張新勝，胡 欣，王劍平，丁偉聰

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310012；3.浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責任公司，浙江 寧波 315208；4.浙江省能源集團有限公司，杭州 310007）

0 引言

送風(fēng)機和引風(fēng)機是火力發(fā)電機組的主、重要輔機，其組成的風(fēng)煙系統(tǒng)[1-2]是保證鍋爐安全燃燒運行的基本系統(tǒng)。風(fēng)煙系統(tǒng)的主要功能是向爐膛提供與燃料相匹配的風(fēng)量，保證煤粉充分燃燒，同時使得送風(fēng)量與引風(fēng)量相適應(yīng)，保持爐膛負壓在安全范圍內(nèi)?；谝陨瞎δ?，風(fēng)煙系統(tǒng)一般包括引風(fēng)機本體及油站、送風(fēng)機本體及油站、風(fēng)煙擋板及二次風(fēng)門等，隨著機組裝機容量的增加，在啟停過程中涉及的電動機、閥門等一次設(shè)備越來越多，啟停過程包含大量操作，大大加重了運行人員的操作負擔。

作為火力發(fā)電機組智能化發(fā)展的重要方向，機組APS（自啟停控制系統(tǒng)）經(jīng)過多年的發(fā)展與實踐，其設(shè)計理念及操作模式逐漸被發(fā)電行業(yè)認可，并逐步應(yīng)用在大型電廠的控制系統(tǒng)中[3-7]。而由于風(fēng)煙系統(tǒng)是一個功能相對獨立的系統(tǒng)，對風(fēng)煙系統(tǒng)APS 功能的設(shè)計也越來越多，以完成風(fēng)煙系統(tǒng)的啟停和全程控制[8-10]。但傳統(tǒng)的風(fēng)煙系統(tǒng)APS技術(shù)主要是面向過程的順序程序設(shè)計模式，路線設(shè)計單一固定，變工況無法自治，一旦針對機組特點固化下來，可以起到減輕運行人員操作負擔的作用，但由于在啟停過程中容錯與操作自由度方面考慮不多，啟停次數(shù)較少、磨合不夠充分，運行人員對順控操作的接受度不高，導(dǎo)致實用率較低、認可度不高。

針對上述問題，提出了一種面向自治對象的風(fēng)煙系統(tǒng)APS 功能設(shè)計方法，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計模式，圍繞風(fēng)煙系統(tǒng)形成了若干個相對獨立的自治對象系統(tǒng)，啟動路徑靈活多樣，變工況自治規(guī)劃，人機協(xié)作性強，啟動過程中任何位置、任何時間都可中斷，任何中斷處都可繼續(xù)操作。運行人員在風(fēng)煙系統(tǒng)啟動過程中從一次設(shè)備的操作中解脫出來，進而關(guān)注的是過程，提出的是需求，面對的是對象，操作的是系統(tǒng)。該功能在某660 MW 超超臨界機組上進行實際應(yīng)用，在風(fēng)機兩側(cè)啟動、單側(cè)啟動、自動并列運行以及RB（輔機故障減負荷）工況下，風(fēng)機啟動與并列運行等各種工況實現(xiàn)風(fēng)煙全程控制，控制系統(tǒng)具備較強的自治性和健壯性，大大提高了風(fēng)煙系統(tǒng)APS 功能組的使用率與機組自動化水平。

1 面向自治對象的風(fēng)煙系統(tǒng)APS 結(jié)構(gòu)設(shè)計

火力發(fā)電機組中面對操作復(fù)雜的風(fēng)煙控制系統(tǒng)，為了減輕運行人員操作負擔，最簡單有效的方法是化整為零，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計模式，針對風(fēng)煙系統(tǒng)的特性，將計算機科學(xué)中“面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)”引入風(fēng)煙系統(tǒng)全程控制中[11-12]。面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計是一種包含各種獨立而又相互調(diào)用對象的設(shè)計模式，摒棄傳統(tǒng)的順序編程思想，為風(fēng)煙系統(tǒng)APS 功能組賦予擁有行為能力、擁有意識、擁有智能的對象，根據(jù)工況變化自治改變執(zhí)行路徑，過程中無需運行人員干預(yù)。面向自治對象的風(fēng)煙系統(tǒng)APS 功能以分布式自治的對象系統(tǒng)為基礎(chǔ)，串接全局任務(wù)規(guī)劃與調(diào)用結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)框架如圖1 所示。

