9F燃机联合循环控制系统优化技术方案

附件:项目名称：项目名称：申请单位：起止时间：项目负责人:通信地址:邮政编码:联系电话:传真：申请日期:中国华电集团公司科技项目技术方案9F燃机联合循环控制系统优化杭州华电半山发电有限公司2007年4月一2008年4月李勇辉浙江省杭州市拱北拱康路200号310015(0571)85272105(0571)852721042006年11月《9F燃机联合循环控制系统优化》技术方案一、目的和意义燃气轮机机组数量在我国呈快速发展的趋势，华电集团公司内部已安装近10套9FA级燃机机组。根据GE的初始设计，联合循环燃机主机岛部分的燃机和汽机由MARKVI控制，可实现自启停功能；但HRSG及辅助系统在第三方DCS侧控制，二控制系统间协调性待完善，特别在开停机过程中运行人员手动干预点过多，不但影响启停速度，而且增加了出现误操作的可能。从目前各燃机电厂运行情况看，机组运行方式有一定共性：燃机主要作为调峰机组，负荷变化大，运行工况不稳定；受天然气气量和电网影响，机组大部分时间无法满负荷运行；GE提供的控制方式特别是汽轮机和HRSG的控制都是针对机组长期运行于基本负荷来设计的，因此原有控制方式不能很好的适应现有的运行方式；机组日开夜停；如果不缩短机组启停时间，势必影响发电企业的经济性。所以进行燃机联合循环机组控制系统优化的研究是必要而且迫切的。本项目将在在理论计算的基础上综合考虑现场数据，结合GE公司资料、国外参考文献，并在有条件的情况下进行必要的试验，项目先期完成辅机系统的小顺控，然后完善MK6与DCS的控制逻辑，增加控制系统之间的联系信号，构架全站大顺控，最终实现燃机一键（或分几个步骤）自动启停，提高启停机的速度和安全性，规范操作，实现自动控制系统的优化。本项目虽以半山电厂的三套9FA燃机单轴联合循环机组为主要研究对象，但是，其研究成果不仅可以应用于其它9FA单轴联合循环机组，同时对其它9FA级多轴GTCC机组以及其他同类型的机组也有一定的指导意义。二、国内外研究水平综述伴随着“F”级新一代燃气轮机发电机组的相继投产，GE的MARKVI燃机控制系统也在我国的燃机电厂中得到了逐步的应用。GE公司的燃气轮机控制技术以及相应的控制系统的发展过程集中反映了应用于燃气轮机的自动控制技术的发展历程。在国外，燃气轮机的自动控制技术发展越来越表现出如下趋势：借助计算机技术尤其是网络技术的广泛应用将其与现有的DCS技术相结合，使燃气轮机联合循环的控制系统技术达到高度的信息集成.从而导致基于运行优化、寿命管理、环保要求、投入产出效益、以及运行安全可靠性、电站管理等的一体化控制技术的应用。2・先进过程控制技术的应用燃气轮机的单机容量越来越大，而环保和节能的要求也日趋严格，因此必须尽可能地保证燃气轮机在其整个使用过程中始终运行在最优状态，这将导致诸如预估控制、串级控制、前馈一反馈控制、最优控制等先进过程控制技术以及自适应控制技术广泛应用于燃气轮机控制系统中。就国内现状而言，9FA燃机联合循环机组控制系统优化到目前为止还没有实际运行实例以及理论方面的可参照的依据，机组多工况一键启停也尚在摸索阶段，因此没有这方面的成熟研究资料和电厂实施的经验。三、项目的理论和实践依据项目研究内容的理论或者实践依据按照GE的设计，S109FA燃机联合循环机组的理论开机时间如下：开机指令发出后28分钟机组并网；冷态带至基本负荷：190分钟；温态带至基本负荷：140分钟；热态带至基本负荷：70分钟。