徐柳斌,王 策,季德亨,宋佳輝,陳巍文
(1.杭州意能電力技術(shù)有限公司,浙江 杭州 310012;2.浙江浙能臺(tái)州第二發(fā)電有限責(zé)任公司,浙江 臺(tái)州 318000;3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院,浙江 杭州 310014)
近年來,隨著綠色“雙碳”戰(zhàn)略的逐步實(shí)施,發(fā)電能源中的可再生能源機(jī)組比重持續(xù)上升?;痣姍C(jī)組由主要發(fā)電能源逐漸向調(diào)峰調(diào)頻的支撐角色轉(zhuǎn)型,用于穩(wěn)定電網(wǎng)運(yùn)行。這對(duì)火電機(jī)組的自動(dòng)化水平和可靠性水平都提出了更高的要求。為保證機(jī)組啟停過程嚴(yán)格遵循運(yùn)行規(guī)程、減少運(yùn)行的誤操作,需要增強(qiáng)機(jī)組的自動(dòng)化水平。得益于國(guó)內(nèi)主、輔機(jī)可控性的不斷提高、分布式控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)性能的不斷完善,發(fā)電機(jī)組自啟??刂葡到y(tǒng)(automatic power plant startup and shutdown control system,APS)作為一種能提高機(jī)組運(yùn)行安全可靠性和經(jīng)濟(jì)效益的有效方法,正在越來越多的火電機(jī)組中獲得應(yīng)用[1-2]。
APS是一種用于控制發(fā)電機(jī)組全程自動(dòng)化啟動(dòng)和停運(yùn)的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用斷點(diǎn)控制方式,根據(jù)生產(chǎn)工藝流程將整個(gè)啟停過程劃分為若干個(gè)由斷點(diǎn)作為分界的子過程的自動(dòng)控制,通過設(shè)定的順序逐步自動(dòng)啟停各個(gè)子過程,從而實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)啟停。由于APS設(shè)計(jì)涉及整個(gè)機(jī)組系統(tǒng),系統(tǒng)調(diào)試復(fù)雜。當(dāng)前,大部分國(guó)內(nèi)機(jī)組只實(shí)現(xiàn)了機(jī)組部分系統(tǒng)的自啟停設(shè)計(jì)。因此,設(shè)計(jì)合理、有效的全程APS,是一個(gè)值得深入研究的問題。
本文對(duì)全程自啟停系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及機(jī)組全程控制策略進(jìn)行了分析與討論,闡述了面向自治對(duì)象APS設(shè)計(jì)的總體框架、技術(shù)要點(diǎn)及異常處理設(shè)計(jì)和風(fēng)量、燃料、給水的全程控制策略,并對(duì)系統(tǒng)在某超超臨界機(jī)組的實(shí)際投運(yùn)效果作了論述。
全程自啟停系統(tǒng)總體研究主要包括系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)、類功能組設(shè)計(jì)、APS與其他系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)以及硬件設(shè)計(jì)[3]。APS在原有系統(tǒng)控制邏輯中添加接口設(shè)計(jì),結(jié)合常規(guī)控制系統(tǒng)輔助,通過添加上層自啟停規(guī)劃邏輯以協(xié)調(diào)各類子系統(tǒng)的形式,實(shí)現(xiàn)對(duì)電廠的自動(dòng)啟??刂啤TO(shè)計(jì)過程中,需要充分考慮機(jī)組運(yùn)行過程容錯(cuò)與操作的自由度。
APS的組織結(jié)構(gòu)采用金字塔形分層。APS組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 APS組織結(jié)構(gòu)圖
面向自治對(duì)象的APS的組織架構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)相對(duì)單一、固化的面向過程的設(shè)計(jì)模式。將面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)引入機(jī)組全程控制中,能夠在復(fù)雜多變的工況下自治規(guī)劃路徑,使控制系統(tǒng)具備較強(qiáng)的自治性和健壯性[4]。APS的組織結(jié)構(gòu)分為3層,即全局規(guī)劃層、分系統(tǒng)層和自治對(duì)象層。全局規(guī)劃層負(fù)責(zé)布局全局自動(dòng)控制流程。分系統(tǒng)層接收上層任務(wù)指令,調(diào)用自治對(duì)象完成指令要求。自治對(duì)象層由以動(dòng)力設(shè)備為核心并形成自治關(guān)系的設(shè)備組成,能夠自動(dòng)執(zhí)行啟停程序、聯(lián)鎖保護(hù)、調(diào)節(jié)切換與特定操作功能。分層控制方式能夠使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰嚴(yán)謹(jǐn),功能指向明確,層與層之間界限分明。
