面向自治對象的火電機組風煙系統(tǒng)APS 功能設計與應用

張新勝，胡 欣，王劍平，丁偉聰

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310012；3.浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責任公司，浙江 寧波 315208；4.浙江省能源集團有限公司，杭州 310007）

0 引言

送風機和引風機是火力發(fā)電機組的主、重要輔機，其組成的風煙系統(tǒng)[1-2]是保證鍋爐安全燃燒運行的基本系統(tǒng)。風煙系統(tǒng)的主要功能是向爐膛提供與燃料相匹配的風量，保證煤粉充分燃燒，同時使得送風量與引風量相適應，保持爐膛負壓在安全范圍內。基于以上功能，風煙系統(tǒng)一般包括引風機本體及油站、送風機本體及油站、風煙擋板及二次風門等，隨著機組裝機容量的增加，在啟停過程中涉及的電動機、閥門等一次設備越來越多，啟停過程包含大量操作，大大加重了運行人員的操作負擔。

作為火力發(fā)電機組智能化發(fā)展的重要方向，機組APS（自啟?？刂葡到y(tǒng)）經過多年的發(fā)展與實踐，其設計理念及操作模式逐漸被發(fā)電行業(yè)認可，并逐步應用在大型電廠的控制系統(tǒng)中[3-7]。而由于風煙系統(tǒng)是一個功能相對獨立的系統(tǒng)，對風煙系統(tǒng)APS 功能的設計也越來越多，以完成風煙系統(tǒng)的啟停和全程控制[8-10]。但傳統(tǒng)的風煙系統(tǒng)APS技術主要是面向過程的順序程序設計模式，路線設計單一固定，變工況無法自治，一旦針對機組特點固化下來，可以起到減輕運行人員操作負擔的作用，但由于在啟停過程中容錯與操作自由度方面考慮不多，啟停次數較少、磨合不夠充分，運行人員對順控操作的接受度不高，導致實用率較低、認可度不高。

針對上述問題，提出了一種面向自治對象的風煙系統(tǒng)APS 功能設計方法，采用面向對象的設計模式，圍繞風煙系統(tǒng)形成了若干個相對獨立的自治對象系統(tǒng)，啟動路徑靈活多樣，變工況自治規(guī)劃，人機協(xié)作性強，啟動過程中任何位置、任何時間都可中斷，任何中斷處都可繼續(xù)操作。運行人員在風煙系統(tǒng)啟動過程中從一次設備的操作中解脫出來，進而關注的是過程，提出的是需求，面對的是對象，操作的是系統(tǒng)。該功能在某660 MW 超超臨界機組上進行實際應用，在風機兩側啟動、單側啟動、自動并列運行以及RB（輔機故障減負荷）工況下，風機啟動與并列運行等各種工況實現風煙全程控制，控制系統(tǒng)具備較強的自治性和健壯性，大大提高了風煙系統(tǒng)APS 功能組的使用率與機組自動化水平。

1 面向自治對象的風煙系統(tǒng)APS 結構設計

火力發(fā)電機組中面對操作復雜的風煙控制系統(tǒng)，為了減輕運行人員操作負擔，最簡單有效的方法是化整為零，采用面向對象的設計模式，針對風煙系統(tǒng)的特性，將計算機科學中“面向對象編程技術”引入風煙系統(tǒng)全程控制中[11-12]。面向對象的程序設計是一種包含各種獨立而又相互調用對象的設計模式，摒棄傳統(tǒng)的順序編程思想，為風煙系統(tǒng)APS 功能組賦予擁有行為能力、擁有意識、擁有智能的對象，根據工況變化自治改變執(zhí)行路徑，過程中無需運行人員干預。面向自治對象的風煙系統(tǒng)APS 功能以分布式自治的對象系統(tǒng)為基礎，串接全局任務規(guī)劃與調用結構，結構框架如圖1 所示。

