聯合循環機組自啟停控制系統應用與研究

孫海翠，溫榮斌

(1. 華東電力設計院有限公司，上海 200063；2. 西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054)

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聯合循環機組自啟停控制系統應用與研究

孫海翠1，溫榮斌2

(1. 華東電力設計院有限公司，上海 200063；2. 西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054)

文中論述江蘇華電通州2×200 MW級燃機熱電聯產工程自啟停控制系統(APS)設計方案，APS系統提高了機組啟停的正確性和規范性，大大減輕運行人員的工作強度，縮短機組啟停時間，從整體上提高機組的自動化水平，提高機組啟停過程的安全性、經濟性和可靠性。針對工程實施過程中的要點做了重點論述，為該領域相關實踐及研究提供借鑒。

聯合循環機組；APS；控制系統

隨著發電機組容量增大、參數提高、設備增多，各子系統聯系更加緊密，運行工況更加多變，使機組運行風險及運行員的操作難度加大。尤其是在機組啟停階段，運行員需要操作監視大量設備、監視大量參數。為確保機組安全穩定、提高自動化水平、減輕運行員的工作強度，在DCS系統之上，設計了機組自啟停控制系統(APS)。特別對于聯合循環機組具有啟停快速、效率高、環境污染少等特點，其作為調峰機組設置一鍵啟停功能更顯效果。本文以江蘇華電通州2×200 MW級燃機熱電聯產工程APS設計應用實例論述其實現的原則以及具體方案設計等[1-3]。

1 工程概況

江蘇華電通州2×200 MW級燃機熱電聯產工程位于南通市南通高新技術產業開發區，為“一拖一”、雙軸聯合循環機組。1臺余熱鍋爐與1臺燃氣輪發電機組，1臺蒸汽輪發電機組組成一套雙軸聯合循環供熱機組，本工程共安裝2套。每臺機組設置1套100%容量的高壓、低壓旁路裝置，高壓旁路經減溫減壓后和低壓旁路排出的蒸汽均直接排入凝汽器。余熱鍋爐直接接受燃氣輪機排氣，中間不設旁路煙道。工藝系統流程框圖見圖1。

燃氣輪機為西門子公司提供的SGT5-2000E型燃氣輪機。燃氣輪機發電機由上海電氣配套提供QF-180-2型發電機，額定功率為180 MW。余熱鍋爐為華西能源工業股份有限公司提供的雙壓、無再熱、無補燃、臥式室外布置自然循環鍋爐。蒸汽輪機為上海汽輪機廠提供的B166型號，次高壓、單缸、雙壓、單軸供熱抽汽凝汽式機組。汽輪發電機為上海汽輪機廠提供的QF-100-2發電機，額定功率為100 MW。

2 控制系統方案

本工程控制系統由燃機控制系統、汽機控制系統、機組控制系統組成，控制系統一體化設計，全部采用西門子公司的SPPA-T3000系統。控制系統網絡設置為：每套聯合循環機組設1套DCS，2套機組設1個公用DCS網絡。公用DCS網絡與2套聯合循環機組DCS網絡通過網橋相連，公用系統的監控在單元機組操作員站上完成。

圖1 工藝系統流程框圖

3 APS設計原則

3.1 APS結構設計

為了使得APS系統相互協同，合理的APS結構設計尤為重要。本工程的APS設計采用分層設計、層層嵌套的架構方式，APS結構主要分為5級，即：APS級主順控、斷點級順控、系統級順控、設備級順控子組、設備級。

3.2 APS設計范圍

并非所有的設備必須納入APS控制，理論上在機組啟停過程中所涉及到的設備及操作均可進入APS系統控制，但在設計過程中應將自動聯鎖與APS程序結合起來，盡量使APS程序功能齊全、邏輯清晰、結構簡潔、便于維護。

