一、 什么是APS

火力發(fā)電廠燃煤機(jī)組有啟動(dòng)、停運(yùn)和正常三種運(yùn)行工況，機(jī)組啟動(dòng)、停運(yùn)過程的安全風(fēng)險(xiǎn)比正常運(yùn)行要高得多。以600MW等級亞臨界燃煤汽包爐為例，機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)前，不算外圍輔助車間，機(jī)組主廠房內(nèi)爐、機(jī)、電等系統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)場巡視檢查和就地操作的項(xiàng)目超過5000多項(xiàng)，集控室內(nèi)遠(yuǎn)方操作的設(shè)備超過五百多臺(tái)套。由于現(xiàn)代大型機(jī)組參數(shù)高、工況轉(zhuǎn)換迅速、工藝系統(tǒng)關(guān)聯(lián)緊密，增加了人工操作的難度和啟停時(shí)間，不利于機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。尤其在機(jī)組啟動(dòng)和停運(yùn)階段集中了大量設(shè)備啟停切換、參數(shù)調(diào)整等操作，操作人員在限定時(shí)間內(nèi)為應(yīng)對運(yùn)行工況精神高度緊張、勞動(dòng)強(qiáng)度大，風(fēng)險(xiǎn)性大幅度提高，稍有不慎甚至可能發(fā)生不安全事件，嚴(yán)重的會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，現(xiàn)代化的火力發(fā)電燃煤機(jī)組都裝備了熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)輔助運(yùn)行人員操作和調(diào)節(jié)，目前主流的控制裝置采用的是3C（Computer-計(jì)算機(jī)、Communications-通信、Control-控制）技術(shù)為核心的計(jì)算機(jī)分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System-DCS）。功能性的應(yīng)用系統(tǒng)（后序文中稱為“功能控制系統(tǒng)”）都是在DCS上實(shí)現(xiàn)的，

例如：

1） 模擬量調(diào)節(jié)系統(tǒng)（MCS-Modulation Control System）；

2） 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS-Date Acquisition System）；

3） 順序控制系統(tǒng)（SCS-Sequence Control System）；

4） 汽輪機(jī)數(shù)字式電液控制裝置（DEH-Digital Electro-Hydraulic Control）；

5） 鍋爐燃燒器管理系統(tǒng)（BMS-Burner Management System）；

6） 機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS-Coordinated Control System）；

7） 輔機(jī)故障降負(fù)荷控制（RB-Run Back）；

8） 鍋爐快速減出力控制（FCB-Fast Cut Back）；

9） 機(jī)組自動(dòng)程序啟停系統(tǒng)（APS-Automatic Procedure Start-up／Shut-down）。

絕大多數(shù)系統(tǒng)或控制功能已經(jīng)在電廠生產(chǎn)中廣泛使用，被大家所熟知。而APS系統(tǒng)，對國內(nèi)用戶來說則相對生疏。那么，什么是APS呢？概括的定義就是：

依托DCS能夠在燃煤機(jī)組規(guī)定的運(yùn)行區(qū)間內(nèi)分階段遞進(jìn)導(dǎo)引熱工控制系統(tǒng)完成機(jī)組啟動(dòng)或停止的自動(dòng)程序控制，被稱之為APS。

按步序循序遞進(jìn)是APS的基本工作方式，在國外文獻(xiàn)中對單純的開關(guān)量步進(jìn)自動(dòng)控制被定義為Sequence Control（順序控制），而同時(shí)能夠?qū)﹂_關(guān)量和模擬量兩種以上不同類型進(jìn)行控制的過程被稱為Procedure Control（程序控制），英文語境中Procedure表示的是多種不同類型參數(shù)、不同控制方式的集合。所以APS是一種復(fù)雜變量的步進(jìn)控制系統(tǒng)。