圖1 面向自治對象的風煙系統(tǒng)APS 功能原理結構

由圖1 可知，面向自治對象的風煙系統(tǒng)APS功能原理結構包括任務規(guī)劃系統(tǒng)、操作管理系統(tǒng)以及進度監(jiān)視系統(tǒng)。任務規(guī)劃系統(tǒng)作為風煙系統(tǒng)APS 功能的規(guī)劃運行層，負責布局風煙系統(tǒng)全局控制流程與指標要求，運行操作員在啟停授權的前提下，對功能組進行啟動或停運指令的下發(fā)，另外還負責運行人員對過程層面的操作目的、目標值以及過程參數品質的設定。操作管理系統(tǒng)作為對象任務層，接收任務規(guī)劃系統(tǒng)的操作指令，圍繞風煙系統(tǒng)本體形成了引風機功能子組對象、送風機功能子組對象以及并退功能子組對象，3個功能子組對象相互獨立又相互調用，調用路徑靈活多樣，通過預置模塊自治規(guī)劃調用順序，預置模塊收集任務規(guī)劃系統(tǒng)指令確定3 個功能子組對象調用順序與運行偏好，還可作為運行的干預節(jié)點。進度監(jiān)視系統(tǒng)作為功能組的輔助層，對操作管理系統(tǒng)的進度進行管理，顯示已啟動、已達到控制狀態(tài)以及已停運，并顯示報警信息，為運行人員指明干預方向。

面向自治對象的風煙系統(tǒng)APS 功能在任務規(guī)劃系統(tǒng)以及操作管理系統(tǒng)的作用下，可以完成風煙系統(tǒng)的啟動、停運和并退任務。在啟動過程中，操作管理系統(tǒng)可以根據任務規(guī)劃系統(tǒng)的設定，自治規(guī)劃不同的啟動路徑，其完整的調用結構如圖2 所示。

圖2 面向自治對象的風煙系統(tǒng)啟動功能調用結構

由圖2 可知，面向自治對象的風煙系統(tǒng)APS功能在風煙系統(tǒng)啟動過程中，規(guī)劃了3 條路徑：啟機前期單側風機啟動，機組啟動后期另一側風機啟動以及風機自動并列；機組啟動前期，兩側風機啟動以及風機并列；RB 工況后停運側風機啟動以及風機自動并列。3 條路徑組成風煙系統(tǒng)啟動自治對象，根據時間尋優(yōu)、節(jié)能尋優(yōu)、運行數據或人工選擇自主完成路徑選擇，在啟動過程取消了風煙系統(tǒng)主、輔設備的單操功能，運行人員只需對風量參數、爐膛負壓指標與目標進行設定，過程節(jié)點預置完成后，設備層的相關操作由對象系統(tǒng)內的程序控制自動完成。

2 面向自治對象的風煙系統(tǒng)全程控制策略設計

面向自治對象的風煙系統(tǒng)全程控制基本功能主要包括：引風機啟動、送風機啟動、引風機自動調平以及送風機自動調平。送、引風機啟動可以自治區(qū)分啟機過程啟動與另一側已帶負荷啟動，啟機過程啟動可以根據運行人員選擇進行兩側風機和單側風機啟動，另一側已帶負荷啟動可以自動判斷，啟動后自動進行兩側風機出力調平。

2.1 風煙系統(tǒng)啟動功能組

風煙系統(tǒng)啟動功能組是風煙系統(tǒng)的最高控制層，對風煙系統(tǒng)的整個運行工況進行監(jiān)視，根據運行人員選擇，自治地向風煙系統(tǒng)各子系統(tǒng)發(fā)出控制指令，在人工少量干預的情況下完成對風煙系統(tǒng)的全程自動控制，設計框圖如圖3 所示。

圖3 風煙系統(tǒng)啟動功能組邏輯框圖

如圖3 所示，風煙系統(tǒng)啟動功能組可以靈活對送、引風機進行操作，操作員只需根據需求進行選擇，輸入目標后，點擊開始，啟動功能組可以自行判斷出風煙系統(tǒng)啟動是在啟機過程中還是帶負荷輔機跳閘后的，然后執(zhí)行對送、引風機的啟動以及動葉的操作。具體如下：

