DQZHAN技術(shù)訊：火電廠智能自動(dòng)控制的技術(shù)路線
計(jì)算機(jī)分散控制系統(tǒng)（DistributedControl System-DCS）在發(fā)電廠中已經(jīng)普及應(yīng)用，我們國(guó)家DCS的硬件水平早就躋身世界先進(jìn)行列，但在機(jī)組控制應(yīng)用軟件方面與先進(jìn)工業(yè)國(guó)家相比還是有明顯的落差。1985年，從先進(jìn)工業(yè)國(guó)家引進(jìn)的350MW及以上等級(jí)燃煤機(jī)組中設(shè)計(jì)有數(shù)字式智能自動(dòng)化系統(tǒng)（DIASYS?DigitalIntelligent Automatic System），APS（Automatic Procedure Start-up／Shut-down-機(jī)組程序自動(dòng)啟停系統(tǒng)）和FCB（FCB- Fast Cut Backe-鍋爐快速減出力）功能作為DCS熱工控制的標(biāo)準(zhǔn)配置。
一、先進(jìn)控制的內(nèi)涵
現(xiàn)代大型火電燃煤機(jī)組熱工自動(dòng)控制的頭上有兩顆耀眼的明珠，一個(gè)是APS，另一個(gè)就是FCB。兩者都采用現(xiàn)代控制理論構(gòu)建了高度自動(dòng)化和智能化的控制功能。
1.APS
APS是依托DCS能夠在燃煤機(jī)組規(guī)定的運(yùn)行區(qū)間內(nèi)分階段遞進(jìn)導(dǎo)引熱工控制系統(tǒng)完成機(jī)組啟動(dòng)或停止的自動(dòng)程序控制，是現(xiàn)代電廠高度自動(dòng)化、智能化的標(biāo)志。這是因?yàn)椋胍獙?shí)現(xiàn)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(jìn)控制令MCS、SCS、CCS等熱工控制系統(tǒng)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(yīng)運(yùn)而生，因APS而極大地提高了機(jī)組的熱工自動(dòng)化水平，智能化的熱工自動(dòng)控制成就了APS，相得益彰，促進(jìn)了燃煤機(jī)組的**、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。APS也就成為評(píng)價(jià)電廠生產(chǎn)技術(shù)管理、熱工控制和機(jī)組運(yùn)行水平高低的一種標(biāo)準(zhǔn)。即便電廠不是DSS運(yùn)行方式，APS同樣值得大力推廣應(yīng)用。
2.FCB
機(jī)組在高于鍋爐*低穩(wěn)燃負(fù)荷工況下正常運(yùn)行時(shí)，因汽輪發(fā)電機(jī)組（內(nèi)部）或電網(wǎng)（外部）突發(fā)故障造成發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)解列，甩掉全部對(duì)外供電實(shí)發(fā)功率，但鍋爐尚未發(fā)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(fā)電機(jī)解列帶廠用電”或“停機(jī)不停爐”運(yùn)行方式且過(guò)程中能確保熱力參數(shù)不超過(guò)保護(hù)動(dòng)作值的超馳控制功能。過(guò)往FCB的實(shí)踐充分證明，F(xiàn)CB“功在電網(wǎng)、利在電廠”。在電網(wǎng)出現(xiàn)大面積停電事故時(shí)，發(fā)電廠利用FCB功能“保廠用電” 維持“孤島運(yùn)行”，有助于電網(wǎng)在*短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常供電，其社會(huì)效益無(wú)法用簡(jiǎn)單的數(shù)字來(lái)估量，更有利于電廠提高機(jī)組運(yùn)行**水平、降低運(yùn)行成本、延長(zhǎng)機(jī)組壽命、防止超臨界直流爐爆管以及提升機(jī)組的節(jié)能效果。
3.先進(jìn)控制的特點(diǎn)
