M701F4型燃气蒸汽联合循环机组旁路控制优化

M701F4型燃气蒸汽联合循环机组旁路控制优化雷增强;高玮;卢冠勋【摘要】Inordertoimprovecontrollevelofthebypassofgas-steamcombinedcycleunitandrealizeitsfullprocessauto-maticcontrolinthecourseofstart-stop,thispaperanalyzesandstudiesstart-stopprocessofoneM701F4gas-steamcom-binedcycleunitandproposespointedoptimizationschemesforjudgementonstart-stopstateoftheunit,bypasspressureset-ting,pressuresettingrate,bypasscontrolmodeswitching,coordinationofbypassandvalveofthesteamturbine,andsoon.Aftertheoptimization,ithasrealizedfullautomationofstart-upprocessoftheunitbypassfromstart-uptogrid-connectionandautomaticcoordinationofthebypassandthevalveofsteamturbineinthecourseofstart-stopincludingabnormalshut-down.Meanwhile,ithasimprovedautomationleveloftheunitandensuredsafeandstableoperationoftheunit.%为了提高燃气蒸汽联合循环机组旁路控制水平，实现旁路在启停过程的全自动控制，通过对某M701F4型燃气蒸汽联合循环机组（双轴）启停过程进行分析研究,对机组启停过程状态判断、旁路压力设定、压力设定速率、旁路控制模式切换、旁路与汽轮机调门的配合等问题提出了针对性的优化方案，优化后实现了机组旁路从启动到并网的启动过程全自动以及启停机过程（包括非正常停机过程）旁路与汽轮机调门的自动配合，提高了机组的自动化水平，保障了机组的安全稳定运行.【期刊名称】《广东电力》【年（卷），期】2018（031）005【总页数】7页(P35-41)【关键词】燃气蒸汽联合循环机组;旁路全程自动;旁路与调门配合;控制优化【作者】雷增强;高玮;卢冠勋【作者单位】广州粤能电力科技开发有限公司广东广州510600;广州粤能电力科技开发有限公司，广东广州510600;广州粤能电力科技开发有限公司广东广州510600【正文语种】中文【中图分类】TM611.31;TK323旁路系统是指与汽轮机并联的蒸汽减压、减温系统，通过管道、阀门和控制机构将蒸汽不经汽轮机而是直接引入再热器或凝汽器的系统。旁路控制系统(bypasscontrolsystem,BPC)是机组启动过程中的一个重要系统环节，在余热、燃煤锅炉升温、升压期间，实现平稳控制压力、温度、水位等主要参数；初始带负荷阶段实现旁路和汽轮机调门的自动配合；甩负荷时实现压力的平稳控制；滑停阶段、停机期间实现旁路和汽轮机调门的自动配合,在锅炉超压时打开替代安全阀泄压。因此旁路的自动控制对于机组全程自动控制有着非常重要的实际意义［1-5］。1机组概况某热电联产项目2x470MW(F级改进型)燃气-蒸汽联合循环热电联产机组，燃气轮机(以下简称〃燃机”)采用东方汽轮机有限公司M701F4型燃气轮机，燃机发电机组额定功率为325MW；汽轮机采用东方汽轮机厂三压、再热、双缸型抽凝式汽轮机，汽轮机发电机组额定功率为145MW；旁路系统采用〃串联”100%容量设计，分为高、中、低压3路。高压主蒸汽通过高压旁路阀减压、减温后进入冷再系统管路，热再主蒸汽和低压主蒸汽分别通过中、低压旁路阀减压、减温后进入冷凝器。