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案例頻道 1. 項目背景介紹
發電機組自啟停控制系統（APS）就是將全廠的主、輔機連貫起來，以最有效、最可靠、最合適的操作方式組合成控制程序，由電子計算機不斷執行、判斷，去完成全廠的機組啟停任務。APS能有效簡化操作、降低勞動強度、減少誤操作、縮短啟停時間、減小機組壽命消耗，提高機組運行的安全性、可靠性和經濟性。因此，對發電機組，特別是大容量超超臨界發電機組的APS技術研究，是近年來電廠熱工自動化技術的一個研究熱點。由于超超臨界機組容量大、參數高、系統復雜，安全性問題突出，研究APS意義更加重大。
APS技術的研究，國外起步比較早，亞臨界機組已有實際的應用，國內個別由外國公司總承包的工程也有實現的例子，如由日本三菱公司總承包的珠海發電廠2×700MW亞臨界機組，就成功應用了APS。而對超超臨界機組的APS技術，國內、外多家研究機構一直都在研究這一課題，但由于一些技術難題未取得突破，在本項目之前，超超臨界機組還沒有APS應用的例子。
國內首臺百萬千瓦超超臨界機組于2006年11月在華能玉環電廠投入商業運行，截止到2007年底，共有6臺1000MW機組投入運行，但沒有一臺能夠實現APS。其中最大的困難在于：超超臨界機組參數高、耦合特性復雜、關聯性強，可控性差，實現全程自動控制困難。同時，鍋爐點火、投油和投煤粉，以及干濕態轉換、旁路轉換等過程的自動控制無法實現。另外，鍋爐給水、燃燒、機組負荷等的控制無法做到全程自動。
華能海門電廠一期工程2×1036MW超超臨界發電機組是廣東省電源建設重點項目和國家重點工程。為提高機組運行的可靠性、經濟性和自動化水平，項目組擬在華能海門電廠一期工程開展超超臨界機組APS技術的研究和應用。
從2008年初開始，項目組以華能海門電廠一期工程2×1036MW機組為研究對象，開展百萬千瓦超超臨界機組APS技術研究，對百萬千瓦超超臨界機組實現機組自啟停控制的技術難題進行重點攻關研究。
2. 項目目標與原則
以華能海門電廠一期2×1036 MW超超臨界機組為主要研究對象，開展百萬千瓦超超臨界機組APS技術研究及應用，對百萬千瓦超超臨界機組實現APS的技術難題進行重點攻關。解決超超臨界機組啟停過程復雜，無法實現啟停過程自動控制的難題；解決超超臨界機組特性復雜，可控性差，無法實現全程自動控制的難題；解決超超臨界機組一些特殊過程的強非線性，無法實現自動控制的難題，實現百萬千瓦超超臨界發電機組的APS功能，然后，推廣APS技術到其他機組的應用。
3. 項目實施與應用情況詳細介紹
本項目于2005年開始進行技術儲備，主要研究和消化國外亞臨界汽包爐火電機組的APS技術，并于2006年和2008年分別將APS技術應用于湛江奧里油發電廠工程和沙角C電廠控制系統改造工程。從2008年開始，本課題正式立項，以華能海門電廠一期2×1036 MW超超臨界機組為主要研究對象，開展百萬千瓦超超臨界機組APS技術研究及應用。
3.1 實施與應用的詳細情況
課題組的“百萬千瓦超超臨界機組自啟停控制技術研究及應用”研究成果，于2009年底，成功應用于華能海門電廠一期2×1036MW兩臺機組，實現了全廠所有熱工過程的全程自動控制；實現了鍋爐點火、投油和投煤粉、以及干濕態轉換、旁路轉換等過程的自動控制；實現了鍋爐給水、燃燒、機組負荷等的全程自動控制。兩臺機組自投產以來，機組每次啟停都采用了APS功能。
