燃气蒸汽联合循环机组的一键启停控制系统

摘要

本发明公开了一种燃气蒸汽联合循环机组的一键启停控制系统，所述联合循环机组至少包括燃机及燃机辅助系统、汽机及汽机辅助系统，还包括余热锅炉、BOP系统及公用系统；所述一键启停控制系统覆盖所述燃机及燃机辅助系统、所述汽机及汽机辅助系统、所述余热锅炉、所述BOP系统以及所述公用系统；所述一键启停控制系统为分级控制结构，由上层往下层依次为机组协调级控制模块、子组级控制模块和设备级控制模块。本发明的燃气蒸汽联合循环的一键启停控制系统实现了联合循环机组的安全、可靠的启停，将机组的启停过程固化至控制系统，防止了人为的误操作，机组运行人为干预大大减少，机组的可靠性大大提高。

说明书

技术领域

本发明涉及燃气蒸汽联合循环机组的热工自动控制领域技术，尤其涉及一 种大型联合循环机组的一键启停控制系统。

背景技术

一键启停(APS，automatic power plant start up&shut down system) 是实现发电机组启动和停止过程自动化的系统，是热工自动化技术的最新发展 方向之一。作为提高机组自动化水平行之有效的方法，受到业界越来越多的关 注和重视。一键启停控制系统功能强大，其优势在于可以提高机组启停的正确 性、规范性，大大减轻运行人员的工作强度。一个有效的一键启停控制系统可 增强设备运行的安全性，缩短机组启停时间，降低机组启停过程的能耗，从整 体上提高机组的自动化水平。

但同时一键启停是一个庞大复杂的系统，设计和实施均有较大难度。近年 来国内不少新建燃煤机组和联合循环机组均试图设计一键启停控制系统。

CN102080579A公开了一种核电站汽轮发电机组启停控制方法、装置和DCS 控制系统，该方法包括：检测汽轮发电机组的运行状态和运行参数、汽轮发电 机组的辅助系统的运行状态和运行参数、以及汽轮发电机组运行中出现的故障 信息；将检测到的上述信息集中显示在同一功能跟踪界面；根据功能跟踪界面 显示的上述信息直接对汽轮发电机组的启停运进行控制。该发明申请提供的方 法可以使操纵员直观、快速的发现汽机发电机组的异常，并快速、准确的获得 关键参数并判断原因，从而使操纵员在一定程度上可以直观、快速、准确的对 核电站汽机发电机组的启停运进行控制和干预，保证核电站汽机发电机组的安 全。但上述核电站的启停控制方法无法应用在蒸汽燃气联合机组上，而且启停 控制范围也并不全面，自动化程度不高。

发电机组的另一重要分支燃煤发电机组也有采用一键启停控制系统的，但 由于燃煤发电机组工艺流程复杂，现有的一键启停系统无法满足复杂的工况要 求，最终导致该系统无法实现完整意义上的一键启停而仅能由运行人员操作若 干子组进行单个子工艺系统的启停。

燃气蒸汽联合循环机组相对常规燃煤机组而言，工艺流程简单，燃机和汽 机控制系统的集成度高，有实施APS的基础条件。但是，燃气蒸汽联合循环机 组又具有两大特点：其一是燃气蒸汽联合循环机组必须响应负荷快，机组的启 动时间较燃煤机组大大缩短(因此用于电网调峰)；其二是联合循环机组启、 停频繁，通常为日开夜停。

目前国内燃气蒸汽联合循环电厂APS的开发、应用情况：

1、中华电力某电厂实现了辅机设备启动前准备阶段的一键启动，并且对 启停程序作了修改和完善，使其准备阶段的一键启动费时从原来的55分钟缩 短到29分钟。

2、深圳某电厂报道称2007年其麾下的三台机组均已实现全程一键启动， 但从报道资料看，其锅炉上水等过程仍采用手动方式进行，所以离开全程全范 围的一键启动仍有差距。