通常情況下，被控對象的特性有兩種類別，一種是開關(guān)量控制，比如電動(dòng)機(jī)的啟、停，風(fēng)門擋板的開、關(guān)或電磁閥的通、斷，單純開關(guān)量的工藝系統(tǒng)采用順序自動(dòng)控制，電廠中的化學(xué)制水、皮帶輸煤、氣力除灰等系統(tǒng)都屬于這類控制。另一種是模擬量的調(diào)節(jié)，例如鍋爐給水、燃燒、減溫等調(diào)節(jié)回路。火力發(fā)電廠還有一種開關(guān)量的“自動(dòng)聯(lián)鎖”控制，設(shè)備按相同容量雙重（或多重）配置，正常工作時(shí)一套設(shè)備運(yùn)行，另一套備用，在運(yùn)設(shè)備因故跳閘或出力不足備份隨即啟動(dòng)。火力發(fā)電廠燃煤機(jī)組被控對象的特點(diǎn)是開關(guān)量與模擬量交織在工藝流程中，我們把這種系統(tǒng)稱之為“復(fù)合變量系統(tǒng)”（簡稱“復(fù)變系統(tǒng)”，下文同），分別設(shè)計(jì)有相應(yīng)的順序控制、模擬量調(diào)節(jié)和自動(dòng)聯(lián)鎖，一同出現(xiàn)在復(fù)變系統(tǒng)中。

DEH、BMS和CCS系統(tǒng)控制的都是單一對象、專項(xiàng)功能，DEH控制汽輪機(jī)，BMS控制鍋爐燃燒器，CCS調(diào)節(jié)模擬量參數(shù)適應(yīng)機(jī)爐負(fù)荷，SCS控制開關(guān)量設(shè)備。APS則是直接指令或調(diào)用如SCS、MCS、BMS、DEH、CCS等的各種功能控制系統(tǒng)，參與機(jī)組啟?？刂?，完成復(fù)變系統(tǒng)的調(diào)控。這就要求與APS配合的功能控制系統(tǒng)必須具備較高的自動(dòng)化控制水平。認(rèn)清楚這一點(diǎn)非常重要，APS調(diào)動(dòng)多種樣式的功能系統(tǒng)和設(shè)備控制機(jī)組啟停，機(jī)組主要控制系統(tǒng)如CCS、BMS、DEH、MEH、SCS、BPC（汽輪機(jī)旁路控制）、EP（電除塵器）、ASS（自動(dòng)準(zhǔn)同期）等都在APS協(xié)同控制之下?？刂品秶鷮?，從工藝系統(tǒng)零參數(shù)開始?xì)v經(jīng)機(jī)爐輔助系統(tǒng)啟動(dòng)、汽機(jī)抽真空、鍋爐點(diǎn)火升壓、汽機(jī)暖管沖轉(zhuǎn)、發(fā)電機(jī)同期并網(wǎng)、機(jī)組帶負(fù)荷等過程，直至壓力、溫度、流量等參數(shù)達(dá)到正常工作值。所以APS提出全過程、全工況、全自動(dòng)的控制標(biāo)準(zhǔn)也是必須的。

1999年，國內(nèi)一座裝機(jī)容量700MW×2的燃煤火電廠正式投入商業(yè)運(yùn)行，作為標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)配備的APS應(yīng)用至今，實(shí)用的自動(dòng)化水平的確能夠全工況、全過程、全自動(dòng)地控制機(jī)組啟停。

APS在我國的應(yīng)用，始見于1986年前后，隨同國外進(jìn)口的300MW等級機(jī)組同步引進(jìn)，其應(yīng)用的有效利用率獲得了用戶的高度認(rèn)可，再也不是理論上的束之高閣，而如DEH、BMS、CCS一樣實(shí)實(shí)在在的成為機(jī)組標(biāo)配的熱工控制系統(tǒng)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助運(yùn)行控制，APS成為運(yùn)行人員手中啟停機(jī)組的常備利器。多年來，APS也在生產(chǎn)應(yīng)用中繼續(xù)不斷地完善和優(yōu)化，到了上個(gè)世紀(jì)九十年代，APS更加臻于成熟。近些年來，在世界范圍內(nèi)，許多國家都在火力發(fā)電廠燃煤機(jī)組招標(biāo)技術(shù)規(guī)范中明確了APS作為熱工自動(dòng)控制的必備功能，列入機(jī)組商業(yè)運(yùn)行的考核項(xiàng)目，足以見得各國對燃煤機(jī)組APS的信任程度，同時(shí)也表明APS已經(jīng)是一種非常實(shí)用的控制技術(shù)。

