提升燃气-蒸汽联合循环机组自动化水平研究

李 壮

（北京太阳宫燃气热电有限公司，北京 100028）

0 前言

随着国家清洁能源政策的推进和空气质量日益严峻的现状，近年来燃气发电技术得到了快速的发展。“二拖一”燃气-蒸汽联合循环机组效率高，供热能力强，更是在北方地区得到了极大的发展[1]。但“二拖一”燃气-蒸汽联合循环机组系统构成复杂，同时控制燃机、汽机和余热锅炉等多台机组，存在着控制系统结构复杂，设备数量、多容量大，各机组间、各系统间互相影响以及互相制约等问题。因此，对运行人员的操作水平和管理水平提出了更高的要求。在机组运行特别是机组启动和停运的过程中，频繁的设备启停操作、参数监视任务，大大增加了运行人员的劳动强度，同时也大大增加了误操作概率。机组自启停控制系统（Automatic Power Plant Start Up And Shutdown System，APS）通过预先设定控制程序，自动完成设备的启停操作。这样，不仅大大降低了操作人员的劳动强度，也减少了出现误操作的概率，从而提高了机组运行的安全性。与此同时，也缩短了机组启动时间，从而提高了机组的经济效益。因此对“二拖一”燃气-蒸汽联合循环机组自启停控制技术进行研究和应用，对于提高机组的运行效率和经济性非常必要。

1 技术创新点

北京太阳宫燃气热电有限公司（以下简称京阳热电）安装1 套780 MW 级二拖一燃气-蒸汽联合循环机组，DCS控制系统采用上海福克斯波罗IA Series 系统。APS 系统实现需要首先搭建宏逻辑，作为所有顺控的基础去加以执行，其次，根据现有操作过程中的难点进行重点攻克及优化。

1.1 宏逻辑的搭建

由于上海福克斯波罗系统没有自带顺控功能块，需要搭建相关宏来实现顺控功能。利用ICC 系统中的CALCA（计算块）来实现，每个CALCA 块中都有8 个模拟量输入（RI01～RI08）、8 个模拟量输出（RO01～RO08）、16 个开关量输入（BI01～BI16）、16 个开关量输出（BO01～BO08），设计完成后的顺控宏可实现每步暂停、跳步及复位功能。

由于顺控逻辑中需涉及部分调门自动设定值，自动开关到一定开度等步骤，因此针对调门设计了一套宏逻辑，通过同时限制阀门开度的上下限来达到阀门自动开至一定开度的目的，通过脉冲及限速块的巧妙配合，实现了自动设定值的效果，为APS 的全程自动打下基础，同时减少了运行人员操作量[2]。

1.2 逻辑创新点

机组启停升降负荷一直是电厂启停调峰中的重要操作，其中协调逻辑显得至关重要，该次改造根据该厂机组实际工况建立了燃机首台启动协调控制条件、燃机第二台启动协调控制条件、燃机协调退汽停机条件、燃机协调停机条件等的中间信号，当机组当前状态满足其中一个条件时，机组自动以15 MW/Min 的速率进行升降负荷，当机组升至预设负荷后机组投入协调闭环控制，实现启停机升降负荷的全自动，同时也设计了开环协调投退按钮，当机组出现问题时可以及时退出自动升降负荷模式，达到灵活控制的目的。

#3 汽轮机润滑油冷却水调阀分为主路调阀及旁路调阀，为实现润滑油温的精确控制，需要运行人员频繁地进行手动干预，这便增加了运行人员的操作量，且2 路调阀的开度给定，给运行人员的操作带来一定的难度[3]。该次改造针对该问题，通过现场实验的办法记录不同流量下的主路及旁路阀开度，将此拟合出了一条综合阀位曲线，然后通过调节综合阀位来变化不同的冷却水流量，从而达到精确控制润滑油温的目的。

由于环保形势严峻，京阳热电NOX排放一直维持在10 mg以内的较低水平，但NOX排放属于大惯性延迟系统，喷氨调阀处于初始端，而NOX测点位于末端，这就造成了京阳热电的脱硝控制系统一直处于手动控制，该次改造通过建立脱硝模型，并且对相关数据进行转换，克服了阀门不线性的问题，通过串级控制系统介入调解，增加前馈信号，改善了调阀的调节效果，使得喷氨调阀投入自动，提高设备自动水平，如图1 所示。

该次改造针对汽轮机自动冲车程序进行了优化，增加汽机自动冲车程序，实现汽机自动冲转定速3000RPM 的功能。自动升速是指DEH 根据高压内缸金属温度自动从冷态、温态、热态或极热态四条升速曲线中选择相应的升速率，并自动确定低速暖机和中速暖机停留时间，自动冲临界，直到3 000 RPM 定速。