DCS邏輯引入智能化模塊，在模擬量自動(dòng)調(diào)節(jié)（MCS）回路中已經(jīng)**采用“傻瓜自動(dòng)”，在開(kāi)關(guān)量順控控制（SCS）中也全部應(yīng)用了“一指聯(lián)鎖”，針對(duì)電廠特有的“復(fù)變參數(shù)”環(huán)境，采用了“交叉引用、條件自舉”控制策略，實(shí)現(xiàn)了熱工控制系統(tǒng)的“一鍵啟停”。
近些年來(lái)，在世界范圍內(nèi)，許多國(guó)家都在火力發(fā)電廠燃煤機(jī)組招標(biāo)技術(shù)規(guī)范中明確了APS和FCB作為熱工自動(dòng)控制的必備功能，列入機(jī)組商業(yè)運(yùn)行的考核項(xiàng)目，足以見(jiàn)得各國(guó)對(duì)燃煤機(jī)組APS的信任程度，形成一種應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)的潮流，同時(shí)也表明APS和FCB已經(jīng)是一種非常實(shí)用的控制技術(shù)。
二、國(guó)內(nèi)DCS應(yīng)用現(xiàn)狀
那么國(guó)內(nèi)電廠DCS應(yīng)用控制的現(xiàn)狀是怎樣的呢？控制理念、邏輯策略和應(yīng)用軟件仍停留在上個(gè)世紀(jì)八十年代初的水平。
1.設(shè)備聯(lián)鎖
絕大多電廠聯(lián)鎖設(shè)備的運(yùn)行、備用和聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)的投、切以及狀態(tài)監(jiān)測(cè)、判定等相互關(guān)聯(lián)的一系列操作都由人工完成。設(shè)備聯(lián)鎖人工投入時(shí)，①手動(dòng)啟動(dòng)**臺(tái)設(shè)備，② 待工藝參數(shù)穩(wěn)定，再手動(dòng)合閘聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)，**臺(tái)設(shè)備投入聯(lián)鎖備用。切除時(shí)，③停止在運(yùn)設(shè)備前，人工先行手動(dòng)斷開(kāi)聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)，切除備用設(shè)備聯(lián)鎖，④ 手動(dòng)操作停止在運(yùn)設(shè)備。這是軟鍵盤(pán)的操作硬開(kāi)關(guān)的策略。
2.模擬量自動(dòng)調(diào)節(jié)
自動(dòng)調(diào)節(jié)回路“手動(dòng)／自動(dòng)”的投切、調(diào)節(jié)器“手動(dòng)”投“自動(dòng)”之前調(diào)節(jié)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(dòng)單元組合儀表時(shí)代的操作沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，只不過(guò)操作平臺(tái)換成了DCS。
3.順序自動(dòng)控制
SCS順控與MCS調(diào)節(jié)分別自成體系獨(dú)立存在，相互間缺失邏輯交集，步進(jìn)過(guò)程中開(kāi)關(guān)量自動(dòng)控制和模擬量手動(dòng)操作各行其是，形成不了有機(jī)關(guān)聯(lián)的整體而降低了自動(dòng)控制性能。順序控制、自動(dòng)聯(lián)鎖和自動(dòng)調(diào)節(jié)共處同一工藝系統(tǒng)時(shí)，在順序自動(dòng)控制進(jìn)程中，自動(dòng)聯(lián)鎖和自動(dòng)調(diào)節(jié)的投、切時(shí)機(jī)要依靠操作人員來(lái)觀察、判定，并只能伴隨著順序控制的自動(dòng)步序人工伺機(jī)手動(dòng)操作，把自動(dòng)聯(lián)鎖和自動(dòng)調(diào)節(jié)工作方式由“手動(dòng)”轉(zhuǎn)向“自動(dòng)”，手動(dòng)操作與自動(dòng)順序控制形成了“混搭”現(xiàn)象，既降低了工藝系統(tǒng)的自動(dòng)化水準(zhǔn)，又給系統(tǒng)控制**帶來(lái)不確定的風(fēng)險(xiǎn)。
