西門子9F聯合循環機組自啟停功能的應用

馮偶根，張建江，曹 陽

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

0 引言

隨著DCS控制系統的不斷發展及應用水平的不斷提高，發電廠對自動化程度的要求也與日俱增，機組自動啟停控制系統 （Automatic Plant Start-up and Shutdown System，簡稱APS）對電廠乃至電網的現代化建設具有重要的意義。天然氣發電機組的調峰作用要求機組應具備快速的響應能力，APS可以最大程度縮短機組的啟停時間，及時響應電網負荷調度。在設備可用的情況下，APS能實現機組的快速啟停。

蕭山發電廠天然氣發電工程配置2臺天然氣發電機組，每臺機組由1臺燃機、1臺余熱鍋爐、1臺汽輪機和1臺公用發電機組成。燃機為西門子V94.3A機型，帶環型燃燒室，透平進口溫度為1 230℃。余熱鍋爐是三壓再熱臥式自然循環鍋爐，配置2臺100%容量的電動液耦可調給水泵。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（TCS）采用西門子TELEPERM XP自動控制系統，整個TCS由燃機控制系統、汽機控制系統、發電機控制及電氣部分組成。

1 APS系統構成

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

依據西門子400 MW 9F聯合循環發電機組的運行方式，在不多于2個斷點的情況下，實現全部輔助設備及主機的一鍵啟停功能。APS系統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調功能級。APS系統構成如圖1所示。

圖1 聯合循環APS結構

子組功能級是APS的基礎，其主要任務為管理輔助系統的啟停，控制對象為輔助系統的具體設備或子環。系統間互相獨立，可由運行人員手動激活執行輔助系統的單獨運行或停運。子組功能級只負責系統的啟停，設備的條件閉鎖、聯鎖及保護功能由設備控制級完成。1個系統的子組功能可由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。

機組協調功能級是更高級別的控制層，負責機組的協調啟停，是APS的核心部分，控制對象為子組功能級和子組協調自動，按照預選的模式逐一執行各分系統的操作。機組級功能不同于子組級的是前者將監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。通過機組協調功能級的執行可實現輔助系統、余熱鍋爐、燃機及汽機的啟停。

2 APS啟動過程

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

APS系統將依次啟動燃機罩殼系統、循環水系統、閉式水系統、凝結水系統、開式水系統、輔助蒸汽系統、主機疏水系統、潤滑油系統、控制油系統、真空及軸封系統、凝結水預加熱系統、給水系統、旁路除氧系統、汽機啟動子組及高、中、低壓鍋爐系統，完成上述啟動且當高、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。在預設時間內如果模式沒有切換，啟動程序就此結束。

燃機點火準備模式是在完成鍋爐上水步驟后將繼續執行高低壓蒸汽系統、風煙系統、機組協調控制回路、爐側疏水系統的啟動。在燃機點火條件滿足之前，程序將維持等待狀態。聯合循環啟動模式將在燃機點火準備模式執行的基礎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執行直到完成所有步序。期間燃機將完成點火準備、點火、升速、并網及加載等步序，汽機完成暖機、升速、并網、旁路協同關閉等步序。旁路關閉后機組協調控制將切換為單元控制模式。

3 APS停機過程

APS停機過程可以實現從額定負荷到設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，當燃機IGV（可轉進口導葉）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、與發電機脫開，轉速開始下降。當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。

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

停機過程有不保留凝結水停機和保留凝結水停機2種模式供選擇。不保留凝結水停機模式用于長時間停機，包含減負荷、滑參數、汽機停機、燃機停機、停輔助系統、破壞真空、停軸封，最終所有設備停運。保留凝結水的停機模式用于暫時性停機，保留凝結水系統、真空及軸封系統、油系統運行，其余設備停運，等待聯合循環再次投運，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定，即USP模式，當蒸汽壓力大于旁路壓力設定值時，旁路閥將自動打開，泄走多余蒸汽，直到燃機停機熄火，壓力設定值達到最小壓力設定，旁路閥關閉。

4 全過程汽溫、汽壓及燃機排氣溫度的自動匹配與控制

在聯合循環機組啟停過程中，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，其設定值均由控制系統按照汽機當前缸溫水平由西門子提供的經驗公式獲得，該回路能依據實際缸溫及汽門溫度計算出機組所需的汽溫值。當汽機開始暖機或者沖轉后，缸溫逐漸上升 （暖缸過程受一系列標準制約），汽溫也相應升高，直至將汽溫提升至額定值。汽溫設定值模塊具有外部設定和內部設定2種模式，外部設定模式由汽溫自動計算回路決定，內部設定模式為手動給定。

蒸汽壓力設定值由壓力設定回路給定，根據當前負荷（即實際蒸發量）分別生成高、中、低壓蒸汽壓力設定值，壓力設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節（ASA）及單元壓力設定（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，高壓旁路壓力設定值跟蹤高壓協調壓力設定值，并在其上疊加1個偏差△P1，使得旁路壓力調節高于汽機壓力調節設定，保證汽機調門順利打開。

協調模式投入前，溫度控制只接受燃機控制器溫度設定。協調模式投入后，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，所有過程全部自動完成，不需要人工干預。其控制對象包括高壓旁路給水調節閥、高壓主給水調節閥、給水泵液耦勺管、中低壓給水調節閥和高中低壓汽包連續排污控制閥。

工程采用了高中壓給水合用1臺給水泵的設計，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，節約了工程投資，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，使得系統耦合度較高，高中壓系統互相影響。全程自動給水技術包含了順序控制和閉環控制，經過整套啟動階段的優化調整，可以實現多種工況下啟動的全程自動給水，無論是熱態、溫態、冷態，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。

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

給水調節閥有2種控制方式，即單沖量控制和三沖量控制。當高壓主汽流量小于25%時，控制回路為單沖量方式；當流量大于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擾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門開度的變化，進而引起電泵液耦勺管位置發生變化，導致中壓系統給水壓力的波動，給水流量也將發生變化，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，確保調節閥的調節作用，設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，在子環投入且2臺電泵液耦都投自動的情況下，停運電泵液耦將帶死區跟蹤運行泵勺管開度。帶死區是為了避免備用泵勺管頻繁動作而產生不必要的磨損。當發生運行泵跳閘時，備用泵能快速啟動并參與給水，將有效防止電泵跳閘導致鍋爐斷水，有助于機組的穩定運行。

6 結語

西門子9F聯合循環機組APS系統自投入運行以來，取得了良好的效果，在保證設備安全運行的同時，大大縮短了機組啟停時間，較好地體現了聯合循環機組快速負荷響應的特點，提高了生產效率。同時能按照機組啟動曲線優化相關參數，確保機組運行的經濟性。

[1]林文孚，胡燕．單元機組自動控制技術[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燃機中的應用[J].浙江電力，2009，28（2）：35-38.