在接口設(shè)計(jì)中,要求APS能夠通過對(duì)應(yīng)接口模件發(fā)出控制指令到其他控制系統(tǒng),其他控制系統(tǒng)必須按照要求順利完成相應(yīng)功能,并將完成信息反饋至APS。其中,APS與模擬量控制系統(tǒng)(modulating control system,MCS)的接口設(shè)計(jì)最為復(fù)雜也最為重要,需要在設(shè)計(jì)過程中對(duì)MCS控制進(jìn)行優(yōu)化,使MCS調(diào)節(jié)既滿足運(yùn)行要求又符合APS的規(guī)劃要求,從而保證機(jī)組的運(yùn)行安全。
在硬件設(shè)計(jì)中,采用“故障影響最小”設(shè)計(jì)原則,將自啟停系統(tǒng)的上層規(guī)劃邏輯以及對(duì)外通信信號(hào)均集中至同一個(gè)控制器中完成。這樣能夠?qū)⒐收嫌绊懡档阶畹?,并方便維護(hù),從而提高系統(tǒng)的可靠性。
1.2.1 斷點(diǎn)設(shè)計(jì)
斷點(diǎn)設(shè)計(jì)是機(jī)組APS的核心問題之一,關(guān)系到APS的功能實(shí)現(xiàn)以及機(jī)組的運(yùn)行安全。面向自治對(duì)象的APS與傳統(tǒng)APS斷點(diǎn)設(shè)計(jì)相同,仍根據(jù)機(jī)組主機(jī)與輔機(jī)啟動(dòng)方式和設(shè)備及系統(tǒng)啟動(dòng)巡檢內(nèi)容共設(shè)置9個(gè)斷點(diǎn)。但其以分布式自治的對(duì)象系統(tǒng)為基礎(chǔ),采用全局的任務(wù)規(guī)劃與調(diào)用結(jié)構(gòu),一定程度上弱化了斷點(diǎn)控制。機(jī)組APS啟動(dòng)設(shè)置6個(gè)斷點(diǎn)[5]。
①輔機(jī)準(zhǔn)備:完成機(jī)組啟動(dòng)必要輔助設(shè)備啟動(dòng)。
②機(jī)爐準(zhǔn)備:完成鍋爐本體與機(jī)側(cè)水系統(tǒng)的準(zhǔn)備。
③鍋爐點(diǎn)火及升壓升溫。
④汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)。
⑤機(jī)組并網(wǎng)。
⑥機(jī)組升負(fù)荷。
機(jī)組APS停運(yùn)設(shè)置3個(gè)斷點(diǎn)。
①機(jī)組降負(fù)荷:協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(coordination control system,CCS)撤出,在相應(yīng)負(fù)荷點(diǎn)停運(yùn)制粉系統(tǒng)及水泵,并將鍋爐轉(zhuǎn)為濕態(tài)運(yùn)行。
②機(jī)組解列:汽機(jī)、發(fā)電機(jī)解列。
③機(jī)組停運(yùn):停運(yùn)最后1臺(tái)制粉系統(tǒng),悶爐。
1.2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)分析
考慮到機(jī)組為運(yùn)行機(jī)組,控制系統(tǒng)邏輯成熟、可靠,運(yùn)行人員熟悉機(jī)組和設(shè)備的特性,設(shè)計(jì)思路明確,在設(shè)計(jì)階段可以充分參考集控機(jī)組運(yùn)行規(guī)程等已有資料。因此,在APS的設(shè)計(jì)過程中,主要應(yīng)該考慮在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì),盡量減少對(duì)原邏輯的影響,保證機(jī)組的安全運(yùn)行。
①測(cè)點(diǎn)增加最小化。根據(jù)設(shè)計(jì)方案,對(duì)進(jìn)入的APS進(jìn)行評(píng)估,增加輔助判定的測(cè)點(diǎn),以提高APS邏輯的自動(dòng)化程度。但考慮DCS總點(diǎn)數(shù)限制,應(yīng)盡量減少不必要的中間點(diǎn)設(shè)置。對(duì)于設(shè)備啟動(dòng)允許和普通設(shè)備保護(hù)邏輯,采用一個(gè)模擬量的多位實(shí)現(xiàn),可提高組態(tài)模塊使用率,減少以往不必要的、繁雜的邏輯實(shí)現(xiàn)方式,降低單元輔助系統(tǒng)(電除塵、吹灰等)控制邏輯實(shí)施的繁雜程度。
