自動(dòng)啟停控制系統(tǒng)（APS）在聯(lián)合循環(huán)電廠中的應(yīng)用

徐振華，徐麗梅

（1.中國華電工程（集團(tuán)）有限公司，北京 100160；2.中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長春 130021）

電廠實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟?？刂葡到y(tǒng)（APS）可以提高自動(dòng)化和運(yùn)行管理水平。隨著近些年馬來西亞沙巴州經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力缺乏問題日益突出，為緩解當(dāng)?shù)仉娏θ狈Φ拿?，決定投資建設(shè)190 MW 聯(lián)合循環(huán)電站。本工程APS的應(yīng)用極大地提高了電廠的自動(dòng)化水平，大大降低了運(yùn)行操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 工程概況

電站位于馬來西亞沙巴州亞庇市工業(yè)園內(nèi)。本工程系新建工程，建設(shè)規(guī)模為一套190 MW 級“二拖一”、“6FA”系列燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組。本套機(jī)組包括2臺PG6111FA 型燃?xì)廨啓C(jī)、2臺余熱鍋爐和相關(guān)的輔助設(shè)備、1臺蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組和相關(guān)的輔助設(shè)備，組成2＋2＋1聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，機(jī)組凈出力為190 MW。

燃?xì)廨啓C(jī)是室外布置，燃燒天然氣，輕柴油作為備用燃料；余熱鍋爐是露天布置、雙壓、自除氧、自然循環(huán)臥式；蒸汽輪機(jī)是室內(nèi)布置，功率為75 MW，雙壓、空冷式。

根據(jù)設(shè)計(jì)、采購、施工（EPC）合同要求機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)9種運(yùn)行工況（見表1），包括任意1臺燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的單循環(huán)、單臺機(jī)組的聯(lián)合循環(huán)和2臺機(jī)組的聯(lián)合循環(huán)等。

表1 機(jī)組運(yùn)行工況

2 APS設(shè)計(jì)原則

本工程機(jī)組控制系統(tǒng)由1套800XA 分散控制系統(tǒng)（DCS）和2套MARK VI控制系統(tǒng)組成。燃機(jī)發(fā)電機(jī)組及其輔助系統(tǒng)主要由MARK VI控制系統(tǒng)監(jiān)控，并將主要控制功能集成到DCS中，余熱鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)及相關(guān)輔機(jī)納入DCS 監(jiān)控。通過DCS實(shí)現(xiàn)燃機(jī)、余熱鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)整個(gè)聯(lián)合循環(huán)電廠的集中監(jiān)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)聯(lián)合循環(huán)電廠的APS功能。

DCS主要功能包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）、順序控制系統(tǒng)（SCS）、開環(huán)控制系統(tǒng)（OLCS）、閉環(huán)控制系統(tǒng)（CLCS）、電氣控制系統(tǒng)（ECS）、汽機(jī)數(shù)字電液控制（DEH）系統(tǒng)及其他輔助控制系統(tǒng)。

機(jī)組的9種運(yùn)行工況（見表1）：3種工況為單循環(huán)，5種工況為聯(lián)合循環(huán)，1種工況為停機(jī)狀態(tài)。單循環(huán)工況可通過MARK VI控制系統(tǒng)對燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行自動(dòng)啟?？刂疲竟こ藺PS設(shè)計(jì)主要針對聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

為了減少APS設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和機(jī)組運(yùn)行的安全隱患，僅考慮聯(lián)合循環(huán)工況下余熱鍋爐及汽輪發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)啟停，將燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)作為APS投入/切除條件，設(shè)計(jì)中針對各個(gè)主機(jī)設(shè)備考慮如下控制原則：燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組采用MARK VI控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)啟?？刂?；余熱鍋爐采用DCS 進(jìn)行監(jiān)控，通過控制旁路煙囪擋板門的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)余熱鍋爐的啟?？刂?；汽輪發(fā)電機(jī)組采用DCS進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)汽輪發(fā)電機(jī)組啟?？刂?。

本工程APS的整體結(jié)構(gòu)采用金字塔形結(jié)構(gòu)，總體上分4層，即機(jī)組控制級、功能組控制級、功能子組控制級和單個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制級。通過對機(jī)組工況全面、準(zhǔn)確、迅速的檢測，和大量的條件與時(shí)間等方面的邏輯判斷，按規(guī)定好的程序向各功能組、子功能組或驅(qū)動(dòng)級發(fā)出啟動(dòng)或停運(yùn)命令，確保機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的自動(dòng)啟停，提高全廠自動(dòng)控制水平。

