APS被定義為機組自動程序啟停系統，即為程序控制，其中就有順序控制和模擬量調節，在模擬量調節中，鍋爐給水和燃燒兩大控制回路須“一鍵啟停” 作為基礎才能抬升APS自動化的高度，鍋爐燃燒控制又包括風煙調節和燃料調節，燃料調節有兩種燃燒器，油槍和煤粉燃燒器，而煤粉燃燒器的煤粉源頭就來自鍋爐制粉系統，制粉系統程序控制邏輯智能化 ，是確保APS成功的細節。毫不夸張的說，若APS成功，首先要過制粉系統“一鍵啟停”這一關，這是構建APS的正確方向。鍋爐制粉系統“一鍵啟停”何以為 “關”？關者，難點也。斬關奪隘，過后就是坦途。
01 制粉系統主要設備和控制
燃煤機組鍋爐都配有煤粉燃燒器，以4角噴燃煤粉爐為例，通常300MW機組設計有5層煤粉燃燒器，額定負荷運行4層，一層輪換備用，600MW等級機組有6層煤粉燃燒器，5用1備。每層有4只噴燃器，每層燃燒器配備一套以磨煤機為核心的制粉系統。入爐煤品質特性不同，有多種構造形式的磨煤機和制粉系統配合應用，本文以碗式磨輥中速磨制粉系統為例進行討論。
圖1 鍋爐制粉系統
1）制粉系統的設備
1、磨煤機；2、潤滑油泵；3、輥壓力油泵；4、出口擋板；5、熱風閘板；6、旋風分離器；7、給煤機；8、給煤閘板；9、冷風閘板；10、磨密封風閥；11、氮氣入口閥。
12、給煤機密封閥
2）制粉系統的控制
1、風量調節（PID）；2、出口溫度調節（PID）；3、給煤調節（PID）；4、旋風分離器調節（偏差）；5、磨輥油壓調節（兩位）；5、制粉系統程序控制。
02 制粉系統概述
磨煤機為碗式磨輥中速磨，最大出力69.5t/h，電機功率740kW，磨輥液壓可調，每臺磨煤機配置液壓油泵和潤滑油泵各1臺，磨煤機出口裝有變頻調速旋風分離器，底部裝有石子煤斗，皮帶稱重給煤機配備電子皮帶秤（量程15.3～76.5 t/h）。合格的煤粉在鍋爐一次風挾帶下通過磨煤機出口4根煤粉管經煤粉燃燒器對角噴入爐膛的同一層。煤粉燃燒器采用直吹式低溫送粉，磨煤機入口通入的熱風（HOT AIR）和冷風（COLD AIR）都來自一次風機，熱風經過鍋爐空氣預熱器加熱，而冷風直接取自一次風機出口，冷、熱風在磨煤機入口混合。磨煤機和給煤機都配有密封風，磨煤機密封風來自鍋爐一次風機出口，經密封風機升壓后供磨煤機密封，給煤機密封風從磨煤機冷風調節擋板前引出。磨煤機入口熱風管上安裝有熱風調節擋板，控制進入磨煤機的風量，冷風管上同樣裝有調節擋板，用于調節磨煤機出口溫度。冷風、熱風調節擋板后都安裝有風門截止閘板，用作磨煤機停運后的系統隔離。
每套制粉系統設計有給煤、風量、出口溫度、旋風分離器轉速和磨輥壓力油調節5套模擬量自動回路，能夠自動地投“自動”，從設備啟動到正常調節全過程不需要人為干預，一鍵啟停。
03 制粉系統一鍵啟停的標準
鍋爐制粉系統被控對象既有開關量又有模擬量，控制方式既有順序控制又有回路自動調節，并且設備順序啟停過程中，模擬量自動調節也在適時投入工作。所以，我們把鍋爐制粉系統控制定義為：復變參量程序控制。
制粉系統一鍵啟停的識別標準是：
1）模擬量自動調節回路須能從工藝系統停止狀態至設備正常運行“自舉自動”。調節器定值隨動給定、偏差自動糾偏，從開環控制自動地投入閉環自動調節，設備啟動前調節回路即可投入自動。
2）開關量設備在設備級須有手動操作和自動控制兩種工作方式。杜絕順序控制過程中的手動/自動混搭現象，確保自動控制功能本質安全。
3）開關量設備冗余聯鎖須智能選擇、自動投入和切除，自動聯鎖投入時機應在設備啟動前。