②閥門智能化改造?;痣姍C(jī)組系統(tǒng)龐大,包含了大量的手動(dòng)閥門。目前常規(guī)的APS設(shè)計(jì)中,考慮工程成本的因素,仍然保留大量的手動(dòng)門,如:在泵體注水時(shí)仍然通過運(yùn)行手動(dòng)注水,只是在APS功能組中增加了人工確認(rèn)的按鈕。因此,在APS全程自啟停設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)APS的總體目標(biāo),明確需要保留的手動(dòng)門,對(duì)需要參與自動(dòng)啟停的閥門進(jìn)行智能化升級(jí)改造;同時(shí),可增加相應(yīng)閥測(cè)點(diǎn),對(duì)程控步序進(jìn)行輔助判定。
③原邏輯優(yōu)化調(diào)整。部分原有邏輯可能會(huì)與APS邏輯相沖突。在組態(tài)設(shè)計(jì)階段,需要對(duì)原始邏輯進(jìn)行整體評(píng)估。對(duì)部分原始邏輯,可以針對(duì)APS邏輯進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整。優(yōu)化調(diào)整后的邏輯應(yīng)切實(shí)符合生產(chǎn)過程的工藝特點(diǎn)及控制要求,并能使APS邏輯組態(tài)的復(fù)雜度盡可能小。在設(shè)計(jì)階段,為保證機(jī)組的安全運(yùn)行,所有邏輯的修改調(diào)整應(yīng)經(jīng)過充分的討論研究。
④接口及數(shù)據(jù)庫(kù)容量的考量。在組態(tài)階段,應(yīng)盡量使用接口邏輯。所有的運(yùn)算皆位于APS控制器,只通過少量的接口連接到各個(gè)設(shè)備上,以減少對(duì)原聯(lián)鎖邏輯的改動(dòng)。APS控制站預(yù)留多個(gè)第三方通信接口和優(yōu)化控制器接口,可以用于后期優(yōu)化控制算法的接入。一般運(yùn)行機(jī)組的數(shù)據(jù)庫(kù)都有一定量的冗余。但APS涉及系統(tǒng)繁多,邏輯復(fù)雜,對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的容量要求較高。因此,在設(shè)計(jì)階段應(yīng)論證現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)容量是否滿足要求。
⑤DCS界面組態(tài)設(shè)計(jì)。APS界面設(shè)計(jì)應(yīng)具備規(guī)范、明確的指示功能,簡(jiǎn)易、便捷的操作功能,以及準(zhǔn)確、豐富的監(jiān)視功能。APS的操作畫面在保留主流程集中操作界面的同時(shí),在工藝畫面中增加對(duì)象操作界面,并對(duì)執(zhí)行進(jìn)度提供狀態(tài)顯示,在運(yùn)行確認(rèn)與狀態(tài)設(shè)置點(diǎn)可彈出操作窗口。工藝畫面上的單體設(shè)備操作界面作為狀態(tài)顯示與后備操作使用,只有在緊急干預(yù)的情況下才進(jìn)行必要的單體操作。
1.2.3 異常處理設(shè)計(jì)
由于在生產(chǎn)過程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)設(shè)備失電、故障等意外情況,在自啟停過程中異常狀態(tài)發(fā)生時(shí),對(duì)其作出妥善處理是十分必要的。APS異常處理設(shè)計(jì)如表1所示。
表1 APS異常處理設(shè)計(jì)
超超臨界機(jī)組全程自啟停控制包括了從機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)到機(jī)組正常運(yùn)行全程自動(dòng)控制。這主要涉及風(fēng)、煤、給水、凝結(jié)水等多個(gè)系統(tǒng)的重要設(shè)備順序控制和模擬量控制,以及特定工況下的聯(lián)鎖、閉鎖功能管理。
在整體控制方案中,針對(duì)主要模擬量劃分負(fù)荷全程控制、給水全程控制、減溫水全程控制、燃料全程控制及風(fēng)量全程控制多個(gè)全程自動(dòng)控制系統(tǒng),并將其與協(xié)調(diào)控制邏輯、自動(dòng)并退泵技術(shù)和順序控制相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)機(jī)組的全程自啟??刂撇呗浴Mㄟ^此控制方案,實(shí)現(xiàn)了主汽溫度、主汽壓力、給水流量、過熱度、燃料量、總風(fēng)量及爐膛負(fù)壓等重要參數(shù)隨負(fù)荷變動(dòng)時(shí)的平穩(wěn)控制,保證了機(jī)組的安全運(yùn)行[6-8]。本文主要對(duì)風(fēng)量、給水及燃料的全程控制策略進(jìn)行要點(diǎn)闡述。
2.2.1 風(fēng)量全程控制
