陸相東，董 林

(江蘇利港電力有限公司，江蘇 江陰 214444)

0 引言

利港電廠4號汽輪機為全進口亞臨界反動式汽輪機，原設計中不配備旁路系統(tǒng)，引入時根據(jù)電廠要求配備了旁路系統(tǒng)，由于旁路系統(tǒng)邏輯不完善及閥門故障率高等問題，投產(chǎn)至今汽輪機冷、熱態(tài)啟動均采用高壓缸沖轉(zhuǎn)，旁路僅用于汽輪機沖轉(zhuǎn)前提升主再汽溫所用，而在中缸啟動速度快、壽命損耗小及降噪節(jié)能等優(yōu)越性上沒有得到充分體現(xiàn)。本次4號機組DCS改造為實現(xiàn)整組APS(Automatic Power Plant Start Up And Shutdown)啟動，電廠對旁路系統(tǒng)閥門解體大修，并對旁路邏輯完善、各子功能組搭建以及與DEH協(xié)調(diào)配合等方面進行研討，實現(xiàn)機組啟動中旁路全程自動控制及汽輪機ATC沖轉(zhuǎn)，在啟動方式優(yōu)化和整機自動化水平提高方面具有一定意義。

1 設備簡介

利港電廠4號汽輪機為美國WestingHouse公司制造的350 MW TC2F-38.6型亞臨界一次中間再熱單軸雙排汽凝汽式汽輪機，高中壓缸均采用合缸布置雙層缸窄法蘭結(jié)構(gòu)形式;根據(jù)高壓內(nèi)缸內(nèi)壁溫度或中壓缸第一隔板套溫度，將汽輪機啟動方式分為冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)、極熱態(tài)4種。鍋爐為英國BEL和武漢鍋爐廠聯(lián)合設計的WGZ1246/18.15-1型自然循環(huán)一次中間再熱汽包爐?？刂葡到y(tǒng)采用新華分散處理XDPS-400E控制系統(tǒng);數(shù)字式電液調(diào)節(jié)DEH系統(tǒng)采用新華控制工程有限公司推出的DEH-V系統(tǒng)，由計算機控制部分和EH液壓系統(tǒng)組成。旁路系統(tǒng)采用CCI公司的高低壓兩級串聯(lián)旁路，高旁容量為40%BMCR，低旁容量為65%BMCR，高壓旁路系統(tǒng)裝置由高壓蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥、高壓溫度調(diào)節(jié)閥、高壓截止閥等組成;低壓旁路系統(tǒng)裝置由低壓蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥、低壓溫度調(diào)節(jié)閥、低壓截止閥等組成，高低壓旁路調(diào)節(jié)閥均采用液動控制。4號機組旁路方式由高低旁截止閥位置狀態(tài)分為BYPASS ON和BYPASS OFF兩種，旁路方式一旦確定，DEH邏輯運算程序由此判斷并執(zhí)行汽輪機高壓缸啟動或中缸啟動方式，也就確定了汽機掛閘后高中壓缸汽門初始狀態(tài)。

2 APS啟動過程中旁路及汽機全程控制策略

2.1 旁路啟動功能組設置

4號機組改造后，整組啟動采用APS程序自動控制，機組自啟?？刂葡到y(tǒng)APS是機組自動啟動和停運的信息控制中心，按規(guī)定好的程序發(fā)出各個設備/系統(tǒng)的啟動或停運命令，由各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)完成各項操作任務以實現(xiàn)機組自動啟停。其中旁路控制系統(tǒng) (BPC)和汽機全程自動 (ATC)是機組APS啟動中兩個重要系統(tǒng)，其控制關鍵點是開環(huán)邏輯控制和閉環(huán)自動調(diào)節(jié)回路正確可靠并能相互配合，方能保證APS啟動過程中各斷點及功能組按要求、按步驟完成以下工作:鍋爐升溫升壓期間平穩(wěn)控制汽機沖轉(zhuǎn)參數(shù)至推薦值，汽機采用中缸沖轉(zhuǎn)由盤車狀態(tài)安全快速至額定轉(zhuǎn)速，發(fā)電機組與電網(wǎng)并列后平穩(wěn)完成高中壓缸負荷切換、旁路退出等任務。為實現(xiàn)上述功能，APS依次設計有旁路暖管功能組、旁路投入功能組、高旁退出功能組、旁路退出功能組及ATC(Automatic Turbine Coutrol)汽機自動控制等功能組，以滿足APS啟動的要求。

