西门子9F联合循环机组自启停功能的应用

2010-11-15冯偶根张建江

浙江电力 2010年2期

冯偶根，张建江，曹阳

（1.浙江萧山发电厂，杭州 311251；2.浙江省电力试验研究院，杭州 310014）

0 引言

随着DCS控制系统的不断发展及应用水平的不断提高，发电厂对自动化程度的要求也与日俱增，机组自动启停控制系统（Automatic Plant Start-up and Shutdown System，简称APS）对电厂乃至电网的现代化建设具有重要的意义。天然气发电机组的调峰作用要求机组应具备快速的响应能力，APS可以最大程度缩短机组的启停时间，及时响应电网负荷调度。在设备可用的情况下，APS能实现机组的快速启停。

萧山发电厂天然气发电工程配置2台天然气发电机组，每台机组由1台燃机、1台余热锅炉、1台汽轮机和1台公用发电机组成。燃机为西门子V94.3A机型，带环型燃烧室，透平进口温度为1 230℃。余热锅炉是三压再热卧式自然循环锅炉，配置2台100%容量的电动液耦可调给水泵。汽轮机为HE型双缸（一高压缸和一中低压合缸）、轴向排汽。燃机－汽机控制系统（TCS）采用西门子TELEPERM XP自动控制系统，整个TCS由燃机控制系统、汽机控制系统、发电机控制及电气部分组成。

1 APS系统构成

该工程APS采用先进的控制策略，能识别机组和设备的运行状态，选择相应的步程序，自动执行设备及闭环回路的操作步骤，同时将按照设备厂提供的运行曲线控制参数，使机组运行最优化，从而全面提高了电厂自动化运行水平，确保机组的安全、经济运行。

依据西门子400 MW 9F联合循环发电机组的运行方式，在不多于2个断点的情况下，实现全部辅助设备及主机的一键启停功能。APS系统可划分为启动过程和停机过程两大主体，每个主体中又可细分为子组功能级和机组协调功能级。APS系统构成如图1所示。

图1 联合循环APS结构

子组功能级是APS的基础，其主要任务为管理辅助系统的启停，控制对象为辅助系统的具体设备或子环。系统间互相独立，可由运行人员手动激活执行辅助系统的单独运行或停运。子组功能级只负责系统的启停，设备的条件闭锁、联锁及保护功能由设备控制级完成。1个系统的子组功能可由1个或多个子组组成，譬如燃机子组由油系统子组、天然气子组、天然气疏水子组、盘车子组、顺序功能图（SFC）子组等组成。

机组协调功能级是更高级别的控制层，负责机组的协调启停，是APS的核心部分，控制对象为子组功能级和子组协调自动，按照预选的模式逐一执行各分系统的操作。机组级功能不同于子组级的是前者将监测汽轮机的温度水平并自动计算出与之匹配的压力、温度等参数的控制曲线，完成升温、升压、负荷限制及暖机的步骤。通过机组协调功能级的执行可实现辅助系统、余热锅炉、燃机及汽机的启停。

2 APS启动过程

APS可实现从机组设备全停到带60%额定负荷的一键启动。启动过程有锅炉上水、燃机点火准备及联合循环启动3种模式供选择。

APS系统将依次启动燃机罩壳系统、循环水系统、闭式水系统、凝结水系统、开式水系统、辅助蒸汽系统、主机疏水系统、润滑油系统、控制油系统、真空及轴封系统、凝结水预加热系统、给水系统、旁路除氧系统、汽机启动子组及高、中、低压锅炉系统，完成上述启动且当高、中、低压汽包达到启动水位后将等待运行切换下一模式，期间汽机子组将等待燃机点火后汽温、汽压的上升。在预设时间内如果模式没有切换，启动程序就此结束。

燃机点火准备模式是在完成锅炉上水步骤后将继续执行高低压蒸汽系统、风烟系统、机组协调控制回路、炉侧疏水系统的启动。在燃机点火条件满足之前，程序将维持等待状态。联合循环启动模式将在燃机点火准备模式执行的基础上完成燃机子组的启动，在燃机点火后汽机子组、高中低压锅炉子组等将继续执行直到完成所有步序。期间燃机将完成点火准备、点火、升速、并网及加载等步序，汽机完成暖机、升速、并网、旁路协同关闭等步序。旁路关闭后机组协调控制将切换为单元控制模式。

3 APS停机过程

APS停机过程可以实现从额定负荷到设备全停的一键停机过程。激活“DELOAD”模式降低单元机组出力，同时保持汽机在要求的温度裕度内，当燃机IGV（可转进口导叶）达到最小开度后，汽轮机停机。

停机速度将受余热锅炉允许温度梯度的限制。随着汽机负荷逐渐降低，直至负荷降至零、与发电机脱开，转速开始下降。当燃机负荷达到最小负荷大约7 MW时，燃机通过停机程序停机。

燃机达到盘车转速，余热锅炉出口烟气挡板延时关闭，以减少余热锅炉停运期间的热损失。一定时间后，给水系统、凝结水系统、凝汽器抽真空系统、密封蒸汽供应、冷却水供应退出运行。

