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智慧電廠干貨|燃煤電廠APS智能構件本安型操作開關

2020-07-02 15:55:56 來源:北極星電力網

APS(Automatic Procedure Start-up/Shut-down)是火力發電廠燃煤機組一種程序啟停熱工自動控制功能,具有“一鍵啟停”自動化水平的順序控制(SCS)和模擬量調節(MCS)系統是APS高度自動化的基礎,其中順序控制系統“一鍵啟停”成功的關鍵因素是應用了智能化開關量控制模塊,充分利用DCS(Distributed Control System)的軟實力,站在電子計算機的立場控制機組啟停,完成人的工作。智能化的邏輯讓冗余設備的選擇和聯鎖投、切在順序控制自動步進過程中再也不需要人工手動參與。

一、 常規控制的現狀

1 、 軟邏輯硬開關

與APS系統的順序控制相比,常規設備開關邏輯設計僅為簡單的模仿人工操作,通常只給單臺設備(開關量)操作開關設計“手動”一種工作方式,即便應用了DCS,但在控制策略上還是延用BTG盤(爐、機、電分立開關控制盤)硬開關的操作,軟邏輯硬開關,實際上是電子版的“手動操作”,與BTG盤硬開關相比功能并未提升。當設備單元或系統轉為“順序控制”時,順控邏輯相當于整體投入“自動”。順序控制自動執行進程中,設備自身的“手動”操作仍然具有控制權,或啟或停,人工隨時可以對設備進行操作,順序控制指令和人工操作指令邏輯上形成 “或”的關系,而且人工“手操”較之順控時序和進程有優先權,這就等于被控設備處在順序控制自動與人工操作手動的混合操作狀態,手動優先的二元化控制指令也就喪失了自動控制的確定性,已經構成安全隱患。

2 、 自動聯鎖人工投、切

通常情況下,火力發電廠控制對象按特性劃分有兩種類型。其中一種是如電動機啟、停,風門擋板開、關或電磁閥通、斷等的開關量控制,把單純開關量設備按動作先后串聯起來,制定出符合工藝條件的控制策略,就形成了工藝系統的啟、停順序自動控制(SEQUENCE CONTROL SYSTEM—SCS)。出于運行安全需求,部分工藝按相同容量設備雙重或多重配置,正常工作時至少有1臺設備運行,余者處于備用狀態,應急時采用“自動聯鎖”啟動備份。聯鎖啟動備用設備原因有兩種,一是在運設備故障跳閘,二是工藝系統欠出力,前者稱為“電氣聯鎖”,后者叫做“熱工聯鎖”。運行設備啟、停和備用設備聯鎖投、切過程以及備用設備聯鎖啟動是一種受時間和狀態雙重制約的 “條件控制”。即備用設備若要投入聯鎖,運行設備必須先行啟動,備用設備自動聯鎖啟動則須在運設備已跳閘或欠出力,在運設備停運必須先解除備用設備聯鎖。聯鎖設備運行、備用以及聯鎖開關投、切,狀態監測、判斷等相互關聯的一系列操作都由人工完成。

順序控制進程中,聯鎖設備的投入過程:順序控制自動啟動第一臺設備,待工藝參數穩定,由人工手動合閘聯鎖開關,則第二臺設備投入聯鎖備用。切除過程:順序控制自動停止在運設備前,人工先行手動斷開聯鎖開關,解除備用設備聯鎖,爾后順序控制自動停止在運設備。這種人工手動投、切設備聯鎖的操作存在于順序控制自動進程中,突出的問題是順序控制自動功能并沒有覆蓋到全部被控對象,順序控制自動進程中的設備聯鎖投、切仍然需要人工手動完成,是一種帶有安全和技術缺陷的“手動伴隨”式順序控制。

3 、 自動、手動 “混搭”

為了完成機組特定的控制功能,火力發電廠分別設計有相應的順序控制、自動聯鎖和模擬量自動調節,尤其在機組啟動、停止階段以及正常運行中需要經常啟停的控制單元(如鍋爐的制粉系統),這些控制功能會同時出現在機爐控制過程中。開關量與模擬量控制各具特性,常規的順序控制、自動聯鎖和自動調節參與自動控制有特定的切入時機,工作方式從靜止到運行都有一個轉換過程,轉換起始時刻與工藝系統運行狀態直接相關。如果把順序控制自動工作開始時刻定為起點,自動聯鎖投入時刻就在相互聯鎖的首臺設備啟動且工藝參數正常后。模擬量自動調節投入時刻既要單元設備或系統已經正常運行又要工藝參數也符合自動投入條件。由常規控制邏輯構建的順序控制、自動聯鎖和自動調節共處同一工藝系統時,在順序自動控制進程中,自動聯鎖和自動調節的投、切時機要依靠操作人員來觀察、判定,并只能伴隨著順序控制的自動步序人工伺機手動操作,把自動聯鎖和自動調節工作方式由“手動”轉向“自動”,手動操作與自動順序控制形成了“混搭”現象。常規模擬量調節回路的手動調整、手/自動切換以及設備聯鎖的投/切間或穿插在順序控制自動進程中,使這種多功能控制組合不能“全自動”運行,既降低了工藝系統的自動化水準,又給系統控制安全帶來不確定的風險。

