李書(shū)才， 張 力，張 華

(山東電力工程咨詢(xún)?cè)河邢薰荆?山東 濟(jì)南 250013)

近年來(lái)隨著國(guó)家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及環(huán)境排放要求的提高，燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)機(jī)組成為電力系統(tǒng)清潔能源發(fā)展的一個(gè)方向。為適應(yīng)燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機(jī)組頻繁啟停的需要，機(jī)組自啟停控制系統(tǒng) (Automatic Plant Start－up and Shutdown System，簡(jiǎn)稱(chēng)APS)的實(shí)施已成為必然趨勢(shì)。機(jī)組自啟?？刂萍夹g(shù)的實(shí)現(xiàn)，可以提高機(jī)組啟停的正確性和規(guī)范性，減輕運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度，縮短機(jī)組啟停時(shí)間，是真正實(shí)現(xiàn)減員增效的有效措施，也是體現(xiàn)機(jī)組高自動(dòng)化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。

1 機(jī)組概況

馬來(lái)西亞某工程為一拖一單軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，燃機(jī)為西門(mén)子SGT5－4000F(燃油、燃?xì)怆p燃料)、汽機(jī)為西門(mén)子SST5－3000、發(fā)電機(jī)為西門(mén)子SGen5－2000H、無(wú)補(bǔ)燃余熱鍋爐為阿爾斯通GT13E1。本工程燃機(jī)－汽機(jī)控制系統(tǒng)(Turbine Control System，簡(jiǎn)稱(chēng)TCS)、余熱鍋爐(Heat Recover Steam Generator，簡(jiǎn)稱(chēng)HRSG)及輔助車(chē)間(Balance of plant，簡(jiǎn)稱(chēng)BOP)控制系統(tǒng)(Distribution Control System，簡(jiǎn)稱(chēng)DCS)均采用Siemens T3000一體化軟硬件，共用1套控制網(wǎng)絡(luò)，減少了系統(tǒng)間的硬接線(xiàn)和通訊接口，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)APS提供了有效保障。

2 APS設(shè)計(jì)方案

2.1 APS總體設(shè)計(jì)原則

APS系統(tǒng)主要分為兩大部分：一部分為機(jī)島側(cè)的控制邏輯，由德國(guó)西門(mén)子公司設(shè)計(jì)實(shí)施，該部分的控制功能在機(jī)島成套的T3000控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)化程度高，技術(shù)成熟，而且相對(duì)獨(dú)立，能夠?qū)崿F(xiàn)燃機(jī)、汽輪機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)啟停控制。另一部分為APS系統(tǒng)的主要控制邏輯，完成全廠(chǎng)APS的控制，與機(jī)島APS接口，對(duì)機(jī)島系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)和停機(jī)指令，并對(duì)除機(jī)島以外的其他系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。這部分控制系統(tǒng)功能在用戶(hù)成套的DCS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，也是整個(gè)APS系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2.2 APS功能的組成

根據(jù)控制級(jí)別不同，機(jī)組順序控制系統(tǒng)分為4級(jí)，即機(jī)組控制級(jí)、功能組控制級(jí)、功能子組控制級(jí)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制級(jí)，見(jiàn)圖1。分級(jí)設(shè)計(jì)原則是保證系統(tǒng)在某些傳感器、設(shè)備或元件故障時(shí)，能夠選擇較低級(jí)控制方式。機(jī)組級(jí)是最高一級(jí)的順序控制系統(tǒng)，它根據(jù)機(jī)組在啟、停過(guò)程中不同階段的需求，向下級(jí)發(fā)出控制指令，完成運(yùn)行方式的預(yù)選、啟停程序管理功能。功能組級(jí)操作方式可以是自動(dòng)或手動(dòng)，在自動(dòng)方式時(shí)，接受上級(jí)或同級(jí)的控制指令，在手動(dòng)方式時(shí)，允許在DCS上手動(dòng)發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)功能組內(nèi)部的啟動(dòng)和停止程序，決定對(duì)下級(jí)發(fā)出投入、運(yùn)行和停止指令。子功能組級(jí)操作方式也可以是自動(dòng)或手動(dòng)，是功能組級(jí)的低一級(jí)順序控制系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)級(jí)是單個(gè)設(shè)備的控制和保護(hù)邏輯，是生產(chǎn)過(guò)程中最基本的控制級(jí)。

2.3 APS 機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)順序控制邏輯及斷點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖1 機(jī)組順序控制系統(tǒng)分級(jí)