2研究背景目前不管燃气还是燃煤机组，除部分进口机组外，旁路基本无法实现或很少全程自动化控制，部分实现自动也是半自动，基本没有实现真正的全程自动控制，大多需要人工干预、半自动及提供手动设定压力的功能，无法实现各种复杂工况下旁路的自动控制。旁路系统现状主要分为以下3种：a)全手动。无快开，即机组跳闸或甩负荷不开旁路，全程由运行人员手动操作房路只是启动时使用。^半自动。提供手动设定旁路压力，无法实现各种工况下旁路压力设定的过渡及切换，无法实现旁路与汽轮机调门的配合。。全自动。实现冷、温、热态以及不同工况下冲转压力设定的智能自动判断、压力的自动设定、压力升降速率的自动调节、甩负荷压力设定判断、机组跳闸压力设定自动调节、甩负荷及跳闸时旁路开度的自动限制功能等。针对燃机和煤机的不同，旁路系统控制的设计也不尽相同，主要是与汽轮机数字电液控制系统(digitalelectrichydrauliccontrolsystem,DEH)的配合方式不同。针对燃机特点设计的旁路全程自动控制，需要能够确保启机、初并网阶段、正常运行阶段、停机阶段、非正常工况下的压力及水位安全。当前9F级别燃机配套汽轮机基本是三压设定和三级旁路设计，与常规燃煤机组不同，因此与DEH的配合就成了优化的重点，目前与燃机配套的汽轮机厂家主要有上海汽轮机有限公司、哈尔汽轮机厂有限公司、东方汽轮机有限公司。由于国内燃机相对较少，且汽轮机厂家针对燃机的控制研究不够，燃机配套DEH控制策略基本上是挪用煤机配套的DEH的控制策略，部分控制策略存在设计不合理、不完善的问题，并不适用于目前联合循环机组的发展和要求，如启机过程冷、温、热态判断机制以及策略设计；升压阶段的升压速率设定；DEH压力低限设定；旁路与DEH调门压控的配合；阀控投入、退出机制等。3旁路全程控制问题分析及解决3.1冷、温、热态自动判断优化前机组状态判断逻辑主要存在两方面的问题：一是状态判断点选取不合适，以前采用的是汽包压力对应的温度和汽包上内壁温度的偏差来判断机组的状态，而实际上冲转压力的设定应该取决于汽轮机高压缸上下内壁温度来判断［6］，需要对原逻辑结构进行修改；二是判断复位逻辑不合理，原逻辑判断未考虑机组跳闸、甩负荷和带厂用电的快速甩负荷（fastcutback，FCB）状态下的状态判断，有可能一直存在一个状态，未实现冲转压力的在各种状态下的正确选择。优化前后的逻辑结构如图1和图2所示。图1机组状态判断逻辑（优化前）Fig.1Judgementlogicofunitstatebeforeoptimization图2机组状态判断逻辑（优化后）Fig.2Judgementlogicofunitstateafteroptimization3.2升压阶段压力设定速率自适应策略升压阶段，旁路需要配合机组升温、升压曲线以及燃烧状况进行升压的自动操作，升压阶段为旁路自动控制的重点，合适的升温、升压速率不仅保证了机组主要参数的稳定，更保证了机组的安全，此次优化针对升压过程设计了根据压力和旁路开度对应的曲线自适应改变升压速率的策略，即当压力对应的旁路开度过大时加快升压速率，保持旁路开度，当压力对应的旁路开度过小时减小升压速率，使旁路随锅炉蒸汽流量增加来加大旁路开度，主要体现在汽轮机升压阶段压力及旁路开度的配合问题［7］，旁路不能开的过大，也不能过小，升速率不能太快也不能太慢，自适应压力调节使得旁路开度和压力实现自适应调节。根据压力设定速率计算式（压力设定速率=k1x（阀位指令开度-当前压力设定Xk2-k3）得出实际压力的升速率，其中，常数k1=0.001、k2=3.3、k3=15。实际示例见表1。