海門電廠應用課題組的研究成果后，大大減輕了機組啟停過程中的人工操作勞動強度、規范了機組啟停的操作程序、簡化操作、減少了誤操作的可能、提高了機組的整體安全性能，同時也縮短了機組啟停時間，提高了機組的經濟效益。機組啟動和停止過程中，鍋爐加熱膨脹和冷卻收縮均勻、汽輪機受熱和冷卻均勻，大大降低了機組啟停過程中的熱應力，減小了機組啟停過程的壽命消耗，延長了機組的壽命。機組多次的啟動和停止結果表明，采用APS能使機組啟動縮短約5小時、停機過程縮短約1小時。
海門電廠的給水全程控制、送/引風全程控制、燃料全程控制、負荷全程控制、除氧器水位及凝結水泵變頻控制等控制策略的應用，自動熱態清洗、干/濕態自動轉換、主汽溫控制等特殊控制技術的實施，機組在啟停過程中、以及正常運行過程中，始終保持各控制參數在最佳狀態，保證了機組的節能經濟運行，為機組的節能減排、低碳、經濟運行打下基礎。
研究成果不僅可在1000MW機組上應用，還可在600MW、300MW的新、老機組上推廣應用，目前該項目所涉及的技術已成功應用到廣東省湛江奧里油電廠2×600MW燃油機組、珠海金灣電廠2×600MW超臨界機組、沙角C廠1、2、3號機組（660MW）控制系統改造、汕尾電廠2×660MW超超臨界機組和江蘇省利港電廠4號機組（300MW）的自啟停控制系統中。
研究成果中的一些模塊化技術，例如全程給水控制技術、風煙系統全程自動控制技術、除氧器水位全程控制技術、燃料全程控制技術等，具有良好的推廣空間，這些模塊化的技術已成功應用到沙角A電廠、茂名5、6號機組、惠來電廠，效果同樣顯著。
3.2 突出項目創新性、重點與難點問題及解決思路等
針對本項目的重點和難點，提出以下創新性的技術，實現了機組自啟停功能。
一、提出一個適應百萬千瓦超超臨界機組特性的APS體系框架技術，解決超超臨界機組啟停過程復雜，無法實現啟停過程自動控制的難題。
超超臨界機組啟停過程復雜，操作的設備繁多，還有很多設備需要就地操作，同時現場設備情況復雜多變，有時還會遇到某些設備狀態反饋不正確、閥門開關不到位等故障，因此，機組每次啟停過程的操作順序都有可能不一樣，要實現全自動啟停控制是非常困難的。國內曾有按機組正常的啟停操作順序來設計APS控制程序的例子，結果由于控制程序太過死板，對現場設備要求太過苛刻，控制程序根本就無法運行，以失敗告終，并把失敗的原因歸咎于國產設備的質量。其實，APS沒能實現，還有一個重要原因是沒能找到一個合適的APS體系框架結構，致使控制程序靈活性不夠，通用性不強。
通過對超超臨界機組的運行特性進行分析研究，經過大量的實踐和試驗，并用仿真進行了測試，研究出一個適應超超臨界機組特性的APS體系框架技術，成功解決了百萬千瓦機組APS無法實現的難題！
(1)提出了一個能夠實現百萬千瓦機組APS的結構方式。采用了4層金字塔形結構，每層任務明確，層與層之間接口界限分明、結構清晰。采用這種結構，實現了SCS與MCS、FSSS等的整合、協調，靈活、安全、穩定，相對于按機組啟動順序的結構方式，能更好地解決問題，實現APS。
