聯(lián)合循環(huán)機(jī)組自啟?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)用與研究

孫海翠，溫榮斌

(1. 華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063；2. 西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054)

?

聯(lián)合循環(huán)機(jī)組自啟?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)用與研究

孫海翠1，溫榮斌2

(1. 華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063；2. 西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054)

文中論述江蘇華電通州2×200 MW級燃機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)工程自啟?？刂葡到y(tǒng)(APS)設(shè)計(jì)方案，APS系統(tǒng)提高了機(jī)組啟停的正確性和規(guī)范性，大大減輕運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度，縮短機(jī)組啟停時間，從整體上提高機(jī)組的自動化水平，提高機(jī)組啟停過程的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。針對工程實(shí)施過程中的要點(diǎn)做了重點(diǎn)論述，為該領(lǐng)域相關(guān)實(shí)踐及研究提供借鑒。

聯(lián)合循環(huán)機(jī)組；APS；控制系統(tǒng)

隨著發(fā)電機(jī)組容量增大、參數(shù)提高、設(shè)備增多，各子系統(tǒng)聯(lián)系更加緊密，運(yùn)行工況更加多變，使機(jī)組運(yùn)行風(fēng)險及運(yùn)行員的操作難度加大。尤其是在機(jī)組啟停階段，運(yùn)行員需要操作監(jiān)視大量設(shè)備、監(jiān)視大量參數(shù)。為確保機(jī)組安全穩(wěn)定、提高自動化水平、減輕運(yùn)行員的工作強(qiáng)度，在DCS系統(tǒng)之上，設(shè)計(jì)了機(jī)組自啟?？刂葡到y(tǒng)(APS)。特別對于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組具有啟?？焖?、效率高、環(huán)境污染少等特點(diǎn)，其作為調(diào)峰機(jī)組設(shè)置一鍵啟停功能更顯效果。本文以江蘇華電通州2×200 MW級燃機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)工程APS設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例論述其實(shí)現(xiàn)的原則以及具體方案設(shè)計(jì)等[1-3]。

1 工程概況

江蘇華電通州2×200 MW級燃機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)工程位于南通市南通高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，為“一拖一”、雙軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組。1臺余熱鍋爐與1臺燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組，1臺蒸汽輪發(fā)電機(jī)組組成一套雙軸聯(lián)合循環(huán)供熱機(jī)組，本工程共安裝2套。每臺機(jī)組設(shè)置1套100%容量的高壓、低壓旁路裝置，高壓旁路經(jīng)減溫減壓后和低壓旁路排出的蒸汽均直接排入凝汽器。余熱鍋爐直接接受燃?xì)廨啓C(jī)排氣，中間不設(shè)旁路煙道。工藝系統(tǒng)流程框圖見圖1。

燃?xì)廨啓C(jī)為西門子公司提供的SGT5-2000E型燃?xì)廨啓C(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)由上海電氣配套提供QF-180-2型發(fā)電機(jī)，額定功率為180 MW。余熱鍋爐為華西能源工業(yè)股份有限公司提供的雙壓、無再熱、無補(bǔ)燃、臥式室外布置自然循環(huán)鍋爐。蒸汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)廠提供的B166型號，次高壓、單缸、雙壓、單軸供熱抽汽凝汽式機(jī)組。汽輪發(fā)電機(jī)為上海汽輪機(jī)廠提供的QF-100-2發(fā)電機(jī)，額定功率為100 MW。

2 控制系統(tǒng)方案

本工程控制系統(tǒng)由燃機(jī)控制系統(tǒng)、汽機(jī)控制系統(tǒng)、機(jī)組控制系統(tǒng)組成，控制系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，全部采用西門子公司的SPPA-T3000系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置為：每套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組設(shè)1套DCS，2套機(jī)組設(shè)1個公用DCS網(wǎng)絡(luò)。公用DCS網(wǎng)絡(luò)與2套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組DCS網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)橋相連，公用系統(tǒng)的監(jiān)控在單元機(jī)組操作員站上完成。

圖1 工藝系統(tǒng)流程框圖

3 APS設(shè)計(jì)原則

3.1 APS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使得APS系統(tǒng)相互協(xié)同，合理的APS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。本工程的APS設(shè)計(jì)采用分層設(shè)計(jì)、層層嵌套的架構(gòu)方式，APS結(jié)構(gòu)主要分為5級，即：APS級主順控、斷點(diǎn)級順控、系統(tǒng)級順控、設(shè)備級順控子組、設(shè)備級。