2.2 點火初期旁路控制策略

鍋爐點火初期由于爐側(cè)空氣門開啟，現(xiàn)場啟動中發(fā)現(xiàn)過早投運旁路，一定程度會影響凝器真空;而過晚投運旁路，又會使管路汽水相擊強烈振動、延緩機組啟動速度及噪聲擾民等問題。為此在點火初期，APS程序上對旁路投運時機做了考慮，在鍋爐起壓前，APS發(fā)出指令按機組常規(guī)啟動方式開啟爐側(cè)主蒸汽管向空排汽門以配合升溫升壓，此時旁路處于隔絕狀態(tài);當汽包壓力＞0.2 MPa時，APS調(diào)用旁路暖管功能組，自動完成開啟高低旁截止閥、將高低旁壓力調(diào)節(jié)閥置位、設定高低旁溫度調(diào)節(jié)閥定值并投自動等任務，實現(xiàn)旁路隨爐暖管。APS將旁路投運時機選在汽包壓力＞1 MPa進行，此時APS通過調(diào)用旁路投運功能組，完成投入高旁壓力調(diào)節(jié)閥自動、低旁壓力調(diào)節(jié)閥置位、關爐側(cè)向空排汽門等任務。

2.3 鍋爐升溫升壓過程旁路自動控制策略

(1)升溫升壓階段，根據(jù)汽輪機冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)、極熱態(tài)4種啟動方式自動控制合適沖轉(zhuǎn)參數(shù)是旁路系統(tǒng)重要任務，這樣可以在汽輪機沖轉(zhuǎn)期間將金屬溫差、差脹以及壽命損耗控制在允許范圍之內(nèi)，以確保汽輪機安全、經(jīng)濟、快速啟動。當操作人員選擇APS啟動方式后，APS程序根據(jù)汽機第一級金屬溫度自動判斷出機組啟動狀態(tài)和高旁壓力最大滑壓開度 (冷態(tài):35%;溫態(tài):30%;熱態(tài):25%;極熱態(tài):20%)，并為之選擇匹配的理想沖轉(zhuǎn)參數(shù)以作燃料系統(tǒng)和旁路系統(tǒng)控制目標，在整個升溫升壓期間旁路系統(tǒng)更多體現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)回路作用，隨著鍋爐燃料量增加，控制蒸汽參數(shù)按一定速率上升，直至達到目標沖轉(zhuǎn)參數(shù)并穩(wěn)定。

(2)旁路系統(tǒng)從開始投運到汽機沖轉(zhuǎn)期間，壓力控制采用定—滑—定方式。旁路投運功能組啟動后，自動設定高旁壓力定值為1MPa，隨著鍋爐燃料量的增加，高旁定壓控制使得調(diào)節(jié)閥指令逐漸開大。冷態(tài)啟動當壓力調(diào)節(jié)閥指令開至35%限值時不再增加，此時高旁壓力控制閥定開度，壓力切換為滑壓控制，壓力設定值跟蹤實際壓力，當實際主汽壓力大于汽機目標沖轉(zhuǎn)壓力時，旁路再次切換為定壓控制，壓力設定值為汽輪機目標沖轉(zhuǎn)壓力。低旁壓力調(diào)節(jié)閥在升溫升壓初期由APS置位足夠大開度，當再熱汽溫大于300℃時，程序觸發(fā)低旁壓力調(diào)節(jié)閥投自動信號，壓力設定值按一定速率控制至0.5 MPa。鍋爐升溫升壓階段旁路全程自動控制如圖1所示。

圖1 鍋爐升溫升壓階段旁路自動控制主要參數(shù)Fig.1 Main parameters of boiler increased temperture and pressure stage by bypass automatic control

(3)升溫升壓過程中，安全、經(jīng)濟啟動及控制沖轉(zhuǎn)參數(shù)至需求值，是旁路系統(tǒng)自動控制的目標，期間旁路控制策略從鍋爐金屬安全性方面也做了相應的考慮及超弛保護。如旁路控制方案在升溫升壓期間，通過超弛信號防止鍋爐溫升超限等安全類問題，當鍋爐汽包、屏過等金屬溫升率超安全上限時，APS發(fā)出指令調(diào)整燃料量，同時向旁路系統(tǒng)發(fā)出超馳指令以限制高旁壓力調(diào)節(jié)閥開度，以使各金屬溫升下降至安全值以下。