如果換一種說法，就是一旦按下制粉系統程序控制的“啟動”或“停止”按鈕，一切皆由自動裝置（DCS）自動控制和調節，運行操作人員只需動眼無須動手，制粉系統即可設備啟動、鋪煤、制粉乃至吹掃，實現全過程、全工況、全自動運行。
國內已有大型燃煤機組（700MW）實現了鍋爐制粉系統 和BMS（鍋爐燃燒器管理系統）系統“一鍵啟停”，始于1999年。
表1 一鍵啟停與常規操控對比
04 自動糾偏→自動地投“自動”
1.一鍵啟停要求模擬量自動調節（MCS）回路須自動地投“自動”；
2.MCS有手動遠方操作和自動回路調節兩種控制方式；
3.一鍵啟停控制機組啟停過程中要求MCS從手動遠方操作切換為自動回路調節不得人工手動干預；
4.應用超馳控制，實現“自動糾偏”功能；
5.將尚未“自動” 的MCS，平滑地導向AUTO方式，實現MCS自動的投“自動”；
6.根據MCS回路不同特性，可在MCS回路伺服方式下進行開環自動糾偏或MCS回路已經切換為AUTO的初始階段進行閉環自動糾偏，從而確保調節回路自動的無擾手動／自動切換。
05 制粉系統模擬量調節
1）給煤調節
鍋爐入爐煤量的調節整體上為串級調節，給煤主調節器（COAL MSTER）PI調節，入爐煤量的給定由鍋爐主控器（BOLER MASTER）輸出（BM）和鍋爐風量（AF）先經過函數F（x）轉換成統一的代表煤量的參數，再通過小值選擇器（＜）進行比較，得出給煤主調節器的給定SV值，小值選擇器在這里起到的作用是鍋爐送風量和入爐煤量 “超前滯后、交叉限幅”，實現“加煤先加風、減煤后減風”的控制。在機組變負荷的過渡過程中，維持鍋爐過剩空氣系數始終接近設計值，確保鍋爐經濟燃燒。主調節器輸入偏差（Δ）由給定值SV和磨煤機給煤總量（PV）的代數和得出。機組純煤燃燒工況下，各臺給煤機的給煤量在加法器（Σ）中相加，輸出經入爐煤熱量（COAL CALORY）修正，形成PV值，再經過乘法器（×）增益校正后進入給煤主調節器，磨煤機不同的投入臺數對應不同的增益，保持鍋爐給煤調節輸出特性一致。
單臺磨煤機給煤調節是鍋爐燃料調節的副調回路。給定值SV來自給煤主調節器輸出，與給煤偏置相加后再與單臺給煤量相減得出磨煤機給煤調節器的偏差（Δ），通過給煤調節器的PI運算去調節給煤機的轉速控制給煤量，磨煤機給煤調節還設有磨煤機投入初始階段的超馳控制，完成暖磨、鋪煤、咬煤等控制。
圖2 鍋爐燃料自動調節回路原理圖
2）風量調節
磨煤機風量自動調節是一個單回路PI調節，過程測量信號為磨煤機入口的熱一次風（A-MILL PRIMARY AIR FLOW），帶有溫度補償（A-MILL PRIMARY AIR TEMPERATURE），經過開方和濾波（LAG）成為PV值。給定值SV由給煤機煤量（A-COAL FEEDER COAL FLOW）函數轉換成風量與熱風偏置（A-MILL 1RY AIR FLOW BIAS ）相加后得出。磨煤機風量給定SV為隨動定值，所以磨煤機風量自動是一個隨動調節回路。SV與PV值相減得出調節器的輸入偏差（Δ）。調節回路的被控對象為熱一次風，執行機構是熱風調節擋板（HOT AIR DAMPER CD）。PI調節器輸出與磨煤機出口溫度自動回路互為關聯，具有雙向解耦功能。
3）溫度調節
