APS管控的燃气—蒸汽温度匹配——粤电新会电厂燃机APS规划与设计（十一）

新会电厂为燃气—蒸汽联合循环机组，燃气轮机和蒸汽轮机分别各自拖动一台发电机，联合循环功率450MW（ECR）。燃气轮机由美国通用电气（GE）提供，PG9371FB型多级轴流式，燃用天然气，燃机功率314MW，燃机排气温度640℃，IGV开度88°～21.5°连续可调。蒸汽轮机由哈尔滨汽轮机厂（HTC）制造，N150/C120-11.00/3.30/0.43/1.40 型，抽凝式汽轮机，额定功率151.29MW（纯凝），120.82MW（抽汽）。余热锅炉（HeatRecoverySteamGenerator—HRSG）由东方菱日（MHDB）生产，MHDB-PG9371-Q1型，自然循环余热锅炉，烟囱高度80m。燃气轮机控制装置随机配套，GE公司的MARK-Ⅵe。余热锅炉、汽轮机和电厂主要辅机的DCS选用艾默生的OVATION。

燃气—蒸汽联合循环机组产生的电量全部源于燃气轮机的热能，燃气轮机的热能由天然气在其燃烧室内燃烧产生，总体热能差不多三分之二经燃气发电机转换成电量，还有大约三分之一热能存在于燃机的排气中，燃机排气流经余热锅炉生成过热蒸汽驱动汽轮发电机转换成电量。按照燃机的启动顺序，燃机点火升速到3000rpm，同期并网后，须控制燃机排气温度调节余热锅炉蒸汽温度与汽机HIP缸温相匹配（即燃气/蒸汽温度匹配， Temperature Matching ON，简称“温匹”），实现燃机排气、余热锅炉蒸汽、汽机金属壁温等主设备热力参数的协调。当蒸汽品质及相关工艺参数符合汽轮机冲转要求后，汽轮机暖机冲转、同期并网、带目标负荷，待DEH转入“压力控制”模式，温匹退出。

所谓的燃气/蒸汽温度匹配，就是通过调节燃机压气机进口导叶（INLET GUIDE VANE—IGV） 开度或者燃料量将燃机排气温度控制在某一设定值，确保余热锅炉的主蒸汽温度高于汽轮机HIP汽缸壁温，并为汽缸通流后缸壁温度适配和机组升负荷提供条件。温度匹配调节回路在机炉OVATION（DCS）和燃机MARK-Ⅵe（DCS）上都设有手动/自动投切按钮，而温度设定值和温度变化率均由OVATION（DCS）给定，当机组冷态启动时，燃气轮机排气温度相对缸温较高，需要开大 IGV的角度，增加稳定输出功率时的空气流量，降低排气温度来应对较低的汽机金属温度。当机组热态启动时，燃气轮机排气温度相对缸温较低，此时 IGV又处于最小开度，需要增加燃料量来提高燃机排气温度。

整体看燃气/蒸汽温匹调节可以认为是一个PID串级调节回路，PID主调节器（简称主调）设计在OVATION上，副调节器组态（简称副调）在MARK-Ⅵe中，OVATION主调输出的温匹给定信号通过硬接线送至MARK-Ⅵe副调的输入端（STPT）。HRSG高压过热器入口烟温是温匹主调的过程测量值（PV），温匹主调的给定值（STPT）由一个随动定值系统产生。

当燃气—蒸汽联合循环机组启、停受控于APS（Automatic Procedure Start-up／ Shut-down—自动程序启、停系统）时，温匹调节必然被纳入APS管控。新会电厂APS对标具有DIA（Digital Intelligent Automation—数字式智能自动化）理念的国际规范进行设计和组态，新会电厂APS机组启、停规划为8个阶段，机组启动4个阶段：1）节点BP01—辅机启动；2）节点BP02—燃机启动；3）节点BP03—汽机冲转；4）节点BP04—机组升负荷。机组停止4个阶段：1）节点BP51—机组降负荷；2）节点BP52—停机熄火；3）节点BP53—真空破坏；4）节点BP54—闷炉。

APS启机节点BP02“燃机启动”步序逻辑的第6步发出“投入温匹”指令，温匹投入“自动调节”。燃机投入温匹的必要条件为“燃机已带负荷30MW”，指令从OVATION发出至燃机的MARK-Ⅵe，MARK-Ⅵe此时须切换在“外部负荷”控制方式。

