为了适应经济建设迅猛发展及环境保护要求的日益提高，建设清洁高效、低污染低排放的燃气循环热电工程将是今后电力投资、发展的重点^[1]。 北京京西燃气热电有限公司安装了3 台西门子 SGT5-4000F（4+）型燃气机组，组成了1套“2拖1”和 1套“1拖1”燃气—蒸汽联合循环发电供热机组。联合循环发电供热机组采用汽轮机（背压机组）+SSS 离合器的配置方案，“2拖1”机组包括2台F级燃气发电机组、2台13.307 MPa/550.5 ℃余热锅炉和1台 300 MW级汽轮发电机组；“1拖1”机组包括1台F级燃气发电机组、1台12.877 MPa/552.5 ℃余热锅炉和 1台135 MW级汽轮发电机组。环境温度12 ℃时，3 台燃气发电机设计工况额定出力为297.181 MW，“2 拖1”汽轮发电机出力278.775 MW，“1拖1”汽轮发电机出力为137.551 MW，全厂设计总发电出力 1307.849 MW。

本工程将燃气—蒸汽联合循环机组、发电机及变压器组、厂用电系统以及热网系统的控制纳入分散控制系统（DCS），每套联合循环机组设置1套分散控制系统，实现了炉、机、电单元统一值班。随机岛成套提供的燃机控制系统（TCS）、汽轮机数字电液控制系统（DEH/ETS）与联合循环机组的DCS进行双向的通信连接，运行人员在中央控制室通过TCS/ DCS人机接口可实现对燃气轮机的监控。自动启停控制系统（Automatic Plant Startup and Shutdown System，APS）可以最大程度缩短机组的启停时间，及时响应电网负荷调度，减轻运行人员的工作强度，对电厂乃至电网提高自动化控制水平具有重要意义。

机组控制功能设置有机组级、功能组级、子功能组级和驱动级等控制方式，并以功能组级为主，层次结构如图 1所示。保护、连锁逻辑能使主、辅机在各种运行工况和状态下，自动完成各种事故处理。除启、停阶段的部分准备工作需由运行人员就地协助检查外，机组的启动、停止、正常运行和异常工况处理均可在集中控制室内完成^[2]。自动调节系统将力求全负荷范围内投入自动，以实现机组的主要参数能在全负荷范围内自动维持。

图1(Figure 1)

图1 机组自启停控制系统结构

机组级自动控制即为机组的自动启停控制系统APS。联合循环机组是1个典型的多输入、多输出控制系统，参数之间耦合性强，控制对象的动态特性差别较大，非线性严重。为了实现机组自动启停，必须实现HRSG全程给水自动控制、燃机自动控制、汽轮机自动控制、旁路自动控制等，采用APS时，对这些控制系统自动化水平的要求更高。APS的应用，可以从根本上提高机组的自动化水平和运行效率。

在实现机组自动启停功能前，需完成以下设计准备工作。

依据机组的启动和停运特性，制定机组自启停控制系统的整体框架，确定机组自启停功能涵盖范围、启停过程中所需的断点设置、各断点所含工艺系统及需实现的功能等^[3]。

机组自启停控制系统下功能组的控制功能并非一般意义上的顺序控制，不只是简单完成相关设备启动和停运，还要确保相关系统安全稳定地投入运行，确保电动机不过流、不过载，管路不发生冲击、振动等现象。凡是涉及模拟量控制系统的功能组，顺控需与模拟量控制密切配合，更好、更快地将系统投入运行。另外，功能组的设计具有功能上的独立性，功能组可单独使用且可安全平稳地完成系统的投入和退出，即使自启停控制系统不投入，功能组也能照常运行。

APS是机组顺序控制的最高级别，其控制接口与功能组控制、机组协调控制、TCS、DEH、旁路控制等有机地结合在一起，完成联合循环发电机组的自动启动和停止。只有在APS发出指令后，其他控制系统能顺利完成自启停控制系统所要求的功能，才能保证自启停控制系统的顺利投运，APS与燃机、汽轮机控制系统、MCS控制的接口是实现联合循环发电机组APS正常功能的关键。

对于“2拖1”的联合循环机组，2台余热锅炉并汽过程的负荷控制和旁路控制是机组级自动启、停控制过程中的技术难题，需要考虑燃机负荷、余热锅炉的参数控制以及旁路阀门特性，因此需要根据燃气轮机、余热锅炉、汽轮机等设备的启停曲线来设计APS控制系统。机岛系统整体启动运行策略，燃气联合循环机组启动曲线，机组启动时燃机、余热锅炉、汽轮机在启动各阶段的运行参数等，都是 APS控制系统设计时必需的资料。

APS的调试包括仿真测试、静态调试和动态投运3个过程，为了顺利完成机组自启停控制系统的调试任务，需在机组的启动和停运过程中进行合理组织，在条件允许的情况下进行功能组和断点的调试与投运，在系统投运过程中不断修改完善控制系统设计，保证各子系统能够安全平稳地投运和退出。

本工程APS控制系统逻辑主要分为2部分。

燃气轮机控制是由西门子公司设计实施，汽轮机DEH由上海汽轮机厂有限公司设计实施。该部分的自动控制功能在机岛成套控制系统中实现，技术成熟，设备独立，能够完全实现燃机系统、汽轮机组等设备的全自动启动和停止控制。