圖1 面向自治對象的風(fēng)煙系統(tǒng)APS 功能原理結(jié)構(gòu)

由圖1 可知，面向自治對象的風(fēng)煙系統(tǒng)APS功能原理結(jié)構(gòu)包括任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)、操作管理系統(tǒng)以及進度監(jiān)視系統(tǒng)。任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)作為風(fēng)煙系統(tǒng)APS 功能的規(guī)劃運行層，負責布局風(fēng)煙系統(tǒng)全局控制流程與指標要求，運行操作員在啟停授權(quán)的前提下，對功能組進行啟動或停運指令的下發(fā)，另外還負責運行人員對過程層面的操作目的、目標值以及過程參數(shù)品質(zhì)的設(shè)定。操作管理系統(tǒng)作為對象任務(wù)層，接收任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的操作指令，圍繞風(fēng)煙系統(tǒng)本體形成了引風(fēng)機功能子組對象、送風(fēng)機功能子組對象以及并退功能子組對象，3個功能子組對象相互獨立又相互調(diào)用，調(diào)用路徑靈活多樣，通過預(yù)置模塊自治規(guī)劃調(diào)用順序，預(yù)置模塊收集任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)指令確定3 個功能子組對象調(diào)用順序與運行偏好，還可作為運行的干預(yù)節(jié)點。進度監(jiān)視系統(tǒng)作為功能組的輔助層，對操作管理系統(tǒng)的進度進行管理，顯示已啟動、已達到控制狀態(tài)以及已停運，并顯示報警信息，為運行人員指明干預(yù)方向。

面向自治對象的風(fēng)煙系統(tǒng)APS 功能在任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)以及操作管理系統(tǒng)的作用下，可以完成風(fēng)煙系統(tǒng)的啟動、停運和并退任務(wù)。在啟動過程中，操作管理系統(tǒng)可以根據(jù)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的設(shè)定，自治規(guī)劃不同的啟動路徑，其完整的調(diào)用結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 面向自治對象的風(fēng)煙系統(tǒng)啟動功能調(diào)用結(jié)構(gòu)

由圖2 可知，面向自治對象的風(fēng)煙系統(tǒng)APS功能在風(fēng)煙系統(tǒng)啟動過程中，規(guī)劃了3 條路徑：啟機前期單側(cè)風(fēng)機啟動，機組啟動后期另一側(cè)風(fēng)機啟動以及風(fēng)機自動并列；機組啟動前期，兩側(cè)風(fēng)機啟動以及風(fēng)機并列；RB 工況后停運側(cè)風(fēng)機啟動以及風(fēng)機自動并列。3 條路徑組成風(fēng)煙系統(tǒng)啟動自治對象，根據(jù)時間尋優(yōu)、節(jié)能尋優(yōu)、運行數(shù)據(jù)或人工選擇自主完成路徑選擇，在啟動過程取消了風(fēng)煙系統(tǒng)主、輔設(shè)備的單操功能，運行人員只需對風(fēng)量參數(shù)、爐膛負壓指標與目標進行設(shè)定，過程節(jié)點預(yù)置完成后，設(shè)備層的相關(guān)操作由對象系統(tǒng)內(nèi)的程序控制自動完成。