燃機(jī)APS具有全自動(dòng)方式和半自動(dòng)方式。在全自動(dòng)方式下，不需要人工干涉，程序完成機(jī)組全過(guò)程的自動(dòng)啟停；在半自動(dòng)方式下，設(shè)置幾個(gè)斷點(diǎn)，允許手動(dòng)完成機(jī)組啟停，增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性。APS在啟停斷點(diǎn)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮機(jī)組的啟停運(yùn)行特性、主輔設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和工藝系統(tǒng)過(guò)程參數(shù)，按規(guī)定好的程序發(fā)出各個(gè)系統(tǒng)、設(shè)備的啟動(dòng)命令，并協(xié)調(diào)以下系統(tǒng)：燃機(jī)控制系統(tǒng)、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(Coordination Control System，簡(jiǎn)稱(chēng)CCS)、汽機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)(Digital Electric Hydraulic Control System，簡(jiǎn)稱(chēng)DEH)、汽輪機(jī)旁路控制系統(tǒng)(Bypass Control System，簡(jiǎn)稱(chēng)BPC)、模擬量調(diào)節(jié)系統(tǒng)(Modulating Control System，簡(jiǎn)稱(chēng)MCS)等，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)啟停。APS設(shè)計(jì)主體框架為上層框架邏輯調(diào)用下層功能組、功能子組順控邏輯，從而調(diào)用單體設(shè)備邏輯的控制方式。

2.3.1 APS 機(jī)組啟動(dòng)方案

APS啟動(dòng)過(guò)程有3種模式選擇。鍋爐上水：高、中、低壓汽包到達(dá)啟動(dòng)水位后切入下一模式，期間汽機(jī)子組等待燃機(jī)點(diǎn)火后汽溫、汽壓的上升，如果模式在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有切換，啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束；燃機(jī)點(diǎn)火準(zhǔn)備：在完成鍋爐上水后，繼續(xù)執(zhí)行高低壓蒸汽系統(tǒng)、風(fēng)煙系統(tǒng)、機(jī)組協(xié)調(diào)回路、爐側(cè)疏水等系統(tǒng)啟動(dòng)，等待燃機(jī)點(diǎn)火條件滿(mǎn)足；聯(lián)合循環(huán)啟動(dòng)：在完成燃機(jī)點(diǎn)火準(zhǔn)備后，啟動(dòng)燃機(jī)子組，直至完成所有啟動(dòng)步序，期間燃機(jī)完成點(diǎn)火、升速、并網(wǎng)，汽機(jī)完成暖機(jī)、升速、并網(wǎng)、旁路協(xié)同關(guān)閉等。機(jī)組啟動(dòng)步序見(jiàn)圖2。

圖2 機(jī)組啟動(dòng)步序圖

具體步驟說(shuō)明如下：

(1)啟動(dòng)條件判斷：程序?qū)o助車(chē)間(BOP)、余熱鍋爐(HRSG)、電氣等進(jìn)行檢測(cè)，主要包括取水系統(tǒng)、鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)，燃料系統(tǒng)等是否運(yùn)行正常，HRSG側(cè)閥門(mén)初始化是否在正確位置，電氣相應(yīng)斷路器是否在正確分合閘位置等。

(2)啟動(dòng)準(zhǔn)備：包括投入循環(huán)水、開(kāi)式水、閉式水，凝結(jié)水系統(tǒng)，確定機(jī)組啟動(dòng)方式，鍋爐汽包上水等。

(3)燃機(jī)啟動(dòng)：順控投入燃機(jī)及其輔助系統(tǒng)，通過(guò)發(fā)電機(jī)靜止變頻起動(dòng)裝置(Static Frequency Converter，簡(jiǎn)稱(chēng)SFC)將燃機(jī)帶動(dòng)至點(diǎn)火轉(zhuǎn)速，然后燃機(jī)點(diǎn)火升速。

(4)余熱鍋爐啟動(dòng)：順序啟動(dòng)余熱鍋爐低壓、中壓、高壓系統(tǒng)子組。

(5)輔汽參數(shù)判斷：輔汽是否滿(mǎn)足汽輪機(jī)軸封進(jìn)汽要求(本工程無(wú)啟動(dòng)鍋爐，輔汽來(lái)自主汽/冷段減溫減壓蒸汽)。

(6)汽輪機(jī)輔助系統(tǒng)啟動(dòng)：順控啟動(dòng)汽輪機(jī)輔助系統(tǒng)，如軸封系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、控制油系統(tǒng)等。

(7)汽輪機(jī)啟動(dòng)：順序完成機(jī)組暖管、暖閥、暖缸，汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)等。