表1压力设定速率自适应示例内容Tab.1Self-adaptionexamplingcontentsofpressuresettingrate设定当前压力p/MPap-k2/MPak3阀位指令开度/%压力上升设定速率/（MPa-s-1）（下限为0）0.501.651510-0.006651.003.3015200.001701.504.9515500.030052.006.6015230.001402.508.2515240.000753.009.9015250.000103.5011.5515300.003454.0013.2015400.011804.5014.8515500.020155.0016.5015400.008505.5018.1515400.006856.0019.8015600.025206.5021.451520-0.016457.0023.1015700.031907.5024.7515770.037258.0026.4015800.038603.3各种模式切换问题旁路全程的重点之一是压力设定及设定速率在不同模式之间的切换，如关阀模式、最小阀位模式、爬坡模式（冲转模式）、跟随模式以及非正常模式之间压力设定的切换、压力设定速率的切换。优化过程中发现很多问题，如最小阀位模式下高、中、低压起压时机不同，最小阀位模式下最小阀位设置应不同；爬坡模式（冲转模式）和跟随模式切换时压力设定速率切换（防止旁路突开），跟随模式的投入条件判断，跟随模式与汽轮机压控模式的配合；汽轮机跳闸、甩负荷、FCB工况下旁路压力设定以及各个模式的切换等。以下为优化后的各种模式表述。3.3.1关阀模式机组启动初期（初点火未起压），旁路需保持全关。投入条件：①燃机停运；②主蒸汽压力小于0.2MPa;③旁路在自动位置。退出条件：主蒸汽压力大于0.4MPa并延时30s。3.3.2最小阀位模式旁路投入过早会影响凝汽器真空；投入过晚会使管道汽水相击产生振动，延缓机组启动速度及噪声扰民等问题，为此，在高、中、低压投入过程中设计了根据压力以及启动模式判断旁路开启顺序［8］。投入条件：①燃机未停运；②燃机未并网；③高、中、低压旁路未在跟随模式（高压旁路最小阀位开度为10%且主汽压力大于0.5MPa；中压旁路最小阀位开度为10%且再热蒸汽压力大于0.3MPa；低压旁路最小阀位开度为5%且再热蒸汽压力大于0.2MPa）。退出条件：旁路进入跟随模式且汽轮机发电机并网和燃机停运。3.3.3爬坡模式随蒸汽流量增加向根据机组状态判断出的冲转压力目标爬升，压力设定下降速率为0，也就是说此阶段压力设定只能增加不能降低（除非旁路切手动），根据设置好的压力对应阀位自适应改变升压速率（具体速率设置见第3.2节的描述）。爬坡阶段旁路开度下限受主蒸汽温度对应函数限制,目的是防止由于压力较低导致的旁路全关，此限制随着跟随模式的进入而消失。投入条件：①高中、低压旁路阀位分别大于10%、5%；②燃机点火；③燃机并网；④汽轮机跳闸；⑤高、中压旁路未在冲转模式；⑥高、中、低压旁路在自动位置。退出条件：跟随模式投入运行。3.3.4冲转模式冲转模式设置目的是为了避免压力较低。由于压力设定目标是速率限制后的实际压力与冷、温、热态冲转目标压力判断取小得出，如此时旁路自动在启机过程中切除过自动且燃机负荷较高，旁路开度过大，导致主汽压力较低。由于排烟温度高燃机无法继续升负荷，此时旁路在自动下让压力设定无法继续升高。冲转模式则确保了此时压力设定目标为对应的冷态、温态、热态冲转压力，确保不会出现上述情况，当实际压力大于最大冲转压力（热态）时，复位压力设定逻辑的取小功能（冲转模式的设置是为了辅助爬坡模式，可视实际情况投用）。投入条件：①高压旁路阀位大于45%且主蒸汽压力大于0.8MPa，延时30s（阀位和压力阈值可根据实际情况修改）；②中压旁路阀位大于45%且主蒸汽压力大于0.4MPa，延时30s（阀位和压力阈值可根据实际情况修改）；③低压旁路阀位大于45%且主蒸汽压力大于0.2MPa，延时30s（阀位和压力阈值可根据实际情况修改）④汽轮机转速小于3000r/min；⑤画面点击投入冲转模式。退出条件：高、中压旁路投入压控模式。3.3.5跟随模式当旁路全关且汽轮机进入压控模式时，旁路压力设定在当前压力的基础上叠加一个阈值，使实际压力设定总是大于实际压力，从而保证旁路可靠关闭。