APS启机节点BP04“机组升负荷”步序逻辑的第8步发出“退出温匹”指令，待 IGV开度≤41.8，两分钟内开度变化率＜0.05度，汽机有功功率＞30MW，目标负荷设定≥50MW，汽机高压主调阀、中压A、B主调阀皆在全开位置，汽机主汽压力升至2MPa，DEH切至“压力控制方式”，温匹自动退出。

APS控制下的模拟量调节必定要按照APS节点“一键启停”的要求进行设计，工作方式能“自动地投自动”和全工况定值随动是最基本的控制策略。

图1 燃气—蒸汽联合循环机组燃气/蒸汽温度匹配调节原理图

燃机排气温度调节设计有 “三态式”智能切换功能。参阅图1，条件“热工设备可用”和“工艺系统启动”得到满足，三态式智能切换器将调节回路“自动地投自动”。若“热工设备可用”而“工艺系统启动”条件不满足，调节回路切至自动伺服（Stand—By）”。按下调节回路M/A站“自动”键，但“热工设备可用”条件不满足，调节回路被锁定在“手动”，这表明热工装置异常，消除故障后才能再次投入。

燃机排气温度调节全工况定值随动给定在满足条件：APS已投入（APS IN）且人工按下“温匹定值自动/手动”键在“自动”，则触发器RS1=“1”、切换器T1=“1”，调节器定值工作方式切换为自动给定，给定信号从切换器T1的YES端输入。如果APS没有投入，调节器给定只能采用手动方式。APS已投入，为灵活适应机组运行工况，也可置“温匹定值自动/手动”键在“手动”，触发器RS1输出=0，调节器STPT改由人工给定。

调节器自动给定工作方式下，根据机组启动冷、温、热状态，分别设定不同的给定值。需要说明，下文中出现的温度参数，有厂家给出的工艺要求，作为机组运行的安全保障，也有依据新会电厂机组多年运行经验总结出来的优化参数，选为随动给定的补偿值，经过拟人化的逻辑组态用于提升机组运行的安全性能和经济效益。

切换器T2识别到汽机冷态启动，开通YES端，接收切换器T3发来的给定值。切换器T3的开关信号由以下逻辑生成：高压过热器入口烟温减去汽机高中压下半缸内缸金属壁温，差值＜75℃，时间超过3秒，发出2秒脉冲，触发器RS2输出=“1”（燃机未退出温匹），T3切换器接通YES端，YES端给定值为高压过热器入口烟温度加80℃，与限定值500℃进行小值比较，低者为冷态给定值。若高压过热器入口烟温减去汽机高中压内缸下半缸金属壁温，差值≮75℃（触发器T3输入端S=“0”），切换器T3接通NO端输入，切换器T3输出给定值371℃。

汽机不在冷态（汽机冷态=“0”，接通切换器T2输入NO端）即温态或热态启动，调节器给定值以汽机高中压下半缸内缸金属壁温V1（实时变量）为基准值，如果高压过热器入口烟温与汽机高中压下半缸内缸金属壁温差值＜50℃，则在基准值V1自动增加5℃（维持足够高的燃机排气温度）形成加法器的输出V2。

温匹投入（触发器T3输入端R=“0”，非温匹自动升温状态；APS启机“机组升负荷”节点BP02步序逻辑第6步“燃机投温匹”指令至触发器T3输入端S=“1”），触发器RS3输出=“1”，V3等于切换器T4锁定V2的当前值，V3与温态或热态的补偿值相加得到V4，就是调节器的随动给定值，根据机组长期运行经验，温态随动定值V4=V3+80℃，热态随动定值V4=V3+100℃。

APS启机节点BP04“机组升负荷”步序逻辑第2步指令，温匹自动升温=“1”，退出温匹，切换器T4释放对V2的锁定，给定值V3=V2,随V1变化。

温度匹配调节回路的参数全部采用工程单位。不过， M/A站之前的温标为摄氏度，其后经过摄氏/华氏温标转换为华氏度输出到燃机的MARK-Ⅵe温度匹配程序入口作为STPT值，当MARK-Ⅵe温度匹配程序检测到燃机排气温度与OVATION发来的“温匹调节给定值”（TemperatureMatching Setpoint）相差＜5.6F°时，燃气/蒸汽温度匹配程序即告完成。

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