燃氣－蒸汽聯合循環機組自啟停系統設計

李書才， 張 力，張 華

(山東電力工程咨詢院有限公司， 山東 濟南 250013)

近年來隨著國家能源結構的調整以及環境排放要求的提高，燃氣輪機及其聯合循環機組成為電力系統清潔能源發展的一個方向。為適應燃氣－蒸汽聯合循環機組頻繁啟停的需要，機組自啟停控制系統 (Automatic Plant Start－up and Shutdown System，簡稱APS)的實施已成為必然趨勢。機組自啟停控制技術的實現，可以提高機組啟停的正確性和規范性，減輕運行人員的工作強度，縮短機組啟停時間，是真正實現減員增效的有效措施，也是體現機組高自動化水平的一個重要標志。

1 機組概況

馬來西亞某工程為一拖一單軸聯合循環機組，燃機為西門子SGT5－4000F(燃油、燃氣雙燃料)、汽機為西門子SST5－3000、發電機為西門子SGen5－2000H、無補燃余熱鍋爐為阿爾斯通GT13E1。本工程燃機－汽機控制系統(Turbine Control System，簡稱TCS)、余熱鍋爐(Heat Recover Steam Generator，簡稱HRSG)及輔助車間(Balance of plant，簡稱BOP)控制系統(Distribution Control System，簡稱DCS)均采用Siemens T3000一體化軟硬件，共用1套控制網絡，減少了系統間的硬接線和通訊接口，簡化系統結構，為實現APS提供了有效保障。

2 APS設計方案

2.1 APS總體設計原則

APS系統主要分為兩大部分：一部分為機島側的控制邏輯，由德國西門子公司設計實施，該部分的控制功能在機島成套的T3000控制系統中實現，自動化程度高，技術成熟，而且相對獨立，能夠實現燃機、汽輪機系統的自動啟停控制。另一部分為APS系統的主要控制邏輯，完成全廠APS的控制，與機島APS接口，對機島系統發出啟動和停機指令，并對除機島以外的其他系統進行自動控制。這部分控制系統功能在用戶成套的DCS系統中實現，也是整個APS系統設計和實施的重點和難點。

2.2 APS功能的組成

根據控制級別不同，機組順序控制系統分為4級，即機組控制級、功能組控制級、功能子組控制級和設備驅動控制級，見圖1。分級設計原則是保證系統在某些傳感器、設備或元件故障時，能夠選擇較低級控制方式。機組級是最高一級的順序控制系統，它根據機組在啟、停過程中不同階段的需求，向下級發出控制指令，完成運行方式的預選、啟停程序管理功能。功能組級操作方式可以是自動或手動，在自動方式時，接受上級或同級的控制指令，在手動方式時，允許在DCS上手動發出指令，實現功能組內部的啟動和停止程序，決定對下級發出投入、運行和停止指令。子功能組級操作方式也可以是自動或手動，是功能組級的低一級順序控制系統。驅動級是單個設備的控制和保護邏輯，是生產過程中最基本的控制級。

2.3 APS 機組啟動、停機順序控制邏輯及斷點設計

圖1 機組順序控制系統分級

燃機APS具有全自動方式和半自動方式。在全自動方式下，不需要人工干涉，程序完成機組全過程的自動啟停；在半自動方式下，設置幾個斷點，允許手動完成機組啟停，增強系統的靈活性。APS在啟停斷點設計中，應充分考慮機組的啟停運行特性、主輔設備運行狀態和工藝系統過程參數，按規定好的程序發出各個系統、設備的啟動命令，并協調以下系統：燃機控制系統、協調控制系統(Coordination Control System，簡稱CCS)、汽機數字電液調節系統(Digital Electric Hydraulic Control System，簡稱DEH)、汽輪機旁路控制系統(Bypass Control System，簡稱BPC)、模擬量調節系統(Modulating Control System，簡稱MCS)等，實現發電機組的自動啟停。APS設計主體框架為上層框架邏輯調用下層功能組、功能子組順控邏輯，從而調用單體設備邏輯的控制方式。

2.3.1 APS 機組啟動方案

APS啟動過程有3種模式選擇。鍋爐上水：高、中、低壓汽包到達啟動水位后切入下一模式，期間汽機子組等待燃機點火后汽溫、汽壓的上升，如果模式在預設時間內沒有切換，啟動過程結束；燃機點火準備：在完成鍋爐上水后，繼續執行高低壓蒸汽系統、風煙系統、機組協調回路、爐側疏水等系統啟動，等待燃機點火條件滿足；聯合循環啟動：在完成燃機點火準備后，啟動燃機子組，直至完成所有啟動步序，期間燃機完成點火、升速、并網，汽機完成暖機、升速、并網、旁路協同關閉等。機組啟動步序見圖2。

圖2 機組啟動步序圖

具體步驟說明如下：

(1)啟動條件判斷：程序對輔助車間(BOP)、余熱鍋爐(HRSG)、電氣等進行檢測，主要包括取水系統、鍋爐補給水系統、壓縮空氣系統，燃料系統等是否運行正常，HRSG側閥門初始化是否在正確位置，電氣相應斷路器是否在正確分合閘位置等。

(2)啟動準備：包括投入循環水、開式水、閉式水，凝結水系統，確定機組啟動方式，鍋爐汽包上水等。

(3)燃機啟動：順控投入燃機及其輔助系統，通過發電機靜止變頻起動裝置(Static Frequency Converter，簡稱SFC)將燃機帶動至點火轉速，然后燃機點火升速。

