370 MW汽轮机组和旁路全程自启动方案及应用

陆相东，董 林

(江苏利港电力有限公司，江苏 江阴 214444)

0 引言

利港电厂4号汽轮机为全进口亚临界反动式汽轮机，原设计中不配备旁路系统，引入时根据电厂要求配备了旁路系统，由于旁路系统逻辑不完善及阀门故障率高等问题，投产至今汽轮机冷、热态启动均采用高压缸冲转，旁路仅用于汽轮机冲转前提升主再汽温所用，而在中缸启动速度快、寿命损耗小及降噪节能等优越性上没有得到充分体现。本次4号机组DCS改造为实现整组APS(Automatic Power Plant Start Up And Shutdown)启动，电厂对旁路系统阀门解体大修，并对旁路逻辑完善、各子功能组搭建以及与DEH协调配合等方面进行研讨，实现机组启动中旁路全程自动控制及汽轮机ATC冲转，在启动方式优化和整机自动化水平提高方面具有一定意义。

1 设备简介

利港电厂4号汽轮机为美国WestingHouse公司制造的350 MW TC2F-38.6型亚临界一次中间再热单轴双排汽凝汽式汽轮机，高中压缸均采用合缸布置双层缸窄法兰结构形式;根据高压内缸内壁温度或中压缸第一隔板套温度，将汽轮机启动方式分为冷态、温态、热态、极热态4种。锅炉为英国BEL和武汉锅炉厂联合设计的WGZ1246/18.15-1型自然循环一次中间再热汽包炉。控制系统采用新华分散处理XDPS-400E控制系统;数字式电液调节DEH系统采用新华控制工程有限公司推出的DEH-V系统，由计算机控制部分和EH液压系统组成。旁路系统采用CCI公司的高低压两级串联旁路，高旁容量为40%BMCR，低旁容量为65%BMCR，高压旁路系统装置由高压蒸汽压力调节阀、高压温度调节阀、高压截止阀等组成;低压旁路系统装置由低压蒸汽压力调节阀、低压温度调节阀、低压截止阀等组成，高低压旁路调节阀均采用液动控制。4号机组旁路方式由高低旁截止阀位置状态分为BYPASS ON和BYPASS OFF两种，旁路方式一旦确定，DEH逻辑运算程序由此判断并执行汽轮机高压缸启动或中缸启动方式，也就确定了汽机挂闸后高中压缸汽门初始状态。

2 APS启动过程中旁路及汽机全程控制策略

2.1 旁路启动功能组设置

4号机组改造后，整组启动采用APS程序自动控制，机组自启停控制系统APS是机组自动启动和停运的信息控制中心，按规定好的程序发出各个设备/系统的启动或停运命令，由各子系统协调完成各项操作任务以实现机组自动启停。其中旁路控制系统 (BPC)和汽机全程自动 (ATC)是机组APS启动中两个重要系统，其控制关键点是开环逻辑控制和闭环自动调节回路正确可靠并能相互配合，方能保证APS启动过程中各断点及功能组按要求、按步骤完成以下工作:锅炉升温升压期间平稳控制汽机冲转参数至推荐值，汽机采用中缸冲转由盘车状态安全快速至额定转速，发电机组与电网并列后平稳完成高中压缸负荷切换、旁路退出等任务。为实现上述功能，APS依次设计有旁路暖管功能组、旁路投入功能组、高旁退出功能组、旁路退出功能组及ATC(Automatic Turbine Coutrol)汽机自动控制等功能组，以满足APS启动的要求。

2.2 点火初期旁路控制策略

锅炉点火初期由于炉侧空气门开启，现场启动中发现过早投运旁路，一定程度会影响凝器真空;而过晚投运旁路，又会使管路汽水相击强烈振动、延缓机组启动速度及噪声扰民等问题。为此在点火初期，APS程序上对旁路投运时机做了考虑，在锅炉起压前，APS发出指令按机组常规启动方式开启炉侧主蒸汽管向空排汽门以配合升温升压，此时旁路处于隔绝状态;当汽包压力＞0.2 MPa时，APS调用旁路暖管功能组，自动完成开启高低旁截止阀、将高低旁压力调节阀置位、设定高低旁温度调节阀定值并投自动等任务，实现旁路随炉暖管。APS将旁路投运时机选在汽包压力＞1 MPa进行，此时APS通过调用旁路投运功能组，完成投入高旁压力调节阀自动、低旁压力调节阀置位、关炉侧向空排汽门等任务。