4.熱工系統(tǒng)“一鍵啟停”
由于以上1.2.3.三方面應(yīng)用軟件的缺陷和不足，目前電廠熱工控制系統(tǒng)尚不能實(shí)現(xiàn)“一鍵啟停”。
5.APS
熱工系統(tǒng)“一鍵啟停”是實(shí)現(xiàn)APS的基礎(chǔ)，沒(méi)有基礎(chǔ)，無(wú)法構(gòu)建APS。
6.FCB
多年來(lái)，在控制理念方面存在較大錯(cuò)誤認(rèn)知，設(shè)備配置等方面受某些進(jìn)口機(jī)組誤導(dǎo)，300MW等級(jí)及以上容量機(jī)組的FCB基本上處于空白狀態(tài)。
三、先進(jìn)控制推進(jìn)規(guī)劃
總體的指導(dǎo)思想：明確目標(biāo)、**規(guī)劃、夯實(shí)基礎(chǔ)、分步實(shí)施。
1.目標(biāo)與規(guī)劃
充分利用DCS硬件優(yōu)勢(shì)，正確把握當(dāng)代科技發(fā)展動(dòng)向，對(duì)標(biāo)先進(jìn)工業(yè)國(guó)家電廠先進(jìn)控制水平，結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，功夫下在應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)研制上，APS和FCB雖然是一個(gè)復(fù)雜的熱工控制系統(tǒng)，但APS和FCB也有自己的形成過(guò)程，只要找出APS和FCB的內(nèi)在的特性和規(guī)律，合理規(guī)劃APS和FCB的設(shè)計(jì)和實(shí)施計(jì)劃，完全可以事半功倍。力爭(zhēng)在三到五年時(shí)間能夠成功地**應(yīng)用APS和FCB，實(shí)現(xiàn)電廠的“先進(jìn)控制”。
2.分步實(shí)施
(1)智能化模塊攻關(guān)
主要包括以下基礎(chǔ)智能模塊和邏輯：
1）模擬量三態(tài)式切換邏輯；
2）超馳糾偏邏輯；
3）開(kāi)關(guān)量設(shè)備的本安開(kāi)關(guān)邏輯；
4）缺省自動(dòng)選擇器邏輯；
5）開(kāi)關(guān)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(gòu)建應(yīng)用邏輯
1）模擬量“傻瓜自動(dòng)”
模擬量自動(dòng)調(diào)節(jié)回路“三態(tài)式自舉切換”，采用控制裝置品質(zhì)條件以及工藝設(shè)備狀態(tài)條件自舉轉(zhuǎn)換自動(dòng)調(diào)節(jié)回路的工作方式，與“超馳糾偏”無(wú)縫銜接，模擬量調(diào)節(jié)回路從手動(dòng)到自動(dòng)的過(guò)程只需經(jīng)過(guò)一次人工操作，后續(xù)的控制都由算法邏輯自動(dòng)完成，我們稱這種智能化、人工操作簡(jiǎn)便的MCS為“傻瓜自動(dòng)”。一臺(tái)600MW等級(jí)的燃煤機(jī)組大約有110個(gè)模擬量自動(dòng)調(diào)節(jié)回路。
2）開(kāi)關(guān)量“一指聯(lián)鎖”
自動(dòng)聯(lián)鎖要具備聯(lián)鎖設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、判定的“思維”能力和“聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)投、切” 的自動(dòng)操作，還應(yīng)具備在運(yùn)設(shè)備記憶、電氣聯(lián)鎖、熱工聯(lián)鎖、異常自檢等功能。人工操作也簡(jiǎn)化成一次完成，如同操作一部“傻瓜相機(jī)”。我們定義這種自動(dòng)聯(lián)鎖為“一指聯(lián)鎖”。
(3)熱工控制系統(tǒng) “一鍵啟停”
1）鍋爐SCS
規(guī)劃有①鍋爐給水、②給水泵小汽機(jī)潤(rùn)滑油油／蒸汽、③鍋爐風(fēng)煙、④鍋爐一次風(fēng)、⑤鍋爐爐水循環(huán)泵、⑥鍋爐排空氣與疏水、⑦輔助蒸汽、⑧輕油、⑨鍋爐燃燒器管理系統(tǒng)（BMS）等共9個(gè)系統(tǒng)。BMS內(nèi)含鍋爐制粉系統(tǒng)的“一鍵啟停”。
