GUD 1S.V94.3A燃气——蒸汽联合循环发电机组启动过程研究及优化
【摘 要】:本文介绍了西门子公司生产的GUD 1S.V94.3A燃气——蒸汽联合循环发电机组的启动过程及其原理，并针对郑州燃气电厂的两台该型机组实际运行中出现的一些重要问题进行了分析研究，探讨了其自动控制逻辑上的根本原因，提出了解决方案。对于存在较大优化空间的冷态启动过程进行全面剖析，明确了影响冷态启动经济性的，需要重点监视、调整的有关参数并指出了优化方法。从整体上全面改进了机组启动的策略，达到了安全、经济地通过启动过程的目的。文章还给出了描绘不同工况下机组标准启动过程的几组曲线。
【关键词】：动力机械工程，燃气-蒸汽联合循环，启动，优化
0 绪论
0.1 GUD 1S.V94.3A燃气——蒸汽联合循环发电机组简介
郑州燃气电厂GUD 1S.V94.3A燃气-蒸汽联合循环机组采用德国西门子公司制造的燃气轮机与蒸汽轮机。燃气轮机型号V94.3A，采用单缸单轴、轴向排气的结构，具有设计合理、运行可靠、寿命长、适合多种燃料、检修方便等优点。既适于作为电网的基本负荷机组，也适合于作为调峰机组。燃机采用可调节的进口导叶（IGV，开度-8—108%），在低负荷时，可提高机组的经济性。压气机有15级，压比17，设有两级防喘放气。透平有4级，采用压气机抽气进行密封冷却。燃烧室为环形燃烧室，装有24个干式低NOx混合型燃烧器。发电机是冷端驱动，与燃气轮机刚性连接，采用有刷励磁方式，配合启动变频装置（SFC），在机组启动时作为电动机使用，拖动燃气轮机，冷却系统为水－氢－氢。
汽轮机型号为H30-25，E-30-25-1×12.5（TCF1），为三压、再热、双缸凝汽式汽轮机，室内安装。全周进汽式，无调节级，主要以滑压方式运行，与发电机通过SSS离合器联轴，构成完整的单轴配置，汽机采用高压、中压和低压蒸汽旁路系统。
锅炉采用国产三压再热型余热锅炉，燃气（烟气）、主蒸汽、再热蒸汽、高低压给水、凝结水系统均采用单元制。
机组的控制系统采用西门子生产的TELEPERM XP系统，由现场的I/O柜（ET200）、OM650操作监视系统、AS620过程控制和自动化系统、AG95F故障安全系统、ES680工程师站系统，构成了一个对联合循环发电机组进行集中监控的完整的控制系统。
0.2 机组启动过程在安全性、经济性上的重要性
郑州燃气电厂是作为调峰电厂来设计的，承担着河南电网的调峰任务。在目前电网峰谷差较大的情况下，充分发挥燃气－蒸汽联合循环机组启停快速的优势，对于电网的安全稳定运行具有重要意义。
对于该厂自身来说，大多数情况下机组按照每日启停的方式运行。虽然机组具备快速启停的能力，但启停过程，尤其是启动过程，工况变化迅速，稳定性较差，对机组启动机理加以研究，充分掌握其内在规律，对于保证启动过程的安全性将发挥重要作用。同时，机组启动阶段，有相当长的时间为燃机单循环运行，机组运行经济性差，根据机组启动控制原理，进行合理调整，缩短不必要的启动时间，将大大提高整体上的机组运行经济性。
1 GUD 1S.V94.3A燃气——蒸汽联合循环发电机组程序启动过程
1.1 机组协调控制下的整组启动过程
在机组协调控制模式下，GUD 1S.V94.3A燃气—蒸汽联合循环发电机组可实现一键式启动，其整组启动的过程与常规火电机组有相似之处，更具有鲜明的特点。以下关于机组的启动过程的简介，除加以说明的外，均由TXP控制系统自动完成：
(1) 检查机组各辅助系统正常，外围设备状态符合启动条件；
(2) 操作员在OM界面上选择机组启动模式、负荷控制方式、变负荷率、目标负荷等；
(3) 依次启动机组各外围辅助系统，包括：燃机罩壳通风系统、除盐水系统、闭冷水系统、循环水系统、辅助蒸汽系统、清洁疏水系统、余热锅炉疏水系统、润滑油系统、真空系统、轴封系统等；
(4) 依次启动凝结水供应系统、凝结水预热系统、锅炉高中压给水系统、旁路除氧器系统，开始向余热锅炉上水。打开锅炉烟囱挡板；
(5) 启动锅炉高、中、低压蒸汽系统，开启各蒸汽系统的疏水程序；