2.3 锅炉升温升压过程旁路自动控制策略

(1)升温升压阶段，根据汽轮机冷态、温态、热态、极热态4种启动方式自动控制合适冲转参数是旁路系统重要任务，这样可以在汽轮机冲转期间将金属温差、差胀以及寿命损耗控制在允许范围之内，以确保汽轮机安全、经济、快速启动。当操作人员选择APS启动方式后，APS程序根据汽机第一级金属温度自动判断出机组启动状态和高旁压力最大滑压开度 (冷态:35%;温态:30%;热态:25%;极热态:20%)，并为之选择匹配的理想冲转参数以作燃料系统和旁路系统控制目标，在整个升温升压期间旁路系统更多体现闭环调节回路作用，随着锅炉燃料量增加，控制蒸汽参数按一定速率上升，直至达到目标冲转参数并稳定。

(2)旁路系统从开始投运到汽机冲转期间，压力控制采用定—滑—定方式。旁路投运功能组启动后，自动设定高旁压力定值为1MPa，随着锅炉燃料量的增加，高旁定压控制使得调节阀指令逐渐开大。冷态启动当压力调节阀指令开至35%限值时不再增加，此时高旁压力控制阀定开度，压力切换为滑压控制，压力设定值跟踪实际压力，当实际主汽压力大于汽机目标冲转压力时，旁路再次切换为定压控制，压力设定值为汽轮机目标冲转压力。低旁压力调节阀在升温升压初期由APS置位足够大开度，当再热汽温大于300℃时，程序触发低旁压力调节阀投自动信号，压力设定值按一定速率控制至0.5 MPa。锅炉升温升压阶段旁路全程自动控制如图1所示。

图1 锅炉升温升压阶段旁路自动控制主要参数Fig.1 Main parameters of boiler increased temperture and pressure stage by bypass automatic control

(3)升温升压过程中，安全、经济启动及控制冲转参数至需求值，是旁路系统自动控制的目标，期间旁路控制策略从锅炉金属安全性方面也做了相应的考虑及超弛保护。如旁路控制方案在升温升压期间，通过超弛信号防止锅炉温升超限等安全类问题，当锅炉汽包、屏过等金属温升率超安全上限时，APS发出指令调整燃料量，同时向旁路系统发出超驰指令以限制高旁压力调节阀开度，以使各金属温升下降至安全值以下。

(4)为适用汽机4种状态下压力自动控制，高旁压力阀投自动前首先进行压力判断，如投运初期主汽压力小于1 MPa，高旁压力控制阀投上自动定值为1 MPa;如大于1 MPa，压力定值则为当前值，此处设计主要是考虑未完全泄压机组启动时旁路自动控制。为防止燃料量变化或其他因素引起主汽压力下降，导致高旁压力调节调节回路不断作用使旁路全关，进而造成锅炉闷烧，旁路控制方案中设置高旁压力调节阀10%最小开度限制。

2.4 汽机冲转过程旁路控制策略

2.4.1 BYPASS ON方式下汽机冲转问题

冲转参数达到需求值时，APS中汽轮机冲转允许灯被点亮，由运行人员进行汽轮机冲转前状态选择，主要有带旁路中压缸冲转、不带旁路高缸冲转、以及是否采用ATC全程应力计算冲转，是否进行摩擦检查等选择。操作人员一旦选择完毕，只需启动APS冲转断点，就可将汽轮机由盘车状态冲转至额定转速并完成期间的所有操作任务。由于方式众多，目前汽轮机冷、温态启动推荐采用高缸启动，而热态、极热态启动采用中缸启动。选择了高缸启动，在冲转前APS程序完成开锅炉侧向空排汽门，旁路退出等任务。而选择了带旁路中压缸ATC冲转，旁路直至并网后才逐渐退出。采用中缸冲转可以提高中压转子进汽温度，加快启动速度，控制汽机差胀，降噪节能等优势，但有以下几个方面需要重点考虑。