整个开机过程要求：开机指令发出后由DCS大顺控程序根据机组的运行特性协调燃气轮机、汽轮机和余热锅炉相关控制逻辑，自动实现燃气轮机启动、锅炉升温升压和输水排污、机组并网、汽轮机高/中/低压进汽、机组升负荷。从目前机组实际启停机数据看，和GE公司的理论启动速度还有一定的差距。本项目将分析具体的启动过程，找出影响启动速度的主要原因，给出相应的优化策略。项目研究的关键和难点机组实际启停机过程往往比理论时间长出许多，主要的原因是起动过程中，一些参数的变化导致目前的自动调节跟踪不上，使得运行人员花费大量时间去调整、稳定。若处理不当，在起机过程中还极易发生机组跳机。因此，优化这些自动系统的调节特性是本项目的关键。需要改进优化的环节包括：1）汽包水位的调节S109FA机组采用三压余热锅炉，水位调节不同于常规锅炉，在启停机过程及汽机各缸进汽/投撤旁路时，汽包水位变化较为剧烈，容易引起跳机，尤其是中压汽包，由于中压汽包体积小，相对热容量也小，中压并汽时汽包水位受压力的影响最大，当中压旁路逐渐关闭时，中压汽包水位将随压力增加而剧降，而随后的中压过热器出口控制阀开大时水位又将快速回升，此过程极易导致中压汽包水位超限而跳机。我们将做如下改进：并汽前适当升高中压汽包水位；尽可能在中压过热器出口调节阀前后压力接近时发出自动并汽指令，同时限制其开启速率，限制中压汽包压力波动。2）主汽减温水控制在启动过程中，当机组负荷加至130〜140MW时，IGV开度仍然处于49°最小全速角，燃机排气温度可达649^，而此时的高压锅炉蒸发量却不大，因此很容易发生主汽减温水量跟不上，从而导致主汽超温，机组RB（快速减负荷）。停机过程高压撤汽时，如果没有将预选负荷退出，在高压进汽调节阀CV关小的过程中，汽机出力下降，而机组为了保证恒定的预选负荷，势必将提升燃机的出力，从而导致排气温度上升，引发主汽超温。针对这两点，我们将在主汽减温水自动调节中加入燃机IGV开度因素，当IGV开度在49〜64。之间，适当减低减温水自动跟踪的设定值以避免开机过程的超温问题。在停机顺控中，加入高压撤汽后自动退出预选负荷的逻辑（将改动MARKVI控制逻辑）。同理，在起机时，高压进汽指令发出后，也需要发出退出预选的指令，以避免燃机卸载。3）天然气温度控制为了提高联合循环热效率及满足DLN2.0+燃烧系统对燃料气温度的要求，本机组在电加热器之外还设有性能加热器，用中压省煤器出口的中压给水加热天然气，加热温度要求是185°C。机组热态启动时，由于汽机缸温较高，金属温度匹配所要求的燃机排气温度也高，因此需要通过增加负荷来实现排气温度的提升；当负荷加至40MW时经常由于天然气温度较低，DLN燃烧的韦伯指数超限而限制机组加负荷，影响开机速度，因此优化后的性能加热器控制逻辑在机组热态启动时将尽可能早的投入加热器，当中压省煤器出口水温高于电加热出口温度(49r)即可投性能加热器，以尽快提高天然气温度。机组启动过程中，由于各控制过程量变化较大，导致中压省煤器出口水温不稳定，造成天然气超温，逻辑触发跳加热器，天然气温度失去加热而骤降，最终导致机组快速减负荷，影响机组起动速度和安全运行。我们经过分析，发现：由于启动过程中压汽包水位变动大，引起中压给水调节阀开度变化较大，使得中省出口水压和水温都大幅变化，因为天然气性能加热器的加热迟缓性，极易导致调节迟滞而超温。应采取的措施是：采集中压给水的压力、温度及流量，计算出相应的焓值，然后和天然气相应焓值相比较而最终确定温控阀的开度，改变调节特性。