本工程APS設(shè)置的投入條件和斷點(diǎn)如下：機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)設(shè)置8個(gè)斷點(diǎn)，機(jī)組啟動(dòng)準(zhǔn)備斷點(diǎn)、余熱鍋爐升溫?cái)帱c(diǎn)、高壓旁路投入斷點(diǎn)、低壓旁路投入斷點(diǎn)、軸封系統(tǒng)投入斷點(diǎn)、高壓啟動(dòng)油系統(tǒng)投入斷點(diǎn)、沖轉(zhuǎn)斷點(diǎn)、并網(wǎng)升負(fù)荷斷點(diǎn)；機(jī)組自動(dòng)停機(jī)設(shè)置5個(gè)斷點(diǎn)，首臺余熱降負(fù)荷及停爐斷點(diǎn)、第2臺余熱降負(fù)荷及停爐斷點(diǎn)、汽機(jī)跳閘斷點(diǎn)、輔機(jī)停運(yùn)斷點(diǎn)、空冷系統(tǒng)停運(yùn)斷點(diǎn)。每個(gè)斷點(diǎn)的執(zhí)行均需人為確認(rèn)才能開始，采用斷點(diǎn)控制方式，各斷點(diǎn)既相互聯(lián)系又相互獨(dú)立，只要條件滿足，各斷點(diǎn)均可獨(dú)立執(zhí)行。

3 APS設(shè)計(jì)方案

3.1 APS的投入條件

APS投入條件：燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行正常；除鹽水箱水位正常；壓縮空氣系統(tǒng)正常投入；閉式冷卻水系統(tǒng)能夠正常投入；潤滑油系統(tǒng)正常；頂軸油系統(tǒng)正常；EH 油系統(tǒng)正常；盤車系統(tǒng)正常；凝汽器水位正常；抽真空系統(tǒng)正常；空冷系統(tǒng)正常；除氧器水位正常；高低壓汽包水位正常；高低壓給水系統(tǒng)正常；疏水系統(tǒng)正常。

因?yàn)樯鲜鯝PS投入條件各自間均相互獨(dú)立，可在各自功能組內(nèi)完成，且相互之間互不影響，所以在APS設(shè)計(jì)中，將其設(shè)置為APS 投入條件。在APS投入之前，運(yùn)行人員可根據(jù)平時(shí)的運(yùn)行習(xí)慣操作各個(gè)系統(tǒng)，滿足APS投入即可，減少了APS對運(yùn)行人員的運(yùn)行習(xí)慣的影響，增強(qiáng)了APS的可用性。

3.2 APS機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)

當(dāng)上述APS投入條件均滿足時(shí)，機(jī)組就具備了APS自動(dòng)啟動(dòng)的條件。運(yùn)行人員可以根據(jù)機(jī)組狀態(tài)選擇機(jī)組的啟動(dòng)方式，包括冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)或極熱態(tài)。機(jī)組APS自動(dòng)啟動(dòng)控制程序如圖1所示。

圖1 APS機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)順序控制程序

a.機(jī)組啟動(dòng)準(zhǔn)備。此階段完成后，運(yùn)行人員需到現(xiàn)場查看，檢驗(yàn)各泵組、管道等運(yùn)行是否穩(wěn)定，是否存在漏點(diǎn)，各系統(tǒng)閥門狀態(tài)是否正確，確認(rèn)均無問題后，方可啟動(dòng)下一步程序。

b.余熱鍋爐升溫過程。APS自動(dòng)開啟旁路煙囪擋板門到適當(dāng)開度，平穩(wěn)進(jìn)行余熱鍋爐升溫，當(dāng)過熱蒸汽出口主汽溫度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，旁路煙囪擋板門將全部打開。

c.旁路投入。當(dāng)旁路門前溫度、壓力超過一定值時(shí)，自動(dòng)開啟旁路門，并自動(dòng)調(diào)節(jié)旁路閥后蒸汽溫度、壓力為規(guī)定值。