3.2 APS設(shè)計(jì)范圍

并非所有的設(shè)備必須納入APS控制，理論上在機(jī)組啟停過程中所涉及到的設(shè)備及操作均可進(jìn)入APS系統(tǒng)控制，但在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)將自動聯(lián)鎖與APS程序結(jié)合起來，盡量使APS程序功能齊全、邏輯清晰、結(jié)構(gòu)簡潔、便于維護(hù)。

本工程APS涵蓋的系統(tǒng)有：循環(huán)水系統(tǒng)、開式水系統(tǒng)、閉式水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、軸封輔汽系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、HRSG的低壓給水系統(tǒng)、高壓給水系統(tǒng)、主蒸汽及疏水系統(tǒng)、旁路系統(tǒng)等。

3.3 全程APS方案

為了實(shí)現(xiàn)全程范圍的APS方案，機(jī)組全范圍落實(shí)控制邏輯的銜接與接口，不僅包括順序控制，還包括大量的模擬量控制，因此在APS方案中對模擬量調(diào)節(jié)回路進(jìn)行逐步細(xì)化，落實(shí)到位，以確保APS全程無縫運(yùn)行。

4 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組APS實(shí)現(xiàn)方案

4.1 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組啟動方式

聯(lián)合循環(huán)機(jī)組通常有冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)3種啟動方式。3種啟動方式在主蒸汽壓力溫度要求、汽機(jī)沖轉(zhuǎn)及汽機(jī)并網(wǎng)的過程描述如下。

冷態(tài)啟動時，主蒸汽參數(shù)：壓力約為2.5 MPa，溫度約為300 ℃。當(dāng)主蒸汽的參數(shù)滿足條件后，由APS給DEH系統(tǒng)發(fā)出汽輪機(jī)啟動指令，此時DEH控制系統(tǒng)逐漸打開主蒸汽調(diào)節(jié)閥，并逐步關(guān)閉高壓旁路閥開始沖轉(zhuǎn)，以120 r/min的速率將汽輪機(jī)升速到600 r/min，保持汽輪機(jī)在轉(zhuǎn)速600 r/min之下運(yùn)轉(zhuǎn)5 min進(jìn)行暖機(jī)，之后再以240 r/min的速率將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速升至3 000 r/min，在此轉(zhuǎn)速下空轉(zhuǎn)5 min。之后由APS給同期裝置發(fā)出“汽機(jī)并網(wǎng)”指令。

溫態(tài)啟動時，主蒸汽參數(shù)：壓力約為3.5 MPa，溫度約為380 ℃，同時主蒸汽溫度應(yīng)高于高壓內(nèi)缸內(nèi)壁金屬溫度50～100 ℃。當(dāng)主蒸汽的參數(shù)滿足條件后，由APS給DEH系統(tǒng)發(fā)出汽輪機(jī)啟動指令，此時DEH控制系統(tǒng)逐漸打開主蒸汽調(diào)節(jié)閥，并逐步關(guān)閉高壓旁路閥開始沖轉(zhuǎn)，600 r/min的速率將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速升至3 000 r/min，汽輪機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，由APS給同期裝置發(fā)出“汽機(jī)并網(wǎng)”指令。

熱態(tài)啟動時，主蒸汽參數(shù)：壓力約為4.5 MPa，溫度約為420 ℃，同時主蒸汽溫度應(yīng)高于高壓內(nèi)缸內(nèi)壁金屬溫度50～100 ℃。汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)過程和溫態(tài)啟動過程相同。

機(jī)組啟動時，雖然劃分為冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)啟動，但大部分系統(tǒng)在啟動過程中與啟動狀態(tài)無關(guān)，如：循環(huán)水系統(tǒng)、開式水系統(tǒng)、閉式水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)、高壓汽包上水系統(tǒng)、低壓汽包上水系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)不論在哪種啟動方式下，APS方案是相同的。與啟動狀態(tài)有關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)有：高壓蒸汽升溫升壓、低壓蒸汽升溫升壓、旁路系統(tǒng)、DEH系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)中的某些設(shè)備在啟動過程中需要根據(jù)不同的啟動狀態(tài)，發(fā)出不同的指令、設(shè)定值及參數(shù)等。如果分別設(shè)計(jì)冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)3種獨(dú)立啟動方案的話，程序?qū)⒆兊萌哂鄰?fù)雜，所以本項(xiàng)目設(shè)計(jì)一套適用于所有啟動狀態(tài)的APS方案，從而簡化程序。