2 面向自治對象的風(fēng)煙系統(tǒng)全程控制策略設(shè)計

面向自治對象的風(fēng)煙系統(tǒng)全程控制基本功能主要包括：引風(fēng)機啟動、送風(fēng)機啟動、引風(fēng)機自動調(diào)平以及送風(fēng)機自動調(diào)平。送、引風(fēng)機啟動可以自治區(qū)分啟機過程啟動與另一側(cè)已帶負荷啟動，啟機過程啟動可以根據(jù)運行人員選擇進行兩側(cè)風(fēng)機和單側(cè)風(fēng)機啟動，另一側(cè)已帶負荷啟動可以自動判斷，啟動后自動進行兩側(cè)風(fēng)機出力調(diào)平。

2.1 風(fēng)煙系統(tǒng)啟動功能組

風(fēng)煙系統(tǒng)啟動功能組是風(fēng)煙系統(tǒng)的最高控制層，對風(fēng)煙系統(tǒng)的整個運行工況進行監(jiān)視，根據(jù)運行人員選擇，自治地向風(fēng)煙系統(tǒng)各子系統(tǒng)發(fā)出控制指令，在人工少量干預(yù)的情況下完成對風(fēng)煙系統(tǒng)的全程自動控制，設(shè)計框圖如圖3 所示。

圖3 風(fēng)煙系統(tǒng)啟動功能組邏輯框圖

如圖3 所示，風(fēng)煙系統(tǒng)啟動功能組可以靈活對送、引風(fēng)機進行操作，操作員只需根據(jù)需求進行選擇，輸入目標后，點擊開始，啟動功能組可以自行判斷出風(fēng)煙系統(tǒng)啟動是在啟機過程中還是帶負荷輔機跳閘后的，然后執(zhí)行對送、引風(fēng)機的啟動以及動葉的操作。具體如下：

第三步執(zhí)行時，先判斷是否首臺啟動，首臺啟動直接對A 引風(fēng)機動葉投自動，爐膛負壓設(shè)定值-150 Pa；否則，調(diào)用引風(fēng)機自動調(diào)平功能，調(diào)平兩側(cè)出力后，投入A 引風(fēng)機動葉自動，包括高負荷下引風(fēng)機RB 工況以及低負荷下引風(fēng)機跳閘后啟動工況。

第五步執(zhí)行時，先根據(jù)B 送風(fēng)機運行情況、動葉開度以及A 送風(fēng)機動葉開度綜合判斷是否為啟機過程：若是，即直接對A 送風(fēng)機動葉開度按一定速率置15%；否則，認為是帶負荷工況，避免操作A 送風(fēng)機動葉，防止對風(fēng)量以及爐膛負壓造成擾動，后期直接調(diào)用送風(fēng)機自動調(diào)平功能。

第十步執(zhí)行時，根據(jù)前期判斷出的啟機過程或帶負荷工況對總風(fēng)量控制進行操作，若是啟機過程（兩側(cè)或單側(cè)），即在送風(fēng)機動葉開度15%基礎(chǔ)上，投入送風(fēng)機動葉自動，對總風(fēng)量進行自動控制，設(shè)定值緩慢加至吹掃風(fēng)量650 t/h；若為帶負荷工況，則調(diào)用送風(fēng)機自動調(diào)平功能，投入動葉自動，風(fēng)量設(shè)定值維持不變。

2.2 風(fēng)機自動調(diào)平功能

風(fēng)煙系統(tǒng)啟動功能組中設(shè)置了送、引風(fēng)機自動調(diào)平功能，當一側(cè)風(fēng)機已運行且有一定出力時，另一側(cè)風(fēng)機啟動后，在兼顧爐膛負壓、總風(fēng)量以及機組運行狀態(tài)時，自動安全可靠地調(diào)平兩側(cè)風(fēng)機出力，過程中操作員可隨時根據(jù)機組狀況進行干預(yù)。主要針對如下工況：啟機過程中單側(cè)風(fēng)機啟動后，另一側(cè)風(fēng)機啟動時；送、引風(fēng)機RB后，重新啟動跳閘側(cè)風(fēng)機時；深度調(diào)峰期間，輔機跳閘（送、引風(fēng)機）后，重新啟動跳閘側(cè)風(fēng)機時。以引風(fēng)機并列為例，闡述風(fēng)機并列原理[13-15]，控制邏輯框圖如圖4 所示。