(2)針對百萬千瓦機組工藝流程，開發出具有容錯功能的系統功能組，容錯性適應各種工況條件，安全性高。(a)功能組每個指令完成的條件判斷是根據整個系統的狀態來綜合判斷，而不單是根據現場的反饋信號來簡單判斷，這樣更適合于中國的設備情況，系統的局部故障不會影響到系統的安全；(b)每個功能組的每一個指令的設計，均全面考慮到出現故障時的處理邏輯，確保系統運行的安全。而常規的功能組設計均是按正常情況下來考慮，若出現局部故障，均需要人手動操作來保證系統的安全，而采用本項目提出的容錯技術后，局部的故障無需人為干預，自動按最安全的方案進行處理，僅僅是發出報警，提示現場有故障；(c)不管現場的設備開始時處于什么樣的狀態，功能組都能啟動，而且是安全的，不用擔心會出現安全問題。如一個給水泵啟動功能組，在泵啟動過程中要先關出口門再啟動，功能組啟動前，若給水泵已被手動啟動運行，則功能組會通過判，自動跳過關門及已經運行的步驟，自動找到未完成的任務接著自動完成。而常規的功能組，則不允許啟動功能組，若啟動，由于沒有對這個給水系統進行綜合的判斷，會先關泵出口門，這樣就造成在運行的給水泵跳閘，危及機組安全；(d)機組運行時，運行人員只需看報警，無需擔心功能運行過程中會出現不穩定的發生。容錯性是保證安全的手段，只有安全得到保證，才能使功能組的運行是“真正自動”，無需人為監視。
(3)研究和開發了具有自適應控制功能的APS與SCS、MCS的接口技術，為實現全程控制打下了基礎。APS系統的成功投運，離不開各個功能組和MCS系統的協調動作、密切配合，各個系統共同完成。MCS系統與APS系統的接口設計關系到APS系統成功與否的關鍵。(a)實現與APS的接口，提出自動自舉的概念。即無論機組在運行狀態還是停機狀態，MCS系統所有調節系統都在自動位，等待工藝系統滿足需要調節時，自動系統才進行PID運算（自動控制方式AUTO CONTROL），否則處于預置值的跟蹤狀態（自動備用AUTO STANDBY），這種由自動系統自動進入PID調節而無需任何人為干預的控制方式轉換，稱為自動系統的自動自舉；(b)自動系統處于自動方式后，不論其在AUTO CONTROL還是AUTO STANDBY方式，都無需任何人為的干預，系統能自動滿足機組運行的需要；(c) 對于有兩臺設備同時調節一個參數時（如送風機、引風機、凝結水泵等），第二臺設備進入真自動時，則系統會緩慢將執行機構調平，在調平的過程中同時聯系過程控制量，若過程量偏差大則暫停，以實現平穩的調平過渡控制；(d) 對于給水泵較為重要和特殊性的設備，設計自動并泵/退泵控制回路，當給水泵需要并入或退出時，由并泵/退泵回路自動完成，而不是直接投入自動。并泵完成后自動投入M/A站自動，退泵完成后自動退出M/A站自動。
二、開發出百萬千瓦機組自啟停全程控制技術，解決了超超臨界機組特性復雜，可控性差，無法實現全程自動控制的難題。
火電廠熱工過程非線性嚴重，存在時變性，強耦合性和不確定性，超超臨界機組容量大、參數高、被控參數耦合特性更加復雜、相互間關聯性強，而且變化又很快，對象模型在機組啟停過程中變化特別大，可控性非常差，要實現全程自動控制非常困難，目前國內外也只能做到極為少數的系統實現全程控制，如給水全程控制，而本項目實現的整個熱工過程全程自動控制，這在國內外屬首次。每個自動回路都根據被控制對象特性相應采取了大量的容錯技術和一些先進控制技術，解決系統的穩定性問題，整個熱工過程在各種工況下控制穩定、安全可靠，調節品質高。
