9F级单轴联合循环发电机组启动控制策略

9F级单轴联合循环发电机组启动控制策略

陈国坚

东莞中电新能源热电有限公司523129

摘要：分析了9F级单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组控制系统的网络架构。对机组从启动准备、启动、并网、机组温度匹配控制、高中低压蒸汽系统控制及机组带至满负荷整个启动过程的顺序控制策略进行了探讨，对完善系统设计提出了建议。

关键词：9F级；单轴联合；循环发电机；控制策略

为了优化能源结构，改善环境，减少大气污染，同时也为了促进经济大开发，本文介绍9F级单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组。9F级单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组系统复杂，设备繁多，具有较大的危险性。因此，电厂应设置高度自动化的控制系统，尽可能减少人工干预，通过自动程序控制来提高电厂的自动控制水平，最大限度地保护人身和设备安全，达到减小劳动强度和减人增效的目的。

文章对9F级单轴燃气-蒸汽联合循环发电项目，对机组整体启动的控制策略进行探讨。

一、控制系统架构

9F级单轴燃气-蒸汽联合循环发电工程全厂控制系统的总体结构一般分为2层网络，即厂级监控信息网和实时监控网。作为上层网络的厂级监控信息网是全厂的实时监控和信息管理层，包括厂级管理信息系统（MIS）和厂级监控信息系统（SIS），负责机组和电厂的优化运行和管理，服务对象主要为生产管理人员，该层网络采用至少100Mbps的以太网或其他开放性高速网络。下层的实时监控网是实时控制层，包括各单元机组的实时分散控制系统（DCS）、燃气轮机控制系统、蒸汽轮机控制系统、水务管理监控系统及电气网络控制系统等，负责全厂各动力系统具体的实时监视和控制，服务对象主要为生产运行人员，网络的结构形式及速率根据各控制系统的实际要求来确定。

以某9F级单轴燃气-蒸汽联合循环发电工程为例，该工程为单元制机组，每套机组配置1套DCS，随主设备配供燃机控制系统（GTMARKVI）和汽轮机控制系统（STMARKVI）。燃气轮机、蒸汽轮机及其辅助设备的控制、联锁保护等功能由MARKVI实现，电气厂用电、主变压器、蒸汽轮机旁路及余热锅炉等的控制及联锁保护均由DCS实现。同时，多套DCS设置1个公用网，将辅助蒸汽系统、循环水系统、天然气调压系统等公用部分的监控站挂在公用网上，每套DCS通过权限的设置可对其进行监控。DCS与MARKVI之间建有双向冗余通讯，少量重要信号通过硬接线相连，以实现DCS与MARKVI之间监控信息的交换，使运行人员在集中控制室通过DCS的人机接口实现对联合循环机组的监控。

二、机组整体启动顺序控制策略

1、启动准备条件

在运行人员启动机组前必须达到自动启动逻辑本身投入运转所具备的一定条件。这些条件将由DCS，STMARKVI和GTMARKVI所监视才能达到。当所有条件都具备时，机组才被定义为全轴系准备好启动状态。

2、机组启动至并网

当机组满足条件时，MARKVI的人机接口HMI发出一个启动命令给GTMARKVI，GTMARKVI在接受启动命令后，投入主保护，机组开始启动程序，静态变频启动装置（LCI）供电给发电机，透平轴从盘车转速上升到清吹转速，开始清吹，清吹时间以更换4次HRSG体积的空气为准。清吹完毕，LCI输出被切断，机组减速到点火转速，LCI输出功率控制机组维持在点火转速上，燃气轮机进行点火，机组点火成功后，进入1min的暖机过程，如果在点火极限时间60s后没有建立稳定的火焰，就认为机组点火失败，GTMARKVI发出报警信号，机组自动停机。暖机结束后，火焰已经建立，机组开始升速。转速升至50%额定转速时，顶轴油泵退出。

机组启动时，冷却蒸汽压力控制阀自动打开；当转速升至75%～77%额定转速时，冷却蒸汽压力控制阀开始打开，冷却蒸汽压力控制阀关闭，同时，高压主蒸汽控制阀也打开，向低压系统供汽，直到从蒸汽轮机高压和中压段来的蒸汽流量能满足冷却蒸汽量的要求时为止。冷却蒸汽压力控制阀，根据中、低压汽缸间的连通管压力，调节辅助冷却蒸汽的流量。当机组达到90%额定转速时，LCI解列，母线工作开关完成发电机由电动机方式向发电机工作方式切换。燃气轮机产生的扭矩成功地将机组升速到全速空载后，自动同期动作，发电机开关闭合，防喘放气阀自动关闭，机组开始带负荷。