对于OVATIONDCS的各个自动系统，经过机组1年多的运行，积累了大量历史数据，可以根据实际工况特点做相应的控制优化，比如增加一些经验得出的函数模块，在现有条件下是完全可行的。在实现一键启停的同时，还要充分考虑各种事故状态下的处理，允许在任意时刻退出大顺控，保证机组运行方式的灵活性和安全性。系统技术难点对于燃机MARKVI部分，如果要做优化，则需要解决GE对控制逻辑的保密权限问题。现在MARKVI中一些关键核心的控制模块，没有特别权限就无法阅读。OVATION与MARKVI以太网通讯中断故障，目前还是一个难题，故障原因虽已经明确，但现有的解决方案还有待验证。综合考虑，本项目将采用硬接线方式实现OVATION与MARKVI关键节点的相互通讯，以保证系统的可靠性。目前机组冷态/温态启动过程中还存在着一个加负荷速率的问题，在CV开启过程中，其开启速度受到汽机转子的应力限制，但一旦CV全开，进入^。，燃机加负荷过快就会导致汽机转子应力超限，目前是运行人员在人为地控制燃机加负荷速率，大顺控将把汽机转子应力信号送到DCS，再反过来控制燃机的升负荷速率。一些就地执行机构调节特性不理想，如辅助蒸汽压力调节阀、凝水再循环阀，这些阀门在实际运行中很难实现自动调节，长期工作在手动状态。本项目将考虑改造或者换型。四、研究内容和实施方案项目研究内容1）子控制系统的优化目前机组共有如下自动调节系统:高压汽包水位自动控制中压汽包水位自动控制低压汽包水位自动控制高压旁路压力控制中压旁路压力控制低压旁路压力控制高压旁路温度控制中压旁路温度控制低压旁路温度控制高压主汽温度控制再热汽温度控制中压蒸汽压力控制辅助蒸汽压力控制辅助蒸汽温度控制高压汽包水位旁路阀控制高压给水泵转速控制低压省煤器进口温度控制低压省煤器出口温度控制高压汽包抽汽控制中压汽包抽汽控制连排扩容器水位控制中压省煤器再循环控制低压省煤器再循环控制凝结水再循环流量控制凝汽器热井水位控制疏水箱水位控制凝结水储水箱进口流量控制冷却蒸汽压力控制闭式水膨胀水箱水位控制闭式水压力控制发电机氢冷却器冷却水温度控制天然气温度控制如果要实现一键启停的大顺控，以上系统的自动投入率必须要满足100%,实际运行中发现，各汽包水位控制、天然气温度控制、凝结水再循环流量控制、旁路压力控制、辅助蒸汽压力控制和主汽温度控制人工干预点过多，尚需进一步完善。2）完成辅机小顺控包括高中压给泵、凝泵、循环水泵等主重要设备的一键启停；性能加热器等小系统的一键启停。3）机组大顺控的联调完善并确定MARKVI与OVATIONDCS关键节点的通讯点，使之相互协调，制定出上面提到的关键问题的优化途径，攻克疑难点，最终实现不同工况下的一键启停或分步启停。4）完善控制系统报警功能由于MARKVI和OVATIONDCS报警均为英文缩写，一些不常见的报警往往需要翻阅手册方能理解，对于人员配置较少的燃机运行岗位十分不利，往往会忽视一些重要信息，延误最佳处理时机。本项目将整合两个控制系统的报警信息，以中文形式显示，并根据积累的实际经验，给出该报警的处理原则，实现报警处理专家系统。具体的研究步骤与实施方案1）数据采集，充分利用现有OVATION历史站和厂级监控系统（SIS）的PI数据库，全面采集3台机组投产以来的各种工况启停、运行数据。2）全面深入研究GE燃机汽机MARKVI的控制逻辑，分析启停阶段中各个关键节点，找出这些节点所用到的信号名，为大顺控和一键启停构建框架。目前我们掌握的联合循环启动过程中DCS与MARKVI间交互信号发生顺序如下表：

