安薩爾多AE94.3A型燃機機組APS設計與優化

大唐萬寧天然氣發電有限責任公司 王永宏 江 彬 吳占元 李 杰

東莞深能源樟洋電力有限公司 唐 爽 西安熱工研究院有限公司 陳志剛 王 林

1 機組簡介

某電廠擴建工程6號機組采用上海電氣制造的安薩爾多AE94.3A型9F級改進型燃氣-蒸汽聯合循環、一拖一單軸、帶SSS離合器的純凝發電機組。該項目具有啟停靈活、低碳環保、清潔高效等優點[1-3]，單套機組標準工況下出力為475MW。機組DCS和TCS控制系統均采用ABB（S+）系統。燃氣輪機主要性能參數見表1。

表1 燃機主要設計參數

為提高機組啟停效率，熱工自動控制領域提出了“一鍵啟停”的概念，也即“機組自動程序啟停系統”[4-6]（Automatic Procedure Start-up／Shut-down，APS），本文以某電廠擴建工程6號機組為研究對象，設計優化了機組的APS控制策略，相關經驗可供后續同類機組參考。

2 燃機APS體系構建

2.1 結構設計

本工程機組的APS系統采用分級控制結構，總體上分4層，即機組控制級、功能組控制級、功能子組控制級和設備控制級。功能組控制級是APS的基石，具備獨立操作功能，為保證APS系統的優良控制品質，提出以下設計原則：一是設備和閥門根據程控過程進行針對性控制，符合機組設備的啟停規律。二是多級設備應采用逐級啟動，以減輕線路壓力。三是備用按鈕待系統穩定后自動投入。四是調節閥自動控制應能自動投入，并按自動設定值調節，使該系統趨于穩定。五是機組設備的聯鎖保護應體系化、完善化，能夠根據不同工況自動匹配閥門狀態。

機組控制級是APS的根本，銜接著各系統，主要遵循以下原則：一是系統啟動時，銜接好上下級系統，應避免上下級系統運行工況惡化。二是具備各工況的適應性，滿足機組啟停功能。

2.2 APS斷點設計

本工程機組APS共設計4步斷點：斷點1為準備系統啟動；斷點2為鍋爐上水及汽機抽真空；斷點3為機組啟動；斷點4為機組停運。APS斷點的組成見表2。

表2 燃氣-蒸汽聯合循環熱電機組APS組成及啟停順序

3 斷點設計

3.1 準備系統啟動

APS依次啟動循環水系統、開式水系統、閉式水系統、空壓機系統、機組潤滑油系統、燃機輔助設備、盤車系統，以滿足機組啟動前準備條件。

控制難點：水系統空管啟動，應避免損壞管道及其支吊架。循環水系統設計了輔助循環水泵可提前給循環水管路注水。閉式水系統和開式水系統可提前打開水路通道通過靜壓差完成管道注水。注水放空閥均為手動閥，需要運行人員提前打開，見水關放空閥。機組再次啟動時，根據管道壓力（超過日常管道凈壓）自動判斷管道注水情況，減輕運行操作量。

優化策略：循環水系統僅啟動首臺循環水泵，受季節影響不限制優先啟動低速循環水泵。隨著負荷的升高，運行人員需要手動啟動備用循環水泵和機力冷卻塔風機。循環水系統可進行優化，根據季節或者環境溫度（燃機測點）決定不同負荷下循環水泵和機力冷卻塔風機運行方式和運行數。空負荷默認優先啟動低速循環水泵和配置機力冷卻塔通道；隨著機組負荷升高或循環水進出口溫差大，逐步啟動機力冷卻塔風機和備用循環水泵；機組降負荷停機時，逐步停機力冷卻塔風機和循環水泵。該優化方案可實現循環水系統一鍵控制，根據工況變化規范化啟停循環水泵和機力冷卻塔風機，減輕了運行操作壓力。

機組啟動前燃機/汽機盤車應運行48h以上，而斷點1默認水系統和油系統同時運行，水系統啟停會造成了部分廠用電損失。斷點1可單列油系統按鈕，此時僅啟動閉式水系統、潤滑油系統、盤車系統。機組準備啟動時，已完成的系統自動跳步，故僅啟動水系統。該優化方案可增加斷點使用率，同時避免了盤車期間，水系統設備的啟停。

3.2 鍋爐上水、汽機抽真空

鍋爐上水系統和汽機抽真空系統并列布置，滿足斷點2啟動條件可同時進行，節約了機組啟動時間。鍋爐上水APS依次啟動凝結水系統、啟動低壓汽包上水系統、啟動高壓/中壓汽包上水系統以具備燃機機組啟動前條件。汽機抽真空APS依次確認輔汽系統正常、啟動抽真空和建立軸封系統。

控制難點：鍋爐空管上水和上水系統的協調。機組首次啟動時，汽包水位測量裝置的參比水位柱無注水回路，汽包水位的測量及監控設備的沖洗、校正及投運需要人工介入。建議后期增加注水回路，以提高汽包水位測量的準確性。