(4)余熱鍋爐啟動：順序啟動余熱鍋爐低壓、中壓、高壓系統子組。

(5)輔汽參數判斷：輔汽是否滿足汽輪機軸封進汽要求(本工程無啟動鍋爐，輔汽來自主汽/冷段減溫減壓蒸汽)。

(6)汽輪機輔助系統啟動：順控啟動汽輪機輔助系統，如軸封系統、真空系統、控制油系統等。

(7)汽輪機啟動：順序完成機組暖管、暖閥、暖缸，汽輪機沖轉等。

(8)機組并網升負荷：發電機并網，聯合循環按照升負荷曲線協調燃機、余熱鍋爐和汽輪機升負荷。

機組啟動(起點為循環水啟動，終點為聯合循環機組并網升負荷)設置以下斷點：

(1)機組啟動準備斷點：鍋爐、燃氣輪機、汽輪機各輔助系統啟動；鍋爐上水；啟動前條件檢查。

(2)燃汽輪機啟動斷點：燃氣輪機點火，升速；燃氣輪機發電機(GTG)并列、初負荷；HRSG升溫、升壓。

(3)軸封蒸汽進汽斷點：輔助蒸汽升溫后滿足軸封進汽溫度要求。

(4)蒸汽輪機啟動斷點：蒸汽品質判斷，蒸汽輪機沖轉、暖機、升速至同期轉速。

(5)蒸汽輪機并網斷點：蒸汽輪機發電機(STG)同期并列，帶初負荷暖機。

(6)升負荷至目標負荷斷點： APS投入負荷主控回路，給出負荷目標值，完成APS啟動過程。

2.3.2 APS 機組停機方案

機組停機前，程序先對各設備(BOP、余熱鍋爐、燃機、電氣等)運行情況進行檢查，當符合停機條件時，程序依次減負荷、解列、熄火、降低轉速、汽包排污、停給水泵、關煙氣擋板、破壞真空等，機組停機步序見圖3。

停機斷點設計(停機起點為機組帶負荷，終點為盤車投入)，APS停機設置以下斷點：

(1)機組降負荷(GT、ST)斷點：APS通過負荷主控回路，以一定速率減負荷，啟動ST高、中、低壓蒸汽退汽功能組。

(2)蒸汽輪機解列斷點：ST發電機解列。

(3)燃氣輪機發電機解列斷點：停運高、中、低壓蒸汽系統功能組。

(4)HRSG停運斷點：HRSG泄壓或保護停爐，關閉疏水閥，停運高、中、低壓給水功能組。

(5)機組停運斷點：凝結水系統停止，真空系統停止。

圖3 機組停機步序圖

3 APS控制難點及實際應用

輔助蒸汽參數控制：由于本工程無外來蒸汽，而且也無啟動鍋爐，所以對于機組啟動所必須的輔助蒸汽，其系統設計及控制要求相對復雜。本工程的軸封蒸汽由輔汽提供，輔汽來源為兩路，一路取自主蒸汽，一路取自再熱冷段，經各自的減溫減壓器后匯到母管供至汽輪機的軸封調節閥前。由于余熱鍋爐設計啟動排氣能力較小(只有5%)，在燃機升負荷時，鍋爐低壓和中壓系統容易超壓跳機。但只在燃機空載滿速情況下運行，主汽溫度上升很慢，且主汽參數上升穩定后(6 MPa，305℃)，經減壓后，輔汽溫度(0.8 MPa，190℃)不能滿足汽輪機軸封汽要求(冷態240℃，溫熱態280℃)。針對上述情況，提出以下解決方案：在與鍋爐連接的中壓、低壓管道，各增加一個對空排汽閥，在主汽至輔汽前管道、冷段至輔汽前管道以及輔汽至軸封進汽閥前管道上，各增加一個對空排汽閥，以上排汽閥均采用可遠操的執行機構，以便可以在邏輯中實現APS功能。

旁路控制系統：本工程中，中、低壓旁路隨汽輪機本體，一并由主機廠配供，其控制邏輯在汽輪機TCS中實現，由德國西門子設計，這部分控制邏輯為成熟設計，一般無須改動。高壓旁路為用戶單獨采購，其控制邏輯在機組DCS中實現，其控制邏輯為：高旁閥先為壓力控制(設定1 MPa)，直至高旁閥開度達到20%，然后旁路壓力設定為滑壓控制方式升壓。在此過程中，高旁閥根據壓力偏差進行調節，主汽達到沖轉壓力后，維持當前壓力，等待蒸汽品質合格汽輪機進汽。在實際運行中，發現高旁閥動作響應過快，動作幅度過大的情況，這樣引起汽包水位頻繁波動。為此，對高旁閥的PID調節參數進行了優化，平滑了啟動過程中旁路閥門的動作，也為給水控制邏輯設計創造了條件。

機組APS實際應用中，啟動曲線見圖4～圖6，由圖可見，機組在啟動過程中，轉速和負荷比較平穩，波動很小；主汽壓力有一定的超調，但在控制范圍內；汽包水位波動劇烈，但也都在正常水位控制范圍內。

圖4 機組冷態啟動曲線

圖5 機組溫態啟動曲線

4 結語

DCS技術的提高及相應控制理論的成功應用，為實現發電廠的APS功能提供了有力保障，本工程APS貫穿了燃氣－蒸汽聯合循環機組的啟停全過程，取得比較好的應用效果。同時，主機TCS和機組DCS采用一體化控制系統，解決了各系統間接口過多的問題，更有利于APS的實現。本工程APS目前運行穩定，人機界面清晰、友好，大大減輕了運行人員的工作量，有效縮短啟動時間，提高機組運行效率，為類似機組提供了可借鑒事例。

圖6 機組熱態啟動曲線

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