停机过程有不保留凝结水停机和保留凝结水停机2种模式供选择。不保留凝结水停机模式用于长时间停机，包含减负荷、滑参数、汽机停机、燃机停机、停辅助系统、破坏真空、停轴封，最终所有设备停运。保留凝结水的停机模式用于暂时性停机，保留凝结水系统、真空及轴封系统、油系统运行，其余设备停运，等待联合循环再次投运，适用于两班制运行。

汽机减负荷停机时，高、中、低压旁路阀都处于单元压力设定，即USP模式，当蒸汽压力大于旁路压力设定值时，旁路阀将自动打开，泄走多余蒸汽，直到燃机停机熄火，压力设定值达到最小压力设定，旁路阀关闭。

4 全过程汽温、汽压及燃机排气温度的自动匹配与控制

在联合循环机组启停过程中，汽温、汽压及燃机排汽温度采用全程自动控制。汽温控制包括高压过热汽温及热再热蒸汽温度，其设定值均由控制系统按照汽机当前缸温水平由西门子提供的经验公式获得，该回路能依据实际缸温及汽门温度计算出机组所需的汽温值。当汽机开始暖机或者冲转后，缸温逐渐上升（暖缸过程受一系列标准制约），汽温也相应升高，直至将汽温提升至额定值。汽温设定值模块具有外部设定和内部设定2种模式，外部设定模式由汽温自动计算回路决定，内部设定模式为手动给定。

蒸汽压力设定值由压力设定回路给定，根据当前负荷（即实际蒸发量）分别生成高、中、低压蒸汽压力设定值，压力设定值同时送至旁路控制器及汽机控制器，分别用以控制旁路及汽机调门。启动过程中的升压过程由旁路控制器控制，旁路控制器具有自动升压调节（ASA）及单元压力设定（USP）2种模式。在ASA模式下，通过旁路控制蒸汽压力并逐渐升压，直到蒸汽压力达到初始压力值且蒸汽流量满足一定条件后，切换为USP控制方式。在USP模式下，高压旁路压力设定值跟踪高压协调压力设定值，并在其上叠加1个偏差△P1，使得旁路压力调节高于汽机压力调节设定，保证汽机调门顺利打开。

协调模式投入前，温度控制只接受燃机控制器温度设定。协调模式投入后，由汽机匹配温度及余热锅炉启动温度合成排气温度设定值，送至燃机控制器参与IGV排气温度控制，直至IGV全开。送给燃机控制器的还有温度设定最大限制，作为锅炉超温时的辅助手段。

5 高、中、低压汽包全过程自动给水

全程自动给水贯穿了机组启动阶段、正常运行阶段和停机阶段，实现了锅炉上水、汽包启动水位控制、燃机点火后水位控制、正常运行工况下的给水控制以及停机阶段的给水控制等任务，所有过程全部自动完成，不需要人工干预。其控制对象包括高压旁路给水调节阀、高压主给水调节阀、给水泵液耦勺管、中低压给水调节阀和高中低压汽包连续排污控制阀。

工程采用了高中压给水合用1台给水泵的设计，中压给水来自给水泵中间抽头，与其他燃机工程高中压给水分别配置给水泵相比，大大简化了系统，节约了工程投资，但也增加了自动控制的难度。由于高中压给水都取自同一台给水泵，使得系统耦合度较高，高中压系统互相影响。全程自动给水技术包含了顺序控制和闭环控制，经过整套启动阶段的优化调整，可以实现多种工况下启动的全程自动给水，无论是热态、温态、冷态，还是锅炉有水、无水，或者水位高低，都能很好地完成控制任务。

高压给水主、旁路调节阀控制汽包水位，在高压系统顺控启动时，2个阀门同时投入自动，低流量时由旁路调节阀控制水位，主调节阀全关。随着流量的上升，旁路阀逐渐开大，当旁路阀开度大于70%后，主调节阀逐渐开大，接管水位控制，旁路阀则将按照一定速率逐渐关闭直至全关。如果因为停机或者燃机出力减小，当主调节阀开度小于5%时，旁路调节阀又将接管水位控制，主调节阀则关闭。

给水调节阀有2种控制方式，即单冲量控制和三冲量控制。当高压主汽流量小于25%时，控制回路为单冲量方式；当流量大于25%时切至三冲量，三冲量相比单冲量有更好的抗扰动能力，可以有效克服主汽流量和给水扰动对水位控制的影响。尤其是高中压存在较强耦合时，高压汽包水位的波动会引起高压给水调门开度的变化，进而引起电泵液耦勺管位置发生变化，导致中压系统给水压力的波动，给水流量也将发生变化，三冲量回路可以有效解决上述问题。

电动给水泵液耦勺管控制高压给水母管与高压汽包之间的差压，确保调节阀的调节作用，设定值由运行人员手动给定，在差压控制回路中还要考虑用于电泵保护的最小压力保护。在顺序控制中自动投入了2台电泵的勺管自动，同时投入电泵子环，在子环投入且2台电泵液耦都投自动的情况下，停运电泵液耦将带死区跟踪运行泵勺管开度。带死区是为了避免备用泵勺管频繁动作而产生不必要的磨损。当发生运行泵跳闸时，备用泵能快速启动并参与给水，将有效防止电泵跳闸导致锅炉断水，有助于机组的稳定运行。