用户允许启动G1-L3CP——►■G1-S3RS准备启动机组启动指令G1-CA1-START►G1-S3SQ顺控进行中•G1-S1X启动过程中G1-S28FDX有火G1-L2WX暖机完成2000RPMHRSGSTART♦G1-S3顺控完成G1-S4T1运行STEAMVOPENG1-S52GX-1发电机断路器合闸G1-CA43BP-BASE：基本负荷指令G1-CA43PSSEL'预定负荷指令G1-CA43TMON_CPB►投入排气温度匹配控制G1-CA43TMOFF_CPB——►切除排气温度匹配控制G1-TTRXM_CMD——►排气温度匹配参考G1-TTRTMR_CMD排气温度匹配斜率S1-IPC_ON—进口压力控制选择（ST）件S1-IPCIN进口压力控制已选择（GT）DCSMARKVIG1-S26TCZ温度控制投入3）现有控制系统缺陷和启停机过程的调研和总结，这部分工作在运行人员中展开，根据运行人员实际监盘的经验，分析现有系统的不足和可优化之处；结合目前机组日开夜停，负荷变动大的实际情况，总结出适合该工况的启停控制方案，并予以实施，实现。4）大顺控逻辑完成后，通过多次实际启停机试验，不断完善，并最终确定大顺控中的人工干预点。最大可能的加快启停速度，减少人工操作，同时又兼顾安全性，消除操作盲点。技术实现路线一键启动大顺控的技术实现以机组起动流程为主线，分步实现各步骤的自动执行，最终实现一键启停或分步启停。S109FA联合循环机组起动程序方框图如下：程序完成中

