9FA燃機(jī)AGC模式下主、再熱蒸汽溫度控制策略

萬志勇（江蘇華電戚墅堰發(fā)電有限公司，江蘇常州 213011）

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9FA燃機(jī)AGC模式下主、再熱蒸汽溫度控制策略

萬志勇
（江蘇華電戚墅堰發(fā)電有限公司，江蘇常州 213011）

【摘要】介紹美國GE公司9FA級(jí)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組余熱鍋爐特點(diǎn)及蒸汽減溫配置，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組正常運(yùn)行中通過串聯(lián)布置的兩個(gè)回路控制主、再熱蒸汽溫度，包含最小流量和過熱度保護(hù)的實(shí)現(xiàn)方法。機(jī)組啟動(dòng)階段，IGV參與燃機(jī)排氣溫度控制，前饋調(diào)節(jié)來穩(wěn)定啟動(dòng)期間的主蒸汽溫度。機(jī)組在AGC模式控制下調(diào)峰，機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)頻繁、劇烈，用實(shí)踐出的目標(biāo)溫度法控制主、再熱蒸汽溫度-燃機(jī)排氣溫度-IGV角度統(tǒng)一協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)動(dòng)作，維持調(diào)峰機(jī)組大負(fù)荷變動(dòng)情況下的主、再熱蒸汽溫度穩(wěn)定的控制策略。

【關(guān)鍵詞】聯(lián)合循環(huán) 主、再熱蒸汽溫度 IGV前饋 過熱度保護(hù) 最小流量保護(hù) 目標(biāo)溫度法

長期以來，我國能源結(jié)構(gòu)以煤為主。煤電的污染排放（SO2、NOX）問題非常嚴(yán)重，已成為我國電力工業(yè)實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的“瓶頸”。而燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組由于優(yōu)越的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì)，效率高、啟?？臁⒄嫉厥?、建設(shè)周期短，以及快速的“無外電源啟動(dòng)”特性，能保證電網(wǎng)運(yùn)行的安全和可恢復(fù)性。近年來發(fā)展迅速，不僅可以用作緊急備用電源和尖峰負(fù)荷機(jī)組，而且還能攜帶基本負(fù)荷和中間負(fù)荷，特別適合調(diào)峰作用。

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在調(diào)峰時(shí)負(fù)荷率變動(dòng)大，以F級(jí)燃機(jī)為例，在A G C模式下運(yùn)行時(shí)調(diào)峰負(fù)荷調(diào)整范圍大（2 8 0～390MWMW）、變動(dòng)時(shí)間短（5～15min），燃機(jī)排氣溫度變動(dòng)范圍大（600℃～650℃）。本文以9FA燃?xì)廨啓C(jī)配套的余熱鍋爐為例，介紹燃機(jī)供應(yīng)商的主、再蒸汽溫度的控制策略以及在AGC模式下運(yùn)行中實(shí)踐總結(jié)出的主、再蒸汽溫度的控制策略。

1 設(shè)備簡介

1.1 并網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度AGC要求

為適應(yīng)大電網(wǎng)、大調(diào)度發(fā)展趨勢(shì)，上網(wǎng)機(jī)組負(fù)荷必須嚴(yán)格按照省調(diào)下達(dá)的日計(jì)劃發(fā)電曲線執(zhí)行，電網(wǎng)調(diào)度能量管理系統(tǒng)（EMS）每5分鐘采樣，全天288個(gè)點(diǎn)，分為高峰、腰荷、低谷三個(gè)時(shí)段，采集到的發(fā)電負(fù)荷實(shí)績與計(jì)劃曲線比較，超過±3%為不合格點(diǎn)，按規(guī)定進(jìn)行考核。發(fā)電企業(yè)100MW以上機(jī)組必須具有AGC功能，一個(gè)月連續(xù)2天或累計(jì)5天AGC不能投入的，將進(jìn)行考核。F級(jí)燃機(jī)AGC可調(diào)范圍280～390MW，調(diào)節(jié)速率3.5%，日均調(diào)節(jié)精度必須達(dá)到0.5%的額定容量。機(jī)組AGC一旦投入，運(yùn)行人員不允許干預(yù)機(jī)組負(fù)荷設(shè)置，面對(duì)峰谷階段的大負(fù)荷變動(dòng)必須及時(shí)調(diào)整參數(shù)才能保證機(jī)組在安全經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)運(yùn)行。

