燃气－蒸汽联合循环机组自启停系统设计

2018-01-21李书才

电力勘测设计 2017年6期

李书才，张力，张华

(山东电力工程咨询院有限公司，山东济南 250013)

近年来随着国家能源结构的调整以及环境排放要求的提高，燃气轮机及其联合循环机组成为电力系统清洁能源发展的一个方向。为适应燃气－蒸汽联合循环机组频繁启停的需要，机组自启停控制系统 (Automatic Plant Start－up and Shutdown System，简称APS)的实施已成为必然趋势。机组自启停控制技术的实现，可以提高机组启停的正确性和规范性，减轻运行人员的工作强度，缩短机组启停时间，是真正实现减员增效的有效措施，也是体现机组高自动化水平的一个重要标志。

1 机组概况

马来西亚某工程为一拖一单轴联合循环机组，燃机为西门子SGT5－4000F(燃油、燃气双燃料)、汽机为西门子SST5－3000、发电机为西门子SGen5－2000H、无补燃余热锅炉为阿尔斯通GT13E1。本工程燃机－汽机控制系统(Turbine Control System，简称TCS)、余热锅炉(Heat Recover Steam Generator，简称HRSG)及辅助车间(Balance of plant，简称BOP)控制系统(Distribution Control System，简称DCS)均采用Siemens T3000一体化软硬件，共用1套控制网络，减少了系统间的硬接线和通讯接口，简化系统结构，为实现APS提供了有效保障。

2 APS设计方案

2.1 APS总体设计原则

APS系统主要分为两大部分：一部分为机岛侧的控制逻辑，由德国西门子公司设计实施，该部分的控制功能在机岛成套的T3000控制系统中实现，自动化程度高，技术成熟，而且相对独立，能够实现燃机、汽轮机系统的自动启停控制。另一部分为APS系统的主要控制逻辑，完成全厂APS的控制，与机岛APS接口，对机岛系统发出启动和停机指令，并对除机岛以外的其他系统进行自动控制。这部分控制系统功能在用户成套的DCS系统中实现，也是整个APS系统设计和实施的重点和难点。

2.2 APS功能的组成

根据控制级别不同，机组顺序控制系统分为4级，即机组控制级、功能组控制级、功能子组控制级和设备驱动控制级，见图1。分级设计原则是保证系统在某些传感器、设备或元件故障时，能够选择较低级控制方式。机组级是最高一级的顺序控制系统，它根据机组在启、停过程中不同阶段的需求，向下级发出控制指令，完成运行方式的预选、启停程序管理功能。功能组级操作方式可以是自动或手动，在自动方式时，接受上级或同级的控制指令，在手动方式时，允许在DCS上手动发出指令，实现功能组内部的启动和停止程序，决定对下级发出投入、运行和停止指令。子功能组级操作方式也可以是自动或手动，是功能组级的低一级顺序控制系统。驱动级是单个设备的控制和保护逻辑，是生产过程中最基本的控制级。

2.3 APS 机组启动、停机顺序控制逻辑及断点设计

图1 机组顺序控制系统分级

燃机APS具有全自动方式和半自动方式。在全自动方式下，不需要人工干涉，程序完成机组全过程的自动启停；在半自动方式下，设置几个断点，允许手动完成机组启停，增强系统的灵活性。APS在启停断点设计中，应充分考虑机组的启停运行特性、主辅设备运行状态和工艺系统过程参数，按规定好的程序发出各个系统、设备的启动命令，并协调以下系统：燃机控制系统、协调控制系统(Coordination Control System，简称CCS)、汽机数字电液调节系统(Digital Electric Hydraulic Control System，简称DEH)、汽轮机旁路控制系统(Bypass Control System，简称BPC)、模拟量调节系统(Modulating Control System，简称MCS)等，实现发电机组的自动启停。APS设计主体框架为上层框架逻辑调用下层功能组、功能子组顺控逻辑，从而调用单体设备逻辑的控制方式。

2.3.1 APS 机组启动方案

APS启动过程有3种模式选择。锅炉上水：高、中、低压汽包到达启动水位后切入下一模式，期间汽机子组等待燃机点火后汽温、汽压的上升，如果模式在预设时间内没有切换，启动过程结束；燃机点火准备：在完成锅炉上水后，继续执行高低压蒸汽系统、风烟系统、机组协调回路、炉侧疏水等系统启动，等待燃机点火条件满足；联合循环启动：在完成燃机点火准备后，启动燃机子组，直至完成所有启动步序，期间燃机完成点火、升速、并网，汽机完成暖机、升速、并网、旁路协同关闭等。机组启动步序见图2。

图2 机组启动步序图

具体步骤说明如下：

(1)启动条件判断：程序对辅助车间(BOP)、余热锅炉(HRSG)、电气等进行检测，主要包括取水系统、锅炉补给水系统、压缩空气系统，燃料系统等是否运行正常，HRSG侧阀门初始化是否在正确位置，电气相应断路器是否在正确分合闸位置等。

(2)启动准备：包括投入循环水、开式水、闭式水，凝结水系统，确定机组启动方式，锅炉汽包上水等。

(3)燃机启动：顺控投入燃机及其辅助系统，通过发电机静止变频起动装置(Static Frequency Converter，简称SFC)将燃机带动至点火转速，然后燃机点火升速。

