安萨尔多AE94.3A型燃机机组APS设计与优化

大唐万宁天然气发电有限责任公司 王永宏 江 彬 吴占元 李 杰

东莞深能源樟洋电力有限公司 唐 爽 西安热工研究院有限公司 陈志刚 王 林

1 机组简介

某电厂扩建工程6号机组采用上海电气制造的安萨尔多AE94.3A型9F级改进型燃气-蒸汽联合循环、一拖一单轴、带SSS离合器的纯凝发电机组。该项目具有启停灵活、低碳环保、清洁高效等优点[1-3]，单套机组标准工况下出力为475MW。机组DCS和TCS控制系统均采用ABB（S+）系统。燃气轮机主要性能参数见表1。

表1 燃机主要设计参数

为提高机组启停效率，热工自动控制领域提出了“一键启停”的概念，也即“机组自动程序启停系统”[4-6]（Automatic Procedure Start-up／Shut-down，APS），本文以某电厂扩建工程6号机组为研究对象，设计优化了机组的APS控制策略，相关经验可供后续同类机组参考。

2 燃机APS体系构建

2.1 结构设计

本工程机组的APS系统采用分级控制结构，总体上分4层，即机组控制级、功能组控制级、功能子组控制级和设备控制级。功能组控制级是APS的基石，具备独立操作功能，为保证APS系统的优良控制品质，提出以下设计原则：一是设备和阀门根据程控过程进行针对性控制，符合机组设备的启停规律。二是多级设备应采用逐级启动，以减轻线路压力。三是备用按钮待系统稳定后自动投入。四是调节阀自动控制应能自动投入，并按自动设定值调节，使该系统趋于稳定。五是机组设备的联锁保护应体系化、完善化，能够根据不同工况自动匹配阀门状态。

机组控制级是APS的根本，衔接着各系统，主要遵循以下原则：一是系统启动时，衔接好上下级系统，应避免上下级系统运行工况恶化。二是具备各工况的适应性，满足机组启停功能。

2.2 APS断点设计

本工程机组APS共设计4步断点：断点1为准备系统启动；断点2为锅炉上水及汽机抽真空；断点3为机组启动；断点4为机组停运。APS断点的组成见表2。

表2 燃气-蒸汽联合循环热电机组APS组成及启停顺序

3 断点设计

3.1 准备系统启动

APS依次启动循环水系统、开式水系统、闭式水系统、空压机系统、机组润滑油系统、燃机辅助设备、盘车系统，以满足机组启动前准备条件。

控制难点：水系统空管启动，应避免损坏管道及其支吊架。循环水系统设计了辅助循环水泵可提前给循环水管路注水。闭式水系统和开式水系统可提前打开水路通道通过静压差完成管道注水。注水放空阀均为手动阀，需要运行人员提前打开，见水关放空阀。机组再次启动时，根据管道压力（超过日常管道净压）自动判断管道注水情况，减轻运行操作量。

优化策略：循环水系统仅启动首台循环水泵，受季节影响不限制优先启动低速循环水泵。随着负荷的升高，运行人员需要手动启动备用循环水泵和机力冷却塔风机。循环水系统可进行优化，根据季节或者环境温度（燃机测点）决定不同负荷下循环水泵和机力冷却塔风机运行方式和运行数。空负荷默认优先启动低速循环水泵和配置机力冷却塔通道；随着机组负荷升高或循环水进出口温差大，逐步启动机力冷却塔风机和备用循环水泵；机组降负荷停机时，逐步停机力冷却塔风机和循环水泵。该优化方案可实现循环水系统一键控制，根据工况变化规范化启停循环水泵和机力冷却塔风机，减轻了运行操作压力。

机组启动前燃机/汽机盘车应运行48h以上，而断点1默认水系统和油系统同时运行，水系统启停会造成了部分厂用电损失。断点1可单列油系统按钮，此时仅启动闭式水系统、润滑油系统、盘车系统。机组准备启动时，已完成的系统自动跳步，故仅启动水系统。该优化方案可增加断点使用率，同时避免了盘车期间，水系统设备的启停。

3.2 锅炉上水、汽机抽真空

锅炉上水系统和汽机抽真空系统并列布置，满足断点2启动条件可同时进行，节约了机组启动时间。锅炉上水APS依次启动凝结水系统、启动低压汽包上水系统、启动高压/中压汽包上水系统以具备燃机机组启动前条件。汽机抽真空APS依次确认辅汽系统正常、启动抽真空和建立轴封系统。

控制难点：锅炉空管上水和上水系统的协调。机组首次启动时，汽包水位测量装置的参比水位柱无注水回路，汽包水位的测量及监控设备的冲洗、校正及投运需要人工介入。建议后期增加注水回路，以提高汽包水位测量的准确性。