该设定值跟踪实际压力变化的同时还受变化速率的限制（由于正常运行时为了保证旁路可靠关闭设计了压力设定速率限制，就存在切至跟随模式瞬间由于速率限制导致旁路突开，为了避免这种情况，设计了切换瞬间防开脉冲，即当切换至跟随模式瞬间发一脉冲置切换速率为20MPa/s，保证切换无扰），如主蒸汽压力上升过快，超过该速率限制，旁路则打开应急调节压力，直到压力恢复正常，旁路再次关闭，重新进入跟随状态［9］。投入条件：①旁路在自动位置；②汽轮机调门进入压控模式；③旁路阀位小于2%。退出条件：①旁路在手动位置；②汽轮机负荷小于60MW且压控退出；③燃机停运；④燃机运行且汽轮机跳闸和燃机、汽轮机发电机解列。3.4旁路与DEH调门压控配合问题主要在启机并网阶段、停机减负荷阶段、非正常工况阶段需要旁路与汽轮机调门的配合。3.4.1启机并网阶段主要存在压控和跟随模式之间的切换，压控模式要求（高压旁路为例）：①并网10min后；②汽轮机负荷大于10MW;③余热锅炉运行；④高压旁路全关；⑤高压调门开度大于95%时，投入请求才算正式投入高压调门压控模式。由压控模式条件可知，要进入压控模式需要高压调门开度大于95%，但由于DEH压力低限为7MPa，而旁路热态冲转压力为7.8MPa，冷态压力为3.8MPa，温态压力为5.8MPa，热态才刚刚满足压力低限不动作（压力低限动作则关高调），两侧压力控制目标互相矛盾，无法实现旁路和汽轮机调门的配合（汽轮机无法进入压控模式和旁路无法进入跟随模式）。优化过程中，针对该问题设计了启机阶段汽轮机侧压力低限值为不同状态下冲转压力值，待机组冷态和温态状态消失后自动恢复原7MPa设定值，彻底解决了由于压力限制导致的模式切换问题，优化前后的逻辑结构如图3和图4所示。图3DEH压力低限判断逻辑结构（优化前）Fig.3JudegementLogicstructureofDEHlowpressurelimitbeforeoptimization图4DEH压力低限判断逻辑结构（优化后）Fig.4JudegementLogicstructureofDEHlowpressurelimitafteroptimization3.4.2停机减负荷阶段随着负荷的降低，蒸汽压力逐渐降低，汽轮机压控方式下，压力会逐渐降低至压力低限，导致汽轮机调门开始关，同时压控模式会退出。原旁路逻辑还在跟随模式下，旁路不控制压力，无法配合汽轮机调门控制压力；优化后，当汽轮机负荷小于60MW且汽轮机退出压控模式时，可实现旁路压力设定值自动设定为当前压力，旁路接手压力控制，实现停机降负荷阶段压力控制，为实现滑停提供了保障［10］。3.4.3非正常工况阶段汽轮机跳闸：①高、中压旁路压力设定为跳闸前负荷对应的压力曲线，低压旁路为固定值；②汽轮机调门退出压控模式。甩负荷：①高、中压旁路压力设定为跳闸前负荷对应的压力曲线，低压旁路为固定值，甩负荷结束后自动投入压力手动设定模式，设定值为当前压力，运行人员可根据机组情况自行调节；②汽轮机调门退出压控模式；③如需继续冲转，可点击画面冲转模式按钮进行重新冲转［11］。FCB:①高、中压旁路压力设定为跳闸前负荷对应的压力曲线，低压旁路为固定值；②汽轮机调门退出压控模式。4其他方面的优化改造4.1旁路快开和减温控制优化高压旁路快开滞后中压旁路3s，且高压旁路快开条件增加中压旁路开度大于2%，避免高压旁路快开而中压旁路未开的情况导致的憋压。旁路减温在常规PID控制策略的基础上增加了旁路减压调节指令和旁路前压力的函数校正前馈，实际投用效果表明能够满足旁路减温控制要求［12］。4.2机组启停、甩负荷过程水位控制优化联合循环发电机组余热锅炉正常运行水位采用常规三冲量调节能够满足调节要求，但在机组启停或甩负荷、FCB过程，由于中压汽包设计容量偏小以及该过程压力及旁路调门开度的大幅变化易引起水位的大幅波动，造成跳机。此次优化针对100%旁路在机组跳闸或甩负荷或FCB时快开会导致汽包水位波动大（尤其是中压汽包水位）导致跳机的问题，首先去除旁路的快开（电磁阀）功能，采用指令的形式开旁路。