3、上海某燃机电厂仅实现在TCS侧即燃机-汽机-发电机的启动部分的一 键启停功能，其APS未涵盖炉岛及BOP(balance of plant)系统。

可以看出，虽然目前国内少数几家燃气蒸汽联合循环机组进行了一键启停 控制系统的开发，但从启停涉及的设备范围，启停过程的自动化程度，以及启 停过程的经济和安全性等方面分析，仍有待进一步优化完善和提高。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种自动化程度高的联合循环机组一 键启停控制系统。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种自动 化程度高、安全性好的联合循环机组一键启停控制系统，以对现有技术的上述 缺陷进行改进。

为实现上述目的，本发明提供了一种燃气蒸汽联合循环机组的一键启停控 制系统，所述联合循环机组至少包括燃机及燃机辅助系统、汽机及汽机辅助系 统，还包括余热锅炉、BOP系统及公用系统；所述一键启停控制系统覆盖所述 燃机及燃机辅助系统、所述汽机及汽机辅助系统、所述余热锅炉、所述BOP系 统以及所述公用系统；所述一键启停控制系统为分级控制结构，由上层往下层 依次为机组协调级控制模块、子组级控制模块和设备级控制模块。

进一步地，所述机组协调级控制模块、所述子组级控制模块中均采用分支 结构和/或跳转结构。

进一步地，所述子组级控制模块、所述设备级控制模块均采用并行优先调 用逻辑；在同一步序中执行多个所述子组级控制模块或所述设备级控制模块的 调用操作，最终的执行顺序受所述子组级控制模块或所述设备级控制模的执行 允许条件限制。

进一步地，所述机组协调级控制模块、子组级控制模块的顺控逻辑中均设 置旁路结构。

进一步地，所述子组级控制模块包括机组BOP控制模块、燃机控制模块、 汽机控制模块、HRSG(heat recovery steam generator)汽水系统控制、公 用系统控制模块。

进一步地，所述一键启停控制系统的人工判断点与确认点均采用自动逻辑 判断的控制方式。

进一步地，所述一键启停控制系统的启动控制依次包括所述BOP系统中辅 机启动，所述余热锅炉的上水，所述燃机的启动并网，旁路系统配合所述余热 锅炉升温升压，所述汽机的冲转、暖机和并网，所述联合循环机组根据锅炉和 汽机的工况按一定速率升负荷至基本负荷。

进一步地，所述一键启停控制系统在启动控制中具有锅炉上水、燃机点火 准备、联合循环启动三种启动模式。

进一步地，所述一键启停控制系统包括锅炉上水程序控制。

进一步地，在所述联合循环机组的注水过程中，旁路除氧系统和凝结水加 热器同步注水，并以除氧器水位作为注满水的标志。

进一步地，所述一键启停控制系统采用锅炉高、中、低压同时上水的工艺。

进一步地，所述一键启停控制系统中，在冷态或温态采用凝结水泵或除氧 泵为锅炉上水的工艺，使给水泵的启动推迟到所述燃机点火时。

进一步地，在启动过程中，利用汽包压力判断机组处于冷态时，选择以除 氧泵代替给水泵上水。

进一步地，所述一键启停控制系统的停用控制依次包括减负荷到所述燃机 的进口导叶IGV最小开度，所述汽机停机，继续减负荷到所述联合循环机组的 最低负荷，所述燃机停机，所述BOP系统的辅机停机。

进一步地，所述一键启停控制系统在停用后一设定时间内继续为高、中、 低压汽包补水以维持正常零水位。

进一步地，所述一键启停控制系统在停用后半小时内关闭高、中压旁路， 并停运给水泵。

进一步地，所述机组协调级控制模块在停用控制中，提前若干小时停运给 水泵。

进一步地，所述一键启停控制系统在停用控制中具有停真空系统、不停真 空系统两种停用模式。

进一步地，所述一键启停控制系统还包括智能报警系统，所述智能报警系 统采取超时判断和/或设备状况异常逻辑判断。

本发明的有益效果：

本发明的一键启停控制系统由于上述结构和控制设计，其启动过程实现了 联合循环机组从全停到带满负荷，其停机过程实现了联合循环机组从满负荷到 机组全停。本发明的一键启停控制系统涵盖范围广且贯穿了燃气蒸汽联合循环 机组的启停全过程，所有由DCS和TCS控制的设备均纳入本发明的一键启停控 制系统的控制范围。