压汽包压力

控制阀进入

压力控制程序完成主调

门进入压力控

制程序完成中

压汽包压力

控制阀进入

压力控制程序完成再热蒸汽控制阀进入压力控制程序完成低压蒸汽控制阀进入压力控制ST高压段加负荷1T本项目由杭州华电半山发电有限公司与浙江电力试验研究院共同承担完成。其中浙江电力试验研究院主要负责本项目内容的主要技术理论研究、项目的技术分析与实现工作。杭州华电半山发电有限公司主要承担现场数据的收集与整理工作、以及技术协调、项目验证等方面的工作。具体的合作方式为共同研究，相应的知识产权和成果双方共享。五、预期目标和成果形式9F联合循环机组控制系统优化，先期实现各个自动系统的最优控制，最终实现机组不同工况下的一键启停（关键节点需要运行人员手动确认），缩短联合循环机组起动时间。完善现有联合循环运规，使之适应优化后的控制、运行方式，制定启停操作规范，规范运行操作。3.完善报警系统。整合OVATIONDCS及燃机MARKVI的报警信息，建立专家诊断系统，向运行人员给出操作指导。撰写相关论文若干。六、项目的效益分析经济效益：经过本项目9F联合循环机组控制系统优化，并最终实现一键启停，将大大缩短机组启动时间，减少运行人员误操作的可能；从而将降低机组的气耗量和厂用电率，延长设备使用寿命。社会效益：由于GE9F燃机在燃烧模式切入预混燃烧前（大约200MW负荷），NOX及CO排放均较高，如果加快启动速度，机组将尽快进入低排放的预混燃烧模式，从而使机组的运行更加环保。七、合作单位或依托工程单位落实情况该项目已与浙江电力试验研究院进行讨论，并签订了“9F燃机联合循环控制系统优化”项目合作意向书。合作意向书另附。八、项目承担单位的条件项目负责人李勇辉，电厂热工自动化专业，工程师，从事电厂热工专业10年，现任半山电厂信息中心主任，曾参与浙江金华2套6B燃机联合循环机组、半山天然气发电工程3套9F燃机联合循环机组的热工安装、调试与维护。项目组成员1）杭州华电半山发电有限公司参加本研究项目的人员组成如下：朱达：总工/高级工程师，热能动力专业，技术总负责人裘寒：副总工/高级工程师，电力自动化及热动专业，技术总协调金建荣：燃机运行副部长/高级工程师，热能动力，项目调试黄振华：热工主管/高级工程师，热能动力，项目调试吴凡：运行燃机专工/高工，热能动力，技术协作潘勇进：燃机热工专工/工程师，热能动力，技术实现吴胜法：燃机运行单元长/工程师，热能动力，数据收集2）浙江电力试验研究院参加本研究项目的人员组成如下：庞军：工程师，项目分负责人丁俊宏：工程师，技术实现毛志伟：高工，技术协作3.已具备的条件杭州华电半山发电有限公司#1、#2、#3燃气一蒸汽联合循环机组已于2005年8月1日至2005年年底相继通过168h正式并网发电。从机组的多次启停及变工况运行的参数来看，杭州华电半山发电有限公司已具备了实施该项目的基本条件。整套燃气一蒸汽联合循环机组各主要设备（包括燃气轮机、余热锅炉、汽轮机、发电机等）技术先进，自动化程度高，热力系统完善，现场配置的测量参数较为全面，进行本项目对机组设备的改动不会很大。具有较为详尽的机组设备运行和控制系统的技术资料，通过不断的生产实践积累了一定的运行经验并且掌握了机组大量运行资料和数据。特别是半山燃机联合循环仿真机项目已经通过验收，该系统能够成为项目实施和试验的一个极好平台。目前半山3台机组经过逻辑优化，均已实现热态一键进汽，汽机高中低压缸按顺控逻辑一键完成加载；给本项目的大顺控提供了很好的思路。4.协作单位具备的能力，技术条件浙江电力试验研究院作为协作单位，多年来一直从事燃气轮机以及联合循环系统的相关技术方面的理论与应用研究工作。承担过国内外多项重大相关基础研究项目，发表过大量的相关科研论文。具有很强的专业技术水平。参加本项目的所有人员都对GE公司的系列产品进行过许多年的技术跟踪、消化与吸收工作，积累了丰富的经验与知识。同时对本项目所涉及的技术关键点以及GE公司发电装置相关技术的掌握程度都名列国内前茅，完全能够胜任并保证该项目研究内容的按质按量完成。九、项目的进度安排序号时间段内容12007年4~6月数据米集，根据机组的现场运行数据，建立燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机的变工况性能计算数学模型。通过计算得到109FA级GTCC机组的相关运行特性。22007年7〜8月系统实际运行调研，根据运行人员经验，确定各个自动系统的优化方向，制定大顺控方案。32007年8〜12月方案实施阶段，其中各子系统控制优化在运行中逐渐完善，完成分系统小顺控，分步构建大顺控控制逻辑；该阶段应该实现分阶段自动启停。42008年1~3月项目调试完善阶段，在机组实际启停过程中不断调试，优化，最终实现机组一键启停。52008年4月撰写报告，项目总结、验收

十、项目经费预算单位：万元科目金额申请资助自筹备注（一）直接费用261.人员费10（1）研究机构人员费9（2）临时工工资12.设备及软件费0预算明细表（1）购置0（2）试制3.业务费16预算明细表（1）材料费1（2）资料费1（3）外协测试试验及加工费3（4）会议费6⑸差旅费54.其他直接费用预算明细表（二）间接费用4预算明细表1.现有仪器设备使用费32.直接管理费用13.其他间接费用（三）协作研究支出60预算明细表协作支出160合计90注：1、与项目有关的前期研究（包括阶段性成果）支出的各项经费不列入本项目预算；2项目下设的每个子项目（子合同）均需单独填报各自的项目预算表，并将子项目（子合同）预算汇总后计入项目经费预算相应栏内。3、当子项目存在协作研究时，应逐项分别填报每一项协作研究任务的预算表。协作研究支出预算汇总后填入子项目经费预算的“协作研究支出”栏内。十一、有关证明文件十一、有关证明文件承担单位业务主管对项