西門子9F聯(lián)合循環(huán)機組自啟停功能的應(yīng)用

馮偶根，張建江，曹 陽

（1.浙江蕭山發(fā)電廠，杭州 311251；2.浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

0 引言

隨著DCS控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展及應(yīng)用水平的不斷提高，發(fā)電廠對自動化程度的要求也與日俱增，機組自動啟?？刂葡到y(tǒng) （Automatic Plant Start-up and Shutdown System，簡稱APS）對電廠乃至電網(wǎng)的現(xiàn)代化建設(shè)具有重要的意義。天然氣發(fā)電機組的調(diào)峰作用要求機組應(yīng)具備快速的響應(yīng)能力，APS可以最大程度縮短機組的啟停時間，及時響應(yīng)電網(wǎng)負荷調(diào)度。在設(shè)備可用的情況下，APS能實現(xiàn)機組的快速啟停。

蕭山發(fā)電廠天然氣發(fā)電工程配置2臺天然氣發(fā)電機組，每臺機組由1臺燃機、1臺余熱鍋爐、1臺汽輪機和1臺公用發(fā)電機組成。燃機為西門子V94.3A機型，帶環(huán)型燃燒室，透平進口溫度為1 230℃。余熱鍋爐是三壓再熱臥式自然循環(huán)鍋爐，配置2臺100%容量的電動液耦可調(diào)給水泵。汽輪機為HE型雙缸 （一高壓缸和一中低壓合缸）、軸向排汽。燃機－汽機控制系統(tǒng)（TCS）采用西門子TELEPERM XP自動控制系統(tǒng)，整個TCS由燃機控制系統(tǒng)、汽機控制系統(tǒng)、發(fā)電機控制及電氣部分組成。

1 APS系統(tǒng)構(gòu)成

該工程APS采用先進的控制策略，能識別機組和設(shè)備的運行狀態(tài)，選擇相應(yīng)的步程序，自動執(zhí)行設(shè)備及閉環(huán)回路的操作步驟，同時將按照設(shè)備廠提供的運行曲線控制參數(shù)，使機組運行最優(yōu)化，從而全面提高了電廠自動化運行水平，確保機組的安全、經(jīng)濟運行。

依據(jù)西門子400 MW 9F聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的運行方式，在不多于2個斷點的情況下，實現(xiàn)全部輔助設(shè)備及主機的一鍵啟停功能。APS系統(tǒng)可劃分為啟動過程和停機過程兩大主體，每個主體中又可細分為子組功能級和機組協(xié)調(diào)功能級。APS系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 聯(lián)合循環(huán)APS結(jié)構(gòu)

子組功能級是APS的基礎(chǔ)，其主要任務(wù)為管理輔助系統(tǒng)的啟停，控制對象為輔助系統(tǒng)的具體設(shè)備或子環(huán)。系統(tǒng)間互相獨立，可由運行人員手動激活執(zhí)行輔助系統(tǒng)的單獨運行或停運。子組功能級只負責(zé)系統(tǒng)的啟停，設(shè)備的條件閉鎖、聯(lián)鎖及保護功能由設(shè)備控制級完成。1個系統(tǒng)的子組功能可由1個或多個子組組成，譬如燃機子組由油系統(tǒng)子組、天然氣子組、天然氣疏水子組、盤車子組、順序功能圖（SFC）子組等組成。

機組協(xié)調(diào)功能級是更高級別的控制層，負責(zé)機組的協(xié)調(diào)啟停，是APS的核心部分，控制對象為子組功能級和子組協(xié)調(diào)自動，按照預(yù)選的模式逐一執(zhí)行各分系統(tǒng)的操作。機組級功能不同于子組級的是前者將監(jiān)測汽輪機的溫度水平并自動計算出與之匹配的壓力、溫度等參數(shù)的控制曲線，完成升溫、升壓、負荷限制及暖機的步驟。通過機組協(xié)調(diào)功能級的執(zhí)行可實現(xiàn)輔助系統(tǒng)、余熱鍋爐、燃機及汽機的啟停。

2 APS啟動過程

APS可實現(xiàn)從機組設(shè)備全停到帶60%額定負荷的一鍵啟動。啟動過程有鍋爐上水、燃機點火準備及聯(lián)合循環(huán)啟動3種模式供選擇。

APS系統(tǒng)將依次啟動燃機罩殼系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、閉式水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、開式水系統(tǒng)、輔助蒸汽系統(tǒng)、主機疏水系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、控制油系統(tǒng)、真空及軸封系統(tǒng)、凝結(jié)水預(yù)加熱系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、旁路除氧系統(tǒng)、汽機啟動子組及高、中、低壓鍋爐系統(tǒng)，完成上述啟動且當(dāng)高、中、低壓汽包達到啟動水位后將等待運行切換下一模式，期間汽機子組將等待燃機點火后汽溫、汽壓的上升。在預(yù)設(shè)時間內(nèi)如果模式?jīng)]有切換，啟動程序就此結(jié)束。

