联合循环机组自启停控制系统应用与研究

孙海翠，温荣斌

(1. 华东电力设计院有限公司，上海 200063；2. 西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054)



联合循环机组自启停控制系统应用与研究

孙海翠1，温荣斌2

(1. 华东电力设计院有限公司，上海 200063；2. 西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054)

文中论述江苏华电通州2×200 MW级燃机热电联产工程自启停控制系统(APS)设计方案，APS系统提高了机组启停的正确性和规范性，大大减轻运行人员的工作强度，缩短机组启停时间，从整体上提高机组的自动化水平，提高机组启停过程的安全性、经济性和可靠性。针对工程实施过程中的要点做了重点论述，为该领域相关实践及研究提供借鉴。

联合循环机组；APS；控制系统

随着发电机组容量增大、参数提高、设备增多，各子系统联系更加紧密，运行工况更加多变，使机组运行风险及运行员的操作难度加大。尤其是在机组启停阶段，运行员需要操作监视大量设备、监视大量参数。为确保机组安全稳定、提高自动化水平、减轻运行员的工作强度，在DCS系统之上，设计了机组自启停控制系统(APS)。特别对于联合循环机组具有启停快速、效率高、环境污染少等特点，其作为调峰机组设置一键启停功能更显效果。本文以江苏华电通州2×200 MW级燃机热电联产工程APS设计应用实例论述其实现的原则以及具体方案设计等[1-3]。

1 工程概况

江苏华电通州2×200 MW级燃机热电联产工程位于南通市南通高新技术产业开发区，为“一拖一”、双轴联合循环机组。1台余热锅炉与1台燃气轮发电机组，1台蒸汽轮发电机组组成一套双轴联合循环供热机组，本工程共安装2套。每台机组设置1套100%容量的高压、低压旁路装置，高压旁路经减温减压后和低压旁路排出的蒸汽均直接排入凝汽器。余热锅炉直接接受燃气轮机排气，中间不设旁路烟道。工艺系统流程框图见图1。

燃气轮机为西门子公司提供的SGT5-2000E型燃气轮机。燃气轮机发电机由上海电气配套提供QF-180-2型发电机，额定功率为180 MW。余热锅炉为华西能源工业股份有限公司提供的双压、无再热、无补燃、卧式室外布置自然循环锅炉。蒸汽轮机为上海汽轮机厂提供的B166型号，次高压、单缸、双压、单轴供热抽汽凝汽式机组。汽轮发电机为上海汽轮机厂提供的QF-100-2发电机，额定功率为100 MW。

2 控制系统方案

本工程控制系统由燃机控制系统、汽机控制系统、机组控制系统组成，控制系统一体化设计，全部采用西门子公司的SPPA-T3000系统。控制系统网络设置为：每套联合循环机组设1套DCS，2套机组设1个公用DCS网络。公用DCS网络与2套联合循环机组DCS网络通过网桥相连，公用系统的监控在单元机组操作员站上完成。

图1 工艺系统流程框图

3 APS设计原则

3.1 APS结构设计

为了使得APS系统相互协同，合理的APS结构设计尤为重要。本工程的APS设计采用分层设计、层层嵌套的架构方式，APS结构主要分为5级，即：APS级主顺控、断点级顺控、系统级顺控、设备级顺控子组、设备级。

3.2 APS设计范围

并非所有的设备必须纳入APS控制，理论上在机组启停过程中所涉及到的设备及操作均可进入APS系统控制，但在设计过程中应将自动联锁与APS程序结合起来，尽量使APS程序功能齐全、逻辑清晰、结构简洁、便于维护。

本工程APS涵盖的系统有：循环水系统、开式水系统、闭式水系统、凝结水系统、润滑油系统、轴封辅汽系统、真空系统、HRSG的低压给水系统、高压给水系统、主蒸汽及疏水系统、旁路系统等。

3.3 全程APS方案

为了实现全程范围的APS方案，机组全范围落实控制逻辑的衔接与接口，不仅包括顺序控制，还包括大量的模拟量控制，因此在APS方案中对模拟量调节回路进行逐步细化，落实到位，以确保APS全程无缝运行。

4 联合循环机组APS实现方案

4.1 联合循环机组启动方式

联合循环机组通常有冷态、温态、热态3种启动方式。3种启动方式在主蒸汽压力温度要求、汽机冲转及汽机并网的过程描述如下。

冷态启动时，主蒸汽参数：压力约为2.5 MPa，温度约为300 ℃。当主蒸汽的参数满足条件后，由APS给DEH系统发出汽轮机启动指令，此时DEH控制系统逐渐打开主蒸汽调节阀，并逐步关闭高压旁路阀开始冲转，以120 r/min的速率将汽轮机升速到600 r/min，保持汽轮机在转速600 r/min之下运转5 min进行暖机，之后再以240 r/min的速率将汽轮机转速升至3 000 r/min，在此转速下空转5 min。之后由APS给同期装置发出“汽机并网”指令。

