给水泵汽轮机组自动冲转系统设计与实践

罗培全,张龙明,陈喜龙

(神华国华舟山发电有限责任公司，浙江舟山 316012)



给水泵汽轮机组自动冲转系统设计与实践

罗培全,张龙明,陈喜龙

(神华国华舟山发电有限责任公司，浙江舟山 316012)

为了加强机组的安全运行，提出了给水泵汽轮机自动冲转系统的设计方案。分析了该系统的控制范围、特点、主要启动步骤和设计关键点等。实践证明该系统设计合理。

给水泵汽轮机； 自动冲转； 设计

随着国内大容量、高参数火电机组的发展，作为重要辅机的给水泵组占厂用电比例最大。从节能降耗及节省投资考虑，燃煤机组取消启动电动给水泵，采用单台汽动给水泵配置方案，完成从启动到带负荷以及停机整个发电过程是有必要的。为了减少操作员的劳动强度，提高机组启停的快速性、运行的安全节能性、操作的规范性，笔者结合一台超临界350 MW机组单汽泵自动启动实践的经验供同行参考。

1 汽动给水泵组工艺流程

该机组为国产350 MW超临界燃煤机组。其给水系统的配置上采用单台100%汽动给水泵组，取消30%电动启动给水泵的方案。给水泵组布置方式为高位布置，中心线与主汽轮机中心线平行，其汽轮机排汽方式为下排汽，采用弹性隔震基础设计。主给水泵采用国产泵组，芯包进口。

汽动给水泵组工艺流程属于比较复杂的辅助系统，与汽动给水泵组相关的设备有水侧的给水系统、汽侧的动力蒸汽系统以及润滑油系统。动力蒸汽系统见图1。

图1 给水泵汽轮机系统图

汽动给水泵启动用汽来自邻炉的辅助蒸汽系统，当本机组负荷升到50%时，通过汽源切换至本机的四段抽汽供汽。在停炉过程中，当负荷降至30%时切换至辅助蒸汽，直到机组解列。

2 自动冲转系统控制范围及特点分析

2.1 自动冲转系统控制范围

给水泵汽轮机自动冲转系统具有严格步序且融合了部分闭环调节回路的功能组。如何最优地确定功能组控制设备范围至关重要，它关系着该功能组的适用性和易用性。这些设备的具体确定必须依据机组特定工艺流程、系统运行规律及长期的运行经验。常规的做法是以重要辅机为中心，将属于同一系统的设备组合在一起[1]。依据这些原则确定自动冲转系统的设备范围，包括辅汽至给水泵汽轮机用汽管道疏水门、给水泵汽轮机疏水门、主给水旁路电动调节门、主给水电动门、给水泵再循环调节门、给水泵汽轮机油系统、汽轮机给水泵组。

2.2 启动思想

给水泵汽轮机冲转功能组主要完成给水泵汽轮机动力汽源的投入、冲转至最低遥控转速，使其从静止状态冲转至备用状态。为防止给水泵汽蚀，在给水泵冲转前开启给水泵再循环调节门，关闭主给水电动门和给水旁路电动调节门。在调整好本体疏水门、辅汽管道疏水门、核实给水泵汽轮机启动条件后，由ATR程序判断给水泵汽轮机的状态，然后根据泵组状态计算冲转升速率、暖机时间，最终升速至最低遥控转速，并完成给水泵汽轮机MEH遥控的投入。

启动功能逻辑图见图2。

2.3 功能组启动允许条件

功能组启动允许条件，主要对给水泵汽轮机相关油系统、除氧给水系统、真空系统、轴封系统进行全面检查，核实这些系统是否具备冲转给水泵汽轮机的要求。主要条件至少包括：

检查卡执行完毕，主要检查相关系统的手动门等是否满足条件；锅炉给水前置泵已经启动；给水泵润滑油油压正常；给水泵调节油油压正常；给水泵汽轮机轴封供汽压力正常；凝汽器压力低于中间值；除氧器水位正常。

2.4 主要启动步骤

给水泵汽轮机自动启动系统首先进行功能组启动允许条件的判断，包括给水泵汽轮机轴封供汽压力正常；前置泵已经合闸；给水泵汽轮机润滑油压力正常；给水泵汽轮机调节油压力正常；除氧器水位正常；凝汽器压力小于-76 kPa。功能组第一步，置给水泵再循环调节门100%，关闭给水旁路电动调节阀和主给水电动门；第二步，开给水泵汽轮机本体疏水阀和辅汽用汽电动门前疏水阀，包括给水泵汽轮机高压缸疏水阀、汽缸平衡管疏水阀、汽封母管疏水阀、低压缸疏水阀、辅汽供汽电动门前疏水阀、四抽供小机电动门后疏水阀；第三步，开辅汽供小机用汽电动门；第四步，等待延时，确保MEH和DCS侧均准备好冲转条件；第五步，复位给水泵汽轮机控制系统；第六步，开给水泵汽轮机本体疏水阀和辅汽用电动门前汽疏水阀；第七步，投大气扩容器A、B侧入口液动调节门自动。