2）汽機(jī)SCS；
規(guī)劃有：① 汽輪機(jī)凝結(jié)水系統(tǒng)、② 循環(huán)水／閉式冷水系統(tǒng)、③ 汽輪機(jī)凝汽器真空系統(tǒng)、④ 低壓給水加熱系統(tǒng)、⑤ 高壓加熱給水系統(tǒng)、⑥ 汽輪機(jī)盤(pán)車系統(tǒng)、⑦ 汽輪機(jī)透平油系統(tǒng)、⑧ 汽輪機(jī)疏水系統(tǒng)、⑨ 發(fā)電機(jī)輔助系統(tǒng)等9個(gè)系統(tǒng)。
3）機(jī)爐輔助系統(tǒng)
除參與APS以外的鍋爐、汽機(jī)輔助系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量控制。
(4)構(gòu)建APS與FCB
1）構(gòu)建APS
有了模擬量調(diào)節(jié)M/A站的“三態(tài)式”切換+PID調(diào)節(jié)器的“超馳糾偏”，就有了MCS的“傻瓜自動(dòng)”。有了開(kāi)關(guān)量控制的“本安操作開(kāi)關(guān)”+“缺省自動(dòng)選擇器”，就有了SCS的“一指聯(lián)鎖”。有了MCS的“傻瓜自動(dòng)”和SCS的“一指聯(lián)鎖”，就能實(shí)現(xiàn)程序控制的“一鍵啟停”。有了程序控制的“一鍵啟停”，就有了構(gòu)建APS的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，APS也就水到渠成。
2）構(gòu)建FCB
FCB實(shí)現(xiàn)兩種控制功能：
① 機(jī)組負(fù)荷高于35％ECR（或不投油穩(wěn)燃負(fù)荷+5%ECR），汽輪機(jī)因故障跳閘，但鍋爐沒(méi)有MFT，停機(jī)不停爐。因機(jī)組內(nèi)部原因引發(fā)汽機(jī)跳閘而觸發(fā)FCB動(dòng)作。
② 機(jī)組負(fù)荷高于35％ECR（或不投油穩(wěn)燃負(fù)荷+5%ECR），發(fā)電機(jī)因故障解列，但汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速仍高于2950rpm，且鍋爐沒(méi)有MFT，發(fā)電機(jī)解列帶廠用電。因電網(wǎng)故障造成發(fā)電機(jī)解列觸發(fā)FCB。
建議采用“排導(dǎo)法”實(shí)現(xiàn)FCB。汽輪機(jī)宜配備容量40%MCR汽機(jī)高旁+45%MCR低旁，鍋爐配備32%MCR過(guò)熱器PCV閥。PCV閥安裝在鍋爐過(guò)熱器聯(lián)箱出口蒸汽管道上，開(kāi)閥即泄壓；方式簡(jiǎn)單，過(guò)熱蒸汽直排大氣，無(wú)需減溫，此為“排”。接到FCB指令立刻開(kāi)啟汽機(jī)旁路，則為“導(dǎo)”。鍋爐PCV閥和汽機(jī)旁路閥的合力“排導(dǎo)”用于抑制機(jī)組＞75ECR時(shí)的鍋爐壓力飛升，負(fù)荷低于75％BMCR， PCV閥無(wú)須“排”，只用汽機(jī)旁路的“導(dǎo)”，因?yàn)殄仩t有足夠的壓力飛升空間。
3.關(guān)鍵技術(shù)拓展
(1)給水系統(tǒng) “一鍵啟停”
鍋爐給水系統(tǒng)從啟動(dòng)到停止，調(diào)動(dòng)幾十臺(tái)套特性各異的設(shè)備，歷經(jīng)十多種工作方式轉(zhuǎn)換，有的過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，有的則相當(dāng)復(fù)雜。能實(shí)現(xiàn)“一鍵啟停”、“投后不管”這種近乎“傻瓜”機(jī)的操作，也絕非運(yùn)行規(guī)程的原版照排，控制邏輯已經(jīng)具備判斷進(jìn)程方向、路徑，決定進(jìn)退、轉(zhuǎn)轍的“自主思考”能力。在APS的導(dǎo)引下，成功實(shí)現(xiàn)“一鍵啟停”的鍋爐給水系統(tǒng)無(wú)論在啟停的**性、快速性、重復(fù)穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等方面明顯高于人工操作，雖然人工操作遵循了操作規(guī)程，人具有智慧，但人工只能串行操作，DCS可以并行控制，各有所長(zhǎng)。