0引言

隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)的快速推進(jìn)和可再生能源占比的持續(xù)提升,電力系統(tǒng)調(diào)峰需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),2023年全國火電機(jī)組平均調(diào)峰頻次較五年前增加了近3倍,部分區(qū)域調(diào)峰機(jī)組年啟停次數(shù)甚至超過200次[2]。在此背景下,傳統(tǒng)依賴人工操作的汽輪機(jī)及給水泵汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)模式暴露出日益突出的問題:一方面,頻繁的啟停操作導(dǎo)致運(yùn)行人員工作負(fù)荷激增,操作失誤率上升(數(shù)據(jù)表明,人工操作導(dǎo)致的非計(jì)劃停機(jī)占比達(dá)35%)[3];另一方面,復(fù)雜的沖轉(zhuǎn)過程涉及數(shù)十個(gè)閥門的精確協(xié)調(diào)和上百項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,人工響應(yīng)速度難以滿足快速調(diào)峰需求[4]。

機(jī)組自啟停系統(tǒng)(APS)是電廠自動(dòng)化技術(shù)的高度集成與應(yīng)用,通過整合DCS控制平臺(tái)和智能算法,為實(shí)現(xiàn)安全高效的自動(dòng)沖轉(zhuǎn)提供了全新的解決方案[5]。

本文以某330 MW亞臨界機(jī)組為研究對(duì)象,重點(diǎn)突破以下技術(shù)難題:1)多工況下沖轉(zhuǎn)參數(shù)的自適應(yīng)匹配問題。2)軸系振動(dòng)超限的智能預(yù)測(cè)與抑制。3)智能并泵的汽包水位控制。

通過攻克上述關(guān)鍵技術(shù)難題,本研究構(gòu)建了一套完整的基于APS的一鍵沖轉(zhuǎn)智能控制技術(shù)。該技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了沖轉(zhuǎn)過程的全自動(dòng)執(zhí)行,更在安全性和經(jīng)濟(jì)性方面取得顯著提升,為同類型機(jī)組的智能化改造提供了重要參考。

1APS設(shè)計(jì)

1.1APS汽輪機(jī)-鍵沖轉(zhuǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)

以某330 MW機(jī)組為例,汽輪機(jī)主機(jī)設(shè)備采用上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的亞臨界、中間再熱式、高中壓合缸、雙缸雙排汽凝汽式汽輪機(jī)。汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)啟動(dòng)采用全程手動(dòng)操作模式,且在現(xiàn)行調(diào)峰政策要求下需頻繁啟停,并且涉及冷態(tài)、熱態(tài)等多種啟動(dòng)工況,完全依賴人工操作不僅顯著增加了運(yùn)行人員工作負(fù)荷,還存在操作疲勞和誤操作風(fēng)險(xiǎn),進(jìn)而可能引發(fā)沖轉(zhuǎn)失敗等運(yùn)行事故。

汽輪機(jī)一鍵沖轉(zhuǎn)系統(tǒng)通過智能化控制邏輯模塊實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)沖轉(zhuǎn)過程。系統(tǒng)首先自動(dòng)完成操作模式選擇,隨后執(zhí)行自動(dòng)掛閘操作,并將調(diào)節(jié)閥行程限值自動(dòng)設(shè)定為100%。在沖轉(zhuǎn)階段,系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集持環(huán)溫度數(shù)據(jù), 自動(dòng)識(shí)別冷/熱態(tài)工況并自適應(yīng)匹配最優(yōu)啟動(dòng)曲線,采用變升速率控制策略完成轉(zhuǎn)速提升,在低速區(qū)間自動(dòng)執(zhí)行摩擦檢查,同時(shí)根據(jù)金屬溫升率動(dòng)態(tài)調(diào)整暖機(jī)時(shí)間。沖轉(zhuǎn)過程中,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高中壓缸進(jìn)汽閥的無擾切換,并持續(xù)監(jiān)測(cè)20余項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行控制指令的實(shí)時(shí)修正。

基于APS的汽輪機(jī)一鍵沖轉(zhuǎn)具有以下創(chuàng)新點(diǎn):