2.5 检查卡设计

功能组本质上是一种带工艺设备操作的程序流，和传统的手动操作存在较大的差异，在手动启动过程中，运行人员启动某一设备，会在启动后检查设备运行情况，如果发现异常，则可以暂缓、停止下一步的操作，而程序没有人工这么智能，所以必须在程序流开始之前仔细、严谨检查，确保在程序流启动之前设备正常。

检查卡设计需要包括如下几点：确认给水泵、给水泵汽轮机所有相关系统工作票已经全部终结；热控表计投入，显示正常；所有执行机构已经送电；所有手动门已经为启动准备状态，并具体列出阀门清单。

2.6 DCS侧给水泵汽轮机遥控启动条件设计

由于机组DCS和MEH不在同一套硬件系统中，所以需要分别设计DCS侧逻辑和MEH侧逻辑。 在给水泵汽轮机进蒸汽前全面判断相关系统是否具备冲转条件，包括三个方面内容：(1)工艺系统具备条件；(2)热控仪表监测正常；(3)控制调节回路正常。

工艺系统检测项目：给水泵汽轮机系统就绪；四级抽汽至给水泵汽轮机压力正常；给水泵汽轮机润滑油油压正常；给水泵汽轮机调节油油压正常；给水泵汽轮机排气压力正常；给水泵汽轮机轴封供汽压力正常；除氧器水位正常；锅炉给水前置泵已经运行；给水泵上下筒体温度差小于20 K；除氧器与下筒体温度差小于50 K；给水泵汽轮机汽封管疏水阀已打开；给水泵汽轮机低压缸疏水阀已打开；给水泵汽轮机高压缸疏水阀已打开；给水泵汽轮机平衡管疏水阀已打开。热控仪表监测项目：无METS报警信号；无跳闸保护条件；给水泵汽轮机MTSI系统正常。控制调节回路项目:给水流量无故障；给水泵汽轮机遥控设定无故障；给水泵汽轮机转速正常。

2.7 功能组冲转完成条件

功能组的完成条件包括：转速大于3 000 r/min；顶轴油泵已经停运；大气扩容器A侧入口液动调节门自动已经投入大气扩容器B侧入口液动调节门自动已经投入。

2.8 MEH侧逻辑设计

常规MEH主要控制方式有三种：手动运行方式、转速自动控制、CCS转速控制。手动运行方式为MEH系统的后备方式，当系统工作不正常而伺服阀模件还能正常工作时，可由运行人员在0～6 000 r/min范围内手动操作，达到控制转速的目的。手动方式就是直接操作阀门开度指令来控制阀门开关，开环调节转速。在转速自动控制方式，给水泵汽轮机转速自动主要通过操作员给出的转速设定值，转速闭环回路控制汽轮机的转速。在此方式下，操作员按给水泵汽轮机的理想升速曲线控制升速。初始设定点以设定的速率控制转速到目标值，目标转速和升速率可由运行人员在操作员站上设置。CCS转速控制方式即锅炉给水自动方式。CCS给出4～20 mA给水量需求指令转换为转速设定值，再通过转速闭环回路控制给水泵汽轮机转速。三种控制方式的切换通过互相之间的自动跟踪，由逻辑判断实现无扰切换。

目前国内火电机组，给水泵汽轮机的冲转大多采用操作员多次干预下的转速自动控制方式，操作员人工判断冲转条件，手动设定升速率、目标转速，达到暖机转速后进行暖机，暖机到一定程度后再次升速至最低遥控转速，在达到最低遥控转速(一般为3 000 r/min)后由操作员在DCS与MEH之间进行手动的遥控投入和撤出。给水泵汽轮机自动启动系统MEH侧设计就是要解决冲转条件判断，升速暖机过程程序化，自动升速及遥控启动、遥控投入、升速、暖机等问题。

2.8.1 MEH侧遥控启动允许

MEH首先进行状态确认，在没有超速试验，给水泵汽轮机转速无故障，无给水泵汽轮机遥控退出按钮，给水指令正常的情况下，确认遥控启动允许条件满足，并发条件满足信号至DCS侧的顺控主程序。图3为给水泵汽轮机遥控允许逻辑图。

