某電廠燃煤機組風煙系統APS功能設計及應用

陳節濤,吳爾夫,馮志祺,張 林,周傳杰

(國能長源漢川發電有限公司,湖北 孝感 431614)

0 引言

由于規模化新能源并網消納,頻繁、巨大的峰谷差需要火電機組進行深度調峰,而電煤價格偏高,使大型燃煤機組正面臨如何實現更高效、更智能的問題[1]。

我國自20世紀90年代引進分散控制系統DCS,經過近30年的消化、吸收、再創造,已逐步掌握了電廠熱工控制的關鍵技術。自動化水平的提高及發展使先進的智能化“一鍵啟停機”(automatic procedure start-up/shut-down,APS)控制技術得到應用。APS一般按照機組級、功能組級、子功能組級、驅動級從上到下4層結構進行設計[2-3]。

風煙系統APS控制開始于機組啟動準備階段的風組啟動(包含油站啟動),控制過程為依次啟動空氣預熱器、引風機、送風機;鍋爐點火前的爐膛吹掃;吹掃完成后的一次風機啟動;第2臺風機啟動及并列運行;各風機調節自動投入。風煙系統APS作為一個功能相對獨立且完整的系統,完全可以設計成一個功能級組實現自身系統的啟停和自動化控制,并納入整個機組APS控制體系,完成機組級協調功能組對其調用,共同實現機組全程自啟停控制[4]。

1 控制策略難點

某電廠風煙系統主要由2臺三分倉回轉式空氣預熱器,2臺動葉可調軸流式送風機、2臺動葉可調軸流式引風機、2臺入口擋板可調離心式一次風機、配套的密封風機及油站構成,采用平衡通風方式,煙道和風道均沿鍋爐兩側對稱布置。機組運行近30年,沒有按照APS要求進行設計,油系統、冷卻水系統等存在很多手動門,必須經運行人員就地檢查確認設備狀態并操作。為保證APS連貫性,需將運行規程和操作票中的大型設備啟動前的檢查確認項目單獨設置條件檢查確認步序。

APS具體實施不具備通用性、可移植性,需結合電廠設備實際運行情況,考慮設備啟動、停止、運行、故障等各種情況,自動根據設備的工況和狀態,選擇相應的程序、步驟,觸發相應的指令和報警。實施過程中DCS工程技術人員需要結合運行經驗,融入設備典型運行方式和異常處置等典型工況。

APS設計調試工期較緊,該電廠在機組A級檢修的常規DCS改造中同步實施APS,相關控制邏輯及畫面的設計和確定時間為1～2個月,期間還有設備調試、試驗驗收等工作,時間較為緊張。這就要求強化邏輯審核,不僅能進行正確組態,同時預留一定接口,作為緊急情況或故障狀態下干預的手段[5-9]。

2 控制策略設計

2.1 順序控制設計

由于風煙系統除空氣預熱器、送風機、引風機、一次風機等,還有配套的密封風機及油站、風門擋板等。設計原則根據主體設備實際情況,結合工藝流程順序逐步實現成套設備的啟停和控制。按照控制系統分層分散的設計原則將順序控制設計為功能組級、子功能組級、驅動級[10-11]。

a. 驅動級

驅動級具體執行控制指令,包括設備啟停的允許條件判斷,接受上級設備給出的備用投退、聯鎖啟停、保護動作等控制指令來驅動設備。主要設備為6 kV電動機、380 V油泵、開關型風門擋板的電動執行器等。

b. 子功能組級

將風煙系統分為空氣預熱器子功能組、送風子功能組、引風子功能組、一次風子功能組。以空氣預熱器A子功能組啟動順序控制為例,其作用為協調重要輔機及其配套的油站油泵、進出口擋板、動葉等設備執行命令,如圖1所示。

圖1 空氣預熱器A子功能組

c. 功能組級

風煙系統以功能組作為最高控制層,既能對風煙系統各階段運行工況進行全面監視,還能根據設備實際狀況并結合風煙系統啟停過程中不同階段的需要,向各子功能組發出控制命令,協調各子功能組間的控制。保證在完全不用人工干預或少量人工干預的情況下,完成系統設備全程自動啟停,還要協調與模擬量控制系統中的相應調節自動投入、超馳保護接口的聯系,最終實現全過程自動。風煙系統功能組充分考慮機組的各種運行工況,提供了單側空預器運行、A引B送、B引A送交叉運行等功能選項,運行人員可靈活選擇單側運行或雙側運行,功能組將根據組合情況自動調用相關子功能組。

