乾貨|火電廠智能自動控制的技術路線

計算機分散控制系統（DistributedControl System-DCS）在發電廠中已經普及應用，我們國家DCS的硬體水平早就躋身世界先進行列，但在機組控制應用軟體方面與先進工業國家相比還是有明顯的落差。1985年，從先進工業國家引進的350MW及以上等級燃煤機組中設計有數字式智能自動化系統（DIASYS DigitalIntelligent Automatic System），APS（Automatic Procedure Start-up／Shut-down-機組程序自動啟停系統）和FCB（FCB- Fast Cut Backe-鍋爐快速減出力）功能作為DCS熱工控制的標準配置。

一、先進控制的內涵現代大型火電燃煤機組熱工自動控制的頭上有兩顆耀眼的明珠，一個是APS，另一個就是FCB。兩者都採用現代控制理論構建了高度自動化和智能化的控制功能。1.APSAPS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，是現代電廠高度自動化、智能化的標誌。這是因為，想要實現APS，所有參與APS的熱工控制必須具有「一鍵啟停」的基本能力，APS的先進控制令MCS、SCS、CCS等熱工控制系統的工作方式、控制策略和邏輯模塊在智能化方面有了脫胎換骨的變革。APS因DSS（每日啟停）方式應運而生，因APS而極大地提高了機組的熱工自動化水平，智能化的熱工自動控制成就了APS，相得益彰，促進了燃煤機組的安全、經濟運行。APS也就成為評價電廠生產技術管理、熱工控制和機組運行水平高低的一種標準。即便電廠不是DSS運行方式，APS同樣值得大力推廣應用。2.FCB機組在高於鍋爐最低穩燃負荷工況下正常運行時，因汽輪發電機組（內部）或電網（外部）突發故障造成發電機與電網解列，甩掉全部對外供電實發功率，但鍋爐尚未發生MFT（Master FuelTrip－主燃料跳閘）的瞬間，用以快速減少鍋爐出力維持「發電機解列帶廠用電」或「停機不停爐」運行方式且過程中能確保熱力參數不超過保護動作值的超馳控制功能。過往FCB的實踐充分證明，FCB「功在電網、利在電廠」。在電網出現大面積停電事故時，發電廠利用FCB功能「保廠用電」 維持「孤島運行」，有助於電網在最短的時間內恢復正常供電，其社會效益無法用簡單的數字來估量，更有利於電廠提高機組運行安全水平、降低運行成本、延長機組壽命、防止超臨界直流爐爆管以及提升機組的節能效果。3.先進控制的特點DCS邏輯引入智能化模塊，在模擬量自動調節（MCS）迴路中已經全面採用「傻瓜自動」，在開關量順控控制（SCS）中也全部應用了「一指聯鎖」，針對電廠特有的「復變參數」環境，採用了「交叉引用、條件自舉」控制策略，實現了熱工控制系統的「一鍵啟停」。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和FCB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，形成一種應用先進技術的潮流，同時也表明APS和FCB已經是一種非常實用的控制技術。二、國內DCS應用現狀那麼國內電廠DCS應用控制的現狀是怎樣的呢？控制理念、邏輯策略和應用軟體仍停留在上個世紀八十年代初的水平。1.設備聯鎖絕大多電廠聯鎖設備的運行、備用和聯鎖開關的投、切以及狀態監測、判定等相互關聯的一系列操作都由人工完成。設備聯鎖人工投入時，手動啟動第一臺設備， 待工藝參數穩定，再手動合閘聯鎖開關，第二臺設備投入聯鎖備用。