1.2 存在問題

我公司9FA燃機(jī)發(fā)電機(jī)組是引進(jìn)美國GE公司的F級(jí)燃機(jī)單軸聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，采用集控運(yùn)行模式。在AGC模式下，省調(diào)度員遠(yuǎn)程控制機(jī)組負(fù)荷，無規(guī)律性、無預(yù)知性，現(xiàn)有的主、再熱蒸汽減溫水自動(dòng)調(diào)節(jié)不理想，波動(dòng)幅度大、調(diào)節(jié)時(shí)間長，易調(diào)節(jié)失穩(wěn)，運(yùn)行中需解除蒸汽溫度自動(dòng)控制人工參與調(diào)節(jié)。一方面使運(yùn)行人員操作強(qiáng)度變大，在單人值機(jī)操作頻繁時(shí)易出差錯(cuò)；另一方面機(jī)組金屬產(chǎn)生持續(xù)交變應(yīng)力易發(fā)生疲勞破壞。由于燃?xì)廨啓C(jī)具有的快速變負(fù)荷特點(diǎn)使其成為調(diào)峰機(jī)組的最佳選擇，在AGC模式下電網(wǎng)遠(yuǎn)程快速調(diào)節(jié)負(fù)荷是一種必然。所以盡快尋找到一種切實(shí)可行的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式來滿足電網(wǎng)快速調(diào)節(jié)負(fù)荷時(shí)匹配的主、再熱蒸汽汽溫自動(dòng)控制來減少人員的操作強(qiáng)度已經(jīng)刻不容緩。

2 現(xiàn)有的主、再熱蒸汽溫度控制策略

2.1 減溫配置

我公司余熱鍋爐采用無補(bǔ)燃的三壓再熱循環(huán)系統(tǒng)，其能量來源于燃機(jī)的高溫排氣，余熱鍋爐的蒸汽參數(shù)只與燃機(jī)排氣有關(guān)，即蒸汽溫度取決于燃機(jī)排氣流量及溫度。余熱鍋爐有高、中、低壓三個(gè)汽包。高壓過熱器共4級(jí)，在2、3級(jí)和3、4級(jí)過熱器之間分別設(shè)置了一級(jí)噴水減溫裝置，控制其出口蒸汽溫度。再熱器共3級(jí)，在2、3級(jí)再熱器之間設(shè)置了一級(jí)噴水減溫裝置，控制其出口蒸汽溫度。低壓過熱器沒有噴水減溫裝置。過熱器、再熱器減溫裝置減溫水分別來自于高、中壓給水。

過熱器一級(jí)減溫策略為粗調(diào)，流量大，受過熱度保護(hù)邏輯限制。二級(jí)減溫策略為細(xì)調(diào)，當(dāng)流量超過4.5t/h，發(fā)出報(bào)警，表示超過溫控閥調(diào)節(jié)穩(wěn)定區(qū)，主汽溫度調(diào)整易受高壓給水壓力波動(dòng)而造成調(diào)節(jié)失穩(wěn)。

2.2 現(xiàn)有的蒸汽溫度控制策略

2.2.1 控制原理

現(xiàn)有蒸汽溫度控制策略包括采用串級(jí)布置的控制回路、IGV前饋回路、過熱度保護(hù)、最小流量保護(hù)等控制回路。圖1是燃機(jī)供應(yīng)商提供的主蒸汽溫度控制原理圖。

主蒸汽溫度控制系統(tǒng)采用串聯(lián)布置的兩個(gè)控制回路：一是由被調(diào)對(duì)象的導(dǎo)前區(qū)、導(dǎo)前汽溫、內(nèi)控制器、執(zhí)行器和溫控閥組成的內(nèi)回路；二是由被調(diào)對(duì)象的惰性區(qū)、主汽溫、外控制器組成的外回路。

外控制器接受末級(jí)過熱器出口實(shí)測(cè)蒸汽溫度和設(shè)定值間的偏差，其輸出值作為內(nèi)控制器給定值，對(duì)內(nèi)回路進(jìn)行校正。為防止積分飽和，采用帶復(fù)位功能的比例和外部積分調(diào)節(jié)作用。

圖1　主蒸汽溫度控制原理圖

圖2　主蒸汽溫度設(shè)定值回路

內(nèi)控制器根據(jù)實(shí)測(cè)的減溫器后溫度變化迅速改變減溫水量，消除因給水壓力波動(dòng)等原因引起的減溫水自發(fā)性擾動(dòng)。

2.2.2 主蒸汽溫度設(shè)定值回路

燃機(jī)在起動(dòng)至部分負(fù)荷時(shí)，壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉（IGV）參與燃機(jī)排氣溫度調(diào)節(jié)。IGV開度的變化直接影響著燃機(jī)排氣的流量、溫度進(jìn)而影響機(jī)組的蒸汽溫度。因此在主蒸汽溫度控制策略中，設(shè)有IGV前饋回路，見圖2。