指令根据不同工况采用不同目标，针对于此设计了非正常工况下旁路开度的自动超驰和开度限制功能，极大保证了机组的安全［13-14］。图9旁路系统运行操作画面Fig.9Operationpictureofbypasssystem4.3手动压力设定模式笔者个人认为火力发电厂自动启、停机控制系统（automaticplantstart-upandshutdownsystem，APS）是基于机组正常工况下的全程自动控制，无法实现非正常工况下的旁路自动控制，为了便于运行人员操作，增加手动设定很有必要。当机组出现非正常工况调整或甩负荷时，旁路先自动维持跳闸前汽轮机负荷对应压力6min（该时间考虑机组大幅变化到基本稳定所需时间）后无扰转为手动设定模式。运行人员可根据机组情况在当前压力设定的基础上自行设定，如需停机，则按照停机压力要求设置；如需再冲转，则将压力维持在判断好的冲转压力下，投入冲转模式即可跟正常启动一样。手动压力设定模式在任何工况下都可作为运行人员最后一道安全防线。5优化实施后效果及未解决问题分析5.1优化实施后效果优化实施后取得了如下效果：a）冷、温、热态启动过程自动化，压力过渡平稳，旁路开度不会忽开忽关，水位扰动小，实际运行曲线如图5所示。图5旁路全程自动（启机过程）Fig.5Fullprocessautomationofbypassinthecourseofstart-upb）解决了机组启停过程以及非正常工况下DEH调门与旁路的配合问题。c）非正常工况，如跳闸、甩负荷时旁路压力的自动控制以及旁路阀门开度的自适应限制，图6和图7为100%甩负荷时的高、中压旁路压力控制曲线。由图6和图7可看出，在甩负荷过程中，高、中压旁路压力控制平稳。图6100%甩负荷趋势曲线（高压旁路）Fig.6100%loadrejectiontrendcurvesofHPbypass图7100%甩负荷趋势曲线（中压旁路）Fig.7100%loadrejectiontrendcurvesofIPbypassd）水位波动小，有效防止锅炉跳闸，缩短启动时间。图8为机组50%甩负荷时水位控制效果，高压水位是24mm^-73mm—46mm,中压水位是31mm—-131mm—164mm—-5mm，低压水位是41mm—-82mm—-135mm。图850%甩负荷趋势曲线（水位和汽温）Fig.850%loadrejectiontrendcurvesofdrumlevelsandmain/reheattemperature）e）为实现机组启停全程APS、FCB和机组全自动滑参数停机奠定了基础，实际旁路系统运行操作画面如图9所示。5.2存在问题分析及提出思路降负荷阶段压控退出后，高、中压调门调节过程描述：a）启动过程中机组并网带初负荷，投入压控之前DEH在阀控方式下，高、中压调门接收流量指令控制；b）高、中压调门一旦投入压控后，阀控模式就会消失，高、中压调门接收自己的PID流量指令；c）高压调门退出压控，中压调门投入压控方式时，高压调门指令来自高中流量指令中较小者；d）高、中压调门都退出压控，高、中压调门流量指令来自总的流量指令。目前还存在如下问题：在停机降负荷过程中，压力低限动作退出阀控后的调门无法再次投入阀控，如果高、中压调门中一个退出压控时，另夕卜一个调门会突然关闭；如全部退出，就只能手动操作同步，手动无法同时协调高、中压调门同步开关，这样会造成高压中调门的开关不同步，导致振动、瓦温的波动，不利于机组的安全运彳行针对此种情况，笔者设计了在降负荷到某一阶段（如接近任高、中压控方式下的压力低限动作值之前）自动退出压控模式投入阀控模式，此时高、中压调门保持全开不会造成扰动且可通过综合指令同时控制高、中压调门，避免上述问题的出现。