切除時，停止在運設備前，人工先行手動斷開聯鎖開關，切除備用設備聯鎖， 手動操作停止在運設備。這是軟鍵盤的操作硬開關的策略。2.模擬量自動調節自動調節迴路「手動／自動」的投切、調節器「手動」投「自動」之前調節器入口偏差的糾正，一切都要由人工判斷、人工決策和人工操作。與1975年代DDZ-Ⅱ電動單元組合儀表時代的操作沒有本質區別，只不過操作平臺換成了DCS。3.順序自動控制SCS順控與MCS調節分別自成體系獨立存在，相互間缺失邏輯交集，步進過程中開關量自動控制和模擬量手動操作各行其是，形成不了有機關聯的整體而降低了自動控制性能。順序控制、自動聯鎖和自動調節共處同一工藝系統時，在順序自動控制進程中，自動聯鎖和自動調節的投、切時機要依靠操作人員來觀察、判定，並只能伴隨著順序控制的自動步序人工伺機手動操作，把自動聯鎖和自動調節工作方式由「手動」轉向「自動」，手動操作與自動順序控制形成了「混搭」現象，既降低了工藝系統的自動化水準，又給系統控制安全帶來不確定的風險。4.熱工系統「一鍵啟停」由於以上1.2.3.三方面應用軟體的缺陷和不足，目前電廠熱工控制系統尚不能實現「一鍵啟停」。5.APS熱工系統「一鍵啟停」是實現APS的基礎，沒有基礎，無法構建APS。6.FCB多年來，在控制理念方面存在較大錯誤認知，設備配置等方面受某些進口機組誤導，300MW等級及以上容量機組的FCB基本上處於空白狀態。三、先進控制推進規劃總體的指導思想：明確目標、全面規劃、夯實基礎、分步實施。1.目標與規劃充分利用DCS硬體優勢，正確把握當代科技發展動向，對標先進工業國家電廠先進控制水平，結合國內實際情況，功夫下在應用軟體的開發研製上，APS和FCB雖然是一個複雜的熱工控制系統，但APS和FCB也有自己的形成過程，只要找出APS和FCB的內在的特性和規律，合理規劃APS和FCB的設計和實施計劃，完全可以事半功倍。力爭在三到五年時間能夠成功地全面應用APS和FCB，實現電廠的「先進控制」。2.分步實施(1)智能化模塊攻關主要包括以下基礎智能模塊和邏輯：1）模擬量三態式切換邏輯；2）超馳糾偏邏輯；3）開關量設備的本安開關邏輯；4）預設自動選擇器邏輯；5）開關量和模擬量控制的「交叉引用、條件自舉」原則策略。(2)智能模塊構建應用邏輯1）模擬量「傻瓜自動」模擬量自動調節迴路「三態式自舉切換」，採用控制裝置品質條件以及工藝設備狀態條件自舉轉換自動調節迴路的工作方式，與「超馳糾偏」無縫銜接，模擬量調節迴路從手動到自動的過程只需經過一次人工操作，後續的控制都由算法邏輯自動完成，我們稱這種智能化、人工操作簡便的MCS為「傻瓜自動」。一臺600MW等級的燃煤機組大約有110個模擬量自動調節迴路。2）開關量「一指聯鎖」自動聯鎖要具備聯鎖設備狀態監測、判定的「思維」能力和「聯鎖開關投、切」 的自動操作，還應具備在運設備記憶、電氣聯鎖、熱工聯鎖、異常自檢等功能。人工操作也簡化成一次完成，如同操作一部「傻瓜相機」。我們定義這種自動聯鎖為「一指聯鎖」。(3)熱工控制系統 「一鍵啟停」1）鍋爐SCS規劃有鍋爐給水、給水泵小汽機潤滑油油／蒸汽、鍋爐風煙、鍋爐一次風、鍋爐爐水循環泵、鍋爐排空氣與疏水、輔助蒸汽、輕油、鍋爐燃燒器管理系統（BMS）等共9個系統。BMS內含鍋爐制粉系統的「一鍵啟停」。2）汽機SCS；規劃有： 汽輪機凝結水系統、 循環水／閉式冷水系統、 汽輪機凝汽器真空系統、 低壓給水加熱系統、 高壓加熱給水系統、 汽輪機盤車系統、 汽輪機透平油系統、 汽輪機疏水系統、 發電機輔助系統等9個系統。3）機爐輔助系統除參與APS以外的鍋爐、汽機輔助系統開關量控制。