1)可根據(jù)機(jī)組狀態(tài)(冷態(tài)/熱態(tài))自適應(yīng)最優(yōu)沖轉(zhuǎn)參數(shù),包括目標(biāo)轉(zhuǎn)速、升速率等關(guān)鍵控制變量。

2)支持運(yùn)行參數(shù)的人工干預(yù)與修改。

3)可選擇性跳過非必要流程(如跳過暖機(jī))。

4)具備完善的異常工況處理能力。

設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

1.2APS給水泵汽輪機(jī)-鍵沖轉(zhuǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)

本廠采用“2汽泵+1電泵”的典型配置方案,為優(yōu)化運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性,常規(guī)采用汽泵沖轉(zhuǎn)為主、電泵備用的運(yùn)行方式。這種運(yùn)行模式要求在機(jī)組啟動(dòng)初期即完成汽泵沖轉(zhuǎn)操作,以確保鍋爐上水過程可靠性。然而,當(dāng)機(jī)組負(fù)荷上升至并泵階段時(shí),傳統(tǒng)的并泵操作往往伴隨明顯的汽包水位波動(dòng)和給水流量波動(dòng),這些波動(dòng)不僅影響機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性,還可能引發(fā)保護(hù)動(dòng)作。

給水泵汽輪機(jī)一鍵沖轉(zhuǎn)系統(tǒng)通過智能化控制邏輯模塊實(shí)現(xiàn)了沖轉(zhuǎn)和并泵過程的完全自動(dòng)化。系統(tǒng)首先自動(dòng)完成掛閘操作和低壓主汽門的開啟,為沖轉(zhuǎn)做好準(zhǔn)備工作。進(jìn)入沖轉(zhuǎn)階段后,系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行摩擦檢查,同時(shí)基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的金屬溫度數(shù)據(jù)和振動(dòng)狀態(tài),智能調(diào)整升速率,確保設(shè)備安全平穩(wěn)運(yùn)行。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定值后,系統(tǒng)無縫切換至遙控模式,根據(jù)機(jī)組負(fù)荷需求自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)。在需要并泵運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)提供一鍵式并泵功能,通過自動(dòng)匹配壓力、流量等關(guān)鍵參數(shù),大幅簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)復(fù)雜的并泵操作流程。整個(gè)過程中,系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測(cè)20余項(xiàng)運(yùn)行參數(shù),確保給水泵汽輪機(jī)始終處于最佳工作狀態(tài)。

基于APS的給水泵汽輪機(jī)一鍵沖轉(zhuǎn)具有以下創(chuàng)新點(diǎn):

1)振動(dòng)智能保護(hù)機(jī)制:針對(duì)轉(zhuǎn)速上升全過程實(shí)施振動(dòng)在線監(jiān)測(cè),當(dāng)任一軸承振動(dòng)值超過80μm閾值時(shí),系統(tǒng)在200 ms內(nèi)自動(dòng)暫停升速,待振動(dòng)值恢復(fù)至安全范圍后繼續(xù)沖轉(zhuǎn)流程,有效避免了振動(dòng)超標(biāo)導(dǎo)致的設(shè)備損傷。

2)智能并泵控制:負(fù)荷>90 MW可由運(yùn)行人員啟動(dòng)自動(dòng)并泵程序。通過壓力—流量復(fù)合控制,汽包水位波動(dòng)幅度降低至± 15 mm。

3)自適應(yīng)抗干擾能力:系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別并處理沖轉(zhuǎn)過程中的異常擾動(dòng)(如振動(dòng)突變、參數(shù)波動(dòng)等),減少運(yùn)行人員手動(dòng)干預(yù)需求,降低操作風(fēng)險(xiǎn)。

設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

2APS系統(tǒng)實(shí)施與調(diào)試

2.1汽輪機(jī)一鍵沖轉(zhuǎn)系統(tǒng)

第一步,啟動(dòng)前檢查,操作人員需在DCS操作員站完成以下準(zhǔn)備工作:1)確認(rèn)汽輪機(jī)系統(tǒng)各設(shè)備狀態(tài)指示正常,無任何故障報(bào)警。2)核查主蒸汽壓力、溫度等關(guān)鍵參數(shù)符合啟動(dòng)要求。3)檢查汽輪機(jī)本體金屬溫度、差脹等參數(shù)處于允許范圍。4)驗(yàn)證潤(rùn)滑油系統(tǒng)、EH油系統(tǒng)、凝汽器系統(tǒng)等輔助設(shè)備運(yùn)行參數(shù)正常。

