0引言

隨著新型電力系統(tǒng)建設的快速推進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[1]。據(jù)統(tǒng)計,2023年全國火電機組平均調(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及給水泵汽輪機沖轉(zhuǎn)模式暴露出日益突出的問題:一方面,頻繁的啟停操作導致運行人員工作負荷激增,操作失誤率上升(數(shù)據(jù)表明,人工操作導致的非計劃停機占比達35%)[3];另一方面,復雜的沖轉(zhuǎn)過程涉及數(shù)十個閥門的精確協(xié)調(diào)和上百項參數(shù)的實時監(jiān)控,人工響應速度難以滿足快速調(diào)峰需求[4]。

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

本文以某330 MW亞臨界機組為研究對象,重點突破以下技術(shù)難題:1)多工況下沖轉(zhuǎn)參數(shù)的自適應匹配問題。2)軸系振動超限的智能預測與抑制。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)不僅實現(xiàn)了沖轉(zhuǎn)過程的全自動執(zhí)行,更在安全性和經(jīng)濟性方面取得顯著提升,為同類型機組的智能化改造提供了重要參考。

1APS設計

1.1APS汽輪機-鍵沖轉(zhuǎn)技術(shù)設計

以某330 MW機組為例,汽輪機主機設備采用上海汽輪機廠生產(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。汽輪機沖轉(zhuǎn)啟動采用全程手動操作模式,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)等多種啟動工況,完全依賴人工操作不僅顯著增加了運行人員工作負荷,還存在操作疲勞和誤操作風險,進而可能引發(fā)沖轉(zhuǎn)失敗等運行事故。

汽輪機一鍵沖轉(zhuǎn)系統(tǒng)通過智能化控制邏輯模塊實現(xiàn)全自動沖轉(zhuǎn)過程。系統(tǒng)首先自動完成操作模式選擇,隨后執(zhí)行自動掛閘操作,并將調(diào)節(jié)閥行程限值自動設定為100%。在沖轉(zhuǎn)階段,系統(tǒng)實時采集持環(huán)溫度數(shù)據(jù), 自動識別冷/熱態(tài)工況并自適應匹配最優(yōu)啟動曲線,采用變升速率控制策略完成轉(zhuǎn)速提升,在低速區(qū)間自動執(zhí)行摩擦檢查,同時根據(jù)金屬溫升率動態(tài)調(diào)整暖機時間。沖轉(zhuǎn)過程中,系統(tǒng)實現(xiàn)高中壓缸進汽閥的無擾切換,并持續(xù)監(jiān)測20余項關(guān)鍵參數(shù)進行控制指令的實時修正。

基于APS的汽輪機一鍵沖轉(zhuǎn)具有以下創(chuàng)新點:

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

2)支持運行參數(shù)的人工干預與修改。

3)可選擇性跳過非必要流程(如跳過暖機)。

4)具備完善的異常工況處理能力。

設計流程圖如圖1所示。

1.2APS給水泵汽輪機-鍵沖轉(zhuǎn)技術(shù)設計

本廠采用“2汽泵+1電泵”的典型配置方案,為優(yōu)化運行經(jīng)濟性,常規(guī)采用汽泵沖轉(zhuǎn)為主、電泵備用的運行方式。這種運行模式要求在機組啟動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,當機組負荷上升至并泵階段時,傳統(tǒng)的并泵操作往往伴隨明顯的汽包水位波動和給水流量波動,這些波動不僅影響機組運行穩(wěn)定性,還可能引發(fā)保護動作。

給水泵汽輪機一鍵沖轉(zhuǎn)系統(tǒng)通過智能化控制邏輯模塊實現(xiàn)了沖轉(zhuǎn)和并泵過程的完全自動化。系統(tǒng)首先自動完成掛閘操作和低壓主汽門的開啟,為沖轉(zhuǎn)做好準備工作。進入沖轉(zhuǎn)階段后,系統(tǒng)自動執(zhí)行摩擦檢查,同時基于實時監(jiān)測的金屬溫度數(shù)據(jù)和振動狀態(tài),智能調(diào)整升速率,確保設備安全平穩(wěn)運行。當轉(zhuǎn)速達到預定值后,系統(tǒng)無縫切換至遙控模式,根據(jù)機組負荷需求自動調(diào)節(jié)運行參數(shù)。在需要并泵運行時,系統(tǒng)提供一鍵式并泵功能,通過自動匹配壓力、流量等關(guān)鍵參數(shù),大幅簡化了傳統(tǒng)復雜的并泵操作流程。整個過程中,系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測20余項運行參數(shù),確保給水泵汽輪機始終處于最佳工作狀態(tài)。

基于APS的給水泵汽輪機一鍵沖轉(zhuǎn)具有以下創(chuàng)新點:

1)振動智能保護機制:針對轉(zhuǎn)速上升全過程實施振動在線監(jiān)測,當任一軸承振動值超過80μm閾值時,系統(tǒng)在200 ms內(nèi)自動暫停升速,待振動值恢復至安全范圍后繼續(xù)沖轉(zhuǎn)流程,有效避免了振動超標導致的設備損傷。

2)智能并泵控制:負荷>90 MW可由運行人員啟動自動并泵程序。通過壓力—流量復合控制,汽包水位波動幅度降低至± 15 mm。

3)自適應抗干擾能力:系統(tǒng)自動識別并處理沖轉(zhuǎn)過程中的異常擾動(如振動突變、參數(shù)波動等),減少運行人員手動干預需求,降低操作風險。

設計流程圖如圖2所示。

2APS系統(tǒng)實施與調(diào)試

2.1汽輪機一鍵沖轉(zhuǎn)系統(tǒng)

