M701F4改進(jìn)型多軸燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機組一鍵自啟停技術(shù)的研究

重慶天泰熱力有限公司 鄭鵬成

通過燃?xì)馀c蒸汽實施聯(lián)合發(fā)電的新型技術(shù)，具有投入成本低、基建時間短以及熱效率較高等優(yōu)點，目前在國內(nèi)已經(jīng)得到推廣運用，但運行機組的自動啟?？刂品矫孢€存在一些不足，本文主要介紹其優(yōu)化設(shè)計方向。

本廠安裝了一套“一拖一”形式、多軸布置的M701F4規(guī)格燃?xì)馀c蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，其中機島設(shè)備的燃?xì)廨啓C規(guī)格為M701F4改進(jìn)型，為雙缸、三壓、能夠進(jìn)行抽凝和抽氣調(diào)節(jié)的類型，而余熱鍋爐作為核心設(shè)備采用了菱日鍋爐的先進(jìn)技術(shù)設(shè)備，其整體為臥式、再熱、自然循環(huán)以及無補燃形式，具有高效節(jié)能且密封性良好的優(yōu)點，相關(guān)燃機在不同工況下的運行參數(shù)如表1所示。

表1 本廠燃機設(shè)備不同工況下的運行參數(shù)

機組的相關(guān)輔助設(shè)備包括凝結(jié)水泵、給水泵以及閉合式冷卻水泵，其設(shè)計時按照使用和備用分別一臺原則，其容量標(biāo)準(zhǔn)皆為100%，給水泵分為高壓與中壓形式，均使用的變頻器在布置時基于“一拖一”原理，蒸汽機旁路部分容量皆設(shè)計為100%標(biāo)準(zhǔn)，可以在機組運行達(dá)到峰值參數(shù)時使自啟停調(diào)節(jié)的速度更快[1]。

1 一鍵自啟?？刂葡到y(tǒng)（APS）的基本架構(gòu)和邏輯設(shè)計

本廠為實現(xiàn)聯(lián)合循環(huán)機組的有效控制，燃機控制部分使用了三菱公司分散控制系統(tǒng)，其規(guī)格為DIASYS Netmation；單元機組和公用系統(tǒng)控制采用一套浙大中控的ECS-700P 的DCS 系統(tǒng)，分為#1機組DCS、公用系統(tǒng)DCS 等2個控制網(wǎng)絡(luò)，可以統(tǒng)一集中控制機組的蒸汽機、燃機、公用裝置以及余熱鍋爐等多個部分，在通訊方面采用了OPC 與MODBUS 等形式，可以對全廠的電力運行實施監(jiān)測，保證啟停功能的分散控制。APS 系統(tǒng)能夠在各項設(shè)備不發(fā)生故障的情況下快速“一鍵啟?！?，使得機組的運行反應(yīng)時間進(jìn)一步被縮短，能夠更快發(fā)出有關(guān)電網(wǎng)符合調(diào)度的操控信號，自動控制還能避免人工操作出現(xiàn)錯誤的可能，促進(jìn)機組運行安全系數(shù)的提升。

APS 系統(tǒng)本身的控制原理較為先進(jìn)，能夠充分結(jié)合機組本身運行的狀態(tài)，遵循程序完成控制，確保各設(shè)備對任務(wù)的自動執(zhí)行，針對運行方面，其也會提前設(shè)計好控制曲線以及相關(guān)數(shù)據(jù)，確保機組運行達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。自動啟?？刂频南到y(tǒng)可以圍繞兩項控制要求細(xì)分架構(gòu)，分別實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制功能，子機組的功能等級較高。比方說在設(shè)備啟動或停機操作時，由主機組發(fā)出協(xié)調(diào)信號，隨后子機組則進(jìn)行閉環(huán)控制以及設(shè)備級控制。機組協(xié)調(diào)時會進(jìn)行功能預(yù)選，再導(dǎo)入對應(yīng)的程序管理機制，監(jiān)測設(shè)備會實時獲取汽輪機的溫度水平，之后基于已有的公式自動計算確定控制溫度參數(shù)、壓力參數(shù)以及功率參數(shù)等，再進(jìn)一步調(diào)節(jié)溫度、升高壓力以及進(jìn)行負(fù)荷限值確認(rèn)。

