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第二屆綜合能源與電力物聯網大會
2020年6月·上海
謝老師 13146670735
01
什麼是APS
火力發電廠燃煤機組有啟動、停運和正常三種運行工況，機組啟動、停運過程的安全風險比正常運行要高得多。以600MW等級亞臨界燃煤汽包爐為例，機組冷態啟動前，不算外圍輔助車間，機組主廠房內爐、機、電等系統設備現場巡視檢查和就地操作的項目超過5000多項，集控室內遠方操作的設備超過五百多臺套。由於現代大型機組參數高、工況轉換迅速、工藝系統關聯緊密，增加了人工操作的難度和啟停時間，不利於機組的安全、經濟運行。尤其在機組啟動和停運階段集中了大量設備啟停切換、參數調整等操作，操作人員在限定時間內為應對運行工況精神高度緊張、勞動強度大，風險性大幅度提高，稍有不慎甚至可能發生不安全事件，嚴重的會造成重大經濟損失。因此，現代化的火力發電燃煤機組都裝備了熱工自動控制系統輔助運行人員操作和調節，目前主流的控制裝置採用的是3C（Computer-計算機、Communications-通信、Control-控制）技術為核心的計算機分散控制系統（Distributed Control System-DCS）。功能性的應用系統（後序文中稱為「功能控制系統」）都是在DCS上實現的，
例如：
1） 模擬量調節系統（MCS-Modulation Control System）；
2） 數據採集系統（DAS-Date Acquisition System）；
3） 順序控制系統（SCS-Sequence Control System）；
4） 汽輪機數字式電液控制裝置（DEH-Digital Electro-Hydraulic Control）；
5） 鍋爐燃燒器管理系統（BMS-Burner Management System）；
6） 機爐協調控制系統（CCS-Coordinated Control System）；
7） 輔機故障降負荷控制（RB-Run Back）；
8） 鍋爐快速減出力控制（FCB-Fast Cut Back）；
9） 機組自動程序啟停系統（APS-Automatic Procedure Start-up／Shut-down）。
絕大多數系統或控制功能已經在電廠生產中廣泛使用，被大家所熟知。而APS系統，對國內用戶來說則相對生疏。那麼，什麼是APS呢？概括的定義就是：
依託DCS能夠在燃煤機組規定的運行區間內分階段遞進導引熱工控制系統完成機組啟動或停止的自動程序控制，被稱之為APS。
按步序循序遞進是APS的基本工作方式，在國外文獻中對單純的開關量步進自動控制被定義為Sequence Control（順序控制），而同時能夠對開關量和模擬量兩種以上不同類型進行控制的過程被稱為Procedure Control（程序控制），英文語境中Procedure表示的是多種不同類型參數、不同控制方式的集合。所以APS是一種複雜變量的步進控制系統。
通常情況下，被控對象的特性有兩種類別，一種是開關量控制，比如電動機的啟、停，風門擋板的開、關或電磁閥的通、斷，單純開關量的工藝系統採用順序自動控制，電廠中的化學制水、皮帶輸煤、氣力除灰等系統都屬於這類控制。另一種是模擬量的調節，例如鍋爐給水、燃燒、減溫等調節迴路。火力發電廠還有一種開關量的「自動聯鎖」控制，設備按相同容量雙重（或多重）配置，正常工作時一套設備運行，另一套備用，在運設備因故跳閘或出力不足備份隨即啟動。火力發電廠燃煤機組被控對象的特點是開關量與模擬量交織在工藝流程中，我們把這種系統稱之為「複合變量系統」（簡稱「復變系統」，下文同），分別設計有相應的順序控制、模擬量調節和自動聯鎖，一同出現在復變系統中。
DEH、BMS和CCS系統控制的都是單一對象、專項功能，DEH控制汽輪機，BMS控制鍋爐燃燒器，CCS調節模擬量參數適應機爐負荷，SCS控制開關量設備。APS則是直接指令或調用如SCS、MCS、BMS、DEH、CCS等的各種功能控制系統，參與機組啟停控制，完成復變系統的調控。這就要求與APS配合的功能控制系統必須具備較高的自動化控制水平。認清楚這一點非常重要，APS調動多種樣式的功能系統和設備控制機組啟停，機組主要控制系統如CCS、BMS、DEH、MEH、SCS、BPC（汽輪機旁路控制）、EP（電除塵器）、ASS（自動準同期）等都在APS協同控制之下。控制範圍寬，從工藝系統零參數開始歷經機爐輔助系統啟動、汽機抽真空、鍋爐點火升壓、汽機暖管衝轉、發電機同期併網、機組帶負荷等過程，直至壓力、溫度、流量等參數達到正常工作值。所以APS提出全過程、全工況、全自動的控制標準也是必須的。