火力發(fā)電廠中，APS其實(shí)有兩種控制對象，一種是燃?xì)廨啓C(jī)，另一種是燃煤機(jī)組，雖然兩種控制系統(tǒng)的英文縮寫都是APS（燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口國別的不同，相同功能名稱并非一致，APS是其中之一），但內(nèi)涵差別較大，這是因?yàn)槿济喊l(fā)電機(jī)組的設(shè)備無論數(shù)量和類別都要比燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組大幅增加。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的APS，英文全稱是Automatic Plant Start-up and Shut down System，控制功能與汽輪發(fā)電機(jī)組的DEH更為接近，但比蒸汽輪機(jī)多了燃料的控制調(diào)節(jié)功能。燃煤機(jī)組的APS英文全稱是Automatic Procedure Start-up／Shut-down，從控制范圍、整體結(jié)構(gòu)到回路控制方式相比于燃?xì)廨啓C(jī)，燃煤機(jī)組的APS要復(fù)雜得多，控制難度也高了許多，最簡單的道理，燃?xì)廨啓C(jī)的燃料要么是燃油要么是天然氣，燃料單一、品質(zhì)穩(wěn)定、燃燒器結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)節(jié)和控制。而燃煤機(jī)組啟停的始末階段要先投油，升、降負(fù)荷階段煤/油混燒，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)鍋爐純煤（粉）燃燒，原煤研磨成煤粉需要配備制粉系統(tǒng)，一套制粉系統(tǒng)包括給煤機(jī)、磨煤機(jī)和相應(yīng)的潤滑油站、體量龐大的管道、各種風(fēng)機(jī)以及配套的風(fēng)門擋板，600MW等級機(jī)組額定負(fù)荷下運(yùn)行5套制粉系統(tǒng)，20只煤燃燒火嘴。而煤的發(fā)熱量、灰分、水分等指標(biāo)差異性比較分散，這些直接增加了燃煤機(jī)組的控制難度。APS工作區(qū)間也正好經(jīng)歷了鍋爐燒油到煤/油混燒再到燒煤的全過程，機(jī)組最為復(fù)雜的操作都集中到了APS的控制當(dāng)中。以下討論的就是燃煤機(jī)組的APS。

二、 APS的特點(diǎn)

一個(gè)完整的控制裝置，通常都由調(diào)節(jié)或邏輯運(yùn)算功能的控制器和測量輸入、指令輸出的I/O接口組成，例如DEH、SCS、MCS等系統(tǒng)。APS則獨(dú)具特點(diǎn)，控制功能全部靠軟件完成，沒有任何一個(gè)硬接線的I/O接口，不會(huì)去直接控制某一臺(tái)具體設(shè)備的合閘、分閘，只與協(xié)同的控制系統(tǒng)進(jìn)行信息和指令交換，起到機(jī)組啟、?？刂频南到y(tǒng)導(dǎo)引（Guid）作用，自然而然的控制邏輯位居系統(tǒng)的頂層。打一個(gè)比方，APS更像一個(gè)交響樂隊(duì)的指揮，樂隊(duì)指揮當(dāng)然不會(huì)去演奏某件樂器，手中的指揮棒卻能舞動(dòng)樂隊(duì)演奏的旋律。BMS、MCS、DEH、SCS等則好比樂隊(duì)的樂手，各自專心操演一件樂器。樂隊(duì)指揮和樂手相輔相成，高水準(zhǔn)的樂手才有高水平的演奏效果，再加上樂隊(duì)指揮高水平的演繹，方能奏出優(yōu)秀的樂章。