(4)為適用汽機4種狀態(tài)下壓力自動控制，高旁壓力閥投自動前首先進行壓力判斷，如投運初期主汽壓力小于1 MPa，高旁壓力控制閥投上自動定值為1 MPa;如大于1 MPa，壓力定值則為當前值，此處設計主要是考慮未完全泄壓機組啟動時旁路自動控制。為防止燃料量變化或其他因素引起主汽壓力下降，導致高旁壓力調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)回路不斷作用使旁路全關，進而造成鍋爐悶燒，旁路控制方案中設置高旁壓力調(diào)節(jié)閥10%最小開度限制。

2.4 汽機沖轉(zhuǎn)過程旁路控制策略

2.4.1 BYPASS ON方式下汽機沖轉(zhuǎn)問題

沖轉(zhuǎn)參數(shù)達到需求值時，APS中汽輪機沖轉(zhuǎn)允許燈被點亮，由運行人員進行汽輪機沖轉(zhuǎn)前狀態(tài)選擇，主要有帶旁路中壓缸沖轉(zhuǎn)、不帶旁路高缸沖轉(zhuǎn)、以及是否采用ATC全程應力計算沖轉(zhuǎn)，是否進行摩擦檢查等選擇。操作人員一旦選擇完畢，只需啟動APS沖轉(zhuǎn)斷點，就可將汽輪機由盤車狀態(tài)沖轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速并完成期間的所有操作任務。由于方式眾多，目前汽輪機冷、溫態(tài)啟動推薦采用高缸啟動，而熱態(tài)、極熱態(tài)啟動采用中缸啟動。選擇了高缸啟動，在沖轉(zhuǎn)前APS程序完成開鍋爐側(cè)向空排汽門，旁路退出等任務。而選擇了帶旁路中壓缸ATC沖轉(zhuǎn)，旁路直至并網(wǎng)后才逐漸退出。采用中缸沖轉(zhuǎn)可以提高中壓轉(zhuǎn)子進汽溫度，加快啟動速度，控制汽機差脹，降噪節(jié)能等優(yōu)勢，但有以下幾個方面需要重點考慮。

(1)對于本機組而言，旁路選擇BPASS 0N方式也就意味著DEH選用中壓缸沖轉(zhuǎn)，由于旁路投入時新蒸汽溫度比不投旁路時相對要高，溫熱態(tài)汽輪機啟動使用中壓缸沖轉(zhuǎn)有其優(yōu)點，對于全冷態(tài)汽輪機來說，勢必導致熱應力增加，進一步增加汽輪機壽命損耗;另外使用中缸啟動期間高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時鼓風作用所產(chǎn)生的熱量不可忽視，高壓排汽溫度過高時，會使其葉片過熱受損。為解決上述問題，對高壓缸排汽與凝器之間裝有高排通汽門 (VV閥)邏輯進行了優(yōu)化，采用中缸進汽啟動時，升速開始VV閥即開啟，600 r/min后高缸開始進汽，隨后高中壓缸聯(lián)合進汽控制汽機轉(zhuǎn)速，從而避免中缸沖轉(zhuǎn)高排溫度過高問題。在如何面對冷態(tài)啟動熱應力問題上，電廠通過對同類型機組調(diào)研和咨詢汽輪機制造廠，保留原高缸啟動方式，并確定了中缸啟動可行性。

(2)高壓缸進汽以前，由于旁路系統(tǒng)投運再熱蒸汽已有壓力，如再熱蒸汽壓力過高，有可能造成高壓缸流量過小而使得高排逆止門不能自動打開問題，這樣就會造成高壓缸因鼓風損失而嚴重發(fā)熱。因此在高中壓缸切換之前必須控制再熱蒸汽壓力不能太高，控制策略對汽機沖轉(zhuǎn)后低旁壓力控制方案和VV閥關閉時機上必須有所考慮，防止此類問題產(chǎn)生。

(3)中缸沖轉(zhuǎn)全程是旁路和DEH相互配合、聯(lián)手完成的任務，期間包括維持沖轉(zhuǎn)壓力、汽輪機高中壓缸進汽方式切換等工作，安全上考慮存在旁路故障或其他原因?qū)е峦蝗煌顺?，系統(tǒng)上將造成壓力突升，工況擾動;另一方面旁路突然退出后，將導致旁路方式改變，而誘發(fā)中調(diào)門突開汽機超速等危險工況。在控制策略上應做以下考慮，如發(fā)生旁路突然退出，APS立即觸發(fā)開啟爐側(cè)向空排汽門防止超壓，同時在邏輯上考慮此種工況下不改變汽機進汽方式，從而避免由此引起的超速憂慮。