(1)对于本机组而言，旁路选择BPASS 0N方式也就意味着DEH选用中压缸冲转，由于旁路投入时新蒸汽温度比不投旁路时相对要高，温热态汽轮机启动使用中压缸冲转有其优点，对于全冷态汽轮机来说，势必导致热应力增加，进一步增加汽轮机寿命损耗;另外使用中缸启动期间高压转子转动时鼓风作用所产生的热量不可忽视，高压排汽温度过高时，会使其叶片过热受损。为解决上述问题，对高压缸排汽与凝器之间装有高排通汽门 (VV阀)逻辑进行了优化，采用中缸进汽启动时，升速开始VV阀即开启，600 r/min后高缸开始进汽，随后高中压缸联合进汽控制汽机转速，从而避免中缸冲转高排温度过高问题。在如何面对冷态启动热应力问题上，电厂通过对同类型机组调研和咨询汽轮机制造厂，保留原高缸启动方式，并确定了中缸启动可行性。

(2)高压缸进汽以前，由于旁路系统投运再热蒸汽已有压力，如再热蒸汽压力过高，有可能造成高压缸流量过小而使得高排逆止门不能自动打开问题，这样就会造成高压缸因鼓风损失而严重发热。因此在高中压缸切换之前必须控制再热蒸汽压力不能太高，控制策略对汽机冲转后低旁压力控制方案和VV阀关闭时机上必须有所考虑，防止此类问题产生。

(3)中缸冲转全程是旁路和DEH相互配合、联手完成的任务，期间包括维持冲转压力、汽轮机高中压缸进汽方式切换等工作，安全上考虑存在旁路故障或其他原因导致突然退出，系统上将造成压力突升，工况扰动;另一方面旁路突然退出后，将导致旁路方式改变，而诱发中调门突开汽机超速等危险工况。在控制策略上应做以下考虑，如发生旁路突然退出，APS立即触发开启炉侧向空排汽门防止超压，同时在逻辑上考虑此种工况下不改变汽机进汽方式，从而避免由此引起的超速忧虑。

(4)机组并网后，控制策略上对旁路退出时机及速率上有所考虑，避免旁路退出时造成主汽压力波动、热应力增加、负荷及汽包水位异常波动等问题。

2.4.2 BYPASS ON方式下旁路及汽机控制过程

(1)APS冲转断点启动后，归根结底是调用汽机ATC自启动功能组，指挥协调旁路系统和DEH完成汽机冲转和并网后的各项操作任务。当DEH接收到中缸冲转启动指令后，APS自动判断当时机组状态，检查允许挂闸条件，若满足条件则自动发出挂闸指令，复位ETS系统，使AST电磁阀带电，VV阀和中压主汽门、高压调门自动全开，中压调门和高压主汽门关闭，由ATC程序自动产生转速目标值、根据热应力改变升速率及产生转速保持信号。

(2)0～600 r/min由IV控制，摩擦检查结束后，重新升速到600 r/min，2 min IV记忆开度后，切为高中压缸联合控制方式，由TV-IV联合控制转速至2 900 r/min，2 min IV记忆开度后进行TV/GV的切换，随后由GV-IV联合控制转速至3 000 r/min;转速在700 r/min以前再热器出口压力由低旁控制在0.5 MPa左右，700-2 900 r/min范围内，APS发出指令逐渐开大低旁控制阀，使得再热器压力缓慢从0.5 MPa降到0.2 MPa。

(3)在汽机冲转阶段，高旁采用定压方式，维持冲转压力，而低旁有一个降压过程，主要目的是保证2 900 r/min TV/GV切换成功和并网后高排逆止门顺利打开。若在此种方式下发生汽机跳闸，重新挂闸后，根据当时机组转速判断自动控制方式，在0～600 r/min之间挂闸时，进入中压缸启动方式;在600～2 900 r/min挂闸时，自动进入高中压联合启动方式，由TV-IV联合控制;在2 900 r/min以上不进行挂闸。当汽轮机达到同步转速时，ATC转速控制阶段到此结束，ATC方式自动切至监视状态。

2.5 并网后旁路控制策略

运行人员启动APS并网断点后，程序自动投入同期状态，DEH接收同期装置发来的增减信号进行汽轮机转速的调整，自动完成发电机并网操作，并网初始负荷由第一级金属温度失配值确定，一般自动带5%～25%负荷，随后DEH进入负荷控制方式，由CCS遥控控制机组负荷。在机组并网后，APS调用旁路退出功能组，完成下列任务:锅炉增加燃料、DEH增负荷指令促使中调门(IV)全开、按一定速率将高旁压力控制阀关闭、检查高排逆止门脱离关位且冷再压力低于0.5 MPa时自动联关VV阀、关闭高旁隔绝门、按一定速率关闭低旁压力控制阀及截止阀，旁路进入BYPASS OFF方式，完成汽机进汽方式转变和旁路退出功能。