如果我們稱帶有I/O接口的控制系統(tǒng)為“驅(qū)動(dòng)型”的，APS的控制就是“指導(dǎo)型”的。APS會(huì)根據(jù)機(jī)組啟停的節(jié)奏分步給出系統(tǒng)將要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，發(fā)出的指令可以看做是對各種功能控制發(fā)揮作用的“導(dǎo)引”，協(xié)同調(diào)度驅(qū)動(dòng)型的控制系統(tǒng)，由驅(qū)動(dòng)型的控制系統(tǒng)去“實(shí)戰(zhàn)”，執(zhí)行啟、停相關(guān)的裝置和設(shè)備。執(zhí)行的效果要依靠驅(qū)動(dòng)型系統(tǒng)的控制水平來獲取。因此，以往常規(guī)設(shè)計(jì)的MCS、SCS、CCS等就要適應(yīng)APS的控制要求而作出改變，才能接受APS的導(dǎo)引。APS要求階段控制過程必須要全工況、全過程、全自動(dòng)，這顯然是一種門檻很高的控制要求，常規(guī)的設(shè)計(jì)無法滿足APS的要求。比方說，采用PID調(diào)節(jié)的MCS系統(tǒng)，從手動(dòng)工作方式轉(zhuǎn)為自動(dòng)調(diào)節(jié)這一過程，常規(guī)設(shè)計(jì)都是由人工眼觀參數(shù)、手動(dòng)調(diào)整，糾正PID輸入偏差縮小到允許值，然后伺機(jī)從手動(dòng)投入自動(dòng)。開關(guān)量設(shè)備的自動(dòng)聯(lián)鎖也需要人工手動(dòng)操作投、切。CCS也只能在機(jī)組高于一定負(fù)荷（例如30%ECR）以后才能投入?yún)f(xié)調(diào)控制，煤燃燒器的投、切也要人工判定和手動(dòng)啟停。多臺(tái)給水泵的切換/并列/解列和鍋爐送、引風(fēng)機(jī)的啟停/并列/解列等還是需要人工操作，這些手動(dòng)操作都發(fā)生在機(jī)組啟動(dòng)或停止過程中，顯然這不合APS的規(guī)則，只有跨過APS要求的技術(shù)門檻，才能有資格參與APS控制。

要實(shí)現(xiàn)APS控制，首先要提升功能控制的自動(dòng)化水平。因此， MCS、SCS、CCS等一定要適應(yīng)APS全自動(dòng)的要求作出改變甚至是變革，相對于過往傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，于是就有了圍繞APS產(chǎn)生的帶有“人工智能”的多種新型控制策略：

1. 開關(guān)量和模擬量控制的“交叉引用、條件自舉”；

2. “三態(tài)式”（手動(dòng)、自動(dòng)伺服、自動(dòng)調(diào)節(jié)）MCS回路M/A的“設(shè)備靜止”（亦即設(shè)備啟動(dòng)前）切換；

3. 模擬量調(diào)節(jié)回路的“超馳自舉糾偏、自舉投自動(dòng)”；

4. 開關(guān)量設(shè)備M/A切換方式的“本安”操作；

5. 智能自動(dòng)選擇器的聯(lián)鎖“設(shè)備靜止”自動(dòng)投、切；

6. “汽輪機(jī)旁路跟隨”的全程CCS；

7. 電泵/汽泵以及汽泵全自動(dòng)并列/解列；

8. 鍋爐給水、風(fēng)煙復(fù)變系統(tǒng)順控的 “一鍵啟?！?；

9. 鍋爐燃料調(diào)節(jié)的“磨煤機(jī)出力自動(dòng)計(jì)算/自動(dòng)啟?？刂啤?；

10. 鍋爐制粉系統(tǒng)的（給煤、出口溫度、風(fēng)量MCS調(diào)節(jié)+風(fēng)/溫解耦+磨煤機(jī)SCS控制） “一鍵啟停”；