d.汽機(jī)軸封系統(tǒng)投入。當(dāng)均壓箱溫度、壓力達(dá)到一定值時(shí)，自動(dòng)投入軸封系統(tǒng)。

e.高壓啟動(dòng)油系統(tǒng)投入。啟動(dòng)高壓啟動(dòng)油泵，并啟動(dòng)1臺EH 油泵。

f.汽機(jī)沖轉(zhuǎn)。當(dāng)主蒸汽溫度和壓力到達(dá)規(guī)定值時(shí)，汽機(jī)就具備沖轉(zhuǎn)條件，提示運(yùn)行人員檢查主機(jī)及輔助系統(tǒng)狀態(tài)，并ETS復(fù)位，汽機(jī)自動(dòng)掛閘，并按照工藝要求進(jìn)行自動(dòng)沖轉(zhuǎn)，當(dāng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后提示運(yùn)行人員檢查主機(jī)及輔助系統(tǒng)系統(tǒng)等工作是否正常，而后停止交流油泵，并自動(dòng)投入連鎖。

g.并網(wǎng)升負(fù)荷。檢查汽機(jī)發(fā)電機(jī)組主機(jī)及輔助系統(tǒng)工作一切正常后，合汽輪發(fā)電機(jī)滅磁開關(guān)，并自動(dòng)起勵(lì)，增磁，當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓滿足要求后，發(fā)出同期請求，自動(dòng)合閘并網(wǎng)。

3.3 APS機(jī)組自動(dòng)停機(jī)

機(jī)組APS停機(jī)順序控制相對啟動(dòng)過程要簡單許多，如圖2所示。

a.余熱鍋爐降負(fù)荷及停爐。通過自動(dòng)調(diào)節(jié)旁路煙囪擋板門和主汽旁路門開度平穩(wěn)降低汽輪發(fā)電機(jī)組負(fù)荷。當(dāng)負(fù)荷下降到30 MW 后，完全關(guān)閉旁路煙囪擋板門，至此，余熱鍋爐降負(fù)荷及停爐完成。

b.汽輪發(fā)電機(jī)組主機(jī)停機(jī)。當(dāng)負(fù)荷降至3 MW時(shí)，提示運(yùn)行人員按汽機(jī)停機(jī)按鈕，發(fā)電機(jī)程控逆功率保護(hù)動(dòng)作，發(fā)電機(jī)出口斷路器跳閘同時(shí)勵(lì)磁退出，滅磁開關(guān)斷開，機(jī)組轉(zhuǎn)速逐步降低，先后連鎖啟動(dòng)交流潤滑油泵和頂軸油泵，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速為零時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)盤車裝置，至此汽輪發(fā)電機(jī)組主機(jī)停機(jī)完成。

c.輔機(jī)系統(tǒng)及空冷系統(tǒng)停機(jī)。在汽機(jī)跳閘斷點(diǎn)處，提示運(yùn)行人員是否進(jìn)行后續(xù)輔機(jī)及空冷系統(tǒng)停機(jī)（是否需要鍋爐保溫、保壓和保持真空度），程序繼續(xù)執(zhí)行將通過判斷主汽溫度、壓力、汽包水位、汽輪機(jī)汽缸溫度等條件，自動(dòng)停止相應(yīng)設(shè)備，此過程需要時(shí)間比較長，運(yùn)行人員可以根據(jù)實(shí)際情況對各個(gè)輔機(jī)設(shè)備自行進(jìn)行啟停操作；若不需要進(jìn)行后續(xù)輔機(jī)及空冷系統(tǒng)停機(jī)，運(yùn)行人員可直接選擇跳過相關(guān)步驟，完成APS自動(dòng)停機(jī)流程，而后根據(jù)實(shí)際情況手動(dòng)啟停相應(yīng)的輔機(jī)設(shè)備。

圖2 APS機(jī)組自動(dòng)停機(jī)順序控制程序

4 APS設(shè)計(jì)存在的問題及解決辦法

工藝設(shè)備不能完全滿足APS設(shè)計(jì)要求。電廠初步投運(yùn)后，由于個(gè)別設(shè)備招標(biāo)時(shí)未考慮APS設(shè)計(jì)的控制功能，造成邏輯設(shè)計(jì)復(fù)雜及斷點(diǎn)增加。如余熱鍋爐旁路煙囪擋板門選型時(shí)，未考慮可長時(shí)間工作在高溫?zé)煔獾沫h(huán)境下的工況，所以余熱鍋爐升溫過程中，擋板門每開啟10min后就要關(guān)閉5min，用擋板門密封風(fēng)機(jī)進(jìn)行冷卻，增加了余熱鍋爐的升溫時(shí)間和擋板門的控制風(fēng)險(xiǎn)。