比方說汽輪機絕對蒸汽壓力調(diào)控時，會基于下述公式進(jìn)行計算：P=P0（t/T）k，其中：t表示監(jiān)測獲取的進(jìn)口蒸汽溫度值，其單位為℃；T表示的是常規(guī)溫度，通常取273.15k；P0的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值一般取101.325kPa；k則是經(jīng)驗系數(shù)，取值1.25。子組的相關(guān)啟?？刂乒δ苤饕槍o助運行系統(tǒng)，其設(shè)計對應(yīng)子環(huán)，同樣基于APS 控制原理，但各個子系統(tǒng)都具有獨立性質(zhì)，運行管理人員可以單獨進(jìn)行啟停操作，相關(guān)設(shè)備的控制還可設(shè)計聯(lián)鎖、保護以及閉鎖等條件。

2 機組自啟停控制的啟動斷點設(shè)計與停機過程設(shè)計

本廠基于燃?xì)馀c蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組具體生產(chǎn)的操控運行要求和人員行為習(xí)慣，開展了一鍵自啟停過程的跳轉(zhuǎn)控制、斷點形式以及旁路等設(shè)計，使控制程序更加穩(wěn)定、靈活，對于冷態(tài)、熱態(tài)以及常溫臺機組工況啟動和停機要求充分滿足。

2.1 啟動斷點相關(guān)設(shè)計

多軸燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機組在進(jìn)行自動控制啟動時，共包含了以下幾項步驟：輔助系統(tǒng)核心設(shè)備的啟動，將閉冷水循環(huán)系統(tǒng)、汽輪機油控制系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、開式水以及凝結(jié)水控制系統(tǒng)全面啟動；對鍋爐裝置進(jìn)行上水，凝結(jié)水裝置啟動后會自動調(diào)節(jié)預(yù)加熱，之后自動啟動低壓系統(tǒng)實現(xiàn)疏水和上水操作，再自動啟動中壓系統(tǒng)與高壓系統(tǒng)完成同樣的鍋爐上水步驟；對于自動啟動燃?xì)廨啓C的操作要先完成幾項條件要求，如控制打開煙囪位置的擋板，對內(nèi)部真空系統(tǒng)進(jìn)行啟動，后者在溫態(tài)或熱態(tài)工況時可以跳過操作。

順控燃?xì)廨啓C裝置的自動啟動主要結(jié)合相關(guān)設(shè)計的步驟，在自動啟動時先開展清吹，之后點火，最后則進(jìn)行升速，運行轉(zhuǎn)速的標(biāo)準(zhǔn)為每分鐘3000r；進(jìn)行真空系統(tǒng)啟動并投用相關(guān)軸封，在燃?xì)廨啓C正式點火之后，低壓、中壓及高壓系統(tǒng)會對壓力、溫度進(jìn)行調(diào)高，同時開展暖管操作，在自動啟停的要求下，確保主要蒸汽機部分條件滿足投用軸封的需求，在真空系統(tǒng)自動開啟時如果機組為冷態(tài)工況，則可以直接跳過該環(huán)節(jié)；達(dá)到汽輪機沖轉(zhuǎn)的要求，從旁路啟動著手，在并網(wǎng)條件下通過低壓、中壓以及高壓系統(tǒng)調(diào)高壓力、升高溫度，以確保汽輪機的穩(wěn)定沖轉(zhuǎn)；進(jìn)行自動調(diào)高負(fù)荷，結(jié)合外部控制的要求對負(fù)荷投入，在逐漸將機組負(fù)荷升高到基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)即可[2]。