本工程APS涵蓋的系統有：循環水系統、開式水系統、閉式水系統、凝結水系統、潤滑油系統、軸封輔汽系統、真空系統、HRSG的低壓給水系統、高壓給水系統、主蒸汽及疏水系統、旁路系統等。

3.3 全程APS方案

為了實現全程范圍的APS方案，機組全范圍落實控制邏輯的銜接與接口，不僅包括順序控制，還包括大量的模擬量控制，因此在APS方案中對模擬量調節回路進行逐步細化，落實到位，以確保APS全程無縫運行。

4 聯合循環機組APS實現方案

4.1 聯合循環機組啟動方式

聯合循環機組通常有冷態、溫態、熱態3種啟動方式。3種啟動方式在主蒸汽壓力溫度要求、汽機沖轉及汽機并網的過程描述如下。

冷態啟動時，主蒸汽參數：壓力約為2.5 MPa，溫度約為300 ℃。當主蒸汽的參數滿足條件后，由APS給DEH系統發出汽輪機啟動指令，此時DEH控制系統逐漸打開主蒸汽調節閥，并逐步關閉高壓旁路閥開始沖轉，以120 r/min的速率將汽輪機升速到600 r/min，保持汽輪機在轉速600 r/min之下運轉5 min進行暖機，之后再以240 r/min的速率將汽輪機轉速升至3 000 r/min，在此轉速下空轉5 min。之后由APS給同期裝置發出“汽機并網”指令。

溫態啟動時，主蒸汽參數：壓力約為3.5 MPa，溫度約為380 ℃，同時主蒸汽溫度應高于高壓內缸內壁金屬溫度50～100 ℃。當主蒸汽的參數滿足條件后，由APS給DEH系統發出汽輪機啟動指令，此時DEH控制系統逐漸打開主蒸汽調節閥，并逐步關閉高壓旁路閥開始沖轉，600 r/min的速率將汽輪機轉速升至3 000 r/min，汽輪機達到額定轉速后，由APS給同期裝置發出“汽機并網”指令。

熱態啟動時，主蒸汽參數：壓力約為4.5 MPa，溫度約為420 ℃，同時主蒸汽溫度應高于高壓內缸內壁金屬溫度50～100 ℃。汽輪機沖轉、并網過程和溫態啟動過程相同。

機組啟動時，雖然劃分為冷態、溫態、熱態啟動，但大部分系統在啟動過程中與啟動狀態無關，如：循環水系統、開式水系統、閉式水系統、凝結水系統、真空系統、軸封系統、高壓汽包上水系統、低壓汽包上水系統等，這些系統不論在哪種啟動方式下，APS方案是相同的。與啟動狀態有關聯的系統有：高壓蒸汽升溫升壓、低壓蒸汽升溫升壓、旁路系統、DEH系統等，這些系統中的某些設備在啟動過程中需要根據不同的啟動狀態，發出不同的指令、設定值及參數等。如果分別設計冷態、溫態、熱態3種獨立啟動方案的話，程序將變得冗余復雜，所以本項目設計一套適用于所有啟動狀態的APS方案，從而簡化程序。

4.2 聯合循環機組APS啟動實現方案

APS啟動邏輯設計在斷點級設置5步，分別為系統準備斷點、鍋爐上水斷點、啟動燃機及升溫升壓斷點、啟動汽機及并網斷點和升負荷斷點。

系統準備斷點完成鍋爐上水前的系統準備，包括建立循環水循環、冷卻水系統啟動并準備完畢、汽機油系統的建立，此部分工作使得機組設備的啟動滿足先決條件。系統準備斷點執行條件包括：燃機已停止，確認設備預選完成，系統準備斷點未完成，空壓機系統正常。系統準備斷點完成反饋狀態包括：循環水系統正常，開式水系統正常，閉式水系統正常，空壓機系統正常，汽機潤滑油系統正常，盤車已投入，EH油系統正常。