機組正常啟動時，汽包水位測量正常，自動判斷鍋爐水側管道是否注水完成。未注水，APS自動完成鍋爐管道注水程序，開水側疏水放空閥。管道逐級注水完成后，確認注水完成按鈕，自動關閉疏水放空閥。管道已注水，疏水放空閥保持原先位置。

當汽包上下壁有溫差時，將在汽包金屬內產生附加熱應力，可能使汽包發生彎曲變形、裂紋，縮短使用壽命。故鍋爐上水時，需要嚴格控制汽包上水速率。根據鍋爐說明書要求，汽包最大上水速率見表2。汽包上水由給水旁路調節閥開環控制，自動匹配最佳上水速率。給水主路調節閥閉鎖關，但允許運行人員手動介入。

當鍋爐汽包上水時，鍋爐上水流量大于凝汽器補水流量，易導致凝汽器水位較低，影響凝結水系統的穩定。當鍋爐主給水調閥突然打開時，鍋爐上水流量徒增，易導致凝結水壓力偏低聯啟凝結水備用泵。

鍋爐汽包大量補水時，須運行人員提前啟動除鹽水泵以保證除鹽水壓力，并提高凝汽器水位設定值。鍋爐汽包上水時，APS自動調高凝結水泵變頻器設定值以滿足汽包基本上水速率；碰到特殊工況致使凝汽器水位不足或凝結水母管壓力低時，APS系統自動降低汽包上水速率并閉鎖開給水旁路調閥。

機組啟動初期或末期，存在無凝結水用戶時，凝結水系統可具備獨立自循環功能。凝結水自循環控制參數：凝結水母管壓力為1.5MPa；凝結水再循環量為200t/h。

優化策略：一是凝結水泵組設計為一拖二變頻器。變頻旁路柜設計KM11/12/13/21/22/23斷路器和QS11/12/21/22隔刀，目前系統可根據運行操作自動識別凝結水泵工頻/變頻狀態。可優化為通過運行人員預選啟動泵，自動合分斷路器，匹配預選泵在變頻位，備用泵在工頻位。

二是汽包水位正常判斷，建議由固定值修改為變動值，以適應不同工況下的最佳汽包上水水位，以提高APS使用率。當給水調閥在自動時，汽包水位正常判斷值為自動設定值±50mm；當給水調閥在手動時，依舊采用原固定值。

三是機組晚上停機，鍋爐保壓運行，早上機組啟動時，中/低壓省煤器存在局部汽化現象。APS鍋爐上水時，給水電動閥開5s、中停60s可緩解省煤器局部汽化現象。

3.3 機組啟動和停止

機組APS啟動后約30min燃機啟動至額定轉速；燃機并網帶10MW初負荷；機組升負荷至溫控模式（鍋爐升溫升壓至汽機沖轉參數（高壓主蒸汽：8MPa，汽機推薦溫度）；汽機沖轉后：高壓過熱器減溫水調閥控制汽機最佳進汽溫度，旁路系統自動控制最佳進汽壓力）；燃機IGV閥打開時（約150MW），機組退出溫控模式；繼續升負荷至200MW。

機組APS停止后機組降負荷至燃機IGV關閉（約185MW）；機組進入溫控模式（維持汽機進汽壓力和溫度的穩定）；汽機跳閘后，繼續將負荷至8MW；燃機程停。

3.4 燃機與汽機協調控制

自動完成主機DCS和燃機TCS之間的請求確認（自動投入燃機DCS模式，燃機協調模式，煙氣控制模式，旁路ASA模式并在自動等），減少運行操作量。設置機組啟/停按鈕，無縫銜接燃機負荷控制和溫控模式。

通過燃機溫控模式，協調燃機和汽機的啟動過程。溫控模式下燃機溫度輸出值根據鍋爐、汽機等需求溫度限速限幅后送至燃機。機組啟動時，溫控模式下逐步升負荷完成暖爐至汽機沖轉條件。機組停止時，溫控模式下逐步降負荷，保證汽機主蒸汽溫度的穩定至汽機解列。

汽機啟動過程中，鍋爐高壓過熱減溫水調閥調節高壓主蒸汽溫度，其設定值取自修正后的汽機側推薦主蒸汽溫度值，自動匹配最佳的啟動參數。機組APS啟動和停機曲線如圖1和圖2所示。

圖1 機組APS啟動曲線

圖2 機組APS停止曲線

4 結論

本文以某電廠擴建工程安薩爾多AE94.3A型9F級改進型燃氣-蒸汽聯合循環機組為研究對象，設計了機組“一鍵啟停”系統，其具有APS功能組控制級可獨立運行，并兼顧運行操作習慣；備用按鈕能自動投入；調節閥能自動調節等優點。同時，機組的控制級斷點易靈活變通，可適應機組的各種復雜工況，顯著提高了APS的實用性和使用率，有效滿足了機組的快速啟停要求。