在多軸燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機組的自動啟停操作中可以發(fā)現(xiàn)，其實施啟動或停機控制時都要對各類工況進(jìn)行考慮，其實際要求存在差異，因而需要在APS 系統(tǒng)科學(xué)設(shè)置“斷點”及“旁路”。本廠機組運行的APS 系統(tǒng)斷點數(shù)量為5個：首個斷點在完成鍋爐裝置上水操作后，由運行管理人員接收調(diào)度信號，之后對機組進(jìn)行“一鍵啟動”；當(dāng)燃?xì)廨啓C達(dá)到穩(wěn)定啟動的要求后可以設(shè)置斷點，安排專業(yè)人員人工檢查判斷燃?xì)廨啓C條件，再進(jìn)行自動啟動；鍋爐裝置的壓力與溫度達(dá)到投用軸封的標(biāo)準(zhǔn)值，同時燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速達(dá)到每分鐘3000r 后設(shè)置斷點，讓專業(yè)人員對真空系統(tǒng)進(jìn)行檢查確認(rèn)，再順利進(jìn)行軸封投入；在燃?xì)廨啓C帶負(fù)荷并網(wǎng)運行階段，確認(rèn)鍋爐壓力、溫度參數(shù)達(dá)到?jīng)_轉(zhuǎn)要求后設(shè)置斷點，安排人員對汽輪機狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)并實施啟動；在聯(lián)合循環(huán)運行機組增加負(fù)荷到充滿狀態(tài)時設(shè)置斷點，等待其運行穩(wěn)定。

“旁路”主要設(shè)計三部分系統(tǒng)：一是機組處于冷態(tài)工況時的自動開啟控制旁路，在燃?xì)廨啓C進(jìn)行真空系統(tǒng)投用前進(jìn)行，若為其他工況則啟動時可以直接跳過；二是機組處于熱態(tài)或穩(wěn)態(tài)工況時自動開啟控制旁路，在汽輪機投用軸封之后進(jìn)行，等待真空系統(tǒng)的進(jìn)一步投入，若為冷態(tài)則可忽視；三是機組處于冷態(tài)工況且并網(wǎng)低負(fù)壓時自動開啟控制旁路，進(jìn)行暖機操作，若其他工況則可以跳過。值得注意的一點是，在調(diào)試APS 系統(tǒng)的各項功能時，本廠的鍋爐系統(tǒng)自啟動功能尚存在不足，因此啟動燃?xì)廨啓C裝置后，機組會處于空載且全速運行的狀態(tài)當(dāng)中，之后會通過高壓系統(tǒng)的蒸汽作用逐步提高壓力值、溫度值，為后續(xù)軸封控制奠定基礎(chǔ)，因而這時的汽輪機旁路在啟動設(shè)計時會有所不同[3]。

2.2 停機過程具體設(shè)計

機組自動停機步驟包括：降低負(fù)荷至IGV 小于0%；啟動汽輪機和鍋爐裝置旁路控制，疏水系統(tǒng)也納入控制；順序“一鍵停機”，解列惰走、順控燃?xì)廨啓C直至熄火；停用鍋爐、中壓和高壓系統(tǒng)，隨后低壓系統(tǒng)和凝水預(yù)加熱裝置；輔助系統(tǒng)停機，包括軸封、真空系統(tǒng)，關(guān)閉煙囪擋板。

在汽輪機停機控制，解除排氣壓力比控制裝置，隨后解除溫度控制裝置，負(fù)荷達(dá)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，切除溫度裕度。斷開并網(wǎng)連接，投入轉(zhuǎn)速控制器，開啟疏水子機組。燃機停機需保無功負(fù)荷不超3MVar，有功不超2MW。發(fā)電機分閘關(guān)閉，停止勵磁系統(tǒng)和天然氣子機組，間隔時間停止余熱鍋爐。