(4)構建APS與FCB1）構建APS有了模擬量調節M/A站的「三態式」切換+PID調節器的「超馳糾偏」，就有了MCS的「傻瓜自動」。有了開關量控制的「本安操作開關」+「預設自動選擇器」，就有了SCS的「一指聯鎖」。有了MCS的「傻瓜自動」和SCS的「一指聯鎖」，就能實現程序控制的「一鍵啟停」。有了程序控制的「一鍵啟停」，就有了構建APS的堅實基礎，APS也就水到渠成。2）構建FCBFCB實現兩種控制功能： 機組負荷高於35％ECR（或不投油穩燃負荷+5%ECR），汽輪機因故障跳閘，但鍋爐沒有MFT，停機不停爐。因機組內部原因引發汽機跳閘而觸發FCB動作。 機組負荷高於35％ECR（或不投油穩燃負荷+5%ECR），發電機因故障解列，但汽輪機轉速仍高於2950rpm，且鍋爐沒有MFT，發電機解列帶廠用電。因電網故障造成發電機解列觸發FCB。建議採用「排導法」實現FCB。汽輪機宜配備容量40%MCR汽機高旁+45%MCR低旁，鍋爐配備32%MCR過熱器PCV閥。PCV閥安裝在鍋爐過熱器聯箱出口蒸汽管道上，開閥即洩壓；方式簡單，過熱蒸汽直排大氣，無需減溫，此為「排」。接到FCB指令立刻開啟汽機旁路，則為「導」。鍋爐PCV閥和汽機旁路閥的合力「排導」用於抑制機組＞75ECR時的鍋爐壓力飛升，負荷低於75％BMCR， PCV閥無須「排」，只用汽機旁路的「導」，因為鍋爐有足夠的壓力飛升空間。3.關鍵技術拓展(1)給水系統 「一鍵啟停」鍋爐給水系統從啟動到停止，調動幾十臺套特性各異的設備，歷經十多種工作方式轉換，有的過程相對簡單，有的則相當複雜。能實現「一鍵啟停」、「投後不管」這種近乎「傻瓜」機的操作，也絕非運行規程的原版照排，控制邏輯已經具備判斷進程方向、路徑，決定進退、轉轍的「自主思考」能力。在APS的導引下，成功實現「一鍵啟停」的鍋爐給水系統無論在啟停的安全性、快速性、重複穩定性、經濟性等方面明顯高於人工操作，雖然人工操作遵循了操作規程，人具有智慧，但人工只能串行操作，DCS可以並行控制，各有所長。不過，這還只是能力大小的範疇。若賦予DCS起承轉合、自主決策的思維程式，哪怕是簡單的智能邏輯算法，控制功能都會獲得極大地擴展和提升。欲解決複雜的問題，簡單地採用傳統自動化的方法已無力應對，採用更高一籌的智能化控制是解決問題的有力工具。「三態式」模擬量調節、預設自動選擇器、給水泵並/解列糾偏以及給水泵系統啟停的整體統籌是給水系統「一鍵啟停」的核心技術。(2)鍋爐風煙系統「一鍵啟停」鍋爐風煙系統中含有8套自動聯鎖，工作是預設聯鎖自動狀態。模擬量調節應用「一次硬操作、兩次軟邏輯」的功能，在「設備靜止」狀態，調節迴路就可以工作在自動方式，DCS邏輯進行判斷，熱工裝置符合要求，進入Stand-By，工藝系統滿足要求，投入自動。開關量和模擬量信號交叉引用、互為因果，兩者融為一體實現程序控制。順序控制和模擬量調節無縫銜接，超馳控制，自動糾偏，鍋爐風煙系統完成「一鍵啟停」。(3)鍋爐制粉系統「一鍵啟停」鍋爐制粉系統被控對象既有開關量又有模擬量，控制方式既有順序控制又有迴路自動調節，並且設備順序啟停過程中，模擬量自動調節也在適時投入工作。所以，我們把鍋爐制粉系統控制定義為：復變參量程序控制。制粉系統一鍵啟停的識別標準是：1） 模擬量自動調節迴路須能從工藝系統停止狀態至設備正常運行「自舉自動」。調節器定值隨動給定、偏差自動糾偏，從開環控制自動地投入閉環自動調節，設備啟動前調節迴路即可投入自動。2） 開關量設備在設備級須有手動操作和自動控制兩種工作方式。杜絕順序控制過程中的手動/自動混搭現象，確保自動控制功能本質安全。3） 開關量設備冗餘聯鎖須智能選擇、自動投入和切除，自動聯鎖投入時機應在設備啟動前。