鍋爐上水部分啟動循環機組的水循環，建立爐水流動并符合啟動要求，同時煙系統開啟。鍋爐上水斷點執行條件包括：燃機已停止，系統準備斷點完成，鍋爐上水斷點未完成。鍋爐上水斷點完成反饋狀態包括：凝結水系統正常，低壓汽包上水完成，高壓汽包上水完成，煙囪擋板已開。

燃機啟動、并網、升負荷由燃機控制系統TCS完成，TCS與機組DCS通過順序控制聯絡信號進行信息交互，完成燃機相關啟動等工作。其中啟動燃機步序反饋狀態信息包括：燃機已啟動、燃機火焰正常、燃機轉速>2 950 r/min。燃機并網需要由運行人員確認。

升溫升壓部分完成機組熱力系統汽循環滿足條件。其執行條件包括：系統準備斷點完成、鍋爐上水斷點完成、啟動燃機順控完成。高低壓主蒸汽升溫升壓完成反饋狀態包括：高壓主蒸汽溫度>300 ℃、高壓主蒸汽壓力>2 MPa，低壓主蒸汽溫度>220 ℃，低壓主蒸汽壓力>0.3 MPa。蒸汽參數滿足上述要求后，順次啟動輔助蒸汽系統、軸封系統、抽真空系統。升溫升壓斷點完成的反饋狀態包括：輔助蒸汽系統正常，軸封系統正常，抽真空系統正常，高低壓主蒸汽升溫升壓完成。

汽機啟動及并網由汽輪機控制系統(DEH) 完成，DEH與機組DCS通過順序控制聯絡信號進行信息交互，完成汽機相關啟動等工作。其執行條件包括：啟動燃機及升溫升壓斷點完成，汽機沖轉確認(由運行人員確認)。當汽機啟動，汽機轉速>2 990 r/min，汽機并網條件允許，由運行人員確認汽機并網。

升負荷部分根據機組負荷控制回路進行負荷控制。本工程負荷控制將機組作為一個整體來考慮，中調所給的AGC負荷指令為聯合循環機組的總負荷指令， DCS系統在接收到RTU的總負荷指令后，由DCS內部邏輯進行運算得出燃機的最終負荷指令。APS啟動實現方案如圖2所示。

圖2 APS啟動實現方案

4.3 聯合循環機組APS停機實現方案

APS停機邏輯設計在斷點級設置4步，分別為燃機降負荷斷點、停止汽機及燃機斷點、停止汽機真空軸封斷點和停止鍋爐輔機斷點。

燃機降負荷斷點執行條件為燃機負荷>30%。程序為燃機降負荷斷點首先退出CCS控制方式，燃機降負荷指令發送至燃機控制系統TCS，由燃機控制系統TCS完成燃機降負荷至低于32%。

停止汽機及燃機斷點執行條件為燃機負荷<32%，延時10 s，汽機未跳閘。依次停止汽機及燃機斷點執行關汽輪機抽汽調閥(指令送至DEH)，低壓旁路切至退汽模式；汽輪機低壓疏水閥組投入聯鎖；汽輪機高壓疏水閥組投入聯鎖。其次關汽輪機補汽調閥(指令送至DEH)，然后高壓旁路切至退汽模式。執行完畢后指令送至DEH，由DEH停止汽輪機。當接收汽機已跳閘且汽機機組發變組220 kV斷路器已分閘反饋時，指令發送至燃機控制系統TCS，由TCS執行停止燃機。停止汽機及燃機斷點完成的反饋狀態包括：燃機已停止，汽機已跳閘，燃機機組發變組220 kV斷路器已分閘，汽機機組發變組220 kV斷路器已分閘。

停真空軸封系統斷點的執行條件為汽機已跳閘。依次開真空系統真空破壞閥，停止所有真空泵，停止輔汽系統，停止軸封系統。停真空軸封系統斷點的反饋狀態包括：真空破壞閥已開，真空泵全停，輔助蒸汽母管至汽機軸封供氣氣動調節閥至0%，輔助蒸汽母管至汽機軸封供氣氣動調節閥前電動門全關，輔助汽源至汽機軸封氣動調節閥至0%，輔助汽源至汽機軸封旁路電動閥全關，軸封蒸汽減溫水氣動調節閥至0%，軸封風機全停。

