M701F4改进型多轴燃气蒸汽联合循环机组一键自启停技术的研究

2024-05-22重庆天泰热力有限公司郑鹏成

电力设备管理 2024年6期

重庆天泰热力有限公司郑鹏成

通过燃气与蒸汽实施联合发电的新型技术，具有投入成本低、基建时间短以及热效率较高等优点，目前在国内已经得到推广运用，但运行机组的自动启停控制方面还存在一些不足，本文主要介绍其优化设计方向。

本厂安装了一套“一拖一”形式、多轴布置的M701F4规格燃气与蒸汽联合循环机组，其中机岛设备的燃气轮机规格为M701F4改进型，为双缸、三压、能够进行抽凝和抽气调节的类型，而余热锅炉作为核心设备采用了菱日锅炉的先进技术设备，其整体为卧式、再热、自然循环以及无补燃形式，具有高效节能且密封性良好的优点，相关燃机在不同工况下的运行参数如表1所示。

表1 本厂燃机设备不同工况下的运行参数

机组的相关辅助设备包括凝结水泵、给水泵以及闭合式冷却水泵，其设计时按照使用和备用分别一台原则，其容量标准皆为100%，给水泵分为高压与中压形式，均使用的变频器在布置时基于“一拖一”原理，蒸汽机旁路部分容量皆设计为100%标准，可以在机组运行达到峰值参数时使自启停调节的速度更快[1]。

1 一键自启停控制系统（APS）的基本架构和逻辑设计

本厂为实现联合循环机组的有效控制，燃机控制部分使用了三菱公司分散控制系统，其规格为DIASYS Netmation；单元机组和公用系统控制采用一套浙大中控的ECS-700P 的DCS 系统，分为#1机组DCS、公用系统DCS 等2个控制网络，可以统一集中控制机组的蒸汽机、燃机、公用装置以及余热锅炉等多个部分，在通讯方面采用了OPC 与MODBUS 等形式，可以对全厂的电力运行实施监测，保证启停功能的分散控制。APS 系统能够在各项设备不发生故障的情况下快速“一键启停”，使得机组的运行反应时间进一步被缩短，能够更快发出有关电网符合调度的操控信号，自动控制还能避免人工操作出现错误的可能，促进机组运行安全系数的提升。

APS 系统本身的控制原理较为先进，能够充分结合机组本身运行的状态，遵循程序完成控制，确保各设备对任务的自动执行，针对运行方面，其也会提前设计好控制曲线以及相关数据，确保机组运行达到最优状态。自动启停控制的系统可以围绕两项控制要求细分架构，分别实现协调控制功能，子机组的功能等级较高。比方说在设备启动或停机操作时，由主机组发出协调信号，随后子机组则进行闭环控制以及设备级控制。机组协调时会进行功能预选，再导入对应的程序管理机制，监测设备会实时获取汽轮机的温度水平，之后基于已有的公式自动计算确定控制温度参数、压力参数以及功率参数等，再进一步调节温度、升高压力以及进行负荷限值确认。

比方说汽轮机绝对蒸汽压力调控时，会基于下述公式进行计算：P=P0（t/T）k，其中：t表示监测获取的进口蒸汽温度值，其单位为℃；T表示的是常规温度，通常取273.15k；P0的标准大气压值一般取101.325kPa；k则是经验系数，取值1.25。子组的相关启停控制功能主要针对辅助运行系统，其设计对应子环，同样基于APS 控制原理，但各个子系统都具有独立性质，运行管理人员可以单独进行启停操作，相关设备的控制还可设计联锁、保护以及闭锁等条件。

2 机组自启停控制的启动断点设计与停机过程设计

本厂基于燃气与蒸汽联合循环机组具体生产的操控运行要求和人员行为习惯，开展了一键自启停过程的跳转控制、断点形式以及旁路等设计，使控制程序更加稳定、灵活，对于冷态、热态以及常温台机组工况启动和停机要求充分满足。

2.1 启动断点相关设计

多轴燃气蒸汽联合循环机组在进行自动控制启动时，共包含了以下几项步骤：辅助系统核心设备的启动，将闭冷水循环系统、汽轮机油控制系统、润滑系统、开式水以及凝结水控制系统全面启动；对锅炉装置进行上水，凝结水装置启动后会自动调节预加热，之后自动启动低压系统实现疏水和上水操作，再自动启动中压系统与高压系统完成同样的锅炉上水步骤；对于自动启动燃气轮机的操作要先完成几项条件要求，如控制打开烟囱位置的挡板，对内部真空系统进行启动，后者在温态或热态工况时可以跳过操作。

顺控燃气轮机装置的自动启动主要结合相关设计的步骤，在自动启动时先开展清吹，之后点火，最后则进行升速，运行转速的标准为每分钟3000r；进行真空系统启动并投用相关轴封，在燃气轮机正式点火之后，低压、中压及高压系统会对压力、温度进行调高，同时开展暖管操作，在自动启停的要求下，确保主要蒸汽机部分条件满足投用轴封的需求，在真空系统自动开启时如果机组为冷态工况，则可以直接跳过该环节；达到汽轮机冲转的要求，从旁路启动着手，在并网条件下通过低压、中压以及高压系统调高压力、升高温度，以确保汽轮机的稳定冲转；进行自动调高负荷，结合外部控制的要求对负荷投入，在逐渐将机组负荷升高到基础标准即可[2]。

