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張紅福 （1972-）

男，甘肅蘭州人，工學碩士，工程師，從事熱工自動化邏輯組態、調試和試驗工作，現就職于廣州粵能電力科技開發有限公司。

摘要：機組自啟停控制系統(APS)是實現和提高發電機組自動化水平的一個重要的手段，本文針對華能海門電廠東汽日立1000MW機組APS系統中汽機自動沖轉的實現，研究并分析了APS與DEH的接口，APS的沖轉斷點以及DEH中從汽機自動掛閘至升速至3000轉的控制，對國內同類機組APS系統的設計和開發具有重要的參考價值。

關鍵詞：機組自啟停控制系統(APS)；接口；斷點；DEH；升速控制

Abstract: The application of Automatic Power Plant Startup and Shutdown System (APS) is
 a crucial method to enhance the automation standard of power plant. In view of the 
turbine turn performance of DECHITACHI 1000MW generator units, the interface between APS
 and DEH, the turn broken points of APS and the control strategy of speed-up to 3000 rpm 
from turbine latched are studied and analyzed in this paper. It is valuable to the design
 and development of APS in the similar system.

Key words: Automatic Power Plant Startup and Shutdown System (APS); Interface; broken 
point; DEH; Speed-up control

1 引 言

    機組自啟停系統（Automatic Plant Startup and Shutdown System，簡稱APS）作為提高自動化水平行之有效的方法，是實現機組啟動和停止過程自動化的系統，其優勢在于可以減輕操作員的工作強度，最大限度地防止人員誤操作，通過控制系統合理的參數設計，向整個機組提供了可靠的、經濟的啟停指令，通過無延時地監視機組啟停過程中最危險的階段，可以避開潛在掉閘隱患，從整體上提高機組的自動化水平和安全性[1][2][3]。

    華能海門電廠一期工程2×1036MW超超臨界機組鍋爐由東方鍋爐（集團）股份有限公司、日立BHK、BHDB制造的DG3000/26.25-Ⅱ1型鍋爐，為高效超超臨界參數變壓直流爐、對沖燃燒方式、固態排渣、采用單爐膛、一次中間再熱、平衡通風、露天布置、全鋼構架、全懸吊結構Π型鍋爐；汽輪機由東方汽輪機廠、日立制造的N1000-25/600/600型超超臨界、一次中間再熱、單軸四缸四排汽、沖動凝汽式，設計額定功率為1000MW，最大連續出力1036MW，DEH采用日立HIACS 5000M控制系統。發電機由東方電機股份有限公司、日立公司制造的QFSN-1000-2-27型發電機，為全封閉、自通風、強制潤滑、水/氫/氫冷卻、圓筒型轉子、同步交流發電機，定子繞組為直接水冷，定、轉子鐵芯及轉子繞組為氫氣冷卻。機組DCS控制系統采用艾默生（EMERSON）過程控制有限公司基于WINDOWS平臺的OVATION系統。

    本文以華能海門電廠東汽-日立1000 MW 超超臨界1、2號機組實施的APS項目為例，分析并研究了APS啟動過程中自動沖轉的實現，對國內同類機組APS系統的設計和開發具有重要的參考價值。

2 APS的斷點設置及沖轉斷點

    依據華能海門電廠一期1、2號機組的實際情況，APS啟動過程共設置6個斷點：機組啟動準備斷點；冷態沖洗斷點；鍋爐點火及升溫斷點；汽機沖轉斷點；并網及初負荷控制斷點及升負荷斷點。汽機沖轉斷點控制汽機從掛閘到升速至定速3000轉暖機結束的過程，是APS啟動過程中重要的組成部分，對APS的投入具有重要的意義。

2.1 APS汽機沖轉斷點中與DEH的接口信號

    機組DCS控制系統采用的是OVATION系統，而DEH采用的日立HIACS 5000M控制系統，在硬件上沒有一體化，所以APS與DEH之間的接口信號除掛閘、閥門開度增減指令等信號外其它信號采用通訊方式，具體信號見表1所示。