1999年，國內一座裝機容量700MW×2的燃煤火電廠正式投入商業運行，作為標準控制系統配備的APS應用至今，實用的自動化水平的確能夠全工況、全過程、全自動地控制機組啟停。
APS在我國的應用，始見於1986年前後，隨同國外進口的300MW等級機組同步引進，其應用的有效利用率獲得了用戶的高度認可，再也不是理論上的束之高閣，而如DEH、BMS、CCS一樣實實在在的成為機組標配的熱工控制系統，運用計算機輔助運行控制，APS成為運行人員手中啟停機組的常備利器。多年來，APS也在生產應用中繼續不斷地完善和優化，到了上個世紀九十年代，APS更加臻於成熟。近些年來，在世界範圍內，許多國家都在火力發電廠燃煤機組招標技術規範中明確了APS作為熱工自動控制的必備功能，列入機組商業運行的考核項目，足以見得各國對燃煤機組APS的信任程度，同時也表明APS已經是一種非常實用的控制技術。
火力發電廠中，APS其實有兩種控制對象，一種是燃氣輪機，另一種是燃煤機組，雖然兩種控制系統的英文縮寫都是APS（燃氣輪機進口國別的不同，相同功能名稱並非一致，APS是其中之一），但內涵差別較大，這是因為燃煤發電機組的設備無論數量和類別都要比燃氣輪機發電機組大幅增加。燃氣輪機發電機組的APS，英文全稱是Automatic Plant Start-up and Shut down System，控制功能與汽輪發電機組的DEH更為接近，但比蒸汽輪機多了燃料的控制調節功能。燃煤機組的APS英文全稱是Automatic Procedure Start-up／Shut-down，從控制範圍、整體結構到迴路控制方式相比於燃氣輪機，燃煤機組的APS要複雜得多，控制難度也高了許多，最簡單的道理，燃氣輪機的燃料要麼是燃油要麼是天然氣，燃料單一、品質穩定、燃燒器結構簡單，便於調節和控制。而燃煤機組啟停的始末階段要先投油，升、降負荷階段煤/油混燒，機組正常運行時鍋爐純煤（粉）燃燒，原煤研磨成煤粉需要配備制粉系統，一套制粉系統包括給煤機、磨煤機和相應的潤滑油站、體量龐大的管道、各種風機以及配套的風門擋板，600MW等級機組額定負荷下運行5套制粉系統，20隻煤燃燒火嘴。而煤的發熱量、灰分、水分等指標差異性比較分散，這些直接增加了燃煤機組的控制難度。APS工作區間也正好經歷了鍋爐燒油到煤/油混燒再到燒煤的全過程，機組最為複雜的操作都集中到了APS的控制當中。以下討論的就是燃煤機組的APS。
02
APS的特點
一個完整的控制裝置，通常都由調節或邏輯運算功能的控制器和測量輸入、指令輸出的I/O接口組成，例如DEH、SCS、MCS等系統。APS則獨具特點，控制功能全部靠軟體完成，沒有任何一個硬接線的I/O接口，不會去直接控制某一臺具體設備的合閘、分閘，只與協同的控制系統進行信息和指令交換，起到機組啟、停控制的系統導引（Guid）作用，自然而然的控制邏輯位居系統的頂層。打一個比方，APS更像一個交響樂隊的指揮，樂隊指揮當然不會去演奏某件樂器，手中的指揮棒卻能舞動樂隊演奏的旋律。BMS、MCS、DEH、SCS等則好比樂隊的樂手，各自專心操演一件樂器。樂隊指揮和樂手相輔相成，高水準的樂手才有高水平的演奏效果，再加上樂隊指揮高水平的演繹，方能奏出優秀的樂章。
如果我們稱帶有I/O接口的控制系統為「驅動型」的，APS的控制就是「指導型」的。APS會根據機組啟停的節奏分步給出系統將要實現的目標，發出的指令可以看做是對各種功能控制發揮作用的「導引」，協同調度驅動型的控制系統，由驅動型的控制系統去「實戰」，執行啟、停相關的裝置和設備。執行的效果要依靠驅動型系統的控制水平來獲取。因此，以往常規設計的MCS、SCS、CCS等就要適應APS的控制要求而作出改變，才能接受APS的導引。APS要求階段控制過程必須要全工況、全過程、全自動，這顯然是一種門檻很高的控制要求，常規的設計無法滿足APS的要求。比方說，採用PID調節的MCS系統，從手動工作方式轉為自動調節這一過程，常規設計都是由人工眼觀參數、手動調整，糾正PID輸入偏差縮小到允許值，然後伺機從手動投入自動。開關量設備的自動聯鎖也需要人工手動操作投、切。CCS也只能在機組高於一定負荷（例如30%ECR）以後才能投入協調控制，煤燃燒器的投、切也要人工判定和手動啟停。多臺給水泵的切換/並列/解列和鍋爐送、引風機的啟停/並列/解列等還是需要人工操作，這些手動操作都發生在機組啟動或停止過程中，顯然這不合APS的規則，只有跨過APS要求的技術門檻，才能有資格參與APS控制。