11. APS的多線程控制；

12. 函數(shù)定量調(diào)節(jié)；

13. 超馳控制；

14. 入爐煤的熱量自動(dòng)校正；

15. APS適用的鍋爐超前預(yù)估BIR（Boiler Input Regulation control）控制；

16. DEH、MEH和BMS與MCS或CCS的自動(dòng)交互連接、安全認(rèn)證。

所有這些，還不限于此，都由DCS邏輯自動(dòng)完成，是實(shí)現(xiàn)APS實(shí)用化控制的技術(shù)根基。

三、發(fā)電廠高度自動(dòng)化的標(biāo)志——APS

APS是一種應(yīng)用，是在燃煤發(fā)電機(jī)組DSS（每日啟停）運(yùn)行方式的迫切需求下應(yīng)運(yùn)而生。DSS運(yùn)行方式在安全、經(jīng)濟(jì)等方面對機(jī)組啟動(dòng)提出了明確目標(biāo)，期望能以機(jī)組允許的最短時(shí)間安全地啟動(dòng)機(jī)組是應(yīng)用APS的初衷。燃煤發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)的復(fù)雜性和技術(shù)難度要求參與APS的CCS、BMS、DEH、MEH、SCS等熱工控制系統(tǒng)必須具備“一鍵啟停”的控制水準(zhǔn)，只有技術(shù)達(dá)標(biāo)經(jīng)濟(jì)才能受益，這也許是催生APS成熟運(yùn)用的潛在動(dòng)力。APS還派生出另外一種重要用途，機(jī)組甩負(fù)荷后的快速恢復(fù)，有了APS會(huì)讓機(jī)組迅速重新帶上負(fù)荷，回歸正常運(yùn)行，這讓應(yīng)用APS進(jìn)一步獲得用戶青睞。智能化的熱工自動(dòng)控制成就了APS，因APS而全面提升了燃煤機(jī)組的自動(dòng)控制水平，相輔相成，APS也就成為發(fā)電廠高度自動(dòng)化的標(biāo)志，成為評價(jià)電廠生產(chǎn)技術(shù)管理水平、熱工控制水平、機(jī)組運(yùn)行水平的一種標(biāo)準(zhǔn)。

APS高度自動(dòng)化的基礎(chǔ)來自參與APS的順序控制和模擬量調(diào)節(jié)，任選BMS、SCS中的一個(gè)系統(tǒng)都是“一鍵啟?！钡目刂扑?，須知此順序控制非彼順序控制，雖然也按步進(jìn)方式啟停設(shè)備，但控制的對象包含了模擬量調(diào)節(jié)，準(zhǔn)確的說，應(yīng)該是程序控制，是能夠完成“復(fù)變參數(shù)”的程序控制，這就是APS所要求的基礎(chǔ)。系統(tǒng)控制“一鍵啟停”成功的原因有兩方面，一方面應(yīng)用了智能化的開關(guān)量控制模塊，順序控制自動(dòng)步進(jìn)過程中再不需要人工參與。另一方面，模擬量自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)地投“自動(dòng)”，手動(dòng)投自動(dòng)的“糾偏”過程全程人工智能電腦完成。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)力計(jì)算、CCS功能擴(kuò)展、BIR鍋爐超前加速、函數(shù)參量控制、并聯(lián)式PID、磨煤機(jī)出力自動(dòng)控制、鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)全程啟動(dòng)、鍋爐給水系統(tǒng)自動(dòng)并列/解列等先進(jìn)控制策略的應(yīng)用是電廠高度自動(dòng)化的中堅(jiān)。只有具備了堅(jiān)實(shí)的自動(dòng)化基礎(chǔ)，APS才能水到渠成。試舉一例，倘若磨煤機(jī)的1套SCS、4套MCS仍然以手動(dòng)操作為主而不能全工況全過程全自動(dòng)，制粉系統(tǒng)何來一鍵啟停？制粉系統(tǒng)尚不能一鍵啟停，BMS如何能一鍵啟停？遑論APS了。于其他功能控制系統(tǒng)，皆同此理。

APS倡導(dǎo)一種高效、安全的理念，追求的目標(biāo)是人工智能控制，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的APS部分DCS邏輯模塊和控制策略已經(jīng)具備了智能化的特質(zhì)。APS是火力發(fā)電廠燃煤機(jī)組鍋爐、汽機(jī)、運(yùn)行、電氣專家們對設(shè)備技術(shù)特性的理解和運(yùn)行操作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，經(jīng)過提煉和優(yōu)化轉(zhuǎn)化為熱工控制系統(tǒng)中的函數(shù)、算法和邏輯，熱工控制專家們運(yùn)用DCS的內(nèi)在功能，應(yīng)用DCS組態(tài)語言表達(dá)出來并運(yùn)用在生產(chǎn)過程中，取得了令人滿意的經(jīng)濟(jì)和安全效果。APS堅(jiān)持一種原則，完成機(jī)組啟停中最復(fù)雜、最具風(fēng)險(xiǎn)的控制，不去簡單的重復(fù)人工操作，而是站在電子計(jì)算機(jī)的角度充分發(fā)揮DCS的能力控制機(jī)組啟停，利用DCS完成人的工作。DCS的組態(tài)邏輯復(fù)雜了，人工的操作更加簡單、更加安全了。若要APS 實(shí)現(xiàn)機(jī)組智能化的控制，需要更多專業(yè)的工程師們參與其中通力合作，才能更廣泛的把APS應(yīng)用在火力發(fā)電廠燃煤機(jī)組啟?？刂浦?。展望未來，APS一定會(huì)更多的加入人工智能的元素，成為智慧電廠的基石。