(8)機(jī)組并網(wǎng)升負(fù)荷：發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，聯(lián)合循環(huán)按照升負(fù)荷曲線(xiàn)協(xié)調(diào)燃機(jī)、余熱鍋爐和汽輪機(jī)升負(fù)荷。

機(jī)組啟動(dòng)(起點(diǎn)為循環(huán)水啟動(dòng)，終點(diǎn)為聯(lián)合循環(huán)機(jī)組并網(wǎng)升負(fù)荷)設(shè)置以下斷點(diǎn)：

(1)機(jī)組啟動(dòng)準(zhǔn)備斷點(diǎn)：鍋爐、燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)各輔助系統(tǒng)啟動(dòng)；鍋爐上水；啟動(dòng)前條件檢查。

(2)燃汽輪機(jī)啟動(dòng)斷點(diǎn)：燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火，升速；燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)(GTG)并列、初負(fù)荷；HRSG升溫、升壓。

(3)軸封蒸汽進(jìn)汽斷點(diǎn)：輔助蒸汽升溫后滿(mǎn)足軸封進(jìn)汽溫度要求。

(4)蒸汽輪機(jī)啟動(dòng)斷點(diǎn)：蒸汽品質(zhì)判斷，蒸汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)、暖機(jī)、升速至同期轉(zhuǎn)速。

(5)蒸汽輪機(jī)并網(wǎng)斷點(diǎn)：蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)(STG)同期并列，帶初負(fù)荷暖機(jī)。

(6)升負(fù)荷至目標(biāo)負(fù)荷斷點(diǎn)： APS投入負(fù)荷主控回路，給出負(fù)荷目標(biāo)值，完成APS啟動(dòng)過(guò)程。

2.3.2 APS 機(jī)組停機(jī)方案

機(jī)組停機(jī)前，程序先對(duì)各設(shè)備(BOP、余熱鍋爐、燃機(jī)、電氣等)運(yùn)行情況進(jìn)行檢查，當(dāng)符合停機(jī)條件時(shí)，程序依次減負(fù)荷、解列、熄火、降低轉(zhuǎn)速、汽包排污、停給水泵、關(guān)煙氣擋板、破壞真空等，機(jī)組停機(jī)步序見(jiàn)圖3。

停機(jī)斷點(diǎn)設(shè)計(jì)(停機(jī)起點(diǎn)為機(jī)組帶負(fù)荷，終點(diǎn)為盤(pán)車(chē)投入)，APS停機(jī)設(shè)置以下斷點(diǎn)：

(1)機(jī)組降負(fù)荷(GT、ST)斷點(diǎn)：APS通過(guò)負(fù)荷主控回路，以一定速率減負(fù)荷，啟動(dòng)ST高、中、低壓蒸汽退汽功能組。

(2)蒸汽輪機(jī)解列斷點(diǎn)：ST發(fā)電機(jī)解列。

(3)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)解列斷點(diǎn)：停運(yùn)高、中、低壓蒸汽系統(tǒng)功能組。

(4)HRSG停運(yùn)斷點(diǎn)：HRSG泄壓或保護(hù)停爐，關(guān)閉疏水閥，停運(yùn)高、中、低壓給水功能組。

(5)機(jī)組停運(yùn)斷點(diǎn)：凝結(jié)水系統(tǒng)停止，真空系統(tǒng)停止。

圖3 機(jī)組停機(jī)步序圖

3 APS控制難點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用

輔助蒸汽參數(shù)控制：由于本工程無(wú)外來(lái)蒸汽，而且也無(wú)啟動(dòng)鍋爐，所以對(duì)于機(jī)組啟動(dòng)所必須的輔助蒸汽，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制要求相對(duì)復(fù)雜。本工程的軸封蒸汽由輔汽提供，輔汽來(lái)源為兩路，一路取自主蒸汽，一路取自再熱冷段，經(jīng)各自的減溫減壓器后匯到母管供至汽輪機(jī)的軸封調(diào)節(jié)閥前。由于余熱鍋爐設(shè)計(jì)啟動(dòng)排氣能力較小(只有5%)，在燃機(jī)升負(fù)荷時(shí)，鍋爐低壓和中壓系統(tǒng)容易超壓跳機(jī)。但只在燃機(jī)空載滿(mǎn)速情況下運(yùn)行，主汽溫度上升很慢，且主汽參數(shù)上升穩(wěn)定后(6 MPa，305℃)，經(jīng)減壓后，輔汽溫度(0.8 MPa，190℃)不能滿(mǎn)足汽輪機(jī)軸封汽要求(冷態(tài)240℃，溫?zé)釕B(tài)280℃)。針對(duì)上述情況，提出以下解決方案：在與鍋爐連接的中壓、低壓管道，各增加一個(gè)對(duì)空排汽閥，在主汽至輔汽前管道、冷段至輔汽前管道以及輔汽至軸封進(jìn)汽閥前管道上，各增加一個(gè)對(duì)空排汽閥，以上排汽閥均采用可遠(yuǎn)操的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以便可以在邏輯中實(shí)現(xiàn)APS功能。