圖4 引風(fēng)機并列控制邏輯框圖

由圖4 可知，引風(fēng)機自動調(diào)平功能中，操作員可以通過風(fēng)煙系統(tǒng)啟動功能組進行調(diào)用。另外，為了靈活管理，還設(shè)置了引風(fēng)機自動調(diào)平按鈕，操作員打開按鈕后，投入并引風(fēng)機功能，自動并列控制回路會根據(jù)機組運行數(shù)據(jù)自動判斷是A 引風(fēng)機并B 引風(fēng)機還是B 引風(fēng)機并A 引風(fēng)機，然后對其動葉進行操作。在調(diào)平兩側(cè)引風(fēng)機出力時，操作員可根據(jù)風(fēng)機出力情況以及機組狀態(tài)隨時干預(yù)，通過退出并引風(fēng)機功能按鈕，退出并風(fēng)機過程，自行對其動葉進行操作，恢復(fù)正常后，重新投入并引風(fēng)機功能按鈕，在當前狀態(tài)繼續(xù)執(zhí)行并風(fēng)機過程。

根據(jù)純積分增量式PID 模塊組成的自動并列控制回路作出判斷：若是A 引風(fēng)機并B 引風(fēng)機，則生成A 并B 標志以及A 引風(fēng)機并列指令，對A引風(fēng)機動葉指令進行無擾切換；若是B 引風(fēng)機并A 引風(fēng)機，則生成B 并A 標志以及B 引風(fēng)機并列指令，對B 引風(fēng)機動葉指令進行無擾切換。其中，PID 積分時間設(shè)置60 s，PID 的輸入偏差由自適應(yīng)速率產(chǎn)生回路自動生成，原理如下：以兩側(cè)引風(fēng)機電流偏差為依據(jù)，將并引風(fēng)機過程劃分為3 個階段：電流偏差大于（包括等于）20 A 為第一階段；電流偏差在10～20 A（包括等于10 A）為第二階段；電流偏差小于10 A 為第三階段。以每分鐘30%的基準速率進行動葉操作，根據(jù)持續(xù)時間ti1（i=1，2，3）控制每次對動葉的操作量，根據(jù)間斷時間ti2（i=1，2，3）控制每次操作動葉的間斷時間，并根據(jù)爐膛負壓的波動情況自適應(yīng)改變間斷時間，自適應(yīng)速率產(chǎn)生回路設(shè)計思路見圖5。

圖5 自適應(yīng)速率產(chǎn)生回路設(shè)計思路

如圖5 所示，第一階段時，t11為10 s，t12為20 s，即每次對動葉操作5%，間斷20 s，直至電流偏差小于20 A；第二階段時，t21為5 s，t22為30 s，即每次對動葉操作2.5%，間斷30 s，直至電流偏差小于10 A；第三階段時，t31為1 s，t32為40 s，即每次對動葉操作0.5%，間斷40 s，直至電流偏差小于2 A。當兩側(cè)引風(fēng)機電流偏差小于2 A 時，投入A 引風(fēng)機動葉自動，并風(fēng)機過程完成。

3 風(fēng)煙系統(tǒng)APS 功能組投運效果

在某660 MW 超超臨界機組上進行了面向自治對象的風(fēng)煙系統(tǒng)APS 功能的實際投運，分別應(yīng)用在單側(cè)風(fēng)機啟動、兩側(cè)風(fēng)機啟動以及RB 工況后停運側(cè)風(fēng)機啟動與自動并列上，應(yīng)用效果良好，爐膛負壓和風(fēng)量的調(diào)節(jié)品質(zhì)均達到很好的效果。整個啟動過程中，運行人員無需對風(fēng)煙系統(tǒng)擋板、風(fēng)機油站、風(fēng)機動葉以及電機等一次設(shè)備進行單獨操作，大大減輕了運行人員的操作負擔，真正意義上從繁瑣的設(shè)備操作中解脫出來，只需面對對象，對系統(tǒng)進行操作，關(guān)注風(fēng)機運行狀態(tài)、爐膛負壓和風(fēng)量的調(diào)節(jié)品質(zhì)，提高了操作靈活性與工況適應(yīng)性，在面向自治對象的風(fēng)煙系統(tǒng)APS 功能的作用下，相關(guān)參數(shù)運行曲線如圖6—8 所示。