具体而言，本发明的一键启停控制系统实现了从燃机启动准备、点火、并 网、余热锅炉疏水排污升温升压、旁路配合升温升压、汽机进汽条件满足及冲 转、联合循环机组带初负荷的过程，直至按一定速率加负荷至基本负荷的整个 启动过程，以及从燃机按一定速率减负荷到进口导叶IGV(inlet guide vane) 达最小开度，汽机逐步关闭调门停机，旁路配合停机维持高、中、低压系统压 力，燃机继续减负荷到最小出力，燃机停机、余热锅炉保温保压、直至辅机设 备停机的整个停机过程的一键启停控制，其涉及的启停设备的范围之广、启停 过程的自动化程度之高，以及启停过程的经济性和安全性，均大大优于现有的 任一种联合循环机组的一键启停控制系统。

本发明的燃气蒸汽联合循环的一键启停控制系统实现了联合循环机组的 安全、可靠的启停，将机组的启停过程固化至控制系统，防止了人为的误操作， 机组运行人为干预大大减少，机组的可靠性大大提高。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说 明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一键启停控制系统的结构原理框图。

图2是本发明的一键启停控制系统一具体实施例的结构示意图。

图3是本发明的一键启停控制系统的启动流程框图。

图4是本发明的一键启停控制系统的停止流程框图。

图5是现有技术中余热锅炉上水工艺的流程框图。

图6是本发明的一键启停控制系统中余热锅炉上水工艺的流程框图。

具体实施方式

本发明为一种燃气蒸汽联合循环机组的一键启停控制系统，该燃气蒸汽联 合循环机组具有四台机组，每台机组又分为机岛、炉岛和BOP系统三大部分。 其中，机岛包括燃机及燃机辅助系统、汽机及汽机辅助系统、发电机及发电机 辅助系统；炉岛包括余热锅炉和辅助系统；除机岛、炉岛外的部分隶属BOP系 统。

燃气蒸汽联合循环机组的工艺过程可分解成燃机、发电机、汽机、余热锅 炉等具有相对独立过程的几大块。本技术领域的现有技术中，燃机、汽机本身 的程控技术已经相对成熟和完整，因此本发明的联合循环机组的一键启停控制 系统的关键是将余热锅炉及BOP的控制与燃机、汽机的控制整合为一体。

在一具体实施例中，燃气蒸汽联合循环机组的DCS(distributed control  system分散控制系统)和TCS(turbine control system分散控制系统)采用 一体化的西门子T3000系统。所有机岛、炉岛、BOP岛都统一由西门子T3000 系统控制。全厂T3000控制系统的配置为：每台机组一套T3000控制系统共四 套；公用系统另配有一套T3000控制系统。

本发明的燃气蒸汽燃机联合循环机组的一键启停控制系统(即APS)可以 基于T3000系统而展开。显然，本发明的一键启停控制系统的实现并不局限于 本实施例中的T3000系统，也可以采用现有技术中其他常用的系统。

一键启停控制系统(APS)意味着全程自动，对联合循环机组的自动控制 系统提出了很高的要求。在联合循环机组的启停过程中，APS的控制重点是通 过合理和严密的顺序控制模块，完成燃机、汽机、余热锅炉及辅助设备的安全 和经济启停。APS的关键之一是实现顺序控制模块与闭环控制的无缝衔接，使 水位调节、蒸汽压力调节、蒸汽汽温调节等回路在启停阶段实现全程投用自动。

在整个启动过程不设任何“控制断点”是APS的难点所在。就目前而言， 所有的西门子汽轮机的启动过程都毫无例外地保留了两个“控制断点”(人工 判断点、确认点)，且都是依赖人工判断。但本发明提出的由“自动判断”替 代“人工判断”的控制方案，使机组运行更可靠、更安全、更科学，也扩展了 一键启停控制系统的完整性。