温态启动时，主蒸汽参数：压力约为3.5 MPa，温度约为380 ℃，同时主蒸汽温度应高于高压内缸内壁金属温度50～100 ℃。当主蒸汽的参数满足条件后，由APS给DEH系统发出汽轮机启动指令，此时DEH控制系统逐渐打开主蒸汽调节阀，并逐步关闭高压旁路阀开始冲转，600 r/min的速率将汽轮机转速升至3 000 r/min，汽轮机达到额定转速后，由APS给同期装置发出“汽机并网”指令。

热态启动时，主蒸汽参数：压力约为4.5 MPa，温度约为420 ℃，同时主蒸汽温度应高于高压内缸内壁金属温度50～100 ℃。汽轮机冲转、并网过程和温态启动过程相同。

机组启动时，虽然划分为冷态、温态、热态启动，但大部分系统在启动过程中与启动状态无关，如：循环水系统、开式水系统、闭式水系统、凝结水系统、真空系统、轴封系统、高压汽包上水系统、低压汽包上水系统等，这些系统不论在哪种启动方式下，APS方案是相同的。与启动状态有关联的系统有：高压蒸汽升温升压、低压蒸汽升温升压、旁路系统、DEH系统等，这些系统中的某些设备在启动过程中需要根据不同的启动状态，发出不同的指令、设定值及参数等。如果分别设计冷态、温态、热态3种独立启动方案的话，程序将变得冗余复杂，所以本项目设计一套适用于所有启动状态的APS方案，从而简化程序。

4.2 联合循环机组APS启动实现方案

APS启动逻辑设计在断点级设置5步，分别为系统准备断点、锅炉上水断点、启动燃机及升温升压断点、启动汽机及并网断点和升负荷断点。

系统准备断点完成锅炉上水前的系统准备，包括建立循环水循环、冷却水系统启动并准备完毕、汽机油系统的建立，此部分工作使得机组设备的启动满足先决条件。系统准备断点执行条件包括：燃机已停止，确认设备预选完成，系统准备断点未完成，空压机系统正常。系统准备断点完成反馈状态包括：循环水系统正常，开式水系统正常，闭式水系统正常，空压机系统正常，汽机润滑油系统正常，盘车已投入，EH油系统正常。

锅炉上水部分启动循环机组的水循环，建立炉水流动并符合启动要求，同时烟系统开启。锅炉上水断点执行条件包括：燃机已停止，系统准备断点完成，锅炉上水断点未完成。锅炉上水断点完成反馈状态包括：凝结水系统正常，低压汽包上水完成，高压汽包上水完成，烟囱挡板已开。

燃机启动、并网、升负荷由燃机控制系统TCS完成，TCS与机组DCS通过顺序控制联络信号进行信息交互，完成燃机相关启动等工作。其中启动燃机步序反馈状态信息包括：燃机已启动、燃机火焰正常、燃机转速>2 950 r/min。燃机并网需要由运行人员确认。

升温升压部分完成机组热力系统汽循环满足条件。其执行条件包括：系统准备断点完成、锅炉上水断点完成、启动燃机顺控完成。高低压主蒸汽升温升压完成反馈状态包括：高压主蒸汽温度>300 ℃、高压主蒸汽压力>2 MPa，低压主蒸汽温度>220 ℃，低压主蒸汽压力>0.3 MPa。蒸汽参数满足上述要求后，顺次启动辅助蒸汽系统、轴封系统、抽真空系统。升温升压断点完成的反馈状态包括：辅助蒸汽系统正常，轴封系统正常，抽真空系统正常，高低压主蒸汽升温升压完成。

汽机启动及并网由汽轮机控制系统(DEH) 完成，DEH与机组DCS通过顺序控制联络信号进行信息交互，完成汽机相关启动等工作。其执行条件包括：启动燃机及升温升压断点完成，汽机冲转确认(由运行人员确认)。当汽机启动，汽机转速>2 990 r/min，汽机并网条件允许，由运行人员确认汽机并网。

升负荷部分根据机组负荷控制回路进行负荷控制。本工程负荷控制将机组作为一个整体来考虑，中调所给的AGC负荷指令为联合循环机组的总负荷指令， DCS系统在接收到RTU的总负荷指令后，由DCS内部逻辑进行运算得出燃机的最终负荷指令。APS启动实现方案如图2所示。