燃機點火準備模式是在完成鍋爐上水步驟后將繼續(xù)執(zhí)行高低壓蒸汽系統(tǒng)、風(fēng)煙系統(tǒng)、機組協(xié)調(diào)控制回路、爐側(cè)疏水系統(tǒng)的啟動。在燃機點火條件滿足之前，程序?qū)⒕S持等待狀態(tài)。聯(lián)合循環(huán)啟動模式將在燃機點火準備模式執(zhí)行的基礎(chǔ)上完成燃機子組的啟動，在燃機點火后汽機子組、高中低壓鍋爐子組等將繼續(xù)執(zhí)行直到完成所有步序。期間燃機將完成點火準備、點火、升速、并網(wǎng)及加載等步序，汽機完成暖機、升速、并網(wǎng)、旁路協(xié)同關(guān)閉等步序。旁路關(guān)閉后機組協(xié)調(diào)控制將切換為單元控制模式。

3 APS停機過程

APS停機過程可以實現(xiàn)從額定負荷到設(shè)備全停的一鍵停機過程。激活“DELOAD”模式降低單元機組出力，同時保持汽機在要求的溫度裕度內(nèi)，當(dāng)燃機IGV（可轉(zhuǎn)進口導(dǎo)葉）達到最小開度后，汽輪機停機。

停機速度將受余熱鍋爐允許溫度梯度的限制。隨著汽機負荷逐漸降低，直至負荷降至零、與發(fā)電機脫開，轉(zhuǎn)速開始下降。當(dāng)燃機負荷達到最小負荷大約7 MW時，燃機通過停機程序停機。

燃機達到盤車轉(zhuǎn)速，余熱鍋爐出口煙氣擋板延時關(guān)閉，以減少余熱鍋爐停運期間的熱損失。一定時間后，給水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、凝汽器抽真空系統(tǒng)、密封蒸汽供應(yīng)、冷卻水供應(yīng)退出運行。

停機過程有不保留凝結(jié)水停機和保留凝結(jié)水停機2種模式供選擇。不保留凝結(jié)水停機模式用于長時間停機，包含減負荷、滑參數(shù)、汽機停機、燃機停機、停輔助系統(tǒng)、破壞真空、停軸封，最終所有設(shè)備停運。保留凝結(jié)水的停機模式用于暫時性停機，保留凝結(jié)水系統(tǒng)、真空及軸封系統(tǒng)、油系統(tǒng)運行，其余設(shè)備停運，等待聯(lián)合循環(huán)再次投運，適用于兩班制運行。

汽機減負荷停機時，高、中、低壓旁路閥都處于單元壓力設(shè)定，即USP模式，當(dāng)蒸汽壓力大于旁路壓力設(shè)定值時，旁路閥將自動打開，泄走多余蒸汽，直到燃機停機熄火，壓力設(shè)定值達到最小壓力設(shè)定，旁路閥關(guān)閉。

4 全過程汽溫、汽壓及燃機排氣溫度的自動匹配與控制

在聯(lián)合循環(huán)機組啟停過程中，汽溫、汽壓及燃機排汽溫度采用全程自動控制。汽溫控制包括高壓過熱汽溫及熱再熱蒸汽溫度，其設(shè)定值均由控制系統(tǒng)按照汽機當(dāng)前缸溫水平由西門子提供的經(jīng)驗公式獲得，該回路能依據(jù)實際缸溫及汽門溫度計算出機組所需的汽溫值。當(dāng)汽機開始暖機或者沖轉(zhuǎn)后，缸溫逐漸上升 （暖缸過程受一系列標準制約），汽溫也相應(yīng)升高，直至將汽溫提升至額定值。汽溫設(shè)定值模塊具有外部設(shè)定和內(nèi)部設(shè)定2種模式，外部設(shè)定模式由汽溫自動計算回路決定，內(nèi)部設(shè)定模式為手動給定。

蒸汽壓力設(shè)定值由壓力設(shè)定回路給定，根據(jù)當(dāng)前負荷（即實際蒸發(fā)量）分別生成高、中、低壓蒸汽壓力設(shè)定值，壓力設(shè)定值同時送至旁路控制器及汽機控制器，分別用以控制旁路及汽機調(diào)門。啟動過程中的升壓過程由旁路控制器控制，旁路控制器具有自動升壓調(diào)節(jié)（ASA）及單元壓力設(shè)定（USP）2種模式。在ASA模式下，通過旁路控制蒸汽壓力并逐漸升壓，直到蒸汽壓力達到初始壓力值且蒸汽流量滿足一定條件后，切換為USP控制方式。在USP模式下，高壓旁路壓力設(shè)定值跟蹤高壓協(xié)調(diào)壓力設(shè)定值，并在其上疊加1個偏差△P1，使得旁路壓力調(diào)節(jié)高于汽機壓力調(diào)節(jié)設(shè)定，保證汽機調(diào)門順利打開。