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

第二步,自動沖轉(zhuǎn)執(zhí)行,包括以下步驟:1)在APS汽輪機一鍵沖轉(zhuǎn)界面選擇“自動模式”。2)確認啟動條件滿足后觸發(fā)“啟動”指令。3)DCS系統(tǒng)自動執(zhí)行預設的沖轉(zhuǎn)控制策略包括:自動掛閘、主汽門順序開啟、轉(zhuǎn)速分段控制、暖機時間優(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)實時顯示各設備狀態(tài)和運行參數(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行參數(shù)微調(diào)優(yōu)化。4)系統(tǒng)自動完成臨界轉(zhuǎn)速區(qū)快速通過、振動保護等關(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)實際運行需求可進行手動微調(diào)。3)系統(tǒng)自動記錄并存儲完整的沖轉(zhuǎn)過程數(shù)據(jù)。

2.2給水泵汽輪機一鍵沖轉(zhuǎn)系統(tǒng)

第一步,啟動前檢查與確認:1)設備狀態(tài)檢查:確認給水泵汽輪機各設備狀態(tài)指示正常,核查系統(tǒng)無任何故障報警信息。2)參數(shù)驗證:檢查供汽壓力、溫度等關(guān)鍵參數(shù)符合要求,確認汽泵本體振動、位移等參數(shù)正常。驗證潤滑油系統(tǒng)壓力、溫度等輔助參數(shù)達標。

第二步,自動沖轉(zhuǎn)執(zhí)行流程:1)操作界面準備:進入APS給水泵汽輪機一鍵沖轉(zhuǎn)專用界面,選擇“自動模式”操作選項。2)啟動指令下發(fā):確認所有啟動條件滿足后觸發(fā)“啟動”執(zhí)行指令。3)系統(tǒng)自動執(zhí)行:自動完成掛閘操作,按順序開啟低壓主汽門、執(zhí)行摩擦檢查程序、實施智能暖機控制。

第三步,過程監(jiān)控與保護測試:1)實時監(jiān)控:DCS系統(tǒng)動態(tài)顯示各設備運行狀態(tài),完整記錄轉(zhuǎn)速、振動等關(guān)鍵參數(shù)曲線。2)保護功能驗證:在工程師站模擬振動超限工況(>80 μm),驗證系統(tǒng)在200 ms內(nèi)自動暫停升速,確認振動恢復正常后自動繼續(xù)沖轉(zhuǎn)。

第四步,智能并泵操作:1)并泵條件確認:機組負荷達到90 MW以上,檢查各并泵前置條件滿足。2)自動并泵執(zhí)行:觸發(fā)并泵“啟動”指令,系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)并泵轉(zhuǎn)速,實時監(jiān)控壓力—流量曲線,確保汽包水位波動≤ ± 15 mm。3)過程優(yōu)化: 自動完成轉(zhuǎn)速匹配,實現(xiàn)給水流量平穩(wěn)過渡。

第五步,操作完成確認:1)系統(tǒng)自動提示操作完成狀態(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)應用與效果

某330 MW機組在檢修后的冷態(tài)啟動全過程采用APS的汽輪機和給水泵汽輪機一鍵沖轉(zhuǎn)功能,實現(xiàn)了發(fā)電機組順利并網(wǎng)。汽輪機和給水泵汽輪機一鍵啟停技術(shù)在檢修后的啟機過程中得到了實際驗證,應用效果如下:

1)減少運行人員操作量。汽輪機和給水泵汽輪機的沖轉(zhuǎn)過程涉及30余個設備的順序動作,在傳統(tǒng)手動操作模式下需要執(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)實際運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計,該技術(shù)可減少運行人員工作量約80%。

2)縮短機組啟動時間。APS控制系統(tǒng)的汽輪機和給水泵汽輪機一鍵沖轉(zhuǎn)功能一定程度上縮短了每次機組啟動的時間。綜合估算,汽輪機和給水泵汽輪機沖轉(zhuǎn)時間均縮短約30 min,對比以往啟動時間節(jié)省了20%以上。

3)提升經(jīng)濟效益?？s短啟動時間就是直接減少暖機階段的無效能耗。同時,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導致的設備損傷。

4結(jié)束語

綜上所述,汽輪機與給水泵汽輪機一鍵沖轉(zhuǎn)技術(shù)是火電廠智能化升級的核心環(huán)節(jié)。該技術(shù)通過對沖轉(zhuǎn)過程的動態(tài)參數(shù)自適應修正和振動智能保護策略,顯著提升了機組啟動效率和安全性,從根本上降低了運行人員的勞動強度與誤操作風險,具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

同時,隨著電力系統(tǒng)對機組調(diào)峰靈活性要求的不斷提高,汽輪機和給水泵汽輪機的快速、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的汽輪機和給水泵汽輪機一鍵沖轉(zhuǎn)技術(shù)通過標準化流程與智能算法結(jié)合,不僅提高了機組運行平穩(wěn)性,還為火電廠“少人值守”乃至“無人化”運行提供了技術(shù)支撐,其成功應用標志著火電廠自動化升級的關(guān)鍵突破。該設計方案具備良好的可移植性和通用性,其標準化的技術(shù)架構(gòu)和模塊化的功能設計可快速適配各類同型機組,顯著提升智能化改造效率。該技術(shù)的成功應用,不僅代表了火電廠自動化控制領(lǐng)域的重大突破,其標準化實施方案更可為行業(yè)智能化改造提供可靠的技術(shù)范式,對提升電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力和促進能源清潔轉(zhuǎn)型具有重要的戰(zhàn)略意義。

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《機電信息》2025年第22期第7篇