                    表1   APS汽機沖轉斷點中與DEH的接口信號

2.2 APS的汽機沖轉斷點

    汽機沖轉斷點的設計中主要包含有以下幾部分組成：斷點啟動前的允許條件、斷點步序、斷點的完成條件、斷點的操作等。

2.2.1 汽機沖轉斷點啟動前的允許條件

    包括汽機啟動前必須滿足的條件和不滿足時可以超馳的條件，可以超馳的條件主要是汽機沖轉前相關系統中應該投入的自動，必須滿足的條件有：

    a)    APS投入

    b)    APS啟動模式投入

    c)    鍋爐點火升溫完成

    d)    汽機沖轉斷點未完成

    e)    汽機沖轉斷點已選擇

    f)    主汽溫度滿足

    g)    主汽壓力滿足

    h)    確認汽水品質化驗合格

    i)    汽機調節閥預暖完成

    j)    汽機旁路在自動且開度大于30%

    k)    再熱器出口壓力小于0.03MPa

    l)    確認氫氣純度大于97%，氫氣壓力0.36~0.48MPa

    m)    汽機潤滑油壓力、油溫(27℃~40℃)、油箱油位正常

    n)    EH油壓力、油溫正常

    o)    高壓主汽門金屬溫度高于300℃，高壓外缸上下缸溫差小于50℃，高壓排汽室上下缸溫差小于50℃

    p)    汽機盤車投入

    q)    轉子偏心、高壓缸差脹、中壓缸差脹、低壓缸差脹、軸向位移、汽機振動、軸承回油溫度、推力瓦金屬溫度、軸瓦金屬溫度正常

    r)    汽機跳閘

    s)    任一真空泵功能組啟動完成

    t)    凝汽器壓力小于-85kPa

    u)    軸加風機A或B運行、軸封蒸汽母管壓力正常、低壓軸封蒸汽溫度正常

    v)    任意一臺定子冷卻水泵運行、定子冷卻水流量、壓力正常

    w)    機組未并網

    x)    汽機疏水閥開

2.2.2 汽機沖轉斷點步序共有七步（見表2）

                        表2   汽機沖轉斷點步序

2.2.3 汽機沖轉斷點的完成條件

    汽機已掛閘且升速至3000轉(2990~3010)延時60秒。

2.2.4 汽機沖轉斷點的操作

    汽機沖轉斷點的操作如圖1所示，按鈕包括自動、手動、啟動、步進、跳步、復位、確認七個按鈕，同時在操作按鈕上方有狀態顯示，包括啟動允許、自動執行、手動執行、斷點啟動、斷點執行步序、斷點執行步序的監視剩余時間、斷點執行故障、斷點執行成功等信息。
 

                                         圖1   斷點的操作

3 DEH中的升速控制

    DEH采用日立HIACS 5000M分散控制系統，在此硬件平臺上所提供的應用組態工具可利用大宏命令的優勢分層設計[4][5]，使用小模塊搭建的啟動模式管理、步序選擇閉鎖、步序啟動指令管理、步序控制、暖機時間計算、升速控制、報警信號處理大宏等一系列標準化、模塊化的大宏命令。有了這些基礎級的大宏，采用日立分層設計的思想，應用組態就顯得層次分明、維護與修改非常方便。

    當APS汽機沖轉斷點啟動條件滿足后啟動斷點，如表2所示，按步序依次進行，到第七步將升速控制交給了DEH側，DEH中的升速功能分三步完成，第一步設置閥限至最大位置；第二步升速至190轉進行摩擦檢查；第三步升速至700、1500或3000rpm并根據汽機啟動狀態在各暖機轉速進行暖機。在這三步的控制中運用了上面提到的一系列大宏命令，下面就主要的宏命令功能進行分析。

3.1 步序控制

    對步序進行的啟動條件、步序進入條件、步序退出條件、步序旁路條件、步序選擇允許條件等條件的判斷，發出步序選擇、步序啟動指令以及步序正在執行和步序結束等狀態，具體輸入輸出如圖2所示。步序進入和步序退出條件可見表3，步序選擇允許和步序旁路條件如表4所示。
 

                                        圖2   步序控制宏命令

    步序控制輸入共有13個，STRTUP：步序啟動命令條件；STEPIN：步序進入條件；STPOUT：步序退出條件；BYPASS：步序旁路條件；PERMI.：步序選擇允許條件；EXECUT：本步序之后的某一步序正在執行；FINISH：下一步序結束；ANTHER：其它步序按鈕選擇；STEP：其它步序選擇；ORDER：本步序啟動命令已選擇；COM：APS方式下步序選擇按鈕指令；APS：APS方式；MB：通訊方式下步序選擇按鈕指令。