2.2 自動調節回路設計

引風機子功能組全程自動相對較為簡單,只是簡單的爐壓定值控制。原有單元機組爐壓引風、送風氧量等重要的MCS回路均設計有完整的設備初始設定值和超馳回路,投入自動前,將接受FSSS或SCS發出的聯鎖置位指令,將 MCS輸出置為安全或初始位置[12]。APS對引風機干預主要在于啟動初期“動葉置0%”、“調平A、B引風機動葉”和“投入風機動葉自動”。

送風機子功能組改變在于設置相應的切換回路,用來實現機組帶負荷后采用經燃料指令函數生成的風量指令,再經過氧量校正形成總風量指令。一次風機存在工頻和變頻2種運行方式,風機啟動采用工頻啟動,通過入口擋板來進行調節,正常運行時采用變頻自動控制,需將擋板自動切置手動控制。為維持一次風母管壓力,APS自動將燃料量對應的函數值作為設定值。引風機啟動、送風機啟動過程中,都涉及動葉調平和動葉調節投自動的問題。增設APS后,需要考慮第2臺風機并入系統時的調平問題,以保證邏輯按照設計步序自動執行。

表1的第32步和第38步,以雙側風機運行,A引B送APS順控啟動為例,當啟動A引B送順控時,B引風機已經在運行,執行以下調平步序:將A引風機動葉指令加2%,同時將B引風機動葉指令減2%,等待2 s;然后A引風機動葉指令加2%,B引風機動葉指令減2%,直至A、B引風機動葉指令和反饋偏差小于2%結束。當啟動A引B送時,A送風機已經在運行,執行以下調平步序:將A送風機動葉指令減2%,將B送風機動葉指令加2%,等待2 s;然后繼續A送風機動葉指令減2%,B送風機動葉指令加2%,直至A、B送風機動葉指令和反饋偏差小于2%結束。

表1 A引B送APS順控啟動部分步序

A、B一次風機APS順控啟動部分步序如表2所示。第20步,2臺一次風機調平步驟是首先判斷2臺風機電流偏差是否小于5 A,當小于5 A時,2臺風機同時加5%的指令,延時30 s,判斷電流偏差是否小于5 A,如果小于5 A,則繼續同時加5%的指令,如果大于5 A,就把電流小的風機指令加上3%,延時30 s后,再判斷電流偏差是否大于5 A,持續按上述電流偏差判斷逐步相加,一直調平到母管風壓大于設定值且2臺一次風機電流偏差小于5 A時結束。

表2 A、B一次風機APS順控啟動部分步序

3 人機接口界面設計

a. 充分考慮冷卻工業水進、出口手動門,潤滑油回油流量等運行規程和操作票中的大型設備啟動前檢查確認項目,單獨設置為條件檢查確認步序。

b. 充分考慮APS程序在執行過程中可能存在的設備故障或測點故障等情況,嚴重威脅設備安全的應設置自動復位,程序中斷并自動返回到安全狀態,并給出光字牌和畫面報警提示運行人員處置;還應考慮對系統當前安全運行狀況無影響時,程序暫停保持當前狀態,同時給出報警提示,經運行人員手動確認后,繼續或跳步處理。

c. 充分發揮運行人員的主觀能動性,按運行人員操作習慣對操作畫面、提示窗口、報警信息進行合理布局,使操作界面簡潔明了,讓運行人員能及時發現和處理問題[13-16]。

人機交互界面由啟動允許條件窗口、操作區、步序執行區、APS狀態顯示區4部分組成,可實現復位、跳步等功能,也能讓整體步序、當前執行步序和時間等狀態清晰,如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 A空預器啟動子功能組窗口

圖3 A引B送啟動子功能組窗口

圖4 A、B一次風機啟動子功能組窗口

4 結語

某電廠燃煤機組風煙系統APS在檢修完成后機組啟動時成功應用,爐壓、風量調節品質滿足規程要求,標志著風煙系統功能組真正實現了全程自動控制,為后續機組級APS實施奠定了堅實基礎。在考慮好設計規范性、通用可移植性、設備可靠性等問題后,APS能極大減少機組啟停時間,減輕運行人員工作強度,使電廠運行更加高效。