(1)開發了從鍋爐管道注水到機組帶滿負荷的給水全程控制技術。給水全程控制已經是一個非常古老的課題了，現在的火電機組無一例外地設計了給水全程控制系統，但由于設備選型限制及受機組自動化水平限制等種種因素，目前國內的給水全程控制系統，基本上都不能真正實現“全程自動”，或多或少地需要人為的干預。尤其是在機組啟動和停止過程中，往往需要專人來負責給水系統的操作，勞動強度大，有時干預不及時或操作不當，引起給水流量較大的波動，甚至造成機組跳閘事故。這在機組啟/停過程中的給水管路和閥門的切換、給水泵并列/解列等操作過程中尤為突出。本項目的給水全程技術，很好地解決了上述問題，實現了電泵控制系統的自動啟動和停運、汽動給水泵系統的自動啟動和停運，完成機組啟動過程中旁路給水調節閥、電泵轉速控制、電泵最小流量調節閥、主給水電動門、汽泵轉速控制、汽泵最小流量調節閥等多個設備的全程自動控制以及控制方式的自動轉換。主要特點：(a)在1000MW機組上實現真正意義上的與APS系統相融合的給水程控制，實現從鍋爐管道注水到機組滿負荷全程給水自動控制，無需任何的人為干預；(b)采取有效措施，實現了主給水管道采用電動閘閥的給水管道無擾切換；(c)成熟的、完善的、模塊化設計的給水泵無擾自動并列/解列技術，采用了自適應的并泵/退泵速率、流量偏置、再循環門和出水平衡等控制技術，很好地解決了并泵/退泵過程中的流量擾動問題，實現了又快又穩的并泵/退泵過程；(d)全程給水控制技術真正做到了“零手動”、“高品質”的要求，既提高了機組的自動化水平，也確保了機組運行的安全穩定。
(2)具有自動并退及出力自動平衡功能的送/引風全程控制技術。常規的送、引風控制系統，往往需要人工將送、引風機的動葉投入自動，還需要一定的人為干預（如進行設定值操作、手動調整出力平衡、手動調整偏置等），系統才能正常運行。而要實現APS功能，送、引風的控制必須是全程自動、無需任何人為干預就能正常投入運行，同時，也必須是安全和穩定可靠的。本項目的送/引風全程控制技術，很好地解決了上述問題，實現了送、引風機的自動并入和退出，無論在啟動還是停止過程中，過程參數均為閉環監控狀態，使得系統的啟動和停止過程平穩和安全可靠。實現兩臺風機運行時出力自動平衡功能，保證風機的安全運行。主要特點：(a)具有自動并、退功能，并退速度是自適應的閉環控制，非常安全和穩定； (b)風力出力平衡自動控制，全程無需運行人員設置偏置，真正做到了全自動； (c)考慮了許多防失速、防喘振的措施，還設計了引風控制的大偏差控制回路，保證爐膛負壓控制的穩定可靠。
(3)開發了從鍋爐點火到滿負荷運行的燃料全程控制技術。如何實現機組從點火初期到機組投協調控制（CCS）過程中燃料的自動增加和減少控制，以及降負荷過程中協調退出后燃料的減少是實現百萬超超臨界機組APS的一大難題。對百萬超超臨界機組的全程燃料控制策略進行了深入研究，提出了適用于與APS協調控制的從鍋爐點火到滿負荷燃料的全程自動控制策略，解決了這一重大難題，實現了從等離子點火、第一臺制粉系統啟動到滿負荷過程中燃料的自動增加及制粉系統自動啟動的全程控制。主要特點：平穩增加燃料，升溫、升壓非常平穩，鍋爐受熱膨脹平穩，減少了鍋爐的應力，效果非常好。
(4) 開發了機組負荷全程自動控制技術。負荷全程自動控制是APS的關鍵技術之一，目前國內成功實現的例子非常少，負荷全程自動控制的難點主要是在CCS投運前的負荷控制問題。目前現有的機組啟動、停止過程的升降負荷過程基本上是通過手動控制燃料的增減，使得負荷值的增長不穩定，不能很好地滿足機組升負荷的要求，經常會出現超溫、超壓等現象，有時還造成汽輪機加熱/冷卻過程不均勻，引起應力增大等問題。本項目優化高壓旁路壓力控制策略及提出新的升/降負荷控制策略，實現負荷全程自動控制，很好地解決了機組啟、停過程中的超溫、超壓的問題，升降負荷過程中，汽輪機的加熱、冷卻過程平穩。