(4)機組并網(wǎng)后，控制策略上對旁路退出時機及速率上有所考慮，避免旁路退出時造成主汽壓力波動、熱應力增加、負荷及汽包水位異常波動等問題。

2.4.2 BYPASS ON方式下旁路及汽機控制過程

(1)APS沖轉(zhuǎn)斷點啟動后，歸根結(jié)底是調(diào)用汽機ATC自啟動功能組，指揮協(xié)調(diào)旁路系統(tǒng)和DEH完成汽機沖轉(zhuǎn)和并網(wǎng)后的各項操作任務。當DEH接收到中缸沖轉(zhuǎn)啟動指令后，APS自動判斷當時機組狀態(tài)，檢查允許掛閘條件，若滿足條件則自動發(fā)出掛閘指令，復位ETS系統(tǒng)，使AST電磁閥帶電，VV閥和中壓主汽門、高壓調(diào)門自動全開，中壓調(diào)門和高壓主汽門關閉，由ATC程序自動產(chǎn)生轉(zhuǎn)速目標值、根據(jù)熱應力改變升速率及產(chǎn)生轉(zhuǎn)速保持信號。

(2)0～600 r/min由IV控制，摩擦檢查結(jié)束后，重新升速到600 r/min，2 min IV記憶開度后，切為高中壓缸聯(lián)合控制方式，由TV-IV聯(lián)合控制轉(zhuǎn)速至2 900 r/min，2 min IV記憶開度后進行TV/GV的切換，隨后由GV-IV聯(lián)合控制轉(zhuǎn)速至3 000 r/min;轉(zhuǎn)速在700 r/min以前再熱器出口壓力由低旁控制在0.5 MPa左右，700-2 900 r/min范圍內(nèi)，APS發(fā)出指令逐漸開大低旁控制閥，使得再熱器壓力緩慢從0.5 MPa降到0.2 MPa。

(3)在汽機沖轉(zhuǎn)階段，高旁采用定壓方式，維持沖轉(zhuǎn)壓力，而低旁有一個降壓過程，主要目的是保證2 900 r/min TV/GV切換成功和并網(wǎng)后高排逆止門順利打開。若在此種方式下發(fā)生汽機跳閘，重新掛閘后，根據(jù)當時機組轉(zhuǎn)速判斷自動控制方式，在0～600 r/min之間掛閘時，進入中壓缸啟動方式;在600～2 900 r/min掛閘時，自動進入高中壓聯(lián)合啟動方式，由TV-IV聯(lián)合控制;在2 900 r/min以上不進行掛閘。當汽輪機達到同步轉(zhuǎn)速時，ATC轉(zhuǎn)速控制階段到此結(jié)束，ATC方式自動切至監(jiān)視狀態(tài)。

2.5 并網(wǎng)后旁路控制策略

運行人員啟動APS并網(wǎng)斷點后，程序自動投入同期狀態(tài)，DEH接收同期裝置發(fā)來的增減信號進行汽輪機轉(zhuǎn)速的調(diào)整，自動完成發(fā)電機并網(wǎng)操作，并網(wǎng)初始負荷由第一級金屬溫度失配值確定，一般自動帶5%～25%負荷，隨后DEH進入負荷控制方式，由CCS遙控控制機組負荷。在機組并網(wǎng)后，APS調(diào)用旁路退出功能組，完成下列任務:鍋爐增加燃料、DEH增負荷指令促使中調(diào)門(IV)全開、按一定速率將高旁壓力控制閥關閉、檢查高排逆止門脫離關位且冷再壓力低于0.5 MPa時自動聯(lián)關VV閥、關閉高旁隔絕門、按一定速率關閉低旁壓力控制閥及截止閥，旁路進入BYPASS OFF方式，完成汽機進汽方式轉(zhuǎn)變和旁路退出功能。