停止鍋爐輔機斷點的執行條件為汽機已跳閘。停止高壓給水系統執行步序為：①高壓汽包上水至100 mm，完成反饋高壓汽包水位>80 mm；②高壓給水泵退出備用，高壓給水調節閥切至手動；③停止所有高壓給水泵；④關高壓給水電動閥。停止高壓給水系統的反饋狀態包括：高壓給水泵全停，高壓給水電動閥已關，高壓汽包水位>80 mm。

停止低壓給水系統執行步序與停止高壓給水系統執行步序相似并簡化。①低壓汽包上水至100 mm，停止所有低壓再循環泵；完成反饋：低壓汽包水位>80 mm，低壓再循環泵全停。②關低壓給水電動閥；低壓主給水氣動調節閥切至手動。停止低壓給水系統的反饋狀態包括：低壓再循環泵全停，低壓給水電動閥全關，低壓汽包水位>80 mm。APS停機實現方案如圖3所示。

圖3 APS停機實現方案

5 APS實現要點

a.模擬量調節回路的全程控制。主要包括高壓汽包水位全程控制、低壓汽包水位全程控制、高壓旁路全程控制、低壓旁路全程控制、給水壓力全程控制、負荷控制、高壓蒸汽溫度控制等。為實現APS系統有機協調調用，協同、協作，環環相扣，層層嵌套，與APS 相關的模擬量控制回路必須符合APS設計要求，其中需要優化其控制接口，控制定值以及切入條件，并且充分考慮控制策略的全程適用性。

b.優化工藝系統。APS的實現不僅需要從控制角度完善、優化其控制邏輯，也需要從工藝角度提高系統的控制水平。本工程在實施過程中針對閥門控制方式做了許多優化，包括新增和修改部分手動閥門為自動控制方式。

c.方案策劃及順序控制系統間的協調配合。APS方案策劃包括APS框架設計、范圍設計、上級對下級調用、系統間調用等。需要不斷查漏補缺、完善優化系統間的協調調用是否合理、完備。

6 結束語

機組自啟停控制系統APS是實現機組啟動和停止過程自動化的系統，其優勢在于可以提高機組啟停的正確性和規范性，大大減輕運行人員的工作強度，縮短機組啟停時間，從整體上提高機組的自動化水平，提高機組啟停過程的安全性、經濟性和可靠性。

[1] 石忠杰，馬歆煒．622 MW亞臨界機組自啟停控制系統功能設計[J]．上海電氣技術，2013，6(3): 1-4．[2] 徐振華，徐麗梅．自動啟停控制系統(APS)在聯合循環電廠中的應用[J]．吉林電力，2015，43(3):41-43．

[3] 王燕晉，張偉東． 燃氣—蒸汽聯合循環機組自啟停控制系統設計及調試[J]． 華北電力技術，2013，43(7):38-40．

Application and Research of the APS for Gas-steam Combined Cycle Unit

SUN Haicui1，WEN Rongbin2

(1.East China Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200063，China;2 . Xi’an Thermal Power Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an，Shaanxi 710054，China)

The scheme of automatic procedure start-up/shut-down system(APS)in the 2×200 MW cogeneration project in Jiangsu Huadian Tongzhou power plant，which can improve the accuracy and normativity of starting-up and shutting-down control.To reduce the working intensity of the operators and to shorten the starting-up and shutting-down time in order to improve the automatic level，safety，efficiency and reliability of the unit.

gas-steam combined cycle unit；APS；control system

TM611.31

A

1004-7913(2017)04-0035-04

孫海翠(1982)，女，碩士，高級工程師，主要從事發電廠熱控與信息設計研究。

2016-12-29)