M701F4改進型多軸燃氣蒸汽聯合循環機組一鍵自啟停技術的研究

重慶天泰熱力有限公司 鄭鵬成

通過燃氣與蒸汽實施聯合發電的新型技術，具有投入成本低、基建時間短以及熱效率較高等優點，目前在國內已經得到推廣運用，但運行機組的自動啟停控制方面還存在一些不足，本文主要介紹其優化設計方向。

本廠安裝了一套“一拖一”形式、多軸布置的M701F4規格燃氣與蒸汽聯合循環機組，其中機島設備的燃氣輪機規格為M701F4改進型，為雙缸、三壓、能夠進行抽凝和抽氣調節的類型，而余熱鍋爐作為核心設備采用了菱日鍋爐的先進技術設備，其整體為臥式、再熱、自然循環以及無補燃形式，具有高效節能且密封性良好的優點，相關燃機在不同工況下的運行參數如表1所示。

表1 本廠燃機設備不同工況下的運行參數

機組的相關輔助設備包括凝結水泵、給水泵以及閉合式冷卻水泵，其設計時按照使用和備用分別一臺原則，其容量標準皆為100%，給水泵分為高壓與中壓形式，均使用的變頻器在布置時基于“一拖一”原理，蒸汽機旁路部分容量皆設計為100%標準，可以在機組運行達到峰值參數時使自啟停調節的速度更快[1]。

1 一鍵自啟停控制系統（APS）的基本架構和邏輯設計

本廠為實現聯合循環機組的有效控制，燃機控制部分使用了三菱公司分散控制系統，其規格為DIASYS Netmation；單元機組和公用系統控制采用一套浙大中控的ECS-700P 的DCS 系統，分為#1機組DCS、公用系統DCS 等2個控制網絡，可以統一集中控制機組的蒸汽機、燃機、公用裝置以及余熱鍋爐等多個部分，在通訊方面采用了OPC 與MODBUS 等形式，可以對全廠的電力運行實施監測，保證啟停功能的分散控制。APS 系統能夠在各項設備不發生故障的情況下快速“一鍵啟停”，使得機組的運行反應時間進一步被縮短，能夠更快發出有關電網符合調度的操控信號，自動控制還能避免人工操作出現錯誤的可能，促進機組運行安全系數的提升。

APS 系統本身的控制原理較為先進，能夠充分結合機組本身運行的狀態，遵循程序完成控制，確保各設備對任務的自動執行，針對運行方面，其也會提前設計好控制曲線以及相關數據，確保機組運行達到最優狀態。自動啟停控制的系統可以圍繞兩項控制要求細分架構，分別實現協調控制功能，子機組的功能等級較高。比方說在設備啟動或停機操作時，由主機組發出協調信號，隨后子機組則進行閉環控制以及設備級控制。機組協調時會進行功能預選，再導入對應的程序管理機制，監測設備會實時獲取汽輪機的溫度水平，之后基于已有的公式自動計算確定控制溫度參數、壓力參數以及功率參數等，再進一步調節溫度、升高壓力以及進行負荷限值確認。

比方說汽輪機絕對蒸汽壓力調控時，會基于下述公式進行計算：P=P0（t/T）k，其中：t表示監測獲取的進口蒸汽溫度值，其單位為℃；T表示的是常規溫度，通常取273.15k；P0的標準大氣壓值一般取101.325kPa；k則是經驗系數，取值1.25。子組的相關啟停控制功能主要針對輔助運行系統，其設計對應子環，同樣基于APS 控制原理，但各個子系統都具有獨立性質，運行管理人員可以單獨進行啟停操作，相關設備的控制還可設計聯鎖、保護以及閉鎖等條件。

2 機組自啟停控制的啟動斷點設計與停機過程設計

本廠基于燃氣與蒸汽聯合循環機組具體生產的操控運行要求和人員行為習慣，開展了一鍵自啟停過程的跳轉控制、斷點形式以及旁路等設計，使控制程序更加穩定、靈活，對于冷態、熱態以及常溫臺機組工況啟動和停機要求充分滿足。

2.1 啟動斷點相關設計

多軸燃氣蒸汽聯合循環機組在進行自動控制啟動時，共包含了以下幾項步驟：輔助系統核心設備的啟動，將閉冷水循環系統、汽輪機油控制系統、潤滑系統、開式水以及凝結水控制系統全面啟動；對鍋爐裝置進行上水，凝結水裝置啟動后會自動調節預加熱，之后自動啟動低壓系統實現疏水和上水操作，再自動啟動中壓系統與高壓系統完成同樣的鍋爐上水步驟；對于自動啟動燃氣輪機的操作要先完成幾項條件要求，如控制打開煙囪位置的擋板，對內部真空系統進行啟動，后者在溫態或熱態工況時可以跳過操作。

順控燃氣輪機裝置的自動啟動主要結合相關設計的步驟，在自動啟動時先開展清吹，之后點火，最后則進行升速，運行轉速的標準為每分鐘3000r；進行真空系統啟動并投用相關軸封，在燃氣輪機正式點火之后，低壓、中壓及高壓系統會對壓力、溫度進行調高，同時開展暖管操作，在自動啟停的要求下，確保主要蒸汽機部分條件滿足投用軸封的需求，在真空系統自動開啟時如果機組為冷態工況，則可以直接跳過該環節；達到汽輪機沖轉的要求，從旁路啟動著手，在并網條件下通過低壓、中壓以及高壓系統調高壓力、升高溫度，以確保汽輪機的穩定沖轉；進行自動調高負荷，結合外部控制的要求對負荷投入，在逐漸將機組負荷升高到基礎標準即可[2]。