3 投運效果

通過對旁路控制策略進行調(diào)試和優(yōu)化，4號機組大修后首次全冷態(tài)啟動采用APS全程自動控制，汽機采用中缸沖轉(zhuǎn)由盤車狀態(tài)安全快速至額定轉(zhuǎn)速，發(fā)電機組與電網(wǎng)并列后平穩(wěn)完成高中壓缸負荷切換、旁路退出等任務。在升溫升壓階段旁路系統(tǒng)和燃料系統(tǒng)控制汽壓平穩(wěn)上升，主再汽溫升率不超限，沖轉(zhuǎn)參數(shù)符合要求;沖轉(zhuǎn)過程中，汽機轉(zhuǎn)速700 r/min后平緩將再熱器壓力由0.5 MPa降至0.2 MPa，為高壓主汽門/調(diào)整門閥切換和高排逆止門順利打開創(chuàng)造有利條件，整個沖轉(zhuǎn)過程汽輪機轉(zhuǎn)子應力、差脹、振動、總脹等反映汽輪機性能的參數(shù)均符合制造廠限值要求。機組并網(wǎng)后，旁路退出功能組開環(huán)邏輯控制正確，但中壓調(diào)整門開度未大于90%，導致旁路退出時間較長，調(diào)整負荷后退出成功，VV閥關閉后機組負荷、壓力、高排溫度等參數(shù)正常，說明高排逆止門打開正常。在隨后機組啟動中，又試驗APS不帶旁路沖轉(zhuǎn)、DEH操作員自動等多種方式啟動，至今4號機組已4次成功使用APS啟動，暴露的問題及時進行完善，提高了旁路系統(tǒng)和機組啟動靈活性，滿足實際運行要求。圖2為4號汽輪機高缸沖轉(zhuǎn)旁路控制過程及汽輪機本體參數(shù)變化情況。

圖2 高缸沖轉(zhuǎn)旁路控制過程及汽輪機本體參數(shù)變化情況Fig.2 Bypass control processing and tubine parameters changing by high-pressure cylinder rotation

旁路全程自動控制和汽輪機ATC是整組APS安全經(jīng)濟啟動兩個重要功能組，在保證機組安全啟動的前提下，啟動耗時也是電廠所關注的重要指標之一，在功能組搭建及控制策略研討過程中，現(xiàn)場運行人員全程參與，將多年成熟的運行操作經(jīng)驗體現(xiàn)在每個程序控制環(huán)節(jié)，相當于每次啟動均為最優(yōu)秀的機長在操作，在啟動安排、操作發(fā)令等方面能做到合理有序。圖3為整組APS啟動與機組常規(guī)啟動總耗時比較。

圖3 整組APS啟動與機組常規(guī)啟動總耗時比較Fig.3 Unit 4 start-up more time-consuming between APS and the normal way

4 存在問題及解決方案

(1)在BYPASS ON方式?jīng)_轉(zhuǎn)時，再熱蒸汽已經(jīng)具備了較高的壓力，高排逆止閥后是有壓力的，初期設計再熱器出口壓力在0.5 MPa，壓力過高導致在由IV沖轉(zhuǎn)切至IV-TV聯(lián)合沖轉(zhuǎn)時，高排逆止閥不能順利打開，從而導致沖轉(zhuǎn)方式切換不成功。通過在旁路沖轉(zhuǎn)斷點組態(tài)中增加轉(zhuǎn)速＞700 r/min后，將再熱汽壓力定值由0.5 MPa逐步降至0.2 MPa，保留手動降再熱汽壓功能，進而避免了冷再壓力高，導致高排逆止門沖不開。

(2)旁路退出時，第一次高旁全關后IV全開，但在關低旁的過程中，熱再壓力升高，IV又逐漸關小，導致向BYPASS OFF方式轉(zhuǎn)換未成功，后靠手動開啟IV來轉(zhuǎn)換。第二次高旁全關后，IV只開到20%(高旁調(diào)門兩次開度差不多在15～16%，但第一次主汽壓較低為6.1 MPa，第二次主汽壓較高為10.7 MPa導致GV開度指令小)，考慮一是控制好主汽壓和高旁開度，二是通過加負荷促使中壓調(diào)整門開度大于90%后，退出低旁。后來機組啟動過程中，通過上述方法將該問題解決。

5 結(jié)論

機組安全、經(jīng)濟、快速啟動一定程度上反映了運行人員操作能力和機組控制系統(tǒng)自動化水平，利港電廠4號機組通過對旁路系統(tǒng)和DEH功能完善，實現(xiàn)旁路全程自動控制和優(yōu)化機組啟動方式，緩解運行人員啟動時刻的勞動強度，提高了自動化控制水平，節(jié)能降噪，為4機組整組APS成功啟動奠定基礎。

[1]趙子軍，陳少華，毛偉勝，等.汽機熱態(tài)啟動切缸時高缸保護動作原因淺析[J].電力科學與工程，2009，25(12):56-58.Zhao Zijun， Chen Shaohua， Mao Weisheng， etal.Analysis on the high protection of tanks hot ourbine start-cylinder cutting action[J].Electric Power Science And Engineering，2009，25(12):56-58.