在多轴燃气蒸汽联合循环机组的自动启停操作中可以发现，其实施启动或停机控制时都要对各类工况进行考虑，其实际要求存在差异，因而需要在APS 系统科学设置“断点”及“旁路”。本厂机组运行的APS 系统断点数量为5个：首个断点在完成锅炉装置上水操作后，由运行管理人员接收调度信号，之后对机组进行“一键启动”；当燃气轮机达到稳定启动的要求后可以设置断点，安排专业人员人工检查判断燃气轮机条件，再进行自动启动；锅炉装置的压力与温度达到投用轴封的标准值，同时燃气轮机转速达到每分钟3000r 后设置断点，让专业人员对真空系统进行检查确认，再顺利进行轴封投入；在燃气轮机带负荷并网运行阶段，确认锅炉压力、温度参数达到冲转要求后设置断点，安排人员对汽轮机状态进行确认并实施启动；在联合循环运行机组增加负荷到充满状态时设置断点，等待其运行稳定。

“旁路”主要设计三部分系统：一是机组处于冷态工况时的自动开启控制旁路，在燃气轮机进行真空系统投用前进行，若为其他工况则启动时可以直接跳过；二是机组处于热态或稳态工况时自动开启控制旁路，在汽轮机投用轴封之后进行，等待真空系统的进一步投入，若为冷态则可忽视；三是机组处于冷态工况且并网低负压时自动开启控制旁路，进行暖机操作，若其他工况则可以跳过。值得注意的一点是，在调试APS 系统的各项功能时，本厂的锅炉系统自启动功能尚存在不足，因此启动燃气轮机装置后，机组会处于空载且全速运行的状态当中，之后会通过高压系统的蒸汽作用逐步提高压力值、温度值，为后续轴封控制奠定基础，因而这时的汽轮机旁路在启动设计时会有所不同[3]。

2.2 停机过程具体设计

机组自动停机步骤包括：降低负荷至IGV 小于0%；启动汽轮机和锅炉装置旁路控制，疏水系统也纳入控制；顺序“一键停机”，解列惰走、顺控燃气轮机直至熄火；停用锅炉、中压和高压系统，随后低压系统和凝水预加热装置；辅助系统停机，包括轴封、真空系统，关闭烟囱挡板。

在汽轮机停机控制，解除排气压力比控制装置，随后解除温度控制装置，负荷达设计标准，切除温度裕度。断开并网连接，投入转速控制器，开启疏水子机组。燃机停机需保无功负荷不超3MVar，有功不超2MW。发电机分闸关闭，停止励磁系统和天然气子机组，间隔时间停止余热锅炉。

整个停机自动操控的机制中，还会划分为保留或不保留凝结水两类停机模式，前者属于短暂停运，会将主要设备停机，但凝结水系统、轴封系统以及真空系统等还会在停机时正常运转，优点是可以在下次启动时缩短反应时间，在长时间停机的需求下会采用不保留凝结水的自动停机操作模式，其会完成各种停机任务，包括真空系统的停运破坏、轴封停运以及降低负荷等[4]。

3 一键自启停控制系统（APS）的优化改进方向

本厂因为实施基建的周期较短且实际建设工作量巨大，故而在以往设计搭建多轴燃气蒸汽联合循环机组一键自启停控制系统时存在不足，通过调试发现了各类问题，导致机组运转的稳定性欠佳，因此本次研究提出了以下几种优化改进的做法。

3.1 汽轮机疏水系统的优化调整

在自动启停汽轮机疏水系统时，可以针对实际触发条件进行修正，设置为未进行燃机压力与温度升高条件的断点操作时进行顺控第二步骤的启动。确保汽机实现送汽操作前能切实排出机组内的所有积水，以防止后续供汽运行时管道出现强烈振动问题，促进汽机的安全运行，同时为了进一步节约运行成本，也可对疏水门的启闭间隔时间进行缩短[5]。

3.2 针对汽轮机预暖温度不达标实施改进

预暖参数偏低，机组预暖效果不佳。针对分轴联合循环机组，为提高机组的冷态启动速度，设计要求预暖蒸汽为300～360℃，而配套的启动锅炉辅助蒸汽最高240℃，对预暖存在一定的影响。冲转前高压外缸膨胀量9.3mm，和同类型机组相比明显偏低。对于预暖阶段做如下优化。

预暖初期（高压外缸温度约小于150℃）：维持通风阀关闭，按原预暖操作控制金属温升率，最终将预暖调节阀全开，提高缸内蒸汽压力。由于机组预暖初期金属温度的提升主要取决于相变蒸汽的凝结放热，提高缸内蒸汽压力可提高饱和温度，从而提高机组的暖机温度。

预暖初期，维持通风阀关闭，按原操作控制金属温升率，最终将预暖调节阀全开，提高缸内蒸汽压力。预暖中期，开启通风阀，全开预暖调节阀，加大蒸汽流量，利用真空冷却金属。暖机转速不超过600rpm。预暖后期，余热锅炉旁路循环，降低喷水开度，提高再热冷段温度。再热冷段温度高于辅助蒸汽约10℃后，切换至再热冷段预暖高压缸。预暖系统在并网前切除[6]。