要實現APS控制，首先要提升功能控制的自動化水平。因此， MCS、SCS、CCS等一定要適應APS全自動的要求作出改變甚至是變革，相對於過往傳統設計，於是就有了圍繞APS產生的帶有「人工智慧」的多種新型控制策略：
開關量和模擬量控制的「交叉引用、條件自舉」； 「三態式」（手動、自動伺服、自動調節）MCS迴路M/A的「設備靜止」（亦即設備啟動前）切換；模擬量調節迴路的「超馳自舉糾偏、自舉投自動」；開關量設備M/A切換方式的「本安」操作；智能自動選擇器的聯鎖「設備靜止」自動投、切；「汽輪機旁路跟隨」的全程CCS；電泵/汽泵以及汽泵全自動並列/解列；鍋爐給水、風煙復變系統順控的 「一鍵啟停」；鍋爐燃料調節的「磨煤機出力自動計算/自動啟停控制」；鍋爐制粉系統的（給煤、出口溫度、風量MCS調節+風/溫解耦+磨煤機SCS控制） 「一鍵啟停」；APS的多線程控制；函數定量調節；超馳控制；入爐煤的熱量自動校正；APS適用的鍋爐超前預估BIR（Boiler Input Regulation control）控制；DEH、MEH和BMS與MCS或CCS的自動交互連接、安全認證。
所有這些，還不限於此，都由DCS邏輯自動完成，是實現APS實用化控制的技術根基。
03
發電廠高度自動化的標誌
——APS
APS是一種應用，是在燃煤發電機組DSS（每日啟停）運行方式的迫切需求下應運而生。DSS運行方式在安全、經濟等方面對機組啟動提出了明確目標，期望能以機組允許的最短時間安全地啟動機組是應用APS的初衷。燃煤發電機組啟動的複雜性和技術難度要求參與APS的CCS、BMS、DEH、MEH、SCS等熱工控制系統必須具備「一鍵啟停」的控制水準，只有技術達標經濟才能受益，這也許是催生APS成熟運用的潛在動力。APS還派生出另外一種重要用途，機組甩負荷後的快速恢復，有了APS會讓機組迅速重新帶上負荷，回歸正常運行，這讓應用APS進一步獲得用戶青睞。智能化的熱工自動控制成就了APS，因APS而全面提升了燃煤機組的自動控制水平，相輔相成，APS也就成為發電廠高度自動化的標誌，成為評價電廠生產技術管理水平、熱工控制水平、機組運行水平的一種標準。
APS高度自動化的基礎來自參與APS的順序控制和模擬量調節，任選BMS、SCS中的一個系統都是「一鍵啟停」的控制水平，須知此順序控制非彼順序控制，雖然也按步進方式啟停設備，但控制的對象包含了模擬量調節，準確的說，應該是程序控制，是能夠完成「復變參數」的程序控制，這就是APS所要求的基礎。系統控制「一鍵啟停」成功的原因有兩方面，一方面應用了智能化的開關量控制模塊，順序控制自動步進過程中再不需要人工參與。另一方面，模擬量自動調節實現了自動地投「自動」，手動投自動的「糾偏」過程全程人工智慧電腦完成。汽輪機轉子應力計算、CCS功能擴展、BIR鍋爐超前加速、函數參量控制、並聯式PID、磨煤機出力自動控制、鍋爐風煙系統全程啟動、鍋爐給水系統自動並列/解列等先進控制策略的應用是電廠高度自動化的中堅。只有具備了堅實的自動化基礎，APS才能水到渠成。試舉一例，倘若磨煤機的1套SCS、4套MCS仍然以手動操作為主而不能全工況全過程全自動，制粉系統何來一鍵啟停？制粉系統尚不能一鍵啟停，BMS如何能一鍵啟停？遑論APS了。於其他功能控制系統，皆同此理。
APS倡導一種高效、安全的理念，追求的目標是人工智慧控制，現實應用中的APS部分DCS邏輯模塊和控制策略已經具備了智能化的特質。APS是火力發電廠燃煤機組鍋爐、汽機、運行、電氣專家們對設備技術特性的理解和運行操作經驗的總結，經過提煉和優化轉化為熱工控制系統中的函數、算法和邏輯，熱工控制專家們運用DCS的內在功能，應用DCS組態語言表達出來並運用在生產過程中，取得了令人滿意的經濟和安全效果。APS堅持一種原則，完成機組啟停中最複雜、最具風險的控制，不去簡單的重複人工操作，而是站在電子計算機的角度充分發揮DCS的能力控制機組啟停，利用DCS完成人的工作。DCS的組態邏輯複雜了，人工的操作更加簡單、更加安全了。若要APS 實現機組智能化的控制，需要更多專業的工程師們參與其中通力合作，才能更廣泛的把APS應用在火力發電廠燃煤機組啟停控制中。展望未來，APS一定會更多的加入人工智慧的元素，成為智慧電廠的基石。
（來源：北極星電力網 作者：王立地）
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