第二步,自動(dòng)沖轉(zhuǎn)執(zhí)行,包括以下步驟:1)在APS汽輪機(jī)一鍵沖轉(zhuǎn)界面選擇“自動(dòng)模式”。2)確認(rèn)啟動(dòng)條件滿足后觸發(fā)“啟動(dòng)”指令。3)DCS系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行預(yù)設(shè)的沖轉(zhuǎn)控制策略包括:自動(dòng)掛閘、主汽門順序開啟、轉(zhuǎn)速分段控制、暖機(jī)時(shí)間優(yōu)化。

第三步,過程監(jiān)控與優(yōu)化,包括以下步驟:1)DCS系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示各設(shè)備狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)曲線。2)操作人員通過操作員站全程監(jiān)控沖轉(zhuǎn)過程。3)調(diào)試人員可在工程師站進(jìn)行參數(shù)微調(diào)優(yōu)化。4)系統(tǒng)自動(dòng)完成臨界轉(zhuǎn)速區(qū)快速通過、振動(dòng)保護(hù)等關(guān)鍵控制。

第四步,沖轉(zhuǎn)完成處理,包括以下步驟:1)DCS畫面顯示“沖轉(zhuǎn)成功”狀態(tài)提示。2)操作人員根據(jù)實(shí)際運(yùn)行需求可進(jìn)行手動(dòng)微調(diào)。3)系統(tǒng)自動(dòng)記錄并存儲(chǔ)完整的沖轉(zhuǎn)過程數(shù)據(jù)。

2.2給水泵汽輪機(jī)一鍵沖轉(zhuǎn)系統(tǒng)

第一步,啟動(dòng)前檢查與確認(rèn):1)設(shè)備狀態(tài)檢查:確認(rèn)給水泵汽輪機(jī)各設(shè)備狀態(tài)指示正常,核查系統(tǒng)無任何故障報(bào)警信息。2)參數(shù)驗(yàn)證:檢查供汽壓力、溫度等關(guān)鍵參數(shù)符合要求,確認(rèn)汽泵本體振動(dòng)、位移等參數(shù)正常。驗(yàn)證潤(rùn)滑油系統(tǒng)壓力、溫度等輔助參數(shù)達(dá)標(biāo)。

第二步,自動(dòng)沖轉(zhuǎn)執(zhí)行流程:1)操作界面準(zhǔn)備:進(jìn)入APS給水泵汽輪機(jī)一鍵沖轉(zhuǎn)專用界面,選擇“自動(dòng)模式”操作選項(xiàng)。2)啟動(dòng)指令下發(fā):確認(rèn)所有啟動(dòng)條件滿足后觸發(fā)“啟動(dòng)”執(zhí)行指令。3)系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行:自動(dòng)完成掛閘操作,按順序開啟低壓主汽門、執(zhí)行摩擦檢查程序、實(shí)施智能暖機(jī)控制。

第三步,過程監(jiān)控與保護(hù)測(cè)試:1)實(shí)時(shí)監(jiān)控:DCS系統(tǒng)動(dòng)態(tài)顯示各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),完整記錄轉(zhuǎn)速、振動(dòng)等關(guān)鍵參數(shù)曲線。2)保護(hù)功能驗(yàn)證:在工程師站模擬振動(dòng)超限工況(>80 μm),驗(yàn)證系統(tǒng)在200 ms內(nèi)自動(dòng)暫停升速,確認(rèn)振動(dòng)恢復(fù)正常后自動(dòng)繼續(xù)沖轉(zhuǎn)。

第四步,智能并泵操作:1)并泵條件確認(rèn):機(jī)組負(fù)荷達(dá)到90 MW以上,檢查各并泵前置條件滿足。2)自動(dòng)并泵執(zhí)行:觸發(fā)并泵“啟動(dòng)”指令,系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)并泵轉(zhuǎn)速,實(shí)時(shí)監(jiān)控壓力—流量曲線,確保汽包水位波動(dòng)≤ ± 15 mm。3)過程優(yōu)化: 自動(dòng)完成轉(zhuǎn)速匹配,實(shí)現(xiàn)給水流量平穩(wěn)過渡。