4.2 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組APS啟動實(shí)現(xiàn)方案

APS啟動邏輯設(shè)計(jì)在斷點(diǎn)級設(shè)置5步，分別為系統(tǒng)準(zhǔn)備斷點(diǎn)、鍋爐上水?dāng)帱c(diǎn)、啟動燃機(jī)及升溫升壓斷點(diǎn)、啟動汽機(jī)及并網(wǎng)斷點(diǎn)和升負(fù)荷斷點(diǎn)。

系統(tǒng)準(zhǔn)備斷點(diǎn)完成鍋爐上水前的系統(tǒng)準(zhǔn)備，包括建立循環(huán)水循環(huán)、冷卻水系統(tǒng)啟動并準(zhǔn)備完畢、汽機(jī)油系統(tǒng)的建立，此部分工作使得機(jī)組設(shè)備的啟動滿足先決條件。系統(tǒng)準(zhǔn)備斷點(diǎn)執(zhí)行條件包括：燃機(jī)已停止，確認(rèn)設(shè)備預(yù)選完成，系統(tǒng)準(zhǔn)備斷點(diǎn)未完成，空壓機(jī)系統(tǒng)正常。系統(tǒng)準(zhǔn)備斷點(diǎn)完成反饋狀態(tài)包括：循環(huán)水系統(tǒng)正常，開式水系統(tǒng)正常，閉式水系統(tǒng)正常，空壓機(jī)系統(tǒng)正常，汽機(jī)潤滑油系統(tǒng)正常，盤車已投入，EH油系統(tǒng)正常。

鍋爐上水部分啟動循環(huán)機(jī)組的水循環(huán)，建立爐水流動并符合啟動要求，同時煙系統(tǒng)開啟。鍋爐上水?dāng)帱c(diǎn)執(zhí)行條件包括：燃機(jī)已停止，系統(tǒng)準(zhǔn)備斷點(diǎn)完成，鍋爐上水?dāng)帱c(diǎn)未完成。鍋爐上水?dāng)帱c(diǎn)完成反饋狀態(tài)包括：凝結(jié)水系統(tǒng)正常，低壓汽包上水完成，高壓汽包上水完成，煙囪擋板已開。

燃機(jī)啟動、并網(wǎng)、升負(fù)荷由燃機(jī)控制系統(tǒng)TCS完成，TCS與機(jī)組DCS通過順序控制聯(lián)絡(luò)信號進(jìn)行信息交互，完成燃機(jī)相關(guān)啟動等工作。其中啟動燃機(jī)步序反饋狀態(tài)信息包括：燃機(jī)已啟動、燃機(jī)火焰正常、燃機(jī)轉(zhuǎn)速>2 950 r/min。燃機(jī)并網(wǎng)需要由運(yùn)行人員確認(rèn)。

升溫升壓部分完成機(jī)組熱力系統(tǒng)汽循環(huán)滿足條件。其執(zhí)行條件包括：系統(tǒng)準(zhǔn)備斷點(diǎn)完成、鍋爐上水?dāng)帱c(diǎn)完成、啟動燃機(jī)順控完成。高低壓主蒸汽升溫升壓完成反饋狀態(tài)包括：高壓主蒸汽溫度>300 ℃、高壓主蒸汽壓力>2 MPa，低壓主蒸汽溫度>220 ℃，低壓主蒸汽壓力>0.3 MPa。蒸汽參數(shù)滿足上述要求后，順次啟動輔助蒸汽系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)。升溫升壓斷點(diǎn)完成的反饋狀態(tài)包括：輔助蒸汽系統(tǒng)正常，軸封系統(tǒng)正常，抽真空系統(tǒng)正常，高低壓主蒸汽升溫升壓完成。

汽機(jī)啟動及并網(wǎng)由汽輪機(jī)控制系統(tǒng)(DEH) 完成，DEH與機(jī)組DCS通過順序控制聯(lián)絡(luò)信號進(jìn)行信息交互，完成汽機(jī)相關(guān)啟動等工作。其執(zhí)行條件包括：啟動燃機(jī)及升溫升壓斷點(diǎn)完成，汽機(jī)沖轉(zhuǎn)確認(rèn)(由運(yùn)行人員確認(rèn))。當(dāng)汽機(jī)啟動，汽機(jī)轉(zhuǎn)速>2 990 r/min，汽機(jī)并網(wǎng)條件允許，由運(yùn)行人員確認(rèn)汽機(jī)并網(wǎng)。