第三步執(zhí)行時，先判斷是否首臺啟動，首臺啟動直接對A 引風機動葉投自動，爐膛負壓設定值-150 Pa；否則，調用引風機自動調平功能，調平兩側出力后，投入A 引風機動葉自動，包括高負荷下引風機RB 工況以及低負荷下引風機跳閘后啟動工況。

第五步執(zhí)行時，先根據B 送風機運行情況、動葉開度以及A 送風機動葉開度綜合判斷是否為啟機過程：若是，即直接對A 送風機動葉開度按一定速率置15%；否則，認為是帶負荷工況，避免操作A 送風機動葉，防止對風量以及爐膛負壓造成擾動，后期直接調用送風機自動調平功能。

第十步執(zhí)行時，根據前期判斷出的啟機過程或帶負荷工況對總風量控制進行操作，若是啟機過程（兩側或單側），即在送風機動葉開度15%基礎上，投入送風機動葉自動，對總風量進行自動控制，設定值緩慢加至吹掃風量650 t/h；若為帶負荷工況，則調用送風機自動調平功能，投入動葉自動，風量設定值維持不變。

2.2 風機自動調平功能

風煙系統(tǒng)啟動功能組中設置了送、引風機自動調平功能，當一側風機已運行且有一定出力時，另一側風機啟動后，在兼顧爐膛負壓、總風量以及機組運行狀態(tài)時，自動安全可靠地調平兩側風機出力，過程中操作員可隨時根據機組狀況進行干預。主要針對如下工況：啟機過程中單側風機啟動后，另一側風機啟動時；送、引風機RB后，重新啟動跳閘側風機時；深度調峰期間，輔機跳閘（送、引風機）后，重新啟動跳閘側風機時。以引風機并列為例，闡述風機并列原理[13-15]，控制邏輯框圖如圖4 所示。

圖4 引風機并列控制邏輯框圖

由圖4 可知，引風機自動調平功能中，操作員可以通過風煙系統(tǒng)啟動功能組進行調用。另外，為了靈活管理，還設置了引風機自動調平按鈕，操作員打開按鈕后，投入并引風機功能，自動并列控制回路會根據機組運行數據自動判斷是A 引風機并B 引風機還是B 引風機并A 引風機，然后對其動葉進行操作。在調平兩側引風機出力時，操作員可根據風機出力情況以及機組狀態(tài)隨時干預，通過退出并引風機功能按鈕，退出并風機過程，自行對其動葉進行操作，恢復正常后，重新投入并引風機功能按鈕，在當前狀態(tài)繼續(xù)執(zhí)行并風機過程。

根據純積分增量式PID 模塊組成的自動并列控制回路作出判斷：若是A 引風機并B 引風機，則生成A 并B 標志以及A 引風機并列指令，對A引風機動葉指令進行無擾切換；若是B 引風機并A 引風機，則生成B 并A 標志以及B 引風機并列指令，對B 引風機動葉指令進行無擾切換。其中，PID 積分時間設置60 s，PID 的輸入偏差由自適應速率產生回路自動生成，原理如下：以兩側引風機電流偏差為依據，將并引風機過程劃分為3 個階段：電流偏差大于（包括等于）20 A 為第一階段；電流偏差在10～20 A（包括等于10 A）為第二階段；電流偏差小于10 A 為第三階段。以每分鐘30%的基準速率進行動葉操作，根據持續(xù)時間ti1（i=1，2，3）控制每次對動葉的操作量，根據間斷時間ti2（i=1，2，3）控制每次操作動葉的間斷時間，并根據爐膛負壓的波動情況自適應改變間斷時間，自適應速率產生回路設計思路見圖5。

