粤电新会电厂燃机APS规划与设计（一）

来源：北极星电力网发布时间：2022-11-21 09:30:03

欲设计出一套实用的APS（APS-Automatic Procedure Start-up／Shut-down）控制系统，必先做好APS规划，APS规划之前需详细知晓机组的设备技术规范，充分掌握机组的启、停操作和运行特点。当然了，DCS（Distributed Control System）是热工专业人员必须精通的。APS规划的主要工作，一是确定设备的管辖范围，二是确定功能作用区间，三是制定控制策略。

首先我们要明确，APS是为了因应机组DSS（Daily Start-Stop，每日启停）运行方式产生的控制功能， DSS运行方式的机组对电网来讲，必定在备用状态，清楚这一点非常重要。备用状态的机组，电网指令启动要立即响应。备用机组按热力参数划分有冷、温、热态之别，比如，汽轮机工作状态参照点（本文的汽轮机选择高中压缸下半部内缸壁温）的温度＜150℃为冷态；≥150℃＜400℃为温态；≥400℃为热态。这里必须说明，备用机组的冷态和机组检修后的“冷态启动”有本质的区别，相同的是汽轮机工作状态参照点的温度都＜150℃，不同的是，备用机组在冷态下，机组还有相当数量的辅助系统仍然在运行中，比如空压机系统、汽机供油系统、发电机的辅助系统等，APS管辖的设备处在随时可以“即时”启动的状态。而机组检修后的冷态启动也可以称为“冷态”，但机组的设备启动要从最基础的“检查”开始，此“冷态”与备用机组的“冷态”大相径庭。这个概念搞不明白，非常容易把APS的规划带偏方向。

(资料图)

其次，我们也要强调APS管辖的设备范围不是无限和无规范的，如果把诸如化学制水、空压机等都纳入APS控制范围，APS就真的管出圈了。关于APS的控制功能，严谨的定义是：在规定的负荷区间内分阶段自动程序控制递进导引热控系统启、停备用机组。直白地说，就是只管备用机组的启机和停机。机组正常运行期间，有CCS、AGC等功能主导机组控制，APS已经在指定的负荷点退出，转为休眠。

了解机组的设备技术规范是规划APS的第一步。新会电厂为燃气—蒸汽联合循环机组，燃气轮机和蒸汽轮机分别各自拖动一台发电机，联合循环功率450MW（ECR）。燃气轮机由美国通用电气（GE）提供，PG9371FB型多级轴流式，燃用天然气，燃机功率314MW，点火转速420rpm，自持转速2400rpm，燃机排气温度640℃，IGV开度88°～21.5°连续可调。蒸汽轮机由哈尔滨汽轮机厂（HTC）制造，N150/C120-11.00/3.30/0.43/1.40 型，三压、再热、两缸、抽凝式汽轮机，额定功率151.29MW（纯凝），120.82MW（抽汽）。余热锅炉由东方菱日（MHDB）生产，MHDB-PG9371-Q1型，三压、再热、无补燃、卧式、自然循环余热锅炉，烟囱高度80m。QFN-353-2型燃机发电机额定功率300MW，氢气冷却；QF-150-2型汽轮发电机150 MW，空气冷却。燃气轮机控制装置随机配套，GE公司的MARK-Ⅵe。余热锅炉、汽轮机和电厂主要辅机的DCS选用艾默生的OVATION。

掌握机组的运行操作是规划APS的必修课，主要依据是机组的运行规程和机组启、停操作票。同时要全面、深入征询运行人员实际的操作方式，集思广益，往往能获取意想不到的控制技巧。作为提醒，APS有自己完整、独立的控制策略，机组运行规程或启、停工作票也只是形成APS控制功能的要素之一。设计APS离不开运行规程或机组启、停工作票作为参考，但如果把其当做设计APS的指导，绝对是一种“舍本逐末”做法。机组的运行规程基本上都是按人工操作的步骤编写的，用于规范人工操作。人工操控设备只能按次序一台一台的来，这叫串行操作。APS 依托的是以3C（Computer-计算机、Communications-通信、Control-控制）技术为核心的计算机集散控制系统—DCS，发出一条指令即刻同时启动设备几台、十几台乃至几十台不等，所谓的并行操作，或多线程控制。简单的参考机组运行规程和操作票把APS搞成“电子规程”或“大顺控”，不能不说是偏离了APS原有的功能规范。设计APS要应用现代控制理论充分发挥DCS特长优化设备操控而形成 APS 的控制策略才是正确的方法。