機(jī)組冷態(tài)起動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)通過調(diào)整IGV角度來控制燃機(jī)排氣溫度。此時(shí)主汽溫度控制設(shè)定值為IGV角度的函數(shù)。機(jī)組并網(wǎng)后，溫度匹配程序被激活，為控制燃機(jī)排氣溫度使主汽溫度的上升匹配缸溫，IGV由最小工作角度49°打開，燃機(jī)排氣流量增加，主蒸汽溫度上升。匹配程序完成后IGV角度關(guān)小到最小工作角度，燃機(jī)加載，F(xiàn)SR（燃料沖程基準(zhǔn)）增加，燃機(jī)排氣溫度急劇上升，為維持排氣溫度，IGV角度由最小工作角度重新打開。當(dāng)IGV 角度大于70°時(shí)，RS觸發(fā)器模塊置位，切換模塊的輸出選擇最大設(shè)定值。在機(jī)組停機(jī)過程中，當(dāng)IGV角度小于65°時(shí)，RS觸發(fā)模塊處于復(fù)位狀態(tài)，切換模塊再次選擇函數(shù)模塊的輸出。

機(jī)組熱態(tài)起動(dòng)時(shí)，燃機(jī)控制系統(tǒng)通過調(diào)整FSR來控制燃機(jī)排氣溫度。當(dāng)IGV 角度大于70°時(shí)，切換模塊的輸出選擇最大設(shè)定值，此時(shí)設(shè)定值（即小選模塊的輸出）為主蒸汽溫度測(cè)量值及接通溫度TON（482℃）的最大值，為了防止汽機(jī)溫度過高引起機(jī)組RB（runback， 輔機(jī)故障減負(fù)荷），設(shè)定值不得超過566℃。

2.2.3 過熱度保護(hù)

由于一級(jí)過熱器出口汽溫低，為防止減溫水噴淋過度使蒸汽溫度降到飽和溫度導(dǎo)致蒸汽帶水損壞汽輪機(jī)葉片的可能性，設(shè)計(jì)了過熱度保護(hù)功能，根據(jù)二級(jí)減溫器出口蒸汽壓力計(jì)算出對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度，加上一定的過熱裕度△Tsat，作為末級(jí)過熱器入口蒸汽溫度限制值，與外控制器的輸出指令經(jīng)過大選模塊作為內(nèi)控制器的給定值。當(dāng)外控制器的輸出指令小于溫度保護(hù)值時(shí)，限制減溫水流量，使減溫器出口蒸汽溫度不低于飽和溫度。若主蒸汽溫度小于最小過熱度時(shí)，則關(guān)閉減溫閥，保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

2.2.4 最小流量保護(hù)

在機(jī)組運(yùn)行期間，溫控閥工作區(qū)范圍可能進(jìn)入小開度調(diào)節(jié)甚至全關(guān)狀態(tài)，如果減溫水流量被切斷后再打開噴淋，循環(huán)往復(fù)下高溫區(qū)域的金屬易發(fā)生熱沖擊和高循環(huán)疲勞。故維持最小的減溫水流量可以增加減溫器噴嘴部件的壽命。

當(dāng)減溫水流量小于設(shè)定值時(shí)，最小流量調(diào)節(jié)器（見圖1）輸出增加，與高壓主蒸汽溫度串級(jí)控制回路輸出指令一起進(jìn)入大選模塊，若其指令小于最小流量調(diào)節(jié)器的輸出，則將最小流量調(diào)節(jié)器的輸出作為溫控閥的指令，從而保護(hù)減溫器噴嘴。