(5) 開發了具有凝結水母管壓力自適應的除氧器水位全程控制技術等。發電機組將凝結水泵改造為變頻泵，節省了廠用電，已有很多成功的例子。但由于采用的控制方案仍有不少缺點和存在不少問題：1、凝結水調節閥無法全開，受凝結水用戶的限制；2、對凝結水調節閥指令函數進行整定，工作量大，運行中常常出現凝結水壓力波動大，需手動干預；3、為滿足工藝安全的需要，凝結水壓力整定得比較高，節流損失大，沒有充分利用變頻節能的潛力。如目前投運的1000MW機組為滿足工藝安全的需要，凝結水壓力整定為2.5MPa，且為開環控制，有時高達3.5MPa，浪費了大量的廠用電。本項目針對上述問題，對除氧器水平調節進行了全面的優化和完善，采用了凝結水母管壓力自適應的技術，實現了除氧器水平全程調節，同時解決了存在的問題，實現了在各個負荷段凝結水壓力均能保持穩定，而且降低到1.7MPa。與目前常用的控制方案相比，本項技術，既能保證除氧器水位和凝結水壓力的穩定，同時節能效果進一步提高，節能效果顯著。如在海電廠的應用中，凝結水母管壓力由原來的2.5MPa降至1.7MPa，在原來變頻已經節電的基礎上，可再節電240萬kwh/年；原設計在450MW以下才一臺泵運行，采用全程調節后，低于550MW即自動停一臺凝泵，節省廠用電80萬kwh/年。采用本項技術，實現了與APS的接口，全程維持著凝結水壓力穩定，保證系統安全運行，真正做到全程高品質自動調節，同時，最低的凝結水壓力設置又達到了最佳的節能效果。
三、提出百萬千瓦超超臨界鍋爐自啟停特殊過程的控制策略，解決了超超臨界機組一些特殊過程的強非線性，無法實現自動控制的難題。
目前，國內外超超臨界機組的一些特殊過程的自動控制一直都未能實現，這些過程的非線性特別強，大遲延特別嚴重，自動控制極易不穩定而發散，安全得不到保證。本項目對這些過程特性進行了大量的試驗和仿真，通過分析研究，每個自動回路都根據被控制對象特性相應采取了大量的容錯技術和一些先進控制技術，最終實現了這些過程的穩定、安全可靠的自動控制，解決了超超臨界機組特殊過程自動控制的難題。
(1)提出了采用BCP泵的鍋爐干/濕態轉換自動控制策略。直流鍋爐干/濕態轉換過程前后，控制對象的特性變化太大。如剛轉換到干態時，若鍋爐給水流量控制不好，極易造成干/濕態反復切換、或造成分離器入口溫度過高引發鍋爐壁溫超溫等異常情況。本項目采用自適應變參數、曲線函數純比例和模型參數預測等控制方法，把給水控制穩定，保證了干/濕態轉換的自動控制平穩。
(2)提出了給水、燃料和汽機旁路協調控制的鍋爐自動熱態清洗控制策略。自動熱態清洗全程自動，溫度和壓力穩定，效果顯著；采用給水、燃料、汽機旁路三者相互配合完成的熱態清洗，速度更快，效果更好，縮短了熱態清洗的時間。
(3)提出了具有減溫水、給水及煤水比相互協調的主蒸汽溫度控制策略。(a)針對超超臨界特性，設計的一個新型控制方法，采用減溫噴水閥作為聯絡信號，能始終保持噴水閥在最佳的調節位置，汽溫控制效果更加好。無論在何種工況，始終使燃料——給水平衡，使一、二級減溫水噴水閥在有效的調節范圍內，從而使主汽溫度始終受控，取得了很好的實際運行效果，在變負荷和各個負荷段內，汽溫控制都非常穩定。(b)采用了給水和鍋爐給煤量協同調節穩定分離器入口過熱度在正常的范圍內，有效防止屏過溫度超溫的現象。在進行RB試驗時，分離器入口過熱度始終保持穩定，相比之前的策略，效果非常明顯。(c) 對于直流爐，汽溫調節始終以維持燃水比為粗調，減溫水為精調。本項技術，將這一控制思想進行了升華，由鍋爐給水、減溫水、燃料三方相互協調，共同維持主汽溫度的穩定。
