一步。另外需可跳步的功能，用于调试期间某一控制功能由于逻辑或者工艺设备故障无法继续执行时，人为跳步操作后可继续其余控制功能的调试。

由于机组启停过程复杂，而程控结构主要是实现顺序串行的控制功能。而机组启停过程有可能有是多个并行实现的、或者其前后顺序是不固定的而是根据实际工艺条件决定先后顺序的控制功能。此部分控制功能用程控结构不方便实现。

例如机组降负荷断点程序中，在机组降负荷到50%，且停到保留3台磨煤机后，需进行降负荷至35%、切为汽机TF方式、第一台汽泵退泵、启动微油或大油枪的操作。这些操作有可能同时开始进行，也有可能根据其他工艺条件来决定其先后执行的顺序。这样的断点程序用程控结构实现较为困难。

3.2模块化架构设计

3.2.1分层分级的设计思想

a.第一层为操作管理逻辑及断点过程程序，其作用为选择和判断APS是否投入，是选择启动模式还是停止模式，以及各断点逻辑。

b.第二层是模块化设计的断点下的各步骤，即APS子模块，在允许条件满足时发出子模块指令，并判断子模块完成条件是否满足。

c.第三层子控制回路级，接受APS子模块指令，执行具体动作。

3.2.2APS启停机程序方案设计

a.APS启机投入前，需先设置APS锅炉启动方式，分为锅炉热态启动、锅炉温态启动、锅炉冷态启动。APS锅炉启动方式可选择手动设置及自动选择。锅炉自动选择时根据锅炉点火前的锅炉分离器出口温度自动判断。汽机的启动方式由汽机DEH逻辑给出，一般根据汽机挂闸时的调节级温度自动判断。APS启机主画面中相关运行人员操作按钮为：启动方式自动选择、启动方式选择冷态、启动方式选择温态、启动方式选择热态。并自动选择合理的升温升压率、升速率及升负荷率，在保证机组最佳寿命情况下合理的启动。一般来说，在并网前，燃料指令增加的速度由锅炉启动方式决定；汽机冲转升速率以及在并网后燃料指令增加的速度由汽机启动方式决定。

b.APS启机投入前，还必须投入相关的外围系统，包括压缩空气系统，化学凝补水系统、灰处理系统等具备投入条件、厂用电源正常。条件满足后可投入APS启动模式或APS停机模式。

c.APS启动模式与APS停机模式互相闭锁。APS启机主画面中相关运行人员操作按钮分为选择APS启机模式、退出APS模式。APS停机主画面中相关运行人员操作按钮分为选择APS停机模式、退出APS模式。

d.APS启机及APS停机程序各分为数个APS断点。APS启机或APS停机选择后，可选择APS启机或APS停机下的各断点程序（各断点程序设计有选中、复位选择按钮），各断点选中逻辑有互相闭锁的功能，及某各断点选中后，自动复位选择之前已选中的断点，另若判断某断点已完成，则该断点之前的断点不允许被选中。某断点程序选中后，可启动APS启机过程。APS模式退出时自动复位APS启机过程信号。

e.在APS启机过程启动中，若选中的断点程序启动条件满足，则自动执行该断点。某断点在执行中时对该断点的执行时间计时，并在APS主画面显示。某断点执行完毕后，自动复位APS启机过程。需人为或自动选择下一断点后，再置位APS启机过程启动。退出APS模式自动复位APS启机过程；APS启机过程复位时自动复位已选中的断点程序。

f.断点程序下的各执行步骤按模块化设计，即断点下的各执行步骤均为APS的子模块。各子模块功能有可能是启动某功能组，也可能是对某些设备直接操作，或对某一控制子组SCL联锁逻辑投入（投入后，此控制子组根据联锁条件自动执行相关操作）。

g.该断点选择后，可手动投入该断点下的各子模块的选择。该断点复位后，自动复位该断点下的各子模块。运行人员也可对选中的子模块手动复位。各子模块设计如下操作按钮：选择按钮、不选择按钮、复位按钮、超驰按钮、手动启动按钮。各子模块需设计该模块的启动允许条件、完成条件。某断点在执行中，若该断点某子模块已选中，则当该子模块APS模块自动启动条件满足时自动执行该子模块。在超驰状态下，可手动启动该模块。

h.APS启机过程启动时可手动暂停，暂停后对当前运行的模块闭锁指令发出，但对已到设备或程控的脉冲指令不做限制（即不会自动暂停已触发启动的底层程控）。APS启机过程暂停后可手动再次启动，即让运行的模块指令再次发出。

i.在APS的调试初期，对断点程序下各子模块的选择操作时，可一次选择一个子模块，待该子模块完成后，再选择下一个子模块（类似程控逻辑的单步执行操作）。可避免由于某子模块的启动条件设计不完备，不该同时执行的子模块同时执行的问题。