不過(guò)，這還只是能力大小的范疇。若賦予DCS起承轉(zhuǎn)合、自主決策的思維程式，哪怕是簡(jiǎn)單的智能邏輯算法，控制功能都會(huì)獲得極大地?cái)U(kuò)展和提升。欲解決復(fù)雜的問(wèn)題，簡(jiǎn)單地采用傳統(tǒng)自動(dòng)化的方法已無(wú)力應(yīng)對(duì)，采用更高一籌的智能化控制是解決問(wèn)題的有力工具。“三態(tài)式”模擬量調(diào)節(jié)、缺省自動(dòng)選擇器、給水泵并/解列糾偏以及給水泵系統(tǒng)啟停的整體統(tǒng)籌是給水系統(tǒng)“一鍵啟停”的核心技術(shù)。
(2)鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)“一鍵啟停”
鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)中含有8套自動(dòng)聯(lián)鎖，工作是缺省聯(lián)鎖自動(dòng)狀態(tài)。模擬量調(diào)節(jié)應(yīng)用“一次硬操作、兩次軟邏輯”的功能，在“設(shè)備靜止”狀態(tài)，調(diào)節(jié)回路就可以工作在自動(dòng)方式，DCS邏輯進(jìn)行判斷，熱工裝置符合要求，進(jìn)入Stand-By，工藝系統(tǒng)滿足要求，投入自動(dòng)。開(kāi)關(guān)量和模擬量信號(hào)交叉引用、互為因果，兩者融為一體實(shí)現(xiàn)程序控制。順序控制和模擬量調(diào)節(jié)無(wú)縫銜接，超馳控制，自動(dòng)糾偏，鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)完成“一鍵啟停”。
(3)鍋爐制粉系統(tǒng)“一鍵啟停”
鍋爐制粉系統(tǒng)被控對(duì)象既有開(kāi)關(guān)量又有模擬量，控制方式既有順序控制又有回路自動(dòng)調(diào)節(jié)，并且設(shè)備順序啟停過(guò)程中，模擬量自動(dòng)調(diào)節(jié)也在適時(shí)投入工作。所以，我們把鍋爐制粉系統(tǒng)控制定義為：復(fù)變參量程序控制。制粉系統(tǒng)一鍵啟停的識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)是：
1） 模擬量自動(dòng)調(diào)節(jié)回路須能從工藝系統(tǒng)停止?fàn)顟B(tài)至設(shè)備正常運(yùn)行“自舉自動(dòng)”。調(diào)節(jié)器定值隨動(dòng)給定、偏差自動(dòng)糾偏，從開(kāi)環(huán)控制自動(dòng)地投入閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)，設(shè)備啟動(dòng)前調(diào)節(jié)回路即可投入自動(dòng)。
2） 開(kāi)關(guān)量設(shè)備在設(shè)備級(jí)須有手動(dòng)操作和自動(dòng)控制兩種工作方式。杜絕順序控制過(guò)程中的手動(dòng)/自動(dòng)混搭現(xiàn)象，確保自動(dòng)控制功能本質(zhì)**。
3） 開(kāi)關(guān)量設(shè)備冗余聯(lián)鎖須智能選擇、自動(dòng)投入和切除，自動(dòng)聯(lián)鎖投入時(shí)機(jī)應(yīng)在設(shè)備啟動(dòng)前。
如果換一種說(shuō)法，就是一旦按下制粉系統(tǒng)程序控制的“啟動(dòng)”或“停止”按鈕，一切皆由自動(dòng)裝置（DCS）自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)，運(yùn)行操作人員只需動(dòng)眼無(wú)須動(dòng)手，制粉系統(tǒng)即可設(shè)備啟動(dòng)、鋪煤、制粉乃至吹掃，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程、全工況、全自動(dòng)運(yùn)行。