制定APS控制策略之前要对机组工艺系统进行划分和定义。机组设备按照工艺流程，分为机组主设备，如汽轮机、锅炉和发电机。机炉主要辅机，如锅炉给水泵，汽轮机凝结水泵、真空泵等。机组的辅助系统，如汽轮机疏水、锅炉疏水排汽放空、发电机定子冷却水和氢气冷却/密封系统等等。还有一些是机组的公用系统，比如辅助蒸汽、冷却水、压缩空气等。我们把单体装置，如阀门、挡板、变频器、风机与泵等定义为“设备”。把机组的辅机与之运行关联的阀门、挡板、油泵或冷却风机等附属设备的组合定义为“单元”。把机组一个完整的工艺流程的设备集合定义为“系统”。据此，热工控制就可以划分出三个层级，设备级（Drive），直接控制对应设备；单元控制级（Subgroup），仅针对单一的顺序控制；系统控制级（Function group）,含有多个单元控制和专用热工装置的集合。在三层热工控制之上设计有APS的导引层，就构建了APS的逻辑体系。

APS功能策略是有国际技术规范的，要追溯到上个世纪的八十年代，最早出现在先进工业国家基于DIA（数字智能自动）理念设计的燃煤机组自动程序启、停控制。 1999年，引进机组配置的具有国际规范的APS在国内投运至今，自动投入率100%，利用率100%。进入二十一世纪，全球范围内火电机组招标，绝大多数国家招标书上都开列了机组APS的技术规范。新会电厂的APS项目，结合燃气—蒸汽联合循环机组的运行特点，全面接轨国际先进技术规范，遵从国际上通用的APS标准对项目进行规划并展开设计。

APS在设备选择方面遵循 “集中连贯、效率优先”原则，首先考虑在机组启、停时，那些操作量大，需要反复启停操作的设备。评判哪些设备纳入APS，一个简单有效的方法就是在机组停机备用后，温态态下再次启动，此时需要启动的设备都可以利用APS进行控制。而一次启动后，机组备用也无须或不允许停运的系统则单独控制，没有必要纳入APS。比如辅助蒸汽系统、空压机系统、发电机氢冷系统等。APS导引热工控制系统启动机组，纳入APS的系统必须有取有舍，设计APS的目的就是要在机组启停过程中，特别在启动过程中省却大量的人工操作，优先考虑那些操作反复、启停先后连贯、设备数量多的工艺系统，利用APS代替人工操作，体现出计算机辅助操作的优势，而那些只有当机组全停检修时才需要隔离操作的装置或系统，没有参与APS的必要，否则，反而降低了APS的使用效果。

APS系统逻辑结构采用纵、横制设计。导引层横向为菊花链拓扑，若干个独立的节点主控器次第连接，构成APS控制系统，每个节点 “一键启停”控制机组的一个阶段，阶段之间首尾衔接，按条件逻辑递进。APS纵向分为四个层级，从一级向上至四级，按功能划分为单体设备操作、单元顺序控制、系统程序控制和APS节点程序控制。每个阶段以节点开始，设置若干步序，控制相关系统和设备的启停。机组启动或停止阶段的数量决定了APS分布式主控器的多少。APS分布式主控器根据实时获取的机组运行状态和参数决定机组启动或停止的阶段、策略和步序。

APS系统控制机组启动或停止，采取分段进阶方式，APS进阶按机、炉、电工艺系统运行特性以及充分发挥DCS功能特点的原则划分阶段，并非完全照搬人工手动启动、停止的操作顺序，经过统筹优化而形成APS程序控制，在启停顺序和方式上会与人工操作有所不同。新会电厂APS机组启、停规划为8个阶段，机组启动4个阶段（参阅图1）：

1)节点BP01—辅机启动；

2)节点BP02—燃机启动；

3)节点BP03—汽机冲转；

4)节点BP04—机组升负荷。

图1 APS启机架构框图

图2 APS停机架构框图

机组停止4个阶段（参阅图2）：

1)节点BP51—机组降负荷；

2)节点BP52—停机熄火；

3)节点BP53—真空破坏；

4)节点BP54—闷炉。

图3 APS启机操作画面