旁路控制系統(tǒng)：本工程中，中、低壓旁路隨汽輪機(jī)本體，一并由主機(jī)廠(chǎng)配供，其控制邏輯在汽輪機(jī)TCS中實(shí)現(xiàn)，由德國(guó)西門(mén)子設(shè)計(jì)，這部分控制邏輯為成熟設(shè)計(jì)，一般無(wú)須改動(dòng)。高壓旁路為用戶(hù)單獨(dú)采購(gòu)，其控制邏輯在機(jī)組DCS中實(shí)現(xiàn)，其控制邏輯為：高旁閥先為壓力控制(設(shè)定1 MPa)，直至高旁閥開(kāi)度達(dá)到20%，然后旁路壓力設(shè)定為滑壓控制方式升壓。在此過(guò)程中，高旁閥根據(jù)壓力偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，主汽達(dá)到?jīng)_轉(zhuǎn)壓力后，維持當(dāng)前壓力，等待蒸汽品質(zhì)合格汽輪機(jī)進(jìn)汽。在實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)高旁閥動(dòng)作響應(yīng)過(guò)快，動(dòng)作幅度過(guò)大的情況，這樣引起汽包水位頻繁波動(dòng)。為此，對(duì)高旁閥的PID調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，平滑了啟動(dòng)過(guò)程中旁路閥門(mén)的動(dòng)作，也為給水控制邏輯設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件。

機(jī)組APS實(shí)際應(yīng)用中，啟動(dòng)曲線(xiàn)見(jiàn)圖4～圖6，由圖可見(jiàn)，機(jī)組在啟動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速和負(fù)荷比較平穩(wěn)，波動(dòng)很?。恢髌麎毫τ幸欢ǖ某{(diào)，但在控制范圍內(nèi)；汽包水位波動(dòng)劇烈，但也都在正常水位控制范圍內(nèi)。

圖4 機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)曲線(xiàn)

圖5 機(jī)組溫態(tài)啟動(dòng)曲線(xiàn)

4 結(jié)語(yǔ)

DCS技術(shù)的提高及相應(yīng)控制理論的成功應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠(chǎng)的APS功能提供了有力保障，本工程APS貫穿了燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的啟停全過(guò)程，取得比較好的應(yīng)用效果。同時(shí)，主機(jī)TCS和機(jī)組DCS采用一體化控制系統(tǒng)，解決了各系統(tǒng)間接口過(guò)多的問(wèn)題，更有利于A(yíng)PS的實(shí)現(xiàn)。本工程APS目前運(yùn)行穩(wěn)定，人機(jī)界面清晰、友好，大大減輕了運(yùn)行人員的工作量，有效縮短啟動(dòng)時(shí)間，提高機(jī)組運(yùn)行效率，為類(lèi)似機(jī)組提供了可借鑒事例。

圖6 機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)曲線(xiàn)

[1]蔣洪德，任靜，等，重型燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)狀與發(fā)展均勢(shì) [J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2014， 34(29)．

[2]張冬生， 趙日暉， 郭有瑞．聯(lián)合循環(huán)電廠(chǎng)的機(jī)組級(jí)自動(dòng)控制(APS)方案[J]．自動(dòng)化儀表，2013， 34(10)．

[3]王燕晉，張偉東．燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機(jī)組自啟?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)試[J]．華北電力技術(shù)，2013(7)．

[4]管志龍，范小江．重型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)電廠(chǎng)全廠(chǎng)一體化控制應(yīng)用[J]．燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2011， 24(1)．

[5]馮偶根，張建江，曹陽(yáng)．西門(mén)子9F聯(lián)合循環(huán)機(jī)組自啟停功能的應(yīng)用[J]．浙江電力， 2010， 2．

[6]梁朝，吳恒遠(yuǎn)，等．燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機(jī)組自啟?？刂葡到y(tǒng)(APS)的應(yīng)用[J]．熱力發(fā)電，2009， 38(10)．

[7]曾文南，桑永福．機(jī)組自啟停系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)分析[J]．熱力發(fā)電，2012， 41(6)．