6结束语通过对某M701F4型燃气-蒸汽联合循环机组（双轴）启、停过程旁路自动的分析和优化，发现并解决了影响旁路全程自动以及旁路与汽轮机调门控制配合的技术难题，机组50%和100%甩负荷以及启机过程旁路全程自动控制，证明此次旁路控制优化取得了阶段性的成功，为机组的安全稳定运行提供了保障，为机组实现APS、FCB和全自动滑参数停机功能创造了良好条件。参考文献：王利宏，冯慧芳,周立刚.9F等级联合循环余热锅炉给水系统优化配置[J].热力发电2015,44(1):8-12.WANGLihong,FENGHuifang,ZHOULigang.Optimizationonfeedwatersystemfora9Fclasscombined-cycleHRSG[J].ThermalPowerGeneration,2015,44(1)：8-12.胡康涛，潘凤萍，万文军.自抗扰控制技术在火力发电厂中的应用[J].广东电力，2016，29(12):1-5.HUKangtao,PANFengping,WANWenjun.Applicationofactivedisturbancerejectioncontroltechnologyinthermalpowerplant[J].GuangdongElectricPower，2016，29(12):1-5.魏海姣，周坤胜，张富宏，等.600MW汽轮发电机组低压旁路阀内漏原因分析及处理[J].内蒙古电力技术，2017，35(5):61-64.WEIHaijiao,ZHOUKunsheng,ZHANGFuhong,etal.Causeanalysisoflowpressurebypassvalveinternalleakagefor600MWsteamturbineunitanditstreatment[J].InnerMongoliaElectricPower,2017,35(5):61-64.杨晓伟，李国明，谢澄，等.600MW机组主再热蒸汽及旁路系统管道支吊架调整与优化[J].浙江电力，2016，35(4):54-58.YANGXiaowei，LIGuoming，XIECheng，etal.Adjustmentandoptimizationofpipesupportsandhangersformainandreheatsteamandbypasssystemofa600MWunit[J].ZhejiangElectricPower,2016，35(4):54-58.李俊,邓小明.M701F燃气轮机进气过滤系统改进[J].热力发电，2015(7):121124.LIJun,DENGXiaoming.ImprovementofairintakesysteminM701Fgasturbines[J].ThermalPowerGeneration,2015(7):121-124.赵俊杰，田景奇，候奇，等.上海汽轮机厂1000MW汽轮机启动时的各项准则分析[J].热力透平,2014(9):167-171.ZHAOJunjie,TIANJingqi,HOUQi,etal.Analysisofvariouscriterionsforstart-upofSTP’s1000MWultra-supercriticalsteamturbines[J].ThermalTurbine,2014(9):167-171.王燕晋，陈振山.燃气-蒸汽联合循环全程旁路系统分析和控制[J].华北电力技术,2014(9):14-17.WANGYanjin,CHENZhenshan.Analysisandcontroloffullbypasssystemforgas-steamcombinedcycleunit[J].NorthChinaElectricPower,2014(9):14-17.陆相东，董林.370MW汽轮机组和旁路全程自启动方案及应用[J].电力科学与工程2012,28(3):70-74.LUXiangdong,DONGLin.Theself-starting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