邏輯設(shè)計(jì)、調(diào)試均未考慮APS設(shè)計(jì)的要求，因此造成了后續(xù)修改邏輯、調(diào)試等量的增加。本工程APS的設(shè)計(jì)基于功能組級和子功能組級順控邏輯功能的實(shí)現(xiàn)，機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)設(shè)置了余熱鍋爐升溫、高壓旁路投入、低壓旁路投入、汽機(jī)軸封系統(tǒng)投入、汽機(jī)高壓啟動(dòng)油系統(tǒng)投入、汽機(jī)沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)升負(fù)荷共7個(gè)功能組；機(jī)組自動(dòng)停機(jī)設(shè)置了第1臺選定的余熱鍋爐降負(fù)荷及停爐、第2臺余熱鍋爐降負(fù)荷及停爐、停汽輪發(fā)電機(jī)組、停輔機(jī)系統(tǒng)、?？绽湎到y(tǒng)共5個(gè)功能組。每個(gè)功能組均采用步進(jìn)程序自動(dòng)執(zhí)行，每一步均自動(dòng)確認(rèn)條件是否成立，當(dāng)該步開始進(jìn)行時(shí)同時(shí)使上一步復(fù)位，當(dāng)某一步執(zhí)行異常，系統(tǒng)將自動(dòng)暫停步進(jìn)程序執(zhí)行，并報(bào)警提示運(yùn)行人員檢查處理相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備故障，待故障排除后，運(yùn)行人員在APS操作畫面點(diǎn)擊程序繼續(xù)執(zhí)行，以確保機(jī)組在安全可靠的方式下運(yùn)行。

因本工程所在地區(qū)電力缺乏相當(dāng)嚴(yán)重，作為當(dāng)?shù)刂攸c(diǎn)電力工程要求必須長時(shí)間提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)，所以機(jī)組的運(yùn)行工況特別復(fù)雜。機(jī)組主蒸汽系統(tǒng)為母管制，在APS設(shè)計(jì)中僅考慮用1臺余熱鍋爐帶汽輪機(jī)組并網(wǎng)完成APS機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)，而后再將另1臺余熱鍋爐主蒸汽并入進(jìn)行機(jī)組的升負(fù)荷操作，用以簡化APS自動(dòng)啟動(dòng)程序，保證機(jī)組運(yùn)行安全。

5 結(jié)束語

APS是一機(jī)組級復(fù)雜的、綜合性的、多專業(yè)結(jié)合的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，不但要求設(shè)備可控性好，調(diào)試時(shí)間充足，還要求設(shè)計(jì)、組態(tài)、安裝、調(diào)試、運(yùn)行等協(xié)調(diào)配合。要保證APS成功投運(yùn)，需在電廠整個(gè)設(shè)計(jì)周期直至調(diào)試運(yùn)行過程中各個(gè)環(huán)節(jié)把好關(guān)，做好各個(gè)專業(yè)、各個(gè)部門的協(xié)調(diào)工作。

a.設(shè)備、系統(tǒng)的選擇、采購必須合理。從設(shè)備招標(biāo)、訂貨、技術(shù)協(xié)議等工作抓起，各個(gè)設(shè)備、系統(tǒng)滿足控制要求，選擇可靠性高、重復(fù)性好、經(jīng)久耐用產(chǎn)品。

b.在控制系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)及組態(tài)過程中，充分考慮實(shí)現(xiàn)APS所需的接口，將運(yùn)行人員積累的豐富運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、運(yùn)行規(guī)程變成計(jì)算機(jī)語言，形成APS的功能邏輯塊，APS的實(shí)現(xiàn)才有實(shí)際意義。

c.在工程調(diào)試階段預(yù)留足夠的時(shí)間用于完成APS調(diào)試，做好設(shè)計(jì)人員、安裝人員、調(diào)試人員、組態(tài)人員和運(yùn)行人員的協(xié)調(diào)工作。對工程設(shè)計(jì)深度，調(diào)試深度，運(yùn)行水平以及工程管理等方面要提出更高的要求。

聯(lián)合循環(huán)電廠APS是未來自動(dòng)化設(shè)計(jì)的必然趨勢，不僅可以提高機(jī)組自動(dòng)化水平，而且可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，減員增效，提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，增強(qiáng)電力企業(yè)的市場競爭能力。