整個停機自動操控的機制中，還會劃分為保留或不保留凝結(jié)水兩類停機模式，前者屬于短暫停運，會將主要設(shè)備停機，但凝結(jié)水系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)以及真空系統(tǒng)等還會在停機時正常運轉(zhuǎn)，優(yōu)點是可以在下次啟動時縮短反應(yīng)時間，在長時間停機的需求下會采用不保留凝結(jié)水的自動停機操作模式，其會完成各種停機任務(wù)，包括真空系統(tǒng)的停運破壞、軸封停運以及降低負(fù)荷等[4]。

3 一鍵自啟?？刂葡到y(tǒng)（APS）的優(yōu)化改進(jìn)方向

本廠因為實施基建的周期較短且實際建設(shè)工作量巨大，故而在以往設(shè)計搭建多軸燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機組一鍵自啟?？刂葡到y(tǒng)時存在不足，通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)了各類問題，導(dǎo)致機組運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性欠佳，因此本次研究提出了以下幾種優(yōu)化改進(jìn)的做法。

3.1 汽輪機疏水系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整

在自動啟停汽輪機疏水系統(tǒng)時，可以針對實際觸發(fā)條件進(jìn)行修正，設(shè)置為未進(jìn)行燃機壓力與溫度升高條件的斷點操作時進(jìn)行順控第二步驟的啟動。確保汽機實現(xiàn)送汽操作前能切實排出機組內(nèi)的所有積水，以防止后續(xù)供汽運行時管道出現(xiàn)強烈振動問題，促進(jìn)汽機的安全運行，同時為了進(jìn)一步節(jié)約運行成本，也可對疏水門的啟閉間隔時間進(jìn)行縮短[5]。

3.2 針對汽輪機預(yù)暖溫度不達(dá)標(biāo)實施改進(jìn)

預(yù)暖參數(shù)偏低，機組預(yù)暖效果不佳。針對分軸聯(lián)合循環(huán)機組，為提高機組的冷態(tài)啟動速度，設(shè)計要求預(yù)暖蒸汽為300～360℃，而配套的啟動鍋爐輔助蒸汽最高240℃，對預(yù)暖存在一定的影響。沖轉(zhuǎn)前高壓外缸膨脹量9.3mm，和同類型機組相比明顯偏低。對于預(yù)暖階段做如下優(yōu)化。

預(yù)暖初期（高壓外缸溫度約小于150℃）：維持通風(fēng)閥關(guān)閉，按原預(yù)暖操作控制金屬溫升率，最終將預(yù)暖調(diào)節(jié)閥全開，提高缸內(nèi)蒸汽壓力。由于機組預(yù)暖初期金屬溫度的提升主要取決于相變蒸汽的凝結(jié)放熱，提高缸內(nèi)蒸汽壓力可提高飽和溫度，從而提高機組的暖機溫度。

預(yù)暖初期，維持通風(fēng)閥關(guān)閉，按原操作控制金屬溫升率，最終將預(yù)暖調(diào)節(jié)閥全開，提高缸內(nèi)蒸汽壓力。預(yù)暖中期，開啟通風(fēng)閥，全開預(yù)暖調(diào)節(jié)閥，加大蒸汽流量，利用真空冷卻金屬。暖機轉(zhuǎn)速不超過600rpm。預(yù)暖后期，余熱鍋爐旁路循環(huán)，降低噴水開度，提高再熱冷段溫度。再熱冷段溫度高于輔助蒸汽約10℃后，切換至再熱冷段預(yù)暖高壓缸。預(yù)暖系統(tǒng)在并網(wǎng)前切除[6]。

4 結(jié)語

針對多軸規(guī)格的燃?xì)馀c蒸汽聯(lián)合循環(huán)生產(chǎn)的運行機組，為保證其運行效率得到提高，還需優(yōu)化設(shè)計自動啟停的系統(tǒng)，切實實現(xiàn)“一鍵啟?！?。由本文分析可知，機組APS 系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)方向包括：汽輪機疏水系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整；針對高壓、中壓以及低壓主汽升溫升壓實施改進(jìn)。