如图1、图2所示，本发明的燃气蒸汽联合循环机组的一键启停控制系统， 其实质是机组级的大程控，具体地，该一键启停控制系统为分级控制结构，由 上层往下层依次为机组协调级控制模块、子组级控制模块和设备级控制模块。 由于采用模块化设计层次分明，将隶属机组DCS和TCS控制的所有子组级控制 模块，例如汽机及汽机辅助系统的控制模块(或名“功能组”)、燃机的控制 模块、机组BOP的控制模块、公用系统的控制模块等等，统筹在一个机组协调 级控制模块中，全部自动投入而无需运行人员的干预。

在三级分层模块控制的基础上，本发明大量采用并行调用的方法，子组级 控制模块、设备级控制模块均采用并行优先调用逻辑。即在同一步序中执行多 个子组级控制模块或设备级控制模块的调用操作，最终的执行顺序受子组级控 制模块或设备级控制模块的执行允许条件限制，以保证工艺要求，最大限度地 减少了设备的等待时间。

如图3所示，本发明的一键启停控制系统的启动控制部分，包括BOP系统 中辅机启动，汽机辅助系统启动，余热锅炉的上水，燃机的启动并网，旁路系 统配合余热锅炉升温升压，汽机的冲转、暖机和并网，联合循环机组根据锅炉 和汽机的工况按一定速率升负荷至基本负荷，并将现有技术中的启动控制过程 的二个“控制断点”(人工判断点、确认点)完全采用自动逻辑判断取代。

例如，对汽水品质合格后“人工释放”允许暖机，和“人工释放”汽机从 870rpm冲转至3000rpm这两个“控制断点”，采用自动逻辑判断取代现有的人 工判断。

具体地，断点之一是对“汽水品质合格”的判断。现有技术是以水中杂质 含量(含铁量、含硅量)等采样分析报告合格为人工控制判断的依据。本发明 创造性地提出：机组冷态启动约2小时后、温/热态启动1小时后，水里的杂 质含量就已经低于规定值，也就是说，用时间作为逻辑里“合格”判断或将在 线化学分析仪表参数直接引入判断，以取代现有的“人工判断”。

断点之二是汽轮机从870rpm冲转至3000rpm。现有技术须判断下述几个条 件：①中压缸温度满足X准则和Z准则(汽轮机应力限制)；②870rpm时所有 轴振动、瓦振数值正常；③870rpm时每道轴承温度正常；④汽轮机暖机时间完 成。而上述这些条件在本发明的控制逻辑里都有体现，因此，本发明也将其改 成“自动判断”控制条件。

在一具体实施中，本发明的一键启停控制系统按照燃机启动的工艺要求， 设计燃机的启动顺控如下：首先启动燃机辅助设备：包括启动控制油和润滑油 系统、开启压气机进口挡板，开启压气机防喘阀，启动天然气疏水系统等；燃 机具备启动条件后，启动变频装置SFC(static frequency convertor)有选 择地进行锅炉吹扫或拖动燃机；至点火转速时开启天然气调门进行点火并升 速，到转速达35Hz后停用SFC，到一定转速后关闭压气机防喘阀；燃机同期并 网后，将天然气燃烧从扩散切换到预混模式。

本发明中燃机启动顺控与常规方法相比的独到优势在于：有选择地进行余 热锅炉吹扫。在一键启停控制系统中设计有逻辑记录上次停机的情况。若上次 因燃机跳闸原因而导致停机，则认为余热锅炉内部可能有未经燃烧的天然气残 留，则本次燃机启动前需进行吹扫。若为正常停机，则本次燃机启动前不必进 行吹扫，由变频装置直接拖动燃机到一定转速后点火。此方法在机组正常启停 时，既可缩短机组的启动时间(吹扫时间为12分钟)，又可显著降低启动过 程的厂用电消耗(SFC拖动额定功率4MW)。