磨煤機“出口溫度自動”調節的是冷一次風，單回路PI調節，給定（SET）82℃，與磨煤機出口溫度調節回路偏置（A-MILL OUTLET TEMP. BIAS）代數相加后形成SV值，過程值PV是磨煤機出口溫度（A-MILL OUTLET TEMPERATURE），PV值減去SV值得到調節器輸入偏差（Δ）。執行機構為磨煤機入口冷風調節擋板（COLD AIR DAMPER CD）。磨煤機風量調節與出口溫度調節具有交叉耦合特性。調節熱風改變磨煤機風量的同時也引發磨煤機出口溫度變化，而調節冷風控制磨煤機出口溫度到給定值，磨煤機風量隨之發生偏移。這種在調節過程中兩個回路相互影響的現象，就叫做回路參數的“耦合”，耦合作用令磨煤機的風量和出口溫度調節品質都會變差，甚至無法同時投入兩個自動調節回路。本文論述的磨煤機出口溫度和磨煤機風量調節回路設計有專門的解耦功能，有效地消除了冷、熱風調節的耦合影響。
圖3 鍋爐制粉系統風量/溫度自動調節回路原理圖
4）旋轉分離器調節
磨煤機旋風分離器轉速調節的執行機構為變頻器（Variable-frequency Drive，VFD），磨煤機電動機電流（A-MILL CURRENT）作為過程測量值PV，給定值由給煤機煤量（A-COAL FEEDER COAL FLOW）經函數轉換生成，該自動調節回路為開環隨動調節，未設計PI調節器。
5）磨輥油壓調節
磨輥壓力油調節采用兩位式控制，磨輥壓力油調節給定值取自磨煤機給煤量函數，磨輥油壓將跟隨給煤量的增減而升降。磨輥油壓給定值減去磨輥油泵出口壓力形成調節偏差，偏差小于±0.3MPa，磨輥油壓維持不變。而偏差超過±0.3MPa時，磨輥油壓將被控自動降低或升高。
06 制粉系統一鍵啟停
1）煤粉燃燒器啟動
煤粉燃燒器順序控制步序邏輯接到“煤粉燃燒器啟動”指令后，馬上開始煤粉燃燒器啟動計時，同時執行步序程序。
第1步（計時60秒）
發出2條命令：
(1)開磨煤機出口擋板；
(2)開磨煤機入口冷風閘板。
第2步（計時180秒）
發出3條命令：
(1)磨煤機潤滑油泵合閘；
(2)開磨煤機密封風風門；
(3)開給煤機密封風風門。
第3步（計時120秒）
發出命令：B磨煤機合閘。
第4步（計時300秒）
同時發出3條命令：
(1)冷風調節擋板開至流量70％閥位；
(2)旋轉分離器合閘；
(3)磨輥液壓油泵合閘。
圖5 制粉系統程控啟動時序
第5步（計時30秒）
發出命令：磨輥油壓調節投自動，去MCS；
第6步（計時50秒）
發出命令：開啟熱風閘板。
第7步（計時2700秒）
發出命令：
(1)磨煤機風量調節投自動，去MCS；
(2)磨煤機出口溫度設定82℃，去MCS。
第8步（計時30秒）
同時發出2條命令：
(1)開啟給煤閘板；
(2)磨煤機出口溫度調節投自動，去MCS。
第9步（計時60秒）
發出命令：給煤機合閘。
第10步（計時5分鐘）
發出命令：給煤調節投“伺服”。
第11步（計時45分鐘）
發出命令去MCS：設定給煤量40％。
第12步（計時5分鐘）
發出命令去MCS：B磨煤機給煤量設定30％，去MCS。
第13步（計時5分鐘）
發出命令：磨煤機給煤調節投“自動”，去MCS。
2）煤粉燃燒器停運
第1步（計時30秒）
發出命令：
(1)B磨煤機潤滑油泵合閘；
(2)打開B磨煤機出口擋板；
(3)打開B給煤機密封風風門；
(4)打開B磨煤機冷風閘板；
(5)打開B磨煤機密封風。
第2步（計時30秒）
發出命令：磨煤機給煤自動切至“伺服”，去MCS。
第3步（計時300秒）
發出命令：置磨煤機在最低煤量，去MCS。
圖6 制粉系統程控停止時序
第4步（計時300秒）
發出命令：設定B磨煤機出口溫度60℃，去MCS。