圖5 自適應速率產生回路設計思路

如圖5 所示，第一階段時，t11為10 s，t12為20 s，即每次對動葉操作5%，間斷20 s，直至電流偏差小于20 A；第二階段時，t21為5 s，t22為30 s，即每次對動葉操作2.5%，間斷30 s，直至電流偏差小于10 A；第三階段時，t31為1 s，t32為40 s，即每次對動葉操作0.5%，間斷40 s，直至電流偏差小于2 A。當兩側引風機電流偏差小于2 A 時，投入A 引風機動葉自動，并風機過程完成。

3 風煙系統(tǒng)APS 功能組投運效果

在某660 MW 超超臨界機組上進行了面向自治對象的風煙系統(tǒng)APS 功能的實際投運，分別應用在單側風機啟動、兩側風機啟動以及RB 工況后停運側風機啟動與自動并列上，應用效果良好，爐膛負壓和風量的調節(jié)品質均達到很好的效果。整個啟動過程中，運行人員無需對風煙系統(tǒng)擋板、風機油站、風機動葉以及電機等一次設備進行單獨操作，大大減輕了運行人員的操作負擔，真正意義上從繁瑣的設備操作中解脫出來，只需面對對象，對系統(tǒng)進行操作，關注風機運行狀態(tài)、爐膛負壓和風量的調節(jié)品質，提高了操作靈活性與工況適應性，在面向自治對象的風煙系統(tǒng)APS 功能的作用下，相關參數運行曲線如圖6—8 所示。

圖6 單側風機啟動投運效果

圖6 為風機單側啟動的投用效果曲線。由圖6 可知，采用面向自治對象的風煙系統(tǒng)APS 功能在進行單側風機啟動時，耗時少于10 min，A 引風機動葉自動控制爐膛負壓-150 Pa，A 送風機動葉自動控制總風量800 t/h，在啟機后期B 側風機啟動，自動完成B 引風機和B 送風機并列，整個并列過程負壓波動小于±100 Pa，總風量波動小于±50 t/h。

圖7 為風機兩側啟動的投用效果曲線。由圖7 可知，采用面向自治對象的風煙系統(tǒng)APS 功能在進行兩側風機啟動時，耗時少于12 min，A，B引風機動葉自動控制爐膛負壓-150 Pa，A 送風機啟動后動葉開度置15%，B 送風機啟動后動葉開度同樣置15%，然后自動同時操作動葉開度至風量800 t/h，A，B 送風機動葉投自動控制總風量800 t/h。

圖7 兩側風機啟動投運效果

圖8 為RB 工況后風機自動并列的投用效果曲線。由圖8 可知，采用面向自治對象的風煙系統(tǒng)APS 功能在進行RB 工況后風機自動并列時，引風機并列耗時少于5 min，送風機并列耗時少于5 min，風機RB 工況后，根據運行數據自動規(guī)劃啟動路徑，完成停運側風機啟動，自動完成引風機和送風機并列，整個并列過程負壓波動小于±150 Pa，總風量波動小于±50 t/h。

圖8 RB 工況風機自動并列投運效果

4 結語

依據火電機組風煙系統(tǒng)控制的特點，摒棄傳統(tǒng)相對單一固化的面向過程的設計模式，將面向對象編程技術引入風煙全程控制中，提出了一種面向自治對象的風煙系統(tǒng)APS 功能，啟動路徑靈活多樣，在復雜多變的工況下自治規(guī)劃路徑?？刂葡到y(tǒng)具備較強的自治性和健壯性，大大提高了風煙系統(tǒng)APS 功能組的使用率與機組自動化水平。

面向自治對象的風煙系統(tǒng)APS 功能在無需運行人員干預的情況下，實現了在風機兩側啟動、單側啟動、自動并列運行以及RB 工況下風機啟動與并列運行等各種工況的風煙全程控制，取消了風煙系統(tǒng)主、輔設備的單操功能，將運行人員從擋板、電動機等一次設備的操作中解脫出來，更關注系統(tǒng)層面的參數、指標與目標的設定，在整個啟動過程中，爐膛負壓、總風量始終控制在目標值附近，提高了風煙系統(tǒng)啟動的安全性能，大大減輕了運行人員的操作強度。