二、 APS本安型開關和智能化聯鎖

以提高工作效率為目的的過程自動化是自動控制所追求的目標,但前提是自動化必須建立在控制安全的基礎上,先有了控制的安全,人們才能放心去使用控制裝置。APS從設備控制開始,就以實現安全控制為目標設計了運算邏輯確保全自動的APS有堅實的運行安全基礎。APS擁有兩種高可靠性的宏邏輯模塊用于開關量設備控制,分別是本安型操作開關和智能化自動選擇器。

自動控制系統的最大優點不完全在于節省人工,通過合理的設計把設備控制規則化,力求本質性安全,就能從根源上防止誤操作,這也許更重要。如果APS是一臺機器,基礎零部件的性能決定了工作安全以及自動控制的水平。600MW等級的燃煤機組擁有開關量控制設備400余臺,冗余設備聯鎖超過20套,機組啟動過程中若真的讓“手動伴隨式順序控制”出現在APS中,APS的“全程自動”也就無從談起,也很難確保運行安全。顯然,實現APS的全程自動首先要從改換單臺設備操控方式入手。

APS所用的單臺設備本質安全型操作開關邏輯(本安型操作開關),設計方案采取功能分類、控制集中的技術原則,實現的功能有手動操作(MANUAL COMMAND)、自動控制(AUTOMATIC COMMAND)、熱工保護(PROTECTION COMMAND)、條件許可(PERMISSIVE CONDITIONS),把多種功能集中在一起形成宏邏輯模塊,方便應對不同控制需求。“自動”、“手動”工作方式控制權相互獨立,從根本上堵塞了順序控制自動指令執行過程中可能受到人工操作干預的漏洞,命令控制權限由高到低依次為保護、手動、自動。

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圖1 本安型操作開關邏輯原理框圖

本安型操作開關工作方式利用AUOT/MAN按鍵選擇,自動指令從AUTOMATIC COMMAND端口進入,手動操作指令在操作面板上鍵入MANUAL COMMAND端口,經操作開關邏輯運算后形成電動機合閘(ON COMMAND)或分閘(OFF COMMAND)指令,輸出到電動機就地控制柜,驅動現場設備。輸出控制方式有全開全關型或全開全關帶中間停頓型,輸出功能有自保持單路輸出或自動復位雙路輸出,輸出負載有電動機或電磁閥,可以根據具體用途進行邏輯組合。圖1例舉的是自動復位雙路輸出、全開全關、電動機負載型的操作開關。自帶兩路報警輸出,電動機已跳閘(TRIPPED)和操作開關控制故障(DRIVE ABNOMAL)。DRIVE ABNOMAL是操作宏模塊的自檢功能,一旦檢測到邏輯模塊內部錯誤,立即報警并閉鎖電動機啟動指令。操作開關的SGT端口專門用來監視MCC故障(MCC TROUBLE)或PC開關機構的異常(SWITCH GEAR TROUBLE)。操作開關設有許可條件(PERMISSIVE CONDITIONS)邏輯,允許啟動(ON)和允許停止(OFF)信號分別從PEON、PEOF端口輸入,操作許可條件的設置使設備運行更加可靠,條件不滿足相應控制指令將被禁止,以此進一步提高設備安全。

利用這種宏邏輯模塊可以讓設備執行自動聯鎖、順序控制和自動聯動以及保護跳(合)閘等操作。設備之間的自動聯動類似于“多米諾骨牌”效應,前序設備有動作關聯設備緊隨其后作出反應。而保護命令輸入端口接收工藝系統或控制裝置發出的異常報警,起到“控制可能未達目的,安全卻要絕對保證”的作用,根據保護命令既可以立即跳閘在運設備,也可以即刻啟動事故備份(如汽輪機事故油泵)。

本安型操作開關的邏輯功能,可以為APS全部控制層級建立穩固的安全基礎,有了安全保障在制定控制策略時將更加靈活、多樣。對一臺獨立設備可以根據運行工況決定單一控制或重疊多種控制,例如在APS導引的系統中,過熱器噴水減溫截止閥、再熱器事故噴水截止閥、送引風機出口擋板、鍋爐空氣預熱器二次風出口擋板、煙氣入口擋板、鍋爐爐水泵等,同時受到順序控制、聯鎖自動、熱工保護的多重疊加控制,由于這些邏輯都構建在單臺設備操作開關上,在組成單元控制、系統控制時同樣具備了操作開關的安全性能,APS控制自然也獲得了同樣的安全性。可見,通過設備操作開關邏輯夯實了APS的安全基礎。

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