机组DCS与燃气轮发电机组和汽轮机的APS 进行接口，完成全厂APS的控制，并对机岛以外的其他系统进行全自动控制^[4]。这部分控制功能在联合循环机组DCS系统中实现，也是整个APS系统设计和实施的重点和难点。

机组启动时，APS控制从机组上水开始投入，至汽轮机带初负荷时结束控制。停机时，控制功能从停机操作开始投入，至汽轮机盘车启动时结束。

APS逻辑设计主要采用模块化的设计思想，即根据机组辅助设备、炉侧高、中、低压系统，机岛设备等作出划分，将每个部分作为1个功能组，在功能组内部按照机组启动、停机要求通过逻辑设计来实现各种功能。另外，再通过功能组外部的主顺控逻辑将各部分的功能联系起来，从而完成整个APS启动、停止的逻辑设计。以功能组的方式来进行整个 APS启停逻辑设计有以下优点：

（1） 按系统划分来设计功能组，这样在逻辑设计以及具体实施过程中，能够做到思路清晰，目标明确；

（2） 各功能组逻辑相对独立，互不影响，为以后APS逻辑的进一步优化创造了条件。

在APS启、停机人机接口监视画面的设计上，除了显示关键参数的实时变化情况外，还以主要顺控步骤为节点，采用简洁、直观的流程图方式显示机组启动及启动过程中高/中/低压缸、再热管道的暖管过程，以及机组停机的完整顺控流程，使操作人员能够清晰、完整地监控整个APS启停机过程，同时还能对机组关键参数的变化情况进行相对集中的监视；另外还设计了手动旁路功能，可以让运行人员根据机组的实际情况，对APS自启停顺控逻辑的执行做出灵活处理，避免因某些不重要设备的异常情况影响整个APS系统的正常运行。

按照机组的启动和停止过程，APS系统的控制逻辑分为2个主流程：1是自动启动顺序控制流程，2 是自动停机顺序控制流程^[5]。

（1） 机组启动前各辅助设备状态的检查，主要包括仪用空气、循环水、辅汽、氢气、润滑油、控制油、抽真空等系统检查。

（2） 机组启动前机侧、炉侧部分辅助设备、阀门的初始化，主要包括锅炉给水、凝结水、锅炉加药、炉侧给水系统的初始化，以及高/中/低压、再热系统疏水阀、减温水阀、启动排气阀等初始化。

（3） 机组启动控制,主要包括燃机启动、升速、 并网，升负荷；锅炉启动；汽轮机启动，直至机组达到预设负荷。

（1） 机组停机前各辅助设备状态的检查，主要包括循环水、仪用空气、辅汽、凝结水等系统。

（2） 机组停机前部分设备、阀门的初始化，主要包括高/中/低压、再热系统疏水阀门、减温水阀门的初始化。

（3） 机组停机控制，主要包括机组减负荷、解列、降转速、投盘车，以及停余热锅炉、关烟囱挡板等。

（1） 确定项目组成员、调研收资、制订详细的项目工作计划。

（2） 收集整理与运行相关的资料，如：操作票、 运行规程等。

（3） 收集整理主机厂的全套控制资料。

（4） 确定APS覆盖范围。

（1） 完成自启停控制系统断点设置及各断点所包含工艺系统的确定。

（2） 完成APS整体框架方案，APS控制的系统功能组清单和单个设备清单。整理出为实现APS功能所需增加的功能组清单。

（3） 解决APS与其他系统的接口问题，特别是与其他非一体化控制系统的接口问题，如：电气与热控系统，燃机/汽轮机控制系统等与DCS的接口^[6]。

（4） 确定APS监控主画面和过程监控顺控子画面内容与风格。

（5） 确定需增加的远控阀门和测点清单。

（6） 确定功能组、子功能组以及设备驱动级与 APS的接口原则。

（1） 完成APS整体框架方案的组态工作。

（2） 完成详细程序框图设计与审查。

（3） 进行APS程序组态与审查。

（4） 系统功能组和子系统功能组完善与调试验收。

（5） 进行APS仿真试验。

（1） 配合现场功能组调试进度，完成APS程序静态试验。

（2） APS程序在线联调（带系统试运）。

（3） APS程序修改完善并带系统试验。

（4） 机组启停APS功能正常投入。

APS 系统的设计和实施是1 个复杂的系统工程，必须与电厂的具体情况紧密结合。设计人员需要充分熟悉和掌握电厂各系统的工作原理和工艺流程，全面了解电厂运行人员的实际操作经验和需求，做到将理论与实践的完美结合^{[7, 8]}。

（1） 项目需要组织专人进行技术攻关，对机组的实际启动和停止过程进行全面深入地研究和分析；

（2） 需要组织一批运行经验丰富的运行人员和对控制逻辑非常熟悉的热控技术人员参与设计工作，并对方案进行反复研究和讨论；

（3） 需要运行人员确定相关边界条件，提供相关系统、设备记录完整的启停操作票；

（4） APS断点设置的合理性需要运行人员最终确认。

机组自动启停技术代表先进生产力，是国内火力发电厂自动化技术发展方向。北京京西燃气热电有限公司机组自启停控制系统充分考虑了联合循环机组启停特性、主辅设备运行状态和工艺系统过程参数，通过向各系统功能组、燃机控制系统、汽轮机控制系统、旁路控制系统等发出控制指令，并及时读取各系统的反馈信息，判断系统的运行状态，将功能组和设备有序地结合起来，成功实现了机组的自动启动和停止。