基于LM2500+G4燃机的联合循环机组APS的研究与应用

　　1 APS概述

　　机组自启停控制系统作为火电厂的一种高级控制系统,能有效提升机组的自动化水平,减轻运行人员在机组启停过程中的的工作强度,提高资源的利用效率[1,2]。

　　机组自启停系统(Automatic Plant Start-up and Shutdown System,简称APS)是根据机组工艺流程在启停过程中的需要,对机组工况全面、准确、迅速的检测,并通过对大量条件的逻辑判断,按设计好的程序向各功能组发出启动和停运命令,以实现发电机组的自动启动或停运[3]。火电机组的启机方式按主设备所处工况分为冷态启动、温态启动、热态启动和极热态启动。停机包括锅炉、汽机的停机操作以及发电机的解列操作。APS系统针对不同的启动方式及停运过程给出相应的启停措施。断点的设置有效弥补现场设备的功能局限[4],在APS系统设计中需要重点考虑。

　　2 APS系统功能设计

　　APS作为机组启动的整体控制中心,主要是按照预定程序向系统、设备发指令,并与MCS、TCS、DEH、SCS、BP系统及其它控制系统配合来实现机组的一键启停功能,其实现功能有:一键启动、停止,断点、跳步,投入、切除,操作画面显示,故障报警及恢复。

　　2.1 框架设计

　　上海华电闵行公司二期改造项目第一阶段机组装机规模为67.38MW,建设二台GE公司的LM2500+G4型燃气轮发电机组(31.247MW,ISO工况)、二台余热锅炉和二台背压式汽轮机发电机组(2.45MW),采用“一拖一”模式。机组的APS功能由TCS系统和DCS系统共同完成。

　　APS主要由三部分组成,一是TCS系统APS控制逻辑,由燃机本身具备的一键启停逻辑及其与DCS系统的接口及相应逻辑组成;二是DCS系统主网APS控制逻辑,主要包括APS主控逻辑、机组各子系统的顺控逻辑,其由独立设计的一对DPU通过网络及硬接线等连接方式实现对各子系统的控制,从而实现APS功能。这部分逻辑是机组实现APS功能的主要部分;三是DCS辅网APS控制逻辑,实现空压机、调压站、化学制水等系统的自动控制,从而实现整体APS功能。

　　APS各部分的功能实现,具有跨控制系统、跨控制器、多系统调用的特性,各系统、控制器之间的信号通信接口设计对实现APS功能具有重要意义。根据DCS网络配置,拟采用APS控制器接入DCS主网冗余交换机的方式,实现与DCS主网、辅网的数据交互,再通过DCS主网控制器的桥梁作用,实现与TCS系统的数据交互,从而实现与整个机组控制系统的数据交互,达到控制整个机组的目的。

　　2.2 断点设置及APS逻辑设计

　　考虑当地电网负荷控制对机组控制过程的影响以及机组安全的需要,机组APS启动控制程序拟设置5个断点,分别为燃机的启动确认断点、燃机发电机并网确认断点、汽机的冲转确认断点、汽轮发电机并网确认断点、供热确认断点。APS启动指令发出后,机组按设定步骤进行条件检查并逐步启动相应设备,直至满足燃机启动条件并点击确认按钮后,程序才发启动指令启动燃机。同理,燃机发电机并网前、汽机启动前、汽轮发电机并网前及供热并网前也同样需要进行人工确认。

　　为实现机组APS功能,机组在APS系统框架设计基础上对各子系统控制逻辑应进行逐步细化及验证。APS逻辑设计是在各子系统的顺序控制以及模拟量控制逻辑准确、可靠的基础上进行的统筹及优化。逐步细化各子系统顺控逻辑,优化各子系统模拟量控制回路参数是实现机组APS功能的重要环节。

　　3 APS启动步序设计

　　APS启动过程设置5个断点,启动前需人工确认以下事项:化学制水正常;开式水系统阀门状态、设备送电情况等检查完毕;闭式水系统阀门状态、设备送电情况等检查完毕;汽机油系统阀门状态、设备送电情况等检查完毕;汽机盘车系统设备送电情况等检查完毕;除氧器上水系统阀门状态、设备送电情况等检查完毕;低压、高压汽包上水系统阀门状态、设备送电情况等检查完毕;燃机进气冷却水系统阀门状态、设备送电情况等检查完毕;燃机系统阀门状态、设备送电情况等检查完毕;主蒸汽管道、疏水系统、高、低压旁路系统阀门状态、设备送电情况等检查完毕;汽机本体检查完毕;盘车手动啮合,确认盘车在啮合状态。

　　APS启动后机组自动检查确认条件:检查锅炉、汽机侧蒸汽管道阀门都在关闭状态,若不是则进行关闭;检测锅炉、汽机侧主要疏水门,若不在打开状态则打开疏水门。机组自动检查确认后、燃机点火确认前,机组运行依次进行以下过程:启动开式水系统;启动闭式水系统;启动汽机油系统;启动盘车系统(手动啮合,远方启动);启动减温水泵系统;除氧器上水;启动锅炉给水泵;低压汽包上水、高压汽包上水;启动燃机进气冷却水系统。

　　燃机点火确认后、并网确认前机组运行过程为:启动燃机点火、投轴封系统、主蒸汽升温升压、启动汽机旁路系统;燃机并网确认后,进行燃机发电机并网操作及发电机升负荷(带初负荷),汽轮机进行挂闸操作;汽机挂闸后等待汽机冲转确认,待条件满足并人工确认后汽机按照预设转速值进行冲转;汽机定速并达到并网条件,待人工确认后汽轮发电机进行并网操作,汽机发电机升负荷;待机组稳定运行后,可确认投供热进入供热模式。至此机组的APS启动过程完毕。

　　4 APS启动系统实施要点及实施效果

　　APS控制方案需反复验证及优化,在实现APS启动功能时应注重以下要点:

　　模拟量控制回路优化。为实现APS对各子系统的有机协调调用和控制,必须对包括高压汽包水位控制、低压汽包水位控制、除氧器水位控制、机组负荷控制、主蒸汽压力及温度控制、供热蒸汽压力及温度控制等与APS相关的模拟量控制回路控制进行控制参数和切入条件的优化,并充分考虑控制策略在整个控制过程中适用性,使其符合APS控制要求,实现APS功能。

　　整体控制策略优化。APS控制对象为整个机组,APS功能在设计、调试、应用阶段均需不断优化其控制策略,针对每一子系统控制应逐步细化、不断验证,使其具有更好的鲁棒性,使其APS控制策略在常规工况及特殊工况中均能满足机组启停机控制要求,使机组整体APS功能更加完善。

　　通过APS的实施优化了机组启动过程中的系统运行工况,提高了机组运行效率,机组每次启机时间平均减少30分钟。同时通过APS逻辑程序化控制,大幅度提高了机组自动化水平,降低了在机组启停时的操作量和人员操作失误的可能性。