基于APS的火电厂汽轮机与给水泵汽轮机一键冲转技术设计与应用

0引言

随着新型电力系统建设的快速推进和可再生能源占比的持续提升,电力系统调峰需求呈现爆发式增长[1]。据统计,2023年全国火电机组平均调峰频次较五年前增加了近3倍,部分区域调峰机组年启停次数甚至超过200次[2]。在此背景下,传统依赖人工操作的汽轮机及给水泵汽轮机冲转模式暴露出日益突出的问题:一方面,频繁的启停操作导致运行人员工作负荷激增,操作失误率上升(数据表明,人工操作导致的非计划停机占比达35%)[3];另一方面,复杂的冲转过程涉及数十个阀门的精确协调和上百项参数的实时监控,人工响应速度难以满足快速调峰需求[4]。

机组自启停系统(APS)是电厂自动化技术的高度集成与应用,通过整合DCS控制平台和智能算法,为实现安全高效的自动冲转提供了全新的解决方案[5]。

本文以某330 MW亚临界机组为研究对象,重点突破以下技术难题:1)多工况下冲转参数的自适应匹配问题。2)轴系振动超限的智能预测与抑制。3)智能并泵的汽包水位控制。

通过攻克上述关键技术难题,本研究构建了一套完整的基于APS的一键冲转智能控制技术。该技术不仅实现了冲转过程的全自动执行,更在安全性和经济性方面取得显著提升,为同类型机组的智能化改造提供了重要参考。

1APS设计

1.1APS汽轮机-键冲转技术设计

以某330 MW机组为例,汽轮机主机设备采用上海汽轮机厂生产的亚临界、中间再热式、高中压合缸、双缸双排汽凝汽式汽轮机。汽轮机冲转启动采用全程手动操作模式,且在现行调峰政策要求下需频繁启停,并且涉及冷态、热态等多种启动工况,完全依赖人工操作不仅显著增加了运行人员工作负荷,还存在操作疲劳和误操作风险,进而可能引发冲转失败等运行事故。

汽轮机一键冲转系统通过智能化控制逻辑模块实现全自动冲转过程。系统首先自动完成操作模式选择,随后执行自动挂闸操作,并将调节阀行程限值自动设定为100%。在冲转阶段,系统实时采集持环温度数据, 自动识别冷/热态工况并自适应匹配最优启动曲线,采用变升速率控制策略完成转速提升,在低速区间自动执行摩擦检查,同时根据金属温升率动态调整暖机时间。冲转过程中,系统实现高中压缸进汽阀的无扰切换,并持续监测20余项关键参数进行控制指令的实时修正。

基于APS的汽轮机一键冲转具有以下创新点:

1)可根据机组状态(冷态/热态)自适应最优冲转参数,包括目标转速、升速率等关键控制变量。

2)支持运行参数的人工干预与修改。

3)可选择性跳过非必要流程(如跳过暖机)。

4)具备完善的异常工况处理能力。

设计流程图如图1所示。

1.2APS给水泵汽轮机-键冲转技术设计

本厂采用“2汽泵+1电泵”的典型配置方案,为优化运行经济性,常规采用汽泵冲转为主、电泵备用的运行方式。这种运行模式要求在机组启动初期即完成汽泵冲转操作,以确保锅炉上水过程可靠性。然而,当机组负荷上升至并泵阶段时,传统的并泵操作往往伴随明显的汽包水位波动和给水流量波动,这些波动不仅影响机组运行稳定性,还可能引发保护动作。

给水泵汽轮机一键冲转系统通过智能化控制逻辑模块实现了冲转和并泵过程的完全自动化。系统首先自动完成挂闸操作和低压主汽门的开启,为冲转做好准备工作。进入冲转阶段后,系统自动执行摩擦检查,同时基于实时监测的金属温度数据和振动状态,智能调整升速率,确保设备安全平稳运行。当转速达到预定值后,系统无缝切换至遥控模式,根据机组负荷需求自动调节运行参数。在需要并泵运行时,系统提供一键式并泵功能,通过自动匹配压力、流量等关键参数,大幅简化了传统复杂的并泵操作流程。整个过程中,系统持续监测20余项运行参数,确保给水泵汽轮机始终处于最佳工作状态。

基于APS的给水泵汽轮机一键冲转具有以下创新点:

1)振动智能保护机制:针对转速上升全过程实施振动在线监测,当任一轴承振动值超过80μm阈值时,系统在200 ms内自动暂停升速,待振动值恢复至安全范围后继续冲转流程,有效避免了振动超标导致的设备损伤。

2)智能并泵控制:负荷>90 MW可由运行人员启动自动并泵程序。通过压力—流量复合控制,汽包水位波动幅度降低至± 15 mm。

3)自适应抗干扰能力:系统自动识别并处理冲转过程中的异常扰动(如振动突变、参数波动等),减少运行人员手动干预需求,降低操作风险。

设计流程图如图2所示。

2APS系统实施与调试

2.1汽轮机一键冲转系统

第一步,启动前检查,操作人员需在DCS操作员站完成以下准备工作:1)确认汽轮机系统各设备状态指示正常,无任何故障报警。2)核查主蒸汽压力、温度等关键参数符合启动要求。3)检查汽轮机本体金属温度、差胀等参数处于允许范围。4)验证润滑油系统、EH油系统、凝汽器系统等辅助设备运行参数正常。