3 投运效果

通过对旁路控制策略进行调试和优化，4号机组大修后首次全冷态启动采用APS全程自动控制，汽机采用中缸冲转由盘车状态安全快速至额定转速，发电机组与电网并列后平稳完成高中压缸负荷切换、旁路退出等任务。在升温升压阶段旁路系统和燃料系统控制汽压平稳上升，主再汽温升率不超限，冲转参数符合要求;冲转过程中，汽机转速700 r/min后平缓将再热器压力由0.5 MPa降至0.2 MPa，为高压主汽门/调整门阀切换和高排逆止门顺利打开创造有利条件，整个冲转过程汽轮机转子应力、差胀、振动、总胀等反映汽轮机性能的参数均符合制造厂限值要求。机组并网后，旁路退出功能组开环逻辑控制正确，但中压调整门开度未大于90%，导致旁路退出时间较长，调整负荷后退出成功，VV阀关闭后机组负荷、压力、高排温度等参数正常，说明高排逆止门打开正常。在随后机组启动中，又试验APS不带旁路冲转、DEH操作员自动等多种方式启动，至今4号机组已4次成功使用APS启动，暴露的问题及时进行完善，提高了旁路系统和机组启动灵活性，满足实际运行要求。图2为4号汽轮机高缸冲转旁路控制过程及汽轮机本体参数变化情况。

图2 高缸冲转旁路控制过程及汽轮机本体参数变化情况Fig.2 Bypass control processing and tubine parameters changing by high-pressure cylinder rotation

旁路全程自动控制和汽轮机ATC是整组APS安全经济启动两个重要功能组，在保证机组安全启动的前提下，启动耗时也是电厂所关注的重要指标之一，在功能组搭建及控制策略研讨过程中，现场运行人员全程参与，将多年成熟的运行操作经验体现在每个程序控制环节，相当于每次启动均为最优秀的机长在操作，在启动安排、操作发令等方面能做到合理有序。图3为整组APS启动与机组常规启动总耗时比较。

图3 整组APS启动与机组常规启动总耗时比较Fig.3 Unit 4 start-up more time-consuming between APS and the normal way

4 存在问题及解决方案

(1)在BYPASS ON方式冲转时，再热蒸汽已经具备了较高的压力，高排逆止阀后是有压力的，初期设计再热器出口压力在0.5 MPa，压力过高导致在由IV冲转切至IV-TV联合冲转时，高排逆止阀不能顺利打开，从而导致冲转方式切换不成功。通过在旁路冲转断点组态中增加转速＞700 r/min后，将再热汽压力定值由0.5 MPa逐步降至0.2 MPa，保留手动降再热汽压功能，进而避免了冷再压力高，导致高排逆止门冲不开。

(2)旁路退出时，第一次高旁全关后IV全开，但在关低旁的过程中，热再压力升高，IV又逐渐关小，导致向BYPASS OFF方式转换未成功，后靠手动开启IV来转换。第二次高旁全关后，IV只开到20%(高旁调门两次开度差不多在15～16%，但第一次主汽压较低为6.1 MPa，第二次主汽压较高为10.7 MPa导致GV开度指令小)，考虑一是控制好主汽压和高旁开度，二是通过加负荷促使中压调整门开度大于90%后，退出低旁。后来机组启动过程中，通过上述方法将该问题解决。

5 结论

机组安全、经济、快速启动一定程度上反映了运行人员操作能力和机组控制系统自动化水平，利港电厂4号机组通过对旁路系统和DEH功能完善，实现旁路全程自动控制和优化机组启动方式，缓解运行人员启动时刻的劳动强度，提高了自动化控制水平，节能降噪，为4机组整组APS成功启动奠定基础。

[1]赵子军，陈少华，毛伟胜，等.汽机热态启动切缸时高缸保护动作原因浅析[J].电力科学与工程，2009，25(12):56-58.Zhao Zijun， Chen Shaohua， Mao Weisheng， etal.Analysis on the high protection of tanks hot ourbine start-cylinder cutting action[J].Electric Power Science And Engineering，2009，25(12):56-58.