机组正常启动时，汽包水位测量正常，自动判断锅炉水侧管道是否注水完成。未注水，APS自动完成锅炉管道注水程序，开水侧疏水放空阀。管道逐级注水完成后，确认注水完成按钮，自动关闭疏水放空阀。管道已注水，疏水放空阀保持原先位置。

当汽包上下壁有温差时，将在汽包金属内产生附加热应力，可能使汽包发生弯曲变形、裂纹，缩短使用寿命。故锅炉上水时，需要严格控制汽包上水速率。根据锅炉说明书要求，汽包最大上水速率见表2。汽包上水由给水旁路调节阀开环控制，自动匹配最佳上水速率。给水主路调节阀闭锁关，但允许运行人员手动介入。

当锅炉汽包上水时，锅炉上水流量大于凝汽器补水流量，易导致凝汽器水位较低，影响凝结水系统的稳定。当锅炉主给水调阀突然打开时，锅炉上水流量徒增，易导致凝结水压力偏低联启凝结水备用泵。

锅炉汽包大量补水时，须运行人员提前启动除盐水泵以保证除盐水压力，并提高凝汽器水位设定值。锅炉汽包上水时，APS自动调高凝结水泵变频器设定值以满足汽包基本上水速率；碰到特殊工况致使凝汽器水位不足或凝结水母管压力低时，APS系统自动降低汽包上水速率并闭锁开给水旁路调阀。

机组启动初期或末期，存在无凝结水用户时，凝结水系统可具备独立自循环功能。凝结水自循环控制参数：凝结水母管压力为1.5MPa；凝结水再循环量为200t/h。

优化策略：一是凝结水泵组设计为一拖二变频器。变频旁路柜设计KM11/12/13/21/22/23断路器和QS11/12/21/22隔刀，目前系统可根据运行操作自动识别凝结水泵工频/变频状态。可优化为通过运行人员预选启动泵，自动合分断路器，匹配预选泵在变频位，备用泵在工频位。

二是汽包水位正常判断，建议由固定值修改为变动值，以适应不同工况下的最佳汽包上水水位，以提高APS使用率。当给水调阀在自动时，汽包水位正常判断值为自动设定值±50mm；当给水调阀在手动时，依旧采用原固定值。

三是机组晚上停机，锅炉保压运行，早上机组启动时，中/低压省煤器存在局部汽化现象。APS锅炉上水时，给水电动阀开5s、中停60s可缓解省煤器局部汽化现象。

3.3 机组启动和停止

机组APS启动后约30min燃机启动至额定转速；燃机并网带10MW初负荷；机组升负荷至温控模式（锅炉升温升压至汽机冲转参数（高压主蒸汽：8MPa，汽机推荐温度）；汽机冲转后：高压过热器减温水调阀控制汽机最佳进汽温度，旁路系统自动控制最佳进汽压力）；燃机IGV阀打开时（约150MW），机组退出温控模式；继续升负荷至200MW。

机组APS停止后机组降负荷至燃机IGV关闭（约185MW）；机组进入温控模式（维持汽机进汽压力和温度的稳定）；汽机跳闸后，继续将负荷至8MW；燃机程停。

3.4 燃机与汽机协调控制

自动完成主机DCS和燃机TCS之间的请求确认（自动投入燃机DCS模式，燃机协调模式，烟气控制模式，旁路ASA模式并在自动等），减少运行操作量。设置机组启/停按钮，无缝衔接燃机负荷控制和温控模式。

通过燃机温控模式，协调燃机和汽机的启动过程。温控模式下燃机温度输出值根据锅炉、汽机等需求温度限速限幅后送至燃机。机组启动时，温控模式下逐步升负荷完成暖炉至汽机冲转条件。机组停止时，温控模式下逐步降负荷，保证汽机主蒸汽温度的稳定至汽机解列。

汽机启动过程中，锅炉高压过热减温水调阀调节高压主蒸汽温度，其设定值取自修正后的汽机侧推荐主蒸汽温度值，自动匹配最佳的启动参数。机组APS启动和停机曲线如图1和图2所示。

图1 机组APS启动曲线

图2 机组APS停止曲线

4 结论

本文以某电厂扩建工程安萨尔多AE94.3A型9F级改进型燃气-蒸汽联合循环机组为研究对象，设计了机组“一键启停”系统，其具有APS功能组控制级可独立运行，并兼顾运行操作习惯；备用按钮能自动投入；调节阀能自动调节等优点。同时，机组的控制级断点易灵活变通，可适应机组的各种复杂工况，显著提高了APS的实用性和使用率，有效满足了机组的快速启停要求。