图3 给水泵汽轮机遥控允许逻辑图

2.8.2 遥控已经投入

MEH在收到顺控主程序发来的远程启动指令与给水泵汽轮机遥控允许且没有遥控退出请求且无转速通道故障置位给水泵汽轮机遥控已投入。当遥控退出按钮、给水泵汽轮机遥控允许不满足、给水泵转速低中的其中一个条件不满足时，复位给水汽轮机遥控已投入。图4为给水泵汽轮机遥控已投入逻辑图。

图4 给水泵汽轮机遥控已投入逻辑图

2.8.3 MEH侧冲转程序设计

升速率生成回路见图5。

图5 升速速率形成回路

汽动给水泵汽轮机冲转子组第一步复位、挂闸。确认挂闸成功后，判断泵组的状态为冷态、温态还是热态。再根据给水泵汽轮机的汽轮机启动曲线，计算暖机时间，生成给水泵汽轮机升速速率，再根据升速率生成给水泵汽轮机的转速设定值，由转速设定值和实际转速进行PID的闭环运算，形成给水泵汽轮机的高低压调门指令，控制给水泵汽轮机的转速，最终调节给水流量。

由图5可见：在冲转初期且投入ATR模式，由D处的减法块输出为ATR目标RPM(3000)值减去转速设定值，通过A处的绝对值模块，输出B大于2处下来的ATR升速率，最终选择最右侧分支的回路，形成最终的给水泵汽轮机升速率。当汽轮机转速升高至近3 000 r/min时，A处的ABS模块输出会比较小，通过C处的小选模块，最终形成给水泵汽轮机升速率。

3 自动冲转系统特点

3.1 顺序控制和保护联锁的独立设计

无论是顺控还是联锁保护逻辑，控制对象最终统一到电动执行机构、泵等设备。做到自动启动系统逻辑和保护联锁的完全分离至关重要，鉴于设备可靠性的要求，可以在顺控系统的设计中只涉及设备的启停操作，不对单体设备的跳闸条件进行修改。为避免设备的损坏，设备的启动允许条件必须严格、谨慎[1]。设备的联锁逻辑关系遵照常规机组进行设计[2]。

3.2 顺序控制和调节控制一体化设计

功能组的顺序控制所纳入的设备有开关量控制设备，包括设备的开、关、启、停，进行两位或三位控制。此外还包括模拟量控制设备，如给水调节门、给水泵再循环调节门。调节控制的控制对象为这些模拟量设备，正常情况下，它担当闭环调节的基本功能，但在系统启动、停止过程中，这些设备必须控制到一定状态，以满足下一步程序操作的需要[3]。

4 结语

机组经深度调试表明：系统逻辑完善合理，完全具备投入使用的条件。实践证明给水泵汽轮机的自启动系统的设计方案合理，其是DCS厂家、调试单位、施工安装单位、业主方APS项目组成员共同努力的结果，此系统的成功应用减少了机组运行人员的操作内容，规范了设备的启动过程，减轻了运行人员的劳动强度。此系统的成功应用为机组级的自启停系统(APS)成功打下坚实的基础，也为同类机组在实施给水泵汽轮机自动启动提供一种可以借鉴的经验。

[1] 华东六省一市电机工程(电力)学会. 热工自动化[M]. 北京: 中国电力出版社,2000.

[2] 潘凤萍,陈世和,陈锐民,等. 火力发电机组自启停控制技术及应用[M]. 北京: 科学出版社,2011.

[3] 熊泽生. 给水泵组顺序控制及调节控制设计和调试分析[J]. 湖北电力,2004,28(5): 16-18.

Design and Application of Automatic Impulse System for a Feed-water Pump Turbine

Luo Peiquan,Zhang Longming,Chen Xilong

(Shenhua Guohua Zhoushan Power Generation Co.,Ltd.,Zhoushan 316012, Zhejiang Province,China)

To secure the safety operation of a power unit,an introduction is presented to the design scheme of its automatic impulse system for the feed water pump turbine,together with an analysis on the control range,key start-up procedures and key design points of the system,which has been proved to be reasonable by actual applications.

feed-water pump turbine; automatic impulse; design

2016-09-18；

2016-11-17

罗培全(1976—)，男，高级工程师，主要从事火力发电厂热控及工业自动化技术管理及研究。

E-mail: luopeiquan@163.com

TK323

A

1671-086X(2017)04-0300-05