風(fēng)煙全程控制包含了六大風(fēng)機(jī)及其附屬系統(tǒng)的啟停、并列、投退及其過程中的模擬量控制系統(tǒng),并需要保證過程中風(fēng)量、爐膛負(fù)壓、一次風(fēng)壓的穩(wěn)定,最終完成目標(biāo)值控制[9]。其中,爐膛總風(fēng)量主要由一次風(fēng)流量和二次風(fēng)流量疊加而成。風(fēng)量全程控制如圖2所示。
圖2 風(fēng)量全程控制示意圖
風(fēng)量控制步驟如下。
①建立風(fēng)道,啟動(dòng)風(fēng)機(jī),保持一定通風(fēng)量。
②鍋爐建立吹掃風(fēng)量,置位風(fēng)量指令至30%吹掃風(fēng)量值,完成鍋爐吹掃。
③濕態(tài)帶部分負(fù)荷后,風(fēng)量設(shè)定值大于最小風(fēng)量。鍋爐主控經(jīng)過函數(shù)換算形成基本風(fēng)量指令,經(jīng)氧量校正形成風(fēng)量指令。
④負(fù)荷大于30%額定負(fù)荷。燃料設(shè)定經(jīng)過函數(shù)換算形成基本風(fēng)量指令,經(jīng)氧量校正形成風(fēng)量指令。
⑤調(diào)節(jié)過程中根據(jù)工況需求,自動(dòng)投退另一側(cè)對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī),并自動(dòng)調(diào)平出力。
2.2.2 給水全程控制
給水全程控制包括給水調(diào)節(jié)回路、鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)控制回路、干濕態(tài)轉(zhuǎn)換回路以及給水泵的啟停和并泵程控回路。給水調(diào)節(jié)回路控制給水流量的調(diào)節(jié)。在低負(fù)荷時(shí),維持水冷壁具有流速穩(wěn)定的最小水流量,保持鍋爐啟動(dòng)流量和啟動(dòng)壓力;在高負(fù)荷時(shí),維持一定的水煤比,控制中間點(diǎn)溫度。鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)控制回路負(fù)責(zé)鍋爐啟動(dòng)過程中的開式水清洗、冷態(tài)循環(huán)清洗、熱態(tài)清洗、分離器水位控制等。干濕態(tài)轉(zhuǎn)換回路完成鍋爐自動(dòng)轉(zhuǎn)態(tài)過程中給水流量和鍋爐主控指令的控制調(diào)整。給水程控回路完成各個(gè)泵組的啟動(dòng)/停止控制,以及汽泵的并泵/退泵等控制[10]。
給水全程控制如圖3所示。
圖3 給水全程控制示意圖
給水控制步驟如下。
①啟動(dòng)前準(zhǔn)備:靜壓注水、鍋爐上水,根據(jù)鍋爐溫度變化限制最大允許給水流量。
②冷態(tài)沖洗:根據(jù)鍋爐溫度變化,限制最大允許給水流量。
③啟動(dòng)階段:從鍋爐上水到點(diǎn)火前,流量設(shè)定值850 t/h,點(diǎn)火后根據(jù)濕態(tài)水線。
④濕態(tài)帶部分負(fù)荷階段:流量設(shè)定值根據(jù)濕態(tài)水線,分離器處于濕態(tài)運(yùn)行,此時(shí)的給水自動(dòng)控制給水流量以滿足升溫升壓要求。
⑤純直流階段:基于中間點(diǎn)過熱度的動(dòng)態(tài)燃水比值控制。
2.2.3 燃料全程控制
燃料全程控制如圖4所示。
圖4 燃料全程控制示意圖
圖4中:燃料指令為0~500 t/h;蒸汽流量為0~3 200 t/h;分離器出口溫度為0~400 ℃。
燃料全程控制燃燒過程,使燃料燃燒所提供的熱量適應(yīng)外界對(duì)鍋爐輸出的蒸汽負(fù)荷的需求,同時(shí)保證鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。燃料指令按上層規(guī)劃指令進(jìn)行模式切換,以鍋爐主控指令為基準(zhǔn)線,接收風(fēng)煤、水煤交叉限制條件,并添加水煤比修正后生成[11-12]。
燃料控制步驟如下。
①微油系統(tǒng)投入。
②首臺(tái)給煤機(jī)啟動(dòng),待穩(wěn)定后切換至給煤機(jī)自動(dòng),燃料量將自動(dòng)調(diào)整至校準(zhǔn)后的基礎(chǔ)燃料指令。
③鍋爐點(diǎn)火且首臺(tái)磨穩(wěn)定投運(yùn)一定時(shí)間后,開始升溫升壓。升溫過程中,必須注意溫升速率,以保證鍋爐受熱均勻。
④機(jī)組并網(wǎng),燃料主控根據(jù)啟動(dòng)燃料量曲線進(jìn)行調(diào)節(jié)。
⑤當(dāng)負(fù)荷到達(dá)相對(duì)應(yīng)的額定負(fù)荷時(shí),逐步投入剩余的制粉系統(tǒng)。