如图4所示为本发明的一键启停控制系统的停止控制过程。本发明的一键 启停控制系统的停用控制部分，包括停机前机组辅机设备停机准备，减负荷到 燃机的进口导叶IGV最小开度，汽机停机，继续减负荷到联合循环机组的最低 负荷，燃机停机，余热锅炉保温保压，汽机辅助系统停运，BOP系统的辅机停 运。

为清晰地说明本发明与现有技术的区别，以余热锅炉上水控制为例。参见 图5所示，现有技术中常规的余热锅炉上水流程，是在凝结水、给水和除氧器 系统启动后，逐一调用子组控制模块(即“顺控”)进行低压、中压、高压汽 包和省煤器的补水，主要考虑冷态启动工况时，锅炉补水量大，除盐水来不及 补充，会导致凝结水泵因热井水位低而跳闸。现有技术的此方法在联合循环机 组为温、热态启动工况时具有劣势。温、热态启动工况时，为减少汽包上下壁 温差，单一汽包和省煤器的上水流量不大，除盐水补给流量未充分利用。

如图6所示，本发明的一键启停控制系统中的余热锅炉上水流程，在辅机 启动完成，具备上水条件后，同时执行高、中、低压的上水子组控制模块(即 “顺控”)。通过上水总流量动态闭环控制的协调，维持三压系统的总上水量 与除盐水最大流量的动态平衡。

因此，本发明的一键启停控制系统可以既保证冷态启动工况时总上水时间 与常规方法一致，又能在温、热态启动工况时有效地缩短上水时间。

进一步地，为适应机组的多种启停工况，机组协调级控制模块、子组级控 制模块中均采用分支结构和/或跳转结构，使同一顺控逻辑可适用于不同的启 停工况要求。

同时在分支结构和跳转结构的逻辑基础上，为运行人员提供不同的启停程 度选择，本发明的一键启停控制系统具有锅炉上水、燃机点火准备、联合循环 启动三种启动模式，停真空系统、不停真空系统两种停用模式。

以给水系统子组级控制模块的调用为例：在冷态启动时，锅炉内无压力， 靠凝结水泵和除氧泵的压头即可将水输送到汽包中；而温、热态启动时，汽包 内压力较高，必须启动给水泵才能够对汽包进行补水。给水泵是大功率(电机 功率2400KW)设备，若采用单一模式在汽包上水前即启动给水泵，将造成厂用 电的极大浪费，因此在机组协调级控制模块中采用分支结构，根据汽包压力的 高低判断联合循环机组是属于冷态还是热态启动工况。若为冷态启动工况，则 顺控走直通分支，不启动给水泵即开始上水；若为热态启动工况，则顺控先调 用给水泵启顺控，再执行上水子组控制模块。

进一步地，为使一键启停控制系统可从任意工况点开始执行，机组协调级 控制模块、子组级控制模块的顺控逻辑中均设置旁路结构。即子组级控制模块 在启动顺控时无需从该子组涉及的设备全停状态开始执行，子组逻辑会根据设 备的当前状态屏蔽掉某些步序。因此，除不必重复执行已被操作的步序外，还 有效地避免了某些步序的执行对已运行设备的影响，使本发明的一键启停控制 系统更具灵活性。

以给水系统子组级控制模块的调用为例：由于冷、热态不同工况对启动给 水泵时序的不同要求，机组协调级控制模块会两次调用给水泵启动顺控。第二 次调用给水泵顺控时，设置有旁路条件，若已有给水泵处于运行状态，则不再 重复执行启动操作。不宜重复执行是因为给水泵启动前顺控需关闭出口管路上 所有阀门，采用关门启泵的方式防止管道振动。因此若在给水泵已运行时再执 行启泵顺控，则会导致相关阀门的重复操作，并且中断已经打通的上水通道。

另外，由于本发明的一键启停控制系统采用并行的逻辑结构，同一时刻往 往有多个子组级控制模块在对机组的设备进行操控，运行人员无法同时逐一跟 踪查看。因此，本发明的一键启停控制系统还包括智能报警系统，采取超时判 断和/或设备状况异常逻辑判断逻辑，为一键启停控制系统提供了丰富的运行 状态信息，运行人员仅需在出现异常报警时进行跟踪处理即可。