图2 APS启动实现方案

4.3 联合循环机组APS停机实现方案

APS停机逻辑设计在断点级设置4步，分别为燃机降负荷断点、停止汽机及燃机断点、停止汽机真空轴封断点和停止锅炉辅机断点。

燃机降负荷断点执行条件为燃机负荷>30%。程序为燃机降负荷断点首先退出CCS控制方式，燃机降负荷指令发送至燃机控制系统TCS，由燃机控制系统TCS完成燃机降负荷至低于32%。

停止汽机及燃机断点执行条件为燃机负荷<32%，延时10 s，汽机未跳闸。依次停止汽机及燃机断点执行关汽轮机抽汽调阀(指令送至DEH)，低压旁路切至退汽模式；汽轮机低压疏水阀组投入联锁；汽轮机高压疏水阀组投入联锁。其次关汽轮机补汽调阀(指令送至DEH)，然后高压旁路切至退汽模式。执行完毕后指令送至DEH，由DEH停止汽轮机。当接收汽机已跳闸且汽机机组发变组220 kV断路器已分闸反馈时，指令发送至燃机控制系统TCS，由TCS执行停止燃机。停止汽机及燃机断点完成的反馈状态包括：燃机已停止，汽机已跳闸，燃机机组发变组220 kV断路器已分闸，汽机机组发变组220 kV断路器已分闸。

停真空轴封系统断点的执行条件为汽机已跳闸。依次开真空系统真空破坏阀，停止所有真空泵，停止辅汽系统，停止轴封系统。停真空轴封系统断点的反馈状态包括：真空破坏阀已开，真空泵全停，辅助蒸汽母管至汽机轴封供气气动调节阀至0%，辅助蒸汽母管至汽机轴封供气气动调节阀前电动门全关，辅助汽源至汽机轴封气动调节阀至0%，辅助汽源至汽机轴封旁路电动阀全关，轴封蒸汽减温水气动调节阀至0%，轴封风机全停。

停止锅炉辅机断点的执行条件为汽机已跳闸。停止高压给水系统执行步序为：①高压汽包上水至100 mm，完成反馈高压汽包水位>80 mm；②高压给水泵退出备用，高压给水调节阀切至手动；③停止所有高压给水泵；④关高压给水电动阀。停止高压给水系统的反馈状态包括：高压给水泵全停，高压给水电动阀已关，高压汽包水位>80 mm。

停止低压给水系统执行步序与停止高压给水系统执行步序相似并简化。①低压汽包上水至100 mm，停止所有低压再循环泵；完成反馈：低压汽包水位>80 mm，低压再循环泵全停。②关低压给水电动阀；低压主给水气动调节阀切至手动。停止低压给水系统的反馈状态包括：低压再循环泵全停，低压给水电动阀全关，低压汽包水位>80 mm。APS停机实现方案如图3所示。

图3 APS停机实现方案

5 APS实现要点

a.模拟量调节回路的全程控制。主要包括高压汽包水位全程控制、低压汽包水位全程控制、高压旁路全程控制、低压旁路全程控制、给水压力全程控制、负荷控制、高压蒸汽温度控制等。为实现APS系统有机协调调用，协同、协作，环环相扣，层层嵌套，与APS 相关的模拟量控制回路必须符合APS设计要求，其中需要优化其控制接口，控制定值以及切入条件，并且充分考虑控制策略的全程适用性。

b.优化工艺系统。APS的实现不仅需要从控制角度完善、优化其控制逻辑，也需要从工艺角度提高系统的控制水平。本工程在实施过程中针对阀门控制方式做了许多优化，包括新增和修改部分手动阀门为自动控制方式。

c.方案策划及顺序控制系统间的协调配合。APS方案策划包括APS框架设计、范围设计、上级对下级调用、系统间调用等。需要不断查漏补缺、完善优化系统间的协调调用是否合理、完备。

6 结束语

机组自启停控制系统APS是实现机组启动和停止过程自动化的系统，其优势在于可以提高机组启停的正确性和规范性，大大减轻运行人员的工作强度，缩短机组启停时间，从整体上提高机组的自动化水平，提高机组启停过程的安全性、经济性和可靠性。

[1] 石忠杰，马歆炜．622 MW亚临界机组自启停控制系统功能设计[J]．上海电气技术，2013，6(3): 1-4．[2] 徐振华，徐丽梅．自动启停控制系统(APS)在联合循环电厂中的应用[J]．吉林电力，2015，43(3):41-43．

[3] 王燕晋，张伟东． 燃气—蒸汽联合循环机组自启停控制系统设计及调试[J]． 华北电力技术，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

孙海翠(1982)，女，硕士，高级工程师，主要从事发电厂热控与信息设计研究。

2016-12-29)