(4)余热锅炉启动：顺序启动余热锅炉低压、中压、高压系统子组。

(5)辅汽参数判断：辅汽是否满足汽轮机轴封进汽要求(本工程无启动锅炉，辅汽来自主汽/冷段减温减压蒸汽)。

(6)汽轮机辅助系统启动：顺控启动汽轮机辅助系统，如轴封系统、真空系统、控制油系统等。

(7)汽轮机启动：顺序完成机组暖管、暖阀、暖缸，汽轮机冲转等。

(8)机组并网升负荷：发电机并网，联合循环按照升负荷曲线协调燃机、余热锅炉和汽轮机升负荷。

机组启动(起点为循环水启动，终点为联合循环机组并网升负荷)设置以下断点：

(1)机组启动准备断点：锅炉、燃气轮机、汽轮机各辅助系统启动；锅炉上水；启动前条件检查。

(2)燃汽轮机启动断点：燃气轮机点火，升速；燃气轮机发电机(GTG)并列、初负荷；HRSG升温、升压。

(3)轴封蒸汽进汽断点：辅助蒸汽升温后满足轴封进汽温度要求。

(4)蒸汽轮机启动断点：蒸汽品质判断，蒸汽轮机冲转、暖机、升速至同期转速。

(5)蒸汽轮机并网断点：蒸汽轮机发电机(STG)同期并列，带初负荷暖机。

(6)升负荷至目标负荷断点： APS投入负荷主控回路，给出负荷目标值，完成APS启动过程。

2.3.2 APS 机组停机方案

机组停机前，程序先对各设备(BOP、余热锅炉、燃机、电气等)运行情况进行检查，当符合停机条件时，程序依次减负荷、解列、熄火、降低转速、汽包排污、停给水泵、关烟气挡板、破坏真空等，机组停机步序见图3。

停机断点设计(停机起点为机组带负荷，终点为盘车投入)，APS停机设置以下断点：

(1)机组降负荷(GT、ST)断点：APS通过负荷主控回路，以一定速率减负荷，启动ST高、中、低压蒸汽退汽功能组。

(2)蒸汽轮机解列断点：ST发电机解列。

(3)燃气轮机发电机解列断点：停运高、中、低压蒸汽系统功能组。

(4)HRSG停运断点：HRSG泄压或保护停炉，关闭疏水阀，停运高、中、低压给水功能组。

(5)机组停运断点：凝结水系统停止，真空系统停止。

图3 机组停机步序图

3 APS控制难点及实际应用

辅助蒸汽参数控制：由于本工程无外来蒸汽，而且也无启动锅炉，所以对于机组启动所必须的辅助蒸汽，其系统设计及控制要求相对复杂。本工程的轴封蒸汽由辅汽提供，辅汽来源为两路，一路取自主蒸汽，一路取自再热冷段，经各自的减温减压器后汇到母管供至汽轮机的轴封调节阀前。由于余热锅炉设计启动排气能力较小(只有5%)，在燃机升负荷时，锅炉低压和中压系统容易超压跳机。但只在燃机空载满速情况下运行，主汽温度上升很慢，且主汽参数上升稳定后(6 MPa，305℃)，经减压后，辅汽温度(0.8 MPa，190℃)不能满足汽轮机轴封汽要求(冷态240℃，温热态280℃)。针对上述情况，提出以下解决方案：在与锅炉连接的中压、低压管道，各增加一个对空排汽阀，在主汽至辅汽前管道、冷段至辅汽前管道以及辅汽至轴封进汽阀前管道上，各增加一个对空排汽阀，以上排汽阀均采用可远操的执行机构，以便可以在逻辑中实现APS功能。

旁路控制系统：本工程中，中、低压旁路随汽轮机本体，一并由主机厂配供，其控制逻辑在汽轮机TCS中实现，由德国西门子设计，这部分控制逻辑为成熟设计，一般无须改动。高压旁路为用户单独采购，其控制逻辑在机组DCS中实现，其控制逻辑为：高旁阀先为压力控制(设定1 MPa)，直至高旁阀开度达到20%，然后旁路压力设定为滑压控制方式升压。在此过程中，高旁阀根据压力偏差进行调节，主汽达到冲转压力后，维持当前压力，等待蒸汽品质合格汽轮机进汽。在实际运行中，发现高旁阀动作响应过快，动作幅度过大的情况，这样引起汽包水位频繁波动。为此，对高旁阀的PID调节参数进行了优化，平滑了启动过程中旁路阀门的动作，也为给水控制逻辑设计创造了条件。

机组APS实际应用中，启动曲线见图4～图6，由图可见，机组在启动过程中，转速和负荷比较平稳，波动很小；主汽压力有一定的超调，但在控制范围内；汽包水位波动剧烈，但也都在正常水位控制范围内。

图4 机组冷态启动曲线

图5 机组温态启动曲线

4 结语

DCS技术的提高及相应控制理论的成功应用，为实现发电厂的APS功能提供了有力保障，本工程APS贯穿了燃气－蒸汽联合循环机组的启停全过程，取得比较好的应用效果。同时，主机TCS和机组DCS采用一体化控制系统，解决了各系统间接口过多的问题，更有利于APS的实现。本工程APS目前运行稳定，人机界面清晰、友好，大大减轻了运行人员的工作量，有效缩短启动时间，提高机组运行效率，为类似机组提供了可借鉴事例。