升負(fù)荷部分根據(jù)機(jī)組負(fù)荷控制回路進(jìn)行負(fù)荷控制。本工程負(fù)荷控制將機(jī)組作為一個整體來考慮，中調(diào)所給的AGC負(fù)荷指令為聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的總負(fù)荷指令， DCS系統(tǒng)在接收到RTU的總負(fù)荷指令后，由DCS內(nèi)部邏輯進(jìn)行運(yùn)算得出燃機(jī)的最終負(fù)荷指令。APS啟動實(shí)現(xiàn)方案如圖2所示。

圖2 APS啟動實(shí)現(xiàn)方案

4.3 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組APS停機(jī)實(shí)現(xiàn)方案

APS停機(jī)邏輯設(shè)計(jì)在斷點(diǎn)級設(shè)置4步，分別為燃機(jī)降負(fù)荷斷點(diǎn)、停止汽機(jī)及燃機(jī)斷點(diǎn)、停止汽機(jī)真空軸封斷點(diǎn)和停止鍋爐輔機(jī)斷點(diǎn)。

燃機(jī)降負(fù)荷斷點(diǎn)執(zhí)行條件為燃機(jī)負(fù)荷>30%。程序?yàn)槿紮C(jī)降負(fù)荷斷點(diǎn)首先退出CCS控制方式，燃機(jī)降負(fù)荷指令發(fā)送至燃機(jī)控制系統(tǒng)TCS，由燃機(jī)控制系統(tǒng)TCS完成燃機(jī)降負(fù)荷至低于32%。

停止汽機(jī)及燃機(jī)斷點(diǎn)執(zhí)行條件為燃機(jī)負(fù)荷<32%，延時10 s，汽機(jī)未跳閘。依次停止汽機(jī)及燃機(jī)斷點(diǎn)執(zhí)行關(guān)汽輪機(jī)抽汽調(diào)閥(指令送至DEH)，低壓旁路切至退汽模式；汽輪機(jī)低壓疏水閥組投入聯(lián)鎖；汽輪機(jī)高壓疏水閥組投入聯(lián)鎖。其次關(guān)汽輪機(jī)補(bǔ)汽調(diào)閥(指令送至DEH)，然后高壓旁路切至退汽模式。執(zhí)行完畢后指令送至DEH，由DEH停止汽輪機(jī)。當(dāng)接收汽機(jī)已跳閘且汽機(jī)機(jī)組發(fā)變組220 kV斷路器已分閘反饋時，指令發(fā)送至燃機(jī)控制系統(tǒng)TCS，由TCS執(zhí)行停止燃機(jī)。停止汽機(jī)及燃機(jī)斷點(diǎn)完成的反饋狀態(tài)包括：燃機(jī)已停止，汽機(jī)已跳閘，燃機(jī)機(jī)組發(fā)變組220 kV斷路器已分閘，汽機(jī)機(jī)組發(fā)變組220 kV斷路器已分閘。

停真空軸封系統(tǒng)斷點(diǎn)的執(zhí)行條件為汽機(jī)已跳閘。依次開真空系統(tǒng)真空破壞閥，停止所有真空泵，停止輔汽系統(tǒng)，停止軸封系統(tǒng)。停真空軸封系統(tǒng)斷點(diǎn)的反饋狀態(tài)包括：真空破壞閥已開，真空泵全停，輔助蒸汽母管至汽機(jī)軸封供氣氣動調(diào)節(jié)閥至0%，輔助蒸汽母管至汽機(jī)軸封供氣氣動調(diào)節(jié)閥前電動門全關(guān)，輔助汽源至汽機(jī)軸封氣動調(diào)節(jié)閥至0%，輔助汽源至汽機(jī)軸封旁路電動閥全關(guān)，軸封蒸汽減溫水氣動調(diào)節(jié)閥至0%，軸封風(fēng)機(jī)全停。