一键启停控制系统还意味着全程自动，对闭环调节回路有较高要求。有别 于现有技术中运行人员先手动操作，待工况稳定后再将闭环投自动的方式，本 发明的一键启停控制系统由顺控来完成闭环回路的自动投用且确保被控流程 参数在安全范围内无大扰动。实现该功能的组合方法包括变闭环设定值、变闭 环PID参数、启停过程选取其他参数作为闭环被控量、根据启停过程某参数变 化设置闭环不同跟踪值等技术手段。

以汽包给水控制为例，给水闭环控制与顺控子组协调实现汽包水位全程自 动控制：在锅炉上水阶段，顺控将汽包水位控制切换至给水流量控制方式，按 某流量值持续向汽包上水直至启动水位后关闭调门。在燃机启动点火后锅炉启 压阶段：当汽包开始膨胀后，顺控执行水位设定值跟踪实际值的操作，调门仅 维持保证省煤器最小流量的开度；当锅炉继续升温升压蒸发量达到20％以上或 汽包压力上升量达到某定值后，则顺控判断汽包水位膨胀结束，将给水调门控 制无扰切换到正常零水位控制，并进行单冲量和三冲量的控制模式切换。

因此本发明的一键启停控制系统实现了启停过程中闭环回路的自动投用 而确保不受人为因素的影响。

进一步地，本发明的一键启停控制系统还包括锅炉上水程序控制。在冷态 或温态采用凝结水泵和除氧泵为锅炉上水的方式，使给水泵的启动推迟到燃机 点火时，降低了启动过程中的厂用电消耗。采用高压汽包压力与除氧泵出口压 力差进行判断是否启动给水泵上水，若热态时高压汽包压力较高，则先为中、 低压汽包上水，再启动给水泵为高压汽包上水。

进一步地，为提高本发明的一键启停控制系统的快速性和经济性，启动流 程采用锅炉高、中、低压同时上水的工艺，加快启动速度。一方面通过工艺系 统改进增加除盐水补给能力，另一方面分别控制高、中、低三压汽包上水流量 进而控制锅炉总上水流量，使余热锅炉的上水时间缩短。

进一步地，一键启停控制系统在冷态或温态采用凝结水泵(电机功率 640KW)或除氧泵(电机功率200KW)为锅炉上水的工艺，使给水泵的启动推迟 到燃机点火时。通过合理安排和最佳组合，可以并列进行的程序同步进行。如 上面的旁路除氧系统和凝加系统，本发明可以将原程序控制总时间约为390分 钟(冷态)，优化为并列程序控制的总时间缩短至270分钟(相应地，热态所 需时间最短约40分钟)。

针对燃气蒸汽联合循环机组作为调峰机组日启夜停两班制运行的特点，本 发明的一键启停控制系统在停机后一定时间内继续为高、中、低压汽包补水维 持正常零水位。该方法即可以缩短次日联合循环机组启动时的补水时间，又可 以利用锅炉的蓄热将热水补入汽包，减少补水带来的汽包壁温差，进而使下次 启动时升负荷速率受壁温差限制的程度减少。

本发明的一键启停控制系统采用燃机停机后余热锅炉尽早进入保温保压 模式的方法，在停用后半小时内关闭高、中压旁路，并停运给水泵，减低了停 机过程中辅机的电量消耗，又通过保温保压减少了能量的丢失。

进一步地，机组协调级控制模块在停用控制中，提前若干小时(一般三小 时)停运给水泵，可以有效地降低厂用电率。

在本发明的一些实施例中，在联合循环机组的注水过程中，旁路除氧系统 和凝结水加热器同步注水，并以除氧器水位作为注满水的标志。

在本发明的另一些实施例中，在启动过程中，利用汽包压力判断机组处于 冷态时，选择以除氧泵代替给水泵上水。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术 人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡 本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推 理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范 围内。