協(xié)調(diào)模式投入前，溫度控制只接受燃機控制器溫度設(shè)定。協(xié)調(diào)模式投入后，由汽機匹配溫度及余熱鍋爐啟動溫度合成排氣溫度設(shè)定值，送至燃機控制器參與IGV排氣溫度控制，直至IGV全開。送給燃機控制器的還有溫度設(shè)定最大限制，作為鍋爐超溫時的輔助手段。

5 高、中、低壓汽包全過程自動給水

全程自動給水貫穿了機組啟動階段、正常運行階段和停機階段，實現(xiàn)了鍋爐上水、汽包啟動水位控制、燃機點火后水位控制、正常運行工況下的給水控制以及停機階段的給水控制等任務(wù)，所有過程全部自動完成，不需要人工干預(yù)。其控制對象包括高壓旁路給水調(diào)節(jié)閥、高壓主給水調(diào)節(jié)閥、給水泵液耦勺管、中低壓給水調(diào)節(jié)閥和高中低壓汽包連續(xù)排污控制閥。

工程采用了高中壓給水合用1臺給水泵的設(shè)計，中壓給水來自給水泵中間抽頭，與其他燃機工程高中壓給水分別配置給水泵相比，大大簡化了系統(tǒng)，節(jié)約了工程投資，但也增加了自動控制的難度。由于高中壓給水都取自同一臺給水泵，使得系統(tǒng)耦合度較高，高中壓系統(tǒng)互相影響。全程自動給水技術(shù)包含了順序控制和閉環(huán)控制，經(jīng)過整套啟動階段的優(yōu)化調(diào)整，可以實現(xiàn)多種工況下啟動的全程自動給水，無論是熱態(tài)、溫態(tài)、冷態(tài)，還是鍋爐有水、無水，或者水位高低，都能很好地完成控制任務(wù)。

高壓給水主、旁路調(diào)節(jié)閥控制汽包水位，在高壓系統(tǒng)順控啟動時，2個閥門同時投入自動，低流量時由旁路調(diào)節(jié)閥控制水位，主調(diào)節(jié)閥全關(guān)。隨著流量的上升，旁路閥逐漸開大，當(dāng)旁路閥開度大于70%后，主調(diào)節(jié)閥逐漸開大，接管水位控制，旁路閥則將按照一定速率逐漸關(guān)閉直至全關(guān)。如果因為停機或者燃機出力減小，當(dāng)主調(diào)節(jié)閥開度小于5%時，旁路調(diào)節(jié)閥又將接管水位控制，主調(diào)節(jié)閥則關(guān)閉。

給水調(diào)節(jié)閥有2種控制方式，即單沖量控制和三沖量控制。當(dāng)高壓主汽流量小于25%時，控制回路為單沖量方式；當(dāng)流量大于25%時切至三沖量，三沖量相比單沖量有更好的抗擾動能力，可以有效克服主汽流量和給水?dāng)_動對水位控制的影響。尤其是高中壓存在較強耦合時，高壓汽包水位的波動會引起高壓給水調(diào)門開度的變化，進而引起電泵液耦勺管位置發(fā)生變化，導(dǎo)致中壓系統(tǒng)給水壓力的波動，給水流量也將發(fā)生變化，三沖量回路可以有效解決上述問題。

電動給水泵液耦勺管控制高壓給水母管與高壓汽包之間的差壓，確保調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)作用，設(shè)定值由運行人員手動給定，在差壓控制回路中還要考慮用于電泵保護的最小壓力保護。在順序控制中自動投入了2臺電泵的勺管自動，同時投入電泵子環(huán)，在子環(huán)投入且2臺電泵液耦都投自動的情況下，停運電泵液耦將帶死區(qū)跟蹤運行泵勺管開度。帶死區(qū)是為了避免備用泵勺管頻繁動作而產(chǎn)生不必要的磨損。當(dāng)發(fā)生運行泵跳閘時，備用泵能快速啟動并參與給水，將有效防止電泵跳閘導(dǎo)致鍋爐斷水，有助于機組的穩(wěn)定運行。

6 結(jié)語

西門子9F聯(lián)合循環(huán)機組APS系統(tǒng)自投入運行以來，取得了良好的效果，在保證設(shè)備安全運行的同時，大大縮短了機組啟停時間，較好地體現(xiàn)了聯(lián)合循環(huán)機組快速負荷響應(yīng)的特點，提高了生產(chǎn)效率。同時能按照機組啟動曲線優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，確保機組運行的經(jīng)濟性。

[1]林文孚，胡燕．單元機組自動控制技術(shù)[M]．北京：中國電力出版社，2004．

[2]朱北恒．火電廠熱工自動化系統(tǒng)試驗[M]．北京：中國電力出版社，2006．

[3]余華軍，張建江.全程給水控制在400 MW 9F燃機中的應(yīng)用[J].浙江電力，2009，28（2）：35-38.