第5步（計時300秒）
發出命令：關閉熱風閘板。
第6步（計時300秒）
發出命令：
(1)B磨煤機例行吹掃；
(2)B磨煤機吹掃合閘。
第7步（計時550秒）
發出命令：給煤機分閘。
第8步（計時1200秒）
同時發出以下命令：
(1)B磨煤機潤滑油泵分閘；
(2)B磨輥液壓油泵分閘；
(3)B磨煤機旋風分離器分閘；
(4)B磨煤機冷風調節擋板在最小開度。
磨煤機吹掃計時510秒，吹掃完成后，磨煤機自動分閘。
07 鍋爐燃燒器管理系統（BMS）的一鍵啟停
煤粉燃燒器不比油槍，油槍啟、停，投、退相對簡單，而制粉系統是從給煤機輸送原煤開始，經過磨煤機研磨制成符合要求的煤粉再噴到爐膛內，特別是機組啟動變負荷過程中多套制粉系統的啟停都需要恰當的投、切時機，否則，其升負荷過程也會“卡頓”。除開制粉系統能夠全自動順序啟停，也包括每套制粉系統的5個模擬量調節回路自動地投“自動”，需要解決的就是磨煤機如何適時的投、切，以確保煤粉燃燒器如油槍般連貫運行而消除卡頓現象，“磨煤機出力計算”功能是關鍵的一環。只有具備了磨煤機出力實時自動計算能力，制粉系統或者說煤粉燃燒器才有可能隨機組負荷升降而適時啟動或停止。BMS系統本身就應該具備鍋爐煤粉燃燒器自動控制功能，通過與模擬量調節系統協同，BMS系統也能夠根據鍋爐目標出力利用 “磨煤機出力計算”功能自動決定在2～5套之間增、減煤粉燃燒器。因此而實現多套鍋爐制粉系統整體的全過程自動出力一鍵啟停。
1）鍋爐煤燃燒器全工況控制
圖4 鍋爐燃燒器投入與退出
機組運行中變動負荷，就要增減磨煤機。若實現自動增減磨煤機，首要條件是CCS要工作在“機爐協調”方式（COORDINATE CONT MODE），機組在升負荷過程中 “磨煤機出力計算”邏輯增、減磨煤機主要是根據機組當前的目標功率（MW DEM）和功率目標給定（MW SET）各自的閾值以及當前磨煤機在運臺數來決定。MW DEM按照給定的斜率輸出斜波信號，MW SET為階躍信號。以700MW機組燃煤鍋爐為例，BMS利用“磨煤機出力計算”邏輯能夠自動遞增磨煤機從2臺到5臺，自動遞減磨煤機從5臺到2臺。這就是鍋爐燃燒的煤燃燒器全工況自動控制。
2）APS導引鍋爐煤粉燃燒器啟停
機組額定運行工況，鍋爐煤粉燃燒器最多投入5套。非APS控制時，BMS能夠獨立完成5套煤粉燃燒器的全過程自動投、退。鍋爐煤粉燃燒器程序控制，有兩種觸發方式，APS導引和BMS自動。APS啟動機組時直接控制B、C、D三層煤粉燃燒器，APS默認B煤粉燃燒器首套啟動。機組負荷35%ECR以上，APS把煤粉燃燒器的增、減控制權轉交給BMS自動控制。機組停運由BMS系統先行自動退出煤粉燃燒器，余下兩套“APS IN”接手退出。
3）APS機組啟動投B煤粉燃燒器
APS導引BMS，首先要求BMS系統切換到“BMS IN APS MODE”。鍋爐煤粉燃燒器第一套啟動（1st-COAL BNR START）指令由APS發電機并網＆初負荷（SYNCHRO. & INIT. LOAD）階段發出。此時，發電機已經并網，投B磨煤機要求實發功率＞10％ECR，鍋爐一次風系統已經運行，汽輪機DEH在負荷自動方式（ALR）。APS發出啟動第一套煤粉燃燒器的指令給BMS，BMS接到APS發來的指令并經邏輯判定滿足制粉系統啟動條件，則發出B煤粉燃燒器啟動命令，B制粉系統程序控制開始自動啟動。
(1)APS升負荷投C、D煤粉燃燒器