图1 脱硝自动控制示意图

汽轮机启动状态判断如下。

冷态启动：高压内缸下半进汽区金属温度在120℃以下。

温态启动：高压内缸下半进汽区金属温度在120℃～415℃。

热态启动：高压内缸下半进汽区金属温度在415℃以上。

2 项目主要内容及数据分析

APS 改造程控共分为3 个级别，分别为机组级启停程控、系统级启停程控及设备级启停程控，见表1。机组级程控实现了机组二拖一、一拖一以及运行方式切换下的机组级全程自动启停控制。系统级程控完成15 个系统级程控，例如#1、#2 锅炉高中低压系统上水程控，实现锅炉自动上水，为机组的快速启停提供了基础。设备级程控使重要辅机及单体设备均实现一键启停，方便了系统级顺控的快速调用，也为机组正常运行时切泵等定期工作提供了便利。

表1 顺控清单

同时为了提高热网经济性，提高供热效率，保证汽机低负荷下最大供热量，实现压力自动控制回路，联通管蝶阀控制一抽调阀前压力不低于定值和二抽调阀前压力不低于定值，联通管蝶阀控制目标为一抽调阀前压力或二抽调阀前压力。2 个控制回路PID 输出进行小选后，作为当前联通管阀位，但须同时保证联通管蝶阀后压力低于要求值时，对联通管阀位控制进行禁降，同时为防止联通管全关，设置了联通管蝶阀最小阀位，从而达到控制目的。

改造完成后启机时间由之前的129 min 缩短为75 min，停机时间由之前的73 min 缩短为30 min，厂用电及气耗成本大幅降低，运行人员操作量大幅减少，设备自动化水平大幅提高，数据见表2。为了摸清机组的最大供热能力，委托华北电科院进行了机组最大供热能力试验。分别在2018 年11 月11 日和17 日在机组总负荷680 MW 和400 MW 工况进行了供热能力试验。通过对联通管后压力曲线进行调整，680 MW 工况机组供热能力由1 500 GJ/h 提高至1 775 GJ/h；400 MW 工况机组供热能力由950 GJ/h 提高至1 200 GJ/h。通过此次试验验证了哈汽提供的联通管蝶阀后最小压力曲线的正确性，并根据试验数据拟合得到了最新的机组供热能力曲线，各负荷点机组供热能力均较之前提高250 J/h 左右。通过“供热能力试验”工作的切实开展，摸清了机组的最大供热能力，有效应对电热矛盾日益凸显的外部形势，为完成年度供热任务打下了坚实的基础。

表2 APS 改造前后经济指标对比表

3 改造效果评估

3.1 提升机组启停过程中的本质安全

燃机发电机组启停频繁，操作量大。单次启停操作步骤约300 项。APS 项目通过顺控逻辑实现机组主、辅设备启停操作条件判断和自动启停操作，对于过程控制，顺控逻辑会随着过程量的变化自动更改调节参数，使机组启停过程按照顺控逻辑设计的要求执行。APS顺控逻辑通过对机组启停过程中的条件、过程变量和调节参数进行实时的客观判断和调节，减少了启停过程中的人为因素，降低了因人为主观错误判断和误操作等导致的风险，提升了机组启停过程的本质安全。

3.2 降低运行人员操作强度

太阳宫电厂燃气轮机为GE 公司的9FA 机组，其控制系统为最新的MARK VIe 控制系统，可以实现自启停功能，但余热锅炉及辅助系统在第三方DCS 侧控制，2 个控制系统间协调性有待完善，特别是在启停机过程中运行人员手动操作频繁，手动干预点过多，而燃气电厂配置人员相对较少，因此运行人员操作强度相对较大。APS 项目的顺利实施减少了运行操作步骤，运行人员由原来频繁的手动干预变为监视操作程序的正确执行，这一改变有效降低了操作人员的工作强度，同时避免了人员频繁操作引发误操作事件的发生。

3.3 提高机组启停经济性

APS 项目的实施由于采用自动的程序控制，使各项操作逐步标准化，操作步骤得到进一步优化，将最优化操作方法在控制系统中固化，有效减少人员延误，提高操作效率，使启动成本有效降低，启停时间大幅减少，仅一台机启停便可省下8 万余元，机组在夏季昼起夜停的操作方式中已节省千万余元。

4 结语

APS 改造可以大大减低运行人员的操作强度，减少运行人员的操作失误，对机组安全运行有很大的帮助，该项目基于FOXBORO 系统对燃气蒸汽联合循环机组APS 设计与调试，提高了京阳热电的自动化水平，帮助更好地完成华北地区的调峰任务，同时提高了电厂的经济效益和环保效益。

DEH 方面，改造完成的一键自动冲转程序、自动摩检功能、阀门部分行程活动试验、低压补汽自动投/退、供热系统自动控制等内容。其中，针对哈汽机组的一键冲转程序、供热系统自动控制等均代表国内机组领先水平。