(6) 启动燃机轮机，点火、升速直至机组与电网并列；
(7) 产生足够参数的蒸汽，余热锅炉高、中、低压蒸汽系统暖管；
(8) 高压系统蒸汽压力达到设定值，高压旁路系统控制方式发生切换，为汽机冲转时的蒸汽压力控制做好准备；
(9) 等待蒸汽品质合格，操作员释放汽轮机进汽，开始暖机；
(10) 汽轮机暖机结束，操作员释放升速直至SSS离合器啮合，汽机并网；
(11) 机组进入联合循环运行方式，整组负荷协调控制，启动过程结束。
依上所述，联合循环机组整组启动可以分为几个过程：外围辅助系统的启动过程；燃气轮机的启动、并网过程；余热锅炉的启动、暖管过程；汽轮机的暖机、冲转、接带负荷过程。以下，我们将着重就燃机和汽机的启动过程做相关介绍。
1.2燃机的启动过程
燃气轮机的启动是机组整组启动中最核心的部分，其程序衔接紧密，自动化程度高，可人为干预的步骤很少。其过程分为以下几个阶段：
（1） 各系统自检，判断启动条件具备；
（2） 盘车脱开，SFC带动燃机升速，对余热锅炉进行清吹；
（3） 清吹结束，SFC退出，燃机惰走至点火转速；
（4） SFC再次投入，燃机升速、点火；
（5） 燃机升速，达到自持转速后SFC退出，监视各系统正常；
（6） 燃机满速，燃烧模式由扩散模式切换至预混模式，机组并网。
1.3 汽机的启动过程
汽轮机的启动是联合循环机组启动过程中耗时最多、步骤最复杂，但同时也是最具优化空间的一个过程。
1.3.1 汽机启动概述
总的来说，汽轮机的启动包括三个主要阶段：
（1） 启动准备阶段。指检查、准备汽轮机启动前应具备的条件，主要包括：
检查确认TCS（汽机本体控制系统）、EPS（电量保护系统）、STC（汽轮机控制器）等控制系统工作正常；
检查汽轮机各系统处于正常备用状态，各油箱油位、水箱水位正常，油质、水质合格；
启动、检查汽轮机各辅助系统正常，检查仪用压缩空气系统、辅助蒸汽系统、除盐水系统、清洁疏水系统、开式水系统、循环水系统、闭冷水系统、润滑油系统、顶轴油系统、液压油系统、发电机氢气系统、凝结水系统投入正常；
投入轴封、真空系统，凝汽器真空达到规定要求；
检查投入高、中、低压旁路装置自动控制；
检查开启各疏水阀门，主蒸汽、再热蒸汽、低压蒸汽管道及汽轮机本体开始疏水，检查疏水系统正常。
至此汽轮机的启动检查程序结束，汽轮机具备启动条件。
（2） 启动控制阶段。指汽轮机具备启动条件后，依靠各控制器计算、判断各个启动阶段的条件，使汽机按照逻辑逐步冲转、并网的过程。参与控制的主要部分包括：
汽轮机应力控制器TSE，用以计算在汽轮机的材料应力许可范围内的最佳工况，以调整、限制运行工况；
进汽、转速控制器NOR，用以根据进汽参数调节汽机进汽量从而控制转速及升速率；
进汽压力控制器FDPR，用以控制、调节高、中、低压进汽压力，以适应不同的汽轮机启动工况；
高压排气温度控制器HZPR，通过调节汽轮机高压区的蒸汽流量，使排气温度保持在一个允许的范围之下，以控制汽轮机的金属热应力；
高压压比控制器HVDR，用以防止汽轮机内通流工质流量减少而损坏机组；
高压叶片压力控制器HBDR，用以通过控制蒸汽压力来控制蒸汽过热度，减轻在汽机最初进汽阶段由于蒸汽冷凝对金属产生的热应力。
（3） 启动监视阶段。指在由控制器完成汽轮机启动过程中，由操作员监视、调节机组状态及各项指标参数在正常范围内。主要监视项目包括：
高、中、低压进汽化学品质合格；
进汽参数在规定范围内；
汽轮机升速率在正常范围内；
升速过程中汽机各轴振、瓦振、温度正常；升速过程中汽轮机各辅助系统运行、配合正常；
旁路系统配合正常；
锅炉水位正常，给水稳定；
汽轮机啮合后升负荷率正常。
正确、快速的渡过以上三个阶段对实现汽轮机启动的安全性、经济性有着决定性的意义。
1.3.2 汽机启动顺序控制
汽机的启动按照以下的程序进行：
（1） 测试各阀门状态，启动各汽轮机控制器；
（2） 启动汽机本体疏水程序，进行本体疏水；
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