在多軸燃氣蒸汽聯合循環機組的自動啟停操作中可以發現，其實施啟動或停機控制時都要對各類工況進行考慮，其實際要求存在差異，因而需要在APS 系統科學設置“斷點”及“旁路”。本廠機組運行的APS 系統斷點數量為5個：首個斷點在完成鍋爐裝置上水操作后，由運行管理人員接收調度信號，之后對機組進行“一鍵啟動”；當燃氣輪機達到穩定啟動的要求后可以設置斷點，安排專業人員人工檢查判斷燃氣輪機條件，再進行自動啟動；鍋爐裝置的壓力與溫度達到投用軸封的標準值，同時燃氣輪機轉速達到每分鐘3000r 后設置斷點，讓專業人員對真空系統進行檢查確認，再順利進行軸封投入；在燃氣輪機帶負荷并網運行階段，確認鍋爐壓力、溫度參數達到沖轉要求后設置斷點，安排人員對汽輪機狀態進行確認并實施啟動；在聯合循環運行機組增加負荷到充滿狀態時設置斷點，等待其運行穩定。

“旁路”主要設計三部分系統：一是機組處于冷態工況時的自動開啟控制旁路，在燃氣輪機進行真空系統投用前進行，若為其他工況則啟動時可以直接跳過；二是機組處于熱態或穩態工況時自動開啟控制旁路，在汽輪機投用軸封之后進行，等待真空系統的進一步投入，若為冷態則可忽視；三是機組處于冷態工況且并網低負壓時自動開啟控制旁路，進行暖機操作，若其他工況則可以跳過。值得注意的一點是，在調試APS 系統的各項功能時，本廠的鍋爐系統自啟動功能尚存在不足，因此啟動燃氣輪機裝置后，機組會處于空載且全速運行的狀態當中，之后會通過高壓系統的蒸汽作用逐步提高壓力值、溫度值，為后續軸封控制奠定基礎，因而這時的汽輪機旁路在啟動設計時會有所不同[3]。

2.2 停機過程具體設計

機組自動停機步驟包括：降低負荷至IGV 小于0%；啟動汽輪機和鍋爐裝置旁路控制，疏水系統也納入控制；順序“一鍵停機”，解列惰走、順控燃氣輪機直至熄火；停用鍋爐、中壓和高壓系統，隨后低壓系統和凝水預加熱裝置；輔助系統停機，包括軸封、真空系統，關閉煙囪擋板。

在汽輪機停機控制，解除排氣壓力比控制裝置，隨后解除溫度控制裝置，負荷達設計標準，切除溫度裕度。斷開并網連接，投入轉速控制器，開啟疏水子機組。燃機停機需保無功負荷不超3MVar，有功不超2MW。發電機分閘關閉，停止勵磁系統和天然氣子機組，間隔時間停止余熱鍋爐。

整個停機自動操控的機制中，還會劃分為保留或不保留凝結水兩類停機模式，前者屬于短暫停運，會將主要設備停機，但凝結水系統、軸封系統以及真空系統等還會在停機時正常運轉，優點是可以在下次啟動時縮短反應時間，在長時間停機的需求下會采用不保留凝結水的自動停機操作模式，其會完成各種停機任務，包括真空系統的停運破壞、軸封停運以及降低負荷等[4]。

3 一鍵自啟停控制系統（APS）的優化改進方向

本廠因為實施基建的周期較短且實際建設工作量巨大，故而在以往設計搭建多軸燃氣蒸汽聯合循環機組一鍵自啟停控制系統時存在不足，通過調試發現了各類問題，導致機組運轉的穩定性欠佳，因此本次研究提出了以下幾種優化改進的做法。

3.1 汽輪機疏水系統的優化調整

在自動啟停汽輪機疏水系統時，可以針對實際觸發條件進行修正，設置為未進行燃機壓力與溫度升高條件的斷點操作時進行順控第二步驟的啟動。確保汽機實現送汽操作前能切實排出機組內的所有積水，以防止后續供汽運行時管道出現強烈振動問題，促進汽機的安全運行，同時為了進一步節約運行成本，也可對疏水門的啟閉間隔時間進行縮短[5]。

3.2 針對汽輪機預暖溫度不達標實施改進

預暖參數偏低，機組預暖效果不佳。針對分軸聯合循環機組，為提高機組的冷態啟動速度，設計要求預暖蒸汽為300～360℃，而配套的啟動鍋爐輔助蒸汽最高240℃，對預暖存在一定的影響。沖轉前高壓外缸膨脹量9.3mm，和同類型機組相比明顯偏低。對于預暖階段做如下優化。

預暖初期（高壓外缸溫度約小于150℃）：維持通風閥關閉，按原預暖操作控制金屬溫升率，最終將預暖調節閥全開，提高缸內蒸汽壓力。由于機組預暖初期金屬溫度的提升主要取決于相變蒸汽的凝結放熱，提高缸內蒸汽壓力可提高飽和溫度，從而提高機組的暖機溫度。

預暖初期，維持通風閥關閉，按原操作控制金屬溫升率，最終將預暖調節閥全開，提高缸內蒸汽壓力。預暖中期，開啟通風閥，全開預暖調節閥，加大蒸汽流量，利用真空冷卻金屬。暖機轉速不超過600rpm。預暖后期，余熱鍋爐旁路循環，降低噴水開度，提高再熱冷段溫度。再熱冷段溫度高于輔助蒸汽約10℃后，切換至再熱冷段預暖高壓缸。預暖系統在并網前切除[6]。

4 結語

針對多軸規格的燃氣與蒸汽聯合循環生產的運行機組，為保證其運行效率得到提高，還需優化設計自動啟停的系統，切實實現“一鍵啟停”。由本文分析可知，機組APS 系統的優化改進方向包括：汽輪機疏水系統的優化調整；針對高壓、中壓以及低壓主汽升溫升壓實施改進。