如果換一種說法，就是一旦按下制粉系統程序控制的「啟動」或「停止」按鈕，一切皆由自動裝置（DCS）自動控制和調節，運行操作人員只需動眼無須動手，制粉系統即可設備啟動、鋪煤、制粉乃至吹掃，實現全過程、全工況、全自動運行。(4)鍋爐超前加速BIR鍋爐超前加速（Boiler Input Rating，BIR）控制在鍋爐設備硬體不做改變的前提下，利用熱工控制策略動態加快鍋爐適應不同運行工況，充分應用DCS的軟實力，縮短鍋爐出力、壓力和溫度反應時間，與汽輪機工作更加協調，有助於火力發電廠燃煤機組提高供電質量，是一種經濟實用的技術。國外先進工業國家對BIR的應用研究已經做得非常深入和細緻，既有理論指導，更有現場實踐，獲得廣泛應用。BIR具有三方面的技術特點，第一，控制的全面性，不同於某些設計，僅在個別調節迴路中加入前饋信號，BIR一經動作立即全面發動，鍋爐燃燒、減溫調節等二十多個迴路參與。第二，調節的針對性，每個調節迴路設計有的放矢地調節控制對象，各自不同，但為實現整體目標又都異曲同工。第三，數據的實踐性，大量應用函數構建控制策略框架，這些函數源於現場經過驗證的試驗結果。也正是這些實用性的特點，為發揮電廠多專業協作提供了有利條件。(5)全程CCS機爐協調控制系統（Coordinated Control System，CCS）是機組重要的模擬量調節迴路， CCS是實現APS全工況、全過程、全自動必不可少的支柱，擴展CCS的調節功能，創新「汽輪機高旁自動跟隨」（BER）方式，向負荷低端擴展機爐協調控制，實現了CCS主汽壓力調節的全程覆蓋，CCS能夠實現主汽壓力全程自動調節，為APS的成功奠定基礎。(6)APS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，首先要提升功能控制的自動化水平。相對於過往傳統設計，圍繞APS需要開發多種帶有「人工智慧」的新型控制策略。(7)FCB實現FCB主要有以下難度：1）運行工況嚴酷，成功的可能僅存瞬息由於突發故障，機組立即失去全部負荷，FCB是在機組懸於全停邊緣的瞬間進行快速控制，控制系統的反應一定要足夠快速，3秒鐘定成敗。機、爐、電所有自動控制系統都要在極短時間內對方式切換、過程調節作出準確的協調反應，控制系統的反應必須要足夠精準，10秒鐘見好壞。2）運行參數趨近紅線，事故邊緣保運行保安全機組大範圍甩負荷，各種參數變化幅度加大，在確保設備安全的前提下盡最大的可能維持機組運行，需要建立「安全容錯」機制。3）鍋爐過熱蒸汽壓力飛升機組突然大幅度甩負荷，能量失衡，尤其高於75％額定負荷時，如果處置不當，鍋爐蓄熱和汽水潛熱會使過熱蒸汽壓力飛升而引發鍋爐MFT。4）鍋爐燃燒強度突變鍋爐燃燒強度變化最大可達60％，銳減燃燒率可以抑制壓力上升，但也可能引起燃燒劣化、爐膛滅火；緩減燃燒率爐膛火焰穩定，但又可能造成鍋爐超壓，燃燒率的變化要在鍋爐穩壓與爐膛穩燃之間取得平衡。5）汽輪機可能超速發電機甩負荷的瞬間，鍋爐仍然在正常運行壓力，如不快速控制汽輪機轉速馬上會急速上升而超速跳閘。FCB的控制策略和設備配置要通盤考慮，確保：1）鍋爐、汽機不超溫，不超壓；2）汽機不超速；3）機、爐安全運行帶廠用電。4）發電機跳閘，電氣系統自動轉換廠用電。四、結語今年，國家在經濟發展戰略層面上提出了「新基建」的目標，持續的推進科技進步，是促進企業發展的動力。結合集團公司的生產實際，在電廠DCS平臺上大力趕超世界先進水平，努力實現電廠自動化的「先進控制」，以提升軟實力為推手，夯實電廠安全基礎、提高經濟運行指標，引領國內電廠熱工自動化的進步。