第二步,自动冲转执行,包括以下步骤:1)在APS汽轮机一键冲转界面选择“自动模式”。2)确认启动条件满足后触发“启动”指令。3)DCS系统自动执行预设的冲转控制策略包括:自动挂闸、主汽门顺序开启、转速分段控制、暖机时间优化。

第三步,过程监控与优化,包括以下步骤:1)DCS系统实时显示各设备状态和运行参数曲线。2)操作人员通过操作员站全程监控冲转过程。3)调试人员可在工程师站进行参数微调优化。4)系统自动完成临界转速区快速通过、振动保护等关键控制。

第四步,冲转完成处理,包括以下步骤:1)DCS画面显示“冲转成功”状态提示。2)操作人员根据实际运行需求可进行手动微调。3)系统自动记录并存储完整的冲转过程数据。

2.2给水泵汽轮机一键冲转系统

第一步,启动前检查与确认:1)设备状态检查:确认给水泵汽轮机各设备状态指示正常,核查系统无任何故障报警信息。2)参数验证:检查供汽压力、温度等关键参数符合要求,确认汽泵本体振动、位移等参数正常。验证润滑油系统压力、温度等辅助参数达标。

第二步,自动冲转执行流程:1)操作界面准备:进入APS给水泵汽轮机一键冲转专用界面,选择“自动模式”操作选项。2)启动指令下发:确认所有启动条件满足后触发“启动”执行指令。3)系统自动执行:自动完成挂闸操作,按顺序开启低压主汽门、执行摩擦检查程序、实施智能暖机控制。

第三步,过程监控与保护测试:1)实时监控:DCS系统动态显示各设备运行状态,完整记录转速、振动等关键参数曲线。2)保护功能验证:在工程师站模拟振动超限工况(>80 μm),验证系统在200 ms内自动暂停升速,确认振动恢复正常后自动继续冲转。

第四步,智能并泵操作:1)并泵条件确认:机组负荷达到90 MW以上,检查各并泵前置条件满足。2)自动并泵执行:触发并泵“启动”指令,系统自动调节并泵转速,实时监控压力—流量曲线,确保汽包水位波动≤ ± 15 mm。3)过程优化: 自动完成转速匹配,实现给水流量平稳过渡。

第五步,操作完成确认:1)系统自动提示操作完成状态。2)生成完整的操作过程记录。3)保存关键参数历史曲线。

3APS技术应用与效果

某330 MW机组在检修后的冷态启动全过程采用APS的汽轮机和给水泵汽轮机一键冲转功能,实现了发电机组顺利并网。汽轮机和给水泵汽轮机一键启停技术在检修后的启机过程中得到了实际验证,应用效果如下:

1)减少运行人员操作量。汽轮机和给水泵汽轮机的冲转过程涉及30余个设备的顺序动作,在传统手动操作模式下需要执行约120次操作指令。通过APS控制系统实现一键冲转后,操作频次显著降低至30次以内。经实际运行数据统计,该技术可减少运行人员工作量约80%。

2)缩短机组启动时间。APS控制系统的汽轮机和给水泵汽轮机一键冲转功能一定程度上缩短了每次机组启动的时间。综合估算,汽轮机和给水泵汽轮机冲转时间均缩短约30 min,对比以往启动时间节省了20%以上。

3)提升经济效益。缩短启动时间就是直接减少暖机阶段的无效能耗。同时,智能化的操作流程降低了人为误操作率,有效避免了因操作不当导致的设备损伤。

4结束语

综上所述,汽轮机与给水泵汽轮机一键冲转技术是火电厂智能化升级的核心环节。该技术通过对冲转过程的动态参数自适应修正和振动智能保护策略,显著提升了机组启动效率和安全性,从根本上降低了运行人员的劳动强度与误操作风险,具有显著的经济效益和社会效益。

同时,随着电力系统对机组调峰灵活性要求的不断提高,汽轮机和给水泵汽轮机的快速、可靠启停己成为火电厂参与深度调峰的必要能力[6]。本文提出的基于APS的汽轮机和给水泵汽轮机一键冲转技术通过标准化流程与智能算法结合,不仅提高了机组运行平稳性,还为火电厂“少人值守”乃至“无人化”运行提供了技术支撑,其成功应用标志着火电厂自动化升级的关键突破。该设计方案具备良好的可移植性和通用性,其标准化的技术架构和模块化的功能设计可快速适配各类同型机组,显著提升智能化改造效率。该技术的成功应用,不仅代表了火电厂自动化控制领域的重大突破,其标准化实施方案更可为行业智能化改造提供可靠的技术范式,对提升电力系统灵活调节能力和促进能源清洁转型具有重要的战略意义。

[参考文献]

[1] 陈永琦.火电厂APS系统分析与设计管窥[J].通讯世界,2016(12):166-167.

[2]王立地,秦莉.火力发电厂APS应用与设计研究[J].电力技术,2010,19(增刊1):18-26.

[3]秦铭阳.基于ICS平台的燃煤机组APS智能调度系统[J].电工技术,2023(19):63-67.

[4]周世杰,孙俊莲.火电厂自启停控制系统控制范围及断点设置[J].工业仪表与自动化装置,2019(1):23-26.

[5]段晓宇.火电厂智能DCS的功能设计与应用研究[J].重庆电力高等专科学校学报,2023,28(3):24-29.

[6] 张建江,陈卫.燃煤机组APS应用研究 [J].浙江电力,2013,32(2):58-61.

《机电信息》2025年第22期第7篇