4. 經濟效益分析
本項目研究成果首次實現了百萬千瓦超超臨界發電機組的自啟停控制，從機組啟動準備階段的凝結水補水系統啟動開始，一直到機組滿負荷運行，以及從機組滿負荷到機組完全停止運行的過程，實現了“一鍵啟停”和全程自動控制，大大減輕了人工操作勞動強度、規范了機組啟停的操作程序、簡化了操作、減少了誤操作的可能、提高了機組的整體安全性能，縮短了機組啟停時間，提高了機組的經濟效益。同時，全程自動控制提高了機組的運行水平，降低了機組的發電煤耗和廠用電率。機組啟動和停止過程中，鍋爐加熱膨脹和冷卻收縮均勻、汽輪機受熱和冷卻均勻，降低了機組啟停過程中的熱應力，減小了機組壽命消耗，延長了機組的壽命；機組多次的啟動和停止結果表明，采用APS使機組啟動過程縮短約5小時、停機過程縮短約1小時；全程自動控制，機組在啟停過程中、正常運行過程中以及負荷調節的動態過程中，始終保持各控制參數在最佳狀態，保證了機組的經濟運行，為節能減排、低碳、經濟運行打下基礎。而沒有應用APS的超超臨界機組，啟停過程需要大量的人工操作，操作項目繁多，判斷條件繁多，人工的勞動強度高，久而久之，誤判斷、誤操作常常發生，安全得不到保證；同時，由于人工操作的隨意性，鍋爐、汽機膨脹/冷卻過程不均勻，增加壽命消耗；另外，沒有全程自動控制，參數偏離設計值較大，增加了機組的煤耗和廠用電率，經濟性能較差。
目前國內1000MW超超臨界機組額定工況穩定運行供電標準煤耗已經達到國際水平。但機組實際運行過程中，需要參與電網負荷調節，則實際煤耗仍然較高，離國際水平還有一段很大的差距，這主要是由于機組參與負荷調節的動態過程中，機組控制水平仍然落后于國際水平。目前已投運的1000MW機組中，大部分沒有采用APS技術，造成機組啟/停、正常負荷調節的運行過程中，煤耗偏高。華能海門電廠應用本項研究成果后，提高了機組控制水平，運行參數按最優進行控制，不僅機組在啟停過程節約大量燃煤，而且正常運行過程中、以及機組參與電網負荷調節的動態過程中，也有著較低的煤耗和廠用電率。
根據海門電廠每臺機組投運一年的統計結果，APS系統投運后，啟動過程節約廠用電15多萬度電、提前發電增加400多萬度電的發電量，停止過程節約廠用電3多萬度電、提前發電增加80多萬度電的發電量，累計節支504多萬元；給水全程控制，在機組啟動過程中，電泵節能每年就可節省約4萬度電，累計節支2萬元；機組正常運行的負荷調節過程中，全程自動控制使運行參數穩定，與實施APS前對比，機組供電煤耗降低了2g/kWh，每年每臺機組發電量按60億度電來計算，節支967多萬元；除氧器水位全程調節，凝結水泵在原來變頻已經節電的基礎上，可再增加節電量240多萬kWh/年，累計節支120多萬元；采用全程調節后，低于550MW即自動停一臺凝泵，節省廠用電80萬kwh/年，累計節支40多萬元。以上數據統計，2臺機直接經濟效益共計3000多萬元/年。再加上APS應用后減少了誤操作、減少操作人員支出、減少設備損耗和維修費用支出等其他間接經濟效益，應用APS后，經濟效益同其他國內外同類項目相比處于于領先水平。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號