圖6 單側(cè)風(fēng)機啟動投運效果

圖6 為風(fēng)機單側(cè)啟動的投用效果曲線。由圖6 可知，采用面向自治對象的風(fēng)煙系統(tǒng)APS 功能在進行單側(cè)風(fēng)機啟動時，耗時少于10 min，A 引風(fēng)機動葉自動控制爐膛負壓-150 Pa，A 送風(fēng)機動葉自動控制總風(fēng)量800 t/h，在啟機后期B 側(cè)風(fēng)機啟動，自動完成B 引風(fēng)機和B 送風(fēng)機并列，整個并列過程負壓波動小于±100 Pa，總風(fēng)量波動小于±50 t/h。

圖7 為風(fēng)機兩側(cè)啟動的投用效果曲線。由圖7 可知，采用面向自治對象的風(fēng)煙系統(tǒng)APS 功能在進行兩側(cè)風(fēng)機啟動時，耗時少于12 min，A，B引風(fēng)機動葉自動控制爐膛負壓-150 Pa，A 送風(fēng)機啟動后動葉開度置15%，B 送風(fēng)機啟動后動葉開度同樣置15%，然后自動同時操作動葉開度至風(fēng)量800 t/h，A，B 送風(fēng)機動葉投自動控制總風(fēng)量800 t/h。

圖7 兩側(cè)風(fēng)機啟動投運效果

圖8 為RB 工況后風(fēng)機自動并列的投用效果曲線。由圖8 可知，采用面向自治對象的風(fēng)煙系統(tǒng)APS 功能在進行RB 工況后風(fēng)機自動并列時，引風(fēng)機并列耗時少于5 min，送風(fēng)機并列耗時少于5 min，風(fēng)機RB 工況后，根據(jù)運行數(shù)據(jù)自動規(guī)劃啟動路徑，完成停運側(cè)風(fēng)機啟動，自動完成引風(fēng)機和送風(fēng)機并列，整個并列過程負壓波動小于±150 Pa，總風(fēng)量波動小于±50 t/h。

圖8 RB 工況風(fēng)機自動并列投運效果

4 結(jié)語

依據(jù)火電機組風(fēng)煙系統(tǒng)控制的特點，摒棄傳統(tǒng)相對單一固化的面向過程的設(shè)計模式，將面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)引入風(fēng)煙全程控制中，提出了一種面向自治對象的風(fēng)煙系統(tǒng)APS 功能，啟動路徑靈活多樣，在復(fù)雜多變的工況下自治規(guī)劃路徑?？刂葡到y(tǒng)具備較強的自治性和健壯性，大大提高了風(fēng)煙系統(tǒng)APS 功能組的使用率與機組自動化水平。

面向自治對象的風(fēng)煙系統(tǒng)APS 功能在無需運行人員干預(yù)的情況下，實現(xiàn)了在風(fēng)機兩側(cè)啟動、單側(cè)啟動、自動并列運行以及RB 工況下風(fēng)機啟動與并列運行等各種工況的風(fēng)煙全程控制，取消了風(fēng)煙系統(tǒng)主、輔設(shè)備的單操功能，將運行人員從擋板、電動機等一次設(shè)備的操作中解脫出來，更關(guān)注系統(tǒng)層面的參數(shù)、指標與目標的設(shè)定，在整個啟動過程中，爐膛負壓、總風(fēng)量始終控制在目標值附近，提高了風(fēng)煙系統(tǒng)啟動的安全性能，大大減輕了運行人員的操作強度。