本文設(shè)計(jì)的全程自啟停系統(tǒng)在某百萬機(jī)組的APS改造項(xiàng)目中進(jìn)行了實(shí)際投運(yùn)試驗(yàn)。該項(xiàng)目控制系統(tǒng)軟件采用艾默生的Ovation DCS控制系統(tǒng)。正式投運(yùn)后的APS流程監(jiān)控如圖5所示。圖5展示了APS從冷態(tài)到滿負(fù)荷的全過程功能監(jiān)視。圖5中,方框?yàn)锳PS中各個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)。
圖5 APS流程監(jiān)控圖
在APS模式下,機(jī)組進(jìn)行啟動(dòng)準(zhǔn)備階段,根據(jù)預(yù)設(shè)的程序逐步投運(yùn)循環(huán)水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)和冷機(jī)油系統(tǒng)模塊,并投入給水全程控制功能,進(jìn)行鍋爐上水和沖洗。在此階段,可同步投運(yùn)真空系統(tǒng),以減少機(jī)組總體啟動(dòng)時(shí)間。冷態(tài)沖洗結(jié)束后,機(jī)組投入風(fēng)煙全程控制,建立風(fēng)道并將風(fēng)量打至吹掃值,完成鍋爐吹掃。隨后機(jī)組投入全程燃料控制:準(zhǔn)備鍋爐點(diǎn)火,投入旁路自動(dòng)控制主汽壓力,進(jìn)入熱態(tài)沖洗階段;通過燃料全程控制和給水全程控制配合,進(jìn)行升溫升壓。待滿足沖轉(zhuǎn)條件后,機(jī)組通過數(shù)字電液控制系統(tǒng)啟動(dòng)順控進(jìn)行沖轉(zhuǎn)和并網(wǎng)步驟。過程中,機(jī)組在汽機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到360 r/min時(shí),并入第二列風(fēng)機(jī),并自動(dòng)調(diào)平出力;當(dāng)汽機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)3 000 r/min時(shí),投運(yùn)第二臺(tái)磨組。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷升至20%以上,給水切至主路,第三臺(tái)磨組投運(yùn),機(jī)組進(jìn)行干濕態(tài)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換過程為,全程給水控制模塊自動(dòng)設(shè)定給水流量,待汽泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)給水流量至設(shè)定值后,鍋爐主控指令逐漸提升使機(jī)組進(jìn)入干態(tài)。當(dāng)機(jī)組進(jìn)入干態(tài)后,鍋爐主控指令將會(huì)再次增加,以保證機(jī)組穩(wěn)定在干態(tài)。機(jī)組在完成干濕態(tài)轉(zhuǎn)換后,投入?yún)f(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制模式,啟動(dòng)低加疏水泵,自動(dòng)并入第二臺(tái)汽泵并調(diào)平出力,并按照實(shí)際設(shè)定逐步投入第四臺(tái)、第五臺(tái)磨組,升至指定負(fù)荷。整個(gè)過程中,風(fēng)煙全程控制保證合適風(fēng)煤比,并維持爐膛壓力。
本文首先對(duì)超超臨界百萬機(jī)組的全程APS設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了全面闡述,提出了一種面向自治對(duì)象的系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)方案和機(jī)組全過程自動(dòng)啟??刂撇呗?。其次,本文對(duì)系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)過程中的技術(shù)要點(diǎn)及異常處理作了分析與討論,并對(duì)機(jī)組全程自啟??刂撇呗灾械娘L(fēng)量、給水、燃料全程控制作了簡(jiǎn)要論述。最后,本文將設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在某一超超臨界機(jī)組中進(jìn)行了實(shí)際投運(yùn)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)組從冷態(tài)到滿負(fù)荷的全過程自動(dòng)啟??刂疲覚C(jī)組啟停過程中機(jī)組的主要過程參數(shù)波動(dòng)平穩(wěn),達(dá)到了預(yù)期的效果。面向自治對(duì)象的APS區(qū)別于傳統(tǒng)面向過程設(shè)計(jì)的APS,下層自治對(duì)象能夠根據(jù)上層任務(wù)規(guī)劃根據(jù)當(dāng)前工況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整,具備更高的靈活性和可靠性。