j.备用设备启动原则：设备工作位由运行人员提前选择，工作位设备启动完成后由运行人员（或程控自动）投入另一台设备备用。

k.APS设计应包括机组启停机相关的主要系统。为了简化APS的设计，某些辅助系统的启停功能可不纳入APS的断点中，可设计独立于APS断点的APS子模块（SLC子组或程控功能组）。独立于APS断点的APS子模块（SLC子组或程控功能组）需人为手动启动。若在APS设计初期，纳入APS系统的范围过大，由于机组启动调试时间有限，部分系统难以在机组投产前调试完备。所以应先确定机组主要步序。对于部分辅助系统，可设计独立的功能组顺控，待辅助系统功能组调试完备后，再由APS系统某子模块调用，即可纳入机组APS系统。

l.APS启动模式下，燃料主控、锅炉主控、机组主控自动的投入关系如下：燃料主控投自动前燃料主控指令跟踪实际燃料量。APS启动模式时，在启动第一台磨煤机后即投入燃料主控，此时燃料指令以一定速率（由机组启动方式决定）增加至15%燃料量（在热态冲洗时维持当前燃料量，热态冲洗完成后继续增加）。此时，锅炉主控处于手动方式，也跟踪实际燃料量。机组并网并带15%负荷后，投入锅炉主控主控自动，此时锅炉主控接受APS指令，燃料主控接受锅炉主控指令。机组并网并带25%负荷后，机组主控投入自动，机组主控接受APS负荷指令继续升负荷，机组进入机炉协调方式。

3.2.3实现的可行性分析

a.模块化架构设计的断点程序，不改变上述的APS的4层结构。仅是上层机组控制级用模块化架构设计。以程控构架设计的断点程序，APS断点断点程序程控逻辑的每一步触发各相对独立的控制功能。以模块化架构设计的断点程序以各个独立的断点模块触发各相对独立的控制功能。即原来的断点程控逻辑的每一步，重新定义为各个独立的断点模块。

b.自动启动或手动启动的断点模块，发出该断点模块控制指令。通过控制指令启动下层功能组逻辑（或联锁逻辑）。每个断点模块需判断其控制功能的完成条件，完成条件满足后显示该断点模块已执行完毕，同时不再发出控制指令。

c.以上3种运行方式，各断点模块均可人为操作复位退出，退出后各断点模块均不再发出控制指令。也可设计某些条件（如MFT跳闸，断点程序已复位等）自动复位，自动复位退出后也不再发出控制指令。

4.两种断点程序实现方法的优缺点分析

4.1由于模块化架构设计的断点程序结构上更加灵活，可实现串行、并行、分支、跳转的逻辑关系，更方便实现APS复杂过程的控制。

4.2对于调试、组态修改也更为方便。如：

4.2.1在调试初期，当仅部分控制功能具备调试条件时，模块化架构设计的断点程序可以手动启动某一个断点模块。程控架构设计的断点程序即使设计可单步运行的功能，也不易实现程控中单独某几步的调试。

4.2.2在调试期间，APS下层某一控制功能由于逻辑或者工艺设备故障，无法继续执行，程控架构实现断点程序只能将程序复位，复位后其余步骤无法调试。或者设计可跳步功能。模块化架构设计的断点程序由于各模块较为独立，某一模块故障后，其余模块可继续运行调试。

4.2.3在设计与调试期间，APS系统方案若需增加某一控制功能或删除某一控制功能，程控架构实现断点程序需在程控中增加或删除步骤，该步骤后续的各步骤信号均需重新连接。不管是APS系统方案增加某一控制功能或删除某一控制功能，或者是调整控制功能的先后顺序，模块化架构设计的断点程序修改均较为方便。

4.3模块化架构设计的断点程序需注意以下两点：

4.3.1模块化架构设计的断点程序，断点模块的自动启动条件可能不仅是上一个断点模块完成，需针对性的设计各个断点模块的自动启动条件。

4.3.2程控架构设计的断点程序，每个断点程序均有一个类似程控面板的断点程序画面，比较直观的看出各步骤的先后顺序，以及各步骤的完成条件。而模块化架构设计的断点程序由于各断点模块较为独立，一般仅设计APS系统主画面而不设计断点程序画面。对于部分自动启动条件或完成条件复杂的断点模块，需设计断点模块的帮助面板，以便于运行操作人员监视。

5.结语

本文介绍了火力发电厂百万机组自启停（APS）系统架构设计，并详细描述了自启停（APS）系统最上层结构机组控制级（断点程序）的两种实现方式：程控架构设计的断点程序及模块化架构设计的断点程序，并比较了两种实现方式的特点，可供其他电厂参考设计。

参考文献

[1]火力发电机组自启停控制技术及应用科学出版社

[2]火电机组自启停系统（APS）功能与设计方案分析中国电力