第五步,操作完成確認(rèn):1)系統(tǒng)自動(dòng)提示操作完成狀態(tài)。2)生成完整的操作過程記錄。3)保存關(guān)鍵參數(shù)歷史曲線。

3APS技術(shù)應(yīng)用與效果

某330 MW機(jī)組在檢修后的冷態(tài)啟動(dòng)全過程采用APS的汽輪機(jī)和給水泵汽輪機(jī)一鍵沖轉(zhuǎn)功能,實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)組順利并網(wǎng)。汽輪機(jī)和給水泵汽輪機(jī)一鍵啟停技術(shù)在檢修后的啟機(jī)過程中得到了實(shí)際驗(yàn)證,應(yīng)用效果如下:

1)減少運(yùn)行人員操作量。汽輪機(jī)和給水泵汽輪機(jī)的沖轉(zhuǎn)過程涉及30余個(gè)設(shè)備的順序動(dòng)作,在傳統(tǒng)手動(dòng)操作模式下需要執(zhí)行約120次操作指令。通過APS控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一鍵沖轉(zhuǎn)后,操作頻次顯著降低至30次以內(nèi)。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),該技術(shù)可減少運(yùn)行人員工作量約80%。

2)縮短機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間。APS控制系統(tǒng)的汽輪機(jī)和給水泵汽輪機(jī)一鍵沖轉(zhuǎn)功能一定程度上縮短了每次機(jī)組啟動(dòng)的時(shí)間。綜合估算,汽輪機(jī)和給水泵汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)時(shí)間均縮短約30 min,對(duì)比以往啟動(dòng)時(shí)間節(jié)省了20%以上。

3)提升經(jīng)濟(jì)效益。縮短啟動(dòng)時(shí)間就是直接減少暖機(jī)階段的無效能耗。同時(shí),智能化的操作流程降低了人為誤操作率,有效避免了因操作不當(dāng)導(dǎo)致的設(shè)備損傷。

4結(jié)束語

綜上所述,汽輪機(jī)與給水泵汽輪機(jī)一鍵沖轉(zhuǎn)技術(shù)是火電廠智能化升級(jí)的核心環(huán)節(jié)。該技術(shù)通過對(duì)沖轉(zhuǎn)過程的動(dòng)態(tài)參數(shù)自適應(yīng)修正和振動(dòng)智能保護(hù)策略,顯著提升了機(jī)組啟動(dòng)效率和安全性,從根本上降低了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度與誤操作風(fēng)險(xiǎn),具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

同時(shí),隨著電力系統(tǒng)對(duì)機(jī)組調(diào)峰靈活性要求的不斷提高,汽輪機(jī)和給水泵汽輪機(jī)的快速、可靠啟停己成為火電廠參與深度調(diào)峰的必要能力[6]。本文提出的基于APS的汽輪機(jī)和給水泵汽輪機(jī)一鍵沖轉(zhuǎn)技術(shù)通過標(biāo)準(zhǔn)化流程與智能算法結(jié)合,不僅提高了機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)性,還為火電廠“少人值守”乃至“無人化”運(yùn)行提供了技術(shù)支撐,其成功應(yīng)用標(biāo)志著火電廠自動(dòng)化升級(jí)的關(guān)鍵突破。該設(shè)計(jì)方案具備良好的可移植性和通用性,其標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)架構(gòu)和模塊化的功能設(shè)計(jì)可快速適配各類同型機(jī)組,顯著提升智能化改造效率。該技術(shù)的成功應(yīng)用,不僅代表了火電廠自動(dòng)化控制領(lǐng)域的重大突破,其標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施方案更可為行業(yè)智能化改造提供可靠的技術(shù)范式,對(duì)提升電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力和促進(jìn)能源清潔轉(zhuǎn)型具有重要的戰(zhàn)略意義。

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《機(jī)電信息》2025年第22期第7篇