3、蒸汽温度匹配控制

机组启动时，机组带负荷至旋转备用负荷后，将维持在该负荷下，由DCS启动STMARKVI温度匹配控制逻辑，机组进入燃气轮机排气温度与蒸汽轮机高、中压进汽室金属温度的匹配程序。考虑到蒸汽通过主蒸汽控制阀时有温度下降以及过热器能够达到的温度，将高压缸进汽室金属温度加110℃作为燃气轮机排气温度的标的值，燃气轮机排气的标的温度的最大值和最小值分别为566℃和371℃。当燃气轮机排气温度与标的值相差在5.6℃以内时，蒸汽温度匹配程序完成。但是只有当GTMARKVI的温度匹配逻辑在蒸汽轮机的初始加载过程完成，并且蒸汽轮机进入压力控制（IPC）方式下运行时，机组才退出蒸汽温度匹配程序。

4、高压蒸汽系统投入。

燃气轮机点火后，蒸汽轮机具备启动条件时，余热锅炉高压蒸汽隔离阀打开，余热锅炉本体、高压蒸汽旁路控制阀、主蒸汽控制阀前的管线开始加热和加压。当燃气轮机暖机完成后，过热器放空阀打开，直到高压汽包压力上升到0.15MPa时，该阀关闭。

当下列条件都满足时，DCS发出指令给STMARKVI，打开高压蒸汽调节阀，同时，打开再热蒸汽调节阀，关闭高压抽空阀和中间再热抽空阀，并将高压蒸汽旁路控制阀投入压力控制：机组的输出功率等于或大于旋转备用负荷；蒸汽温度匹配程序已完成；当高压蒸汽旁路控制阀全关后，高压蒸汽调节阀投入进汽压力控制，并且当中压再热蒸汽控制阀进入压力控制方式时，DCS送出1个信号给GTMARKVI切断蒸汽温度匹配。当高压蒸汽调节阀打开，高压蒸汽进入蒸汽轮机高压和中压段，中压缸和低压缸之间的连通管处蒸汽压力上升。

5、中压蒸汽系统投入

中压汽包压力控制阀通过控制中压过热器到冷再热蒸汽管道的流量去控制中压汽包的压力。为了控制中压汽包的压力，中压蒸汽旁路控制阀先是持续打开。。随着蒸汽产量的增加，在压力控制的模式下，中压汽包压力控制阀持续开大，直到全开。在机组的输出功率减少时，中压汽包压力控制阀将关小，直到中压蒸汽汽包压力回到底线压力为止。在机组功率进一步加大时，中压再热蒸汽控制阀进入压力控制。当蒸汽轮机高压蒸汽控制阀和中压再热蒸汽控制阀都进入压力控制方式且燃气轮机IGV在最小角度49°时，蒸汽轮机初次加负荷程序完成。

6、投入低压蒸汽系统

燃气轮机暖机完成时，打开低压过热器放空阀，低压蒸汽旁路阀的压力设定点从起始时的底线压力阶段升高至额定设定值。当低压蒸汽压力超过低压蒸汽控制阀的压力设定值时，STMARKVI在进汽压力控制模式下开启低压蒸汽控制阀。当低压蒸汽旁路阀的设定压力超过正常运行的最大压力时，低压蒸汽旁路阀逐渐关闭。

当高压蒸汽控制阀开度到20%以上并维持60s以后，中压蒸汽旁路控制阀全关，中压汽包压力控制阀进入压力控制时，位于辅助蒸汽管线上的中压蒸汽至辅汽母管电动阀打开，辅助蒸汽隔离阀关闭，由中压冷再热蒸汽替代辅助蒸汽，直到低压蒸汽压力高于辅助蒸汽的压力设定点。在正常运行时，如果连通管内蒸汽压力下降到低于辅助蒸汽压力设定点时，辅助蒸汽控制阀会自动打开，用中压冷再热蒸汽补充低压蒸汽流量的不足。

7、燃气轮机加负荷到基本负荷

蒸汽轮机进入IPC后，STMARKVI向DCS发出信号，告之蒸汽轮机已进入IPC，然后DCS向GTMARKVI发出信号，告知蒸汽轮机蒸汽温度匹配程序完成，燃气轮机以STMARKVI设定的速率使IGV角度回到49°，燃气轮机准备加负荷。同时，STMARKVI在蒸汽轮机寿命损耗率预算的基础上实时计算出蒸汽轮机应有的升负荷率，并将此升负荷率信号送至DCS，DCS再将蒸汽轮机预期的升负荷率送至GTMARKVI，GTMARKVI在比较燃气轮机自身所固有的升负荷率和蒸汽轮机预期的升负荷率以后，选用两者中较低者，机组进行升负荷，直到负荷升至预选负荷或基本负荷。至此，机组整体启动顺序控制程序结束，进入带负荷运行阶段。

结束语：本文所探讨的9F级单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组整体启动的顺序控制策略，该工程控制系统在运行过程中，DCS与MARKVI之间的以太网通讯就曾产生过一些问题，从而影响了控制功能的实现，具体表现为：DCS侧不定期通讯量全部变成坏点，形成通讯故障，无法自愈，只有重启一对控制器才能消除故障现象。在调试运行过程中，经过反复试验，通过修改数据库文件、改变控制器默认接收缓冲的方式，基本解决了这一问题。虽然当今的自动控制技术已非常成熟和先进，但是在工程实际应用过程中，对于机组重要参数和保护信号，还是应该继续采用硬接线连接的方式。

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