APS控制C、D煤粉燃燒器的啟動沒有采用如B煤粉燃燒器由APS分布式主控器步序邏輯發布指令的方式，而是在APS邏輯中獨立設計了C、D煤粉燃燒器的“條件順序控制”。C、D煤粉燃燒器會以機組發電負荷為閾值作為啟動條件順序投入。機組負荷＞110MW（15.7%ECR）啟動C煤粉燃燒器，機組負荷＞175MW（25%ECR）啟動D煤粉燃燒器。
BMS系統設計有“磨煤機出力”控制邏輯，根據機組負荷升、降和實發功率，能在2～5套之間自動增、減制粉系統。APS機組升負荷過程中，管控了B、C、D三套煤粉燃燒器，待三套煤粉燃燒器投入后，APS發出指令，把磨煤機出力邏輯控制權交還給BMS系統，鍋爐煤粉燃燒器的自動增減就由BMS系統自主完成。機組實發負荷升至245MW（35%ECR），APS退出。
(2)APS機組停運退出煤粉燃燒器
APS停運機組過程中，最后兩套煤粉燃燒器由APS控制退出。
①退出倒數第二套煤粉燃燒器
APS降負荷（LOAD DOWN）階段發出指令“機組目標負荷設定20%ECR”，機組開始按既定目標降負荷。指令“退出倒數第二套煤粉燃燒器”發自APS專門設計的條件邏輯，條件滿足即隨機發出指令。退出倒數第二套煤粉燃燒器的條件有來自BMS系統上傳的給煤機運行狀態，經APS“切最后2套煤粉燃燒器邏輯”判定，向BMS系統發出指令觸發制粉系統順序控制邏輯按步序退出煤粉燃燒器。
②退出最后一套煤粉燃燒器（LAST 1 COAL BNR S-DWN）
APS最低負荷（MINIMUM LOAD）階段，APS確認機組實發負荷已經不高于40MW，且只有一層煤粉燃燒器在運行，則發出指令“LAST 1 COAL BNR S-DWN”，通過APS“切最后2套煤粉燃燒器邏輯”判定磨煤機的編號，向BMS發出切除最后一套在運煤粉燃燒器的指令。
08 煤粉燃燒器自動程序控制特點
煤粉燃燒器程序控制的整個啟動過程，總計發出了20條指令，其中BMS系統內部開關量控制指令11條，與MCS關聯的外部控制指令9條，發送到MCS系統中觸發模擬量自動調節，體現出BMS和MCS兩個系統的緊密交聯互動。從BMS制粉系統順序控制的第4步就開始與MCS自動調節回路交互控制，一直到第8步，互動逐步加強，而從第10到第13步BMS與MCS更是連續的互動。順序控制逐一啟動制粉系統的設備，同時也適時投入磨輥油壓、風量、出口溫度、給煤和旋風分離器轉速等模擬量自動調節，實現了開關量控制和模擬量調節各司其職，相互同步配合。并且，在磨煤機啟動初始階段采用超馳控制，給定自動調節定值，設定初始狀態，完成磨煤機鋪煤、咬煤判定、限定最低出力等。確保了磨煤機風量、出口溫度和給煤量調節從伺服方式順暢連貫過渡到與機組實時負荷相適應的自動控制。相對煤粉燃燒器正常工作這段磨煤機初始階段控制時間并不長，但卻是制粉系統全程自動啟動的必經之路，如果不能平滑過渡，自動控制的整個過程就要脫節。縱觀鍋爐制粉系統的啟動，可以進一步體會到“三態式”模擬量自動調節和開關量“本安型”開關這兩種邏輯模塊對于構建開關量和模擬量自動交互控制的重要性。雖然煤粉燃燒器啟動仍然遵循步進程序模式，但BMS中的某些步序專門是為聯系MCS系統而設計，當然MCS系統也有對等的應答，從而實現了鍋爐制粉系統開關量和模擬量交互控制的全程自動啟動。如果從“B COAL BNR.START-UP ON”指令發出算起到煤粉燃燒器正常運行，再到煤粉燃燒器自動退出，完整地體現出開關量和模擬量復變參數程序控制系統的“一鍵式啟停”，成為APS應用的充要條件。