    步序控制輸出共七個，SELECT：本步序已選擇；ORDER：本步序啟動指令已選擇；EXECUT：本步序正在執行；FINISH：本步序結束；START：本步序已啟動；PBSEL：本步序選擇按鈕已選擇；STEP：本步序選擇指令已選擇。

                        表3   步序進入條件和步序退出條件

                        









                        表4  步序選擇允許條件和步序旁路條件

3.2 啟動模式管理

    根據汽機的調節級金屬溫度判斷出汽輪機的四種啟動模式：

    a)    冷態：高壓調節級金屬溫度小于274℃；

    b)    溫態：高壓調節級金屬溫度大于274℃且小于432℃；

    c)    熱態：高壓調節級金屬溫度大于432℃且小于520℃；

    d)    極熱態：高壓調節級金屬溫度大于520℃。

3.3 暖機時間計算

    根據啟動時高壓調節級金屬溫度計算出各暖機轉速的暖機時間，如圖3所示：
 

                              圖3   暖機時間與高壓調節級金屬溫度的關系

3.4 升降負荷率和升速率的確定

    根據熱應力要求的升降負荷率形成實際要求的升降負荷率（0%，1%，3%，5%），熱應力方式退出、ATC退出和機組解列都將升降負荷率置為“0”。

    熱應力方式投入且升速步序正在進行時，根據熱應力要求的升速率和機組的啟動狀態形成實際要求的升速率（0rpm/min,100rpm/min, 150rpm/min, 300rpm/min）。

    ATC方式投入且升速步序正在進行時，實際要求的升速率為“0”、凝汽器真空低、低壓缸排汽溫度高、軸承振動、潤滑油壓力低都將升速率置為“0rpm/min”；ATC方式投入時，實際要求的升速率為“0”、凝汽器真空低、低壓缸排汽溫度高、軸承振動、潤滑油壓力低都將升降負荷率置為“0%”。

3.5 ATC自動和熱應力模式的投切

    ATC自動投入允許條件：無網絡故障、熱應力相關參數輸入無異常。

    ATC自動切除條件：網絡故障、熱應力相關參數輸入異常，手動切除，機組解列，汽機跳閘。

    熱應力模式投入允許條件：ATC自動模式投入，無手動設置升速率。

    熱應力模式切除條件：ATC自動模式切除，手動設置升速率，熱應力相關參數輸入異常。

4 實際投運效果

    汽機沖轉斷點中對汽機沖轉條件作了嚴格的限制，運行人員從畫面上可以清楚地看出哪些條件不滿足，除個別條件需要人工確認外，當斷點啟動條件滿足后啟動斷點就自動完成了從投入潤滑油冷油器、報警復位、汽機掛閘、汽機跳閘首出復位、目標轉速選擇、升速率選擇等一系列的操作，自動給出暖機時間，對運行人員的操作有一定的規范作用，可在一定程度上防止誤操作，可減輕運行人員的勞動強度，對機組的安全運行有積極作用。汽機沖轉斷點的成功投運為整個APS投運打下基礎。

5 結 語

    華能海門電廠1、2號機組的APS項目是國內首次自行建設和實施的1000MW超臨界機組APS項目，其極大提升了機組控制的自動化水平，也提高了機組的運行管理水平，處于國內領先水平，取得了非常好的效果；汽機沖轉斷點的成功投運，也為我們積累了這方面的設計、組態和調試投運經驗， 本文分析了DCS與DEH控制系統硬件非一體化情況下APS與DEH的接口、APS的沖轉斷點以及DEH中從汽機自動掛閘至升速至3000轉的控制，對國內同類機組APS系統的設計和開發也具有重要的參考價值。

參考文獻

[1] 馮連根，周國強.  APS控制系統在河津發電廠的應用 [J]. 山西電力，2005，(126): 54-57.

[2] 潘鳳萍，陳世和. 自啟停控制系統在600MW 國產機組上的應用[J]. 廣東電力，2008，21(12): 56-58.

[3] 歸一數，沈叢奇，胡靜.  APS技術在機組DCS改造中的應用[J] . 華東電力，2006，34(2): 51-53

[4] 王青，曹大安. 日立250MW 機組DEH系統改造中機組自啟動APS功能的實現[J]. 華北電力技術，2005，NO.9: 43-47.

[5] 姚峻. 日立HIACS 5000M DCS系統在大型機組的應用[J]. 華東電力，2002，(4): 51-53.