停止鍋爐輔機(jī)斷點(diǎn)的執(zhí)行條件為汽機(jī)已跳閘。停止高壓給水系統(tǒng)執(zhí)行步序?yàn)椋孩俑邏浩纤?00 mm，完成反饋高壓汽包水位>80 mm；②高壓給水泵退出備用，高壓給水調(diào)節(jié)閥切至手動；③停止所有高壓給水泵；④關(guān)高壓給水電動閥。停止高壓給水系統(tǒng)的反饋狀態(tài)包括：高壓給水泵全停，高壓給水電動閥已關(guān)，高壓汽包水位>80 mm。

停止低壓給水系統(tǒng)執(zhí)行步序與停止高壓給水系統(tǒng)執(zhí)行步序相似并簡化。①低壓汽包上水至100 mm，停止所有低壓再循環(huán)泵；完成反饋：低壓汽包水位>80 mm，低壓再循環(huán)泵全停。②關(guān)低壓給水電動閥；低壓主給水氣動調(diào)節(jié)閥切至手動。停止低壓給水系統(tǒng)的反饋狀態(tài)包括：低壓再循環(huán)泵全停，低壓給水電動閥全關(guān)，低壓汽包水位>80 mm。APS停機(jī)實(shí)現(xiàn)方案如圖3所示。

圖3 APS停機(jī)實(shí)現(xiàn)方案

5 APS實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

a.模擬量調(diào)節(jié)回路的全程控制。主要包括高壓汽包水位全程控制、低壓汽包水位全程控制、高壓旁路全程控制、低壓旁路全程控制、給水壓力全程控制、負(fù)荷控制、高壓蒸汽溫度控制等。為實(shí)現(xiàn)APS系統(tǒng)有機(jī)協(xié)調(diào)調(diào)用，協(xié)同、協(xié)作，環(huán)環(huán)相扣，層層嵌套，與APS 相關(guān)的模擬量控制回路必須符合APS設(shè)計(jì)要求，其中需要優(yōu)化其控制接口，控制定值以及切入條件，并且充分考慮控制策略的全程適用性。

b.優(yōu)化工藝系統(tǒng)。APS的實(shí)現(xiàn)不僅需要從控制角度完善、優(yōu)化其控制邏輯，也需要從工藝角度提高系統(tǒng)的控制水平。本工程在實(shí)施過程中針對閥門控制方式做了許多優(yōu)化，包括新增和修改部分手動閥門為自動控制方式。

c.方案策劃及順序控制系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)配合。APS方案策劃包括APS框架設(shè)計(jì)、范圍設(shè)計(jì)、上級對下級調(diào)用、系統(tǒng)間調(diào)用等。需要不斷查漏補(bǔ)缺、完善優(yōu)化系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)調(diào)用是否合理、完備。

6 結(jié)束語

機(jī)組自啟?？刂葡到y(tǒng)APS是實(shí)現(xiàn)機(jī)組啟動和停止過程自動化的系統(tǒng)，其優(yōu)勢在于可以提高機(jī)組啟停的正確性和規(guī)范性，大大減輕運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度，縮短機(jī)組啟停時間，從整體上提高機(jī)組的自動化水平，提高機(jī)組啟停過程的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

[1] 石忠杰，馬歆煒．622 MW亞臨界機(jī)組自啟?？刂葡到y(tǒng)功能設(shè)計(jì)[J]．上海電氣技術(shù)，2013，6(3): 1-4．[2] 徐振華，徐麗梅．自動啟?？刂葡到y(tǒng)(APS)在聯(lián)合循環(huán)電廠中的應(yīng)用[J]．吉林電力，2015，43(3):41-43．

[3] 王燕晉，張偉東． 燃?xì)狻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)，2013，43(7):38-40．

Application and Research of the APS for Gas-steam Combined Cycle Unit

SUN Haicui1，WEN Rongbin2

(1.East China Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200063，China;2 . Xi’an Thermal Power Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an，Shaanxi 710054，China)

The scheme of automatic procedure start-up/shut-down system(APS)in the 2×200 MW cogeneration project in Jiangsu Huadian Tongzhou power plant，which can improve the accuracy and normativity of starting-up and shutting-down control.To reduce the working intensity of the operators and to shorten the starting-up and shutting-down time in order to improve the automatic level，safety，efficiency and reliability of the unit.

gas-steam combined cycle unit；APS；control system

TM611.31

A

1004-7913(2017)04-0035-04

孫海翠(1982)，女，碩士，高級工程師，主要從事發(fā)電廠熱控與信息設(shè)計(jì)研究。

2016-12-29)