3 AGC模式下主、再熱蒸汽溫度控制策略

3.1 AGC模式下主、再熱汽溫調(diào)節(jié)問題

GE公司提供的蒸汽溫度減溫策略是比較完備與縝密，但其調(diào)節(jié)策略是跟隨主、再熱蒸汽溫度發(fā)生變化后再進(jìn)行調(diào)節(jié)，屬于被動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)節(jié)奏慢、溫度變動(dòng)范圍大、調(diào)節(jié)震蕩大，無法適應(yīng)在AGC模式下短時(shí)大范圍變動(dòng)負(fù)荷的特點(diǎn)。經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一個(gè)調(diào)節(jié)過程中調(diào)節(jié)震蕩還未消退電網(wǎng)調(diào)度又發(fā)出負(fù)荷變動(dòng)的調(diào)節(jié)指令，致使調(diào)節(jié)震蕩迭加，甚至調(diào)節(jié)崩潰，主、再熱汽溫超限，嚴(yán)重威脅機(jī)組安全運(yùn)行，所有需要優(yōu)化其調(diào)節(jié)策略。根據(jù)負(fù)荷指令的變動(dòng)，通過IGV角度、燃機(jī)排氣溫度的變化值預(yù)先判斷主汽溫度變化趨勢(shì)，超前微調(diào)，主動(dòng)調(diào)節(jié)。如果能找到正確的調(diào)節(jié)方式再模擬其調(diào)節(jié)策略作出邏輯優(yōu)化就可達(dá)到在AGC模式下大幅度變負(fù)荷工況時(shí)主、再汽溫的自動(dòng)調(diào)節(jié)了。

3.2 負(fù)荷變動(dòng)過程中燃機(jī)的特性

聯(lián)合循環(huán)機(jī)組變負(fù)荷時(shí)由于余熱鍋爐的熱緩沖現(xiàn)象表現(xiàn)出燃機(jī)增、減負(fù)荷快，汽機(jī)增、減負(fù)荷慢的特點(diǎn)。所以增、減負(fù)荷過程也可看作是燃機(jī)與汽機(jī)的負(fù)荷分配過程。

當(dāng)減負(fù)荷指令發(fā)出后，機(jī)組FSR即燃料量開始減少。在燃機(jī)IGV角度不變的情況下對(duì)應(yīng)的是燃機(jī)排氣溫度與壓力下降，負(fù)荷下降。燃機(jī)MARK Ⅵ控制系統(tǒng)的FSR控制（此時(shí)FSR已由溫控切至速度控制）為維持機(jī)組效率及環(huán)保指標(biāo)，保證燃機(jī)進(jìn)口TTSR溫度在較高溫度范圍內(nèi)，發(fā)出關(guān)小IGV的指令，燃機(jī)排氣溫度上升至溫控算法計(jì)算值。目標(biāo)負(fù)荷到位，這一段可看作燃機(jī)減負(fù)荷。當(dāng)排氣溫度與排氣壓力下降使得進(jìn)入余熱鍋爐熱量的減少，鍋爐蒸發(fā)量減少使主、再熱蒸汽壓力下降、流量下降從而減少了汽機(jī)負(fù)荷，這一段可看作汽機(jī)減負(fù)荷。由于目標(biāo)總負(fù)荷量不變，汽機(jī)減負(fù)荷時(shí)燃機(jī)負(fù)荷回升，表現(xiàn)為IGV角度關(guān)小后又開大，當(dāng)主汽壓力穩(wěn)定后汽機(jī)負(fù)荷也穩(wěn)定，燃機(jī)IGV角度穩(wěn)定，燃機(jī)負(fù)荷也穩(wěn)定，一次減負(fù)荷過程完成。主、再熱蒸汽溫度受排煙溫度影響從上面的過程可看出隨燃機(jī)排氣溫度是先瞬間下降再上升。由于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組存在這樣的負(fù)荷特性加劇了減溫調(diào)節(jié)震蕩。所以減溫策略不但需要跟蹤減溫器前后蒸汽溫度的變化情況還應(yīng)該靈敏捕捉負(fù)荷變化中燃機(jī)參數(shù)的變化值，特別是燃機(jī)排氣溫度和IGV角度這兩個(gè)參數(shù)，來準(zhǔn)確預(yù)判出汽溫變化的趨勢(shì)，實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

3.3 優(yōu)化的主、再熱溫度調(diào)節(jié)過程描述

根據(jù)日常的手動(dòng)調(diào)節(jié)，發(fā)現(xiàn)只要二級(jí)減溫器后溫度+燃機(jī)排氣溫度=1130℃，就能保證主蒸汽溫度恒定在566℃?？刂坪枚?jí)減溫器后的溫度就能保證主蒸汽的溫度并靈敏感受燃機(jī)排氣溫度對(duì)主蒸汽溫度的影響。按照此規(guī)律我們可以在變負(fù)荷時(shí)通過基本算法：1130℃減去燃機(jī)排氣溫度從而得到二級(jí)減溫器后需調(diào)節(jié)到的溫度。這樣就找到了主汽溫度與燃機(jī)排氣溫度之間的聯(lián)系。而燃機(jī)通過調(diào)整IGV角度來控制進(jìn)入燃機(jī)的空氣量使得燃機(jī)排氣溫度發(fā)生變化，溫控邏輯調(diào)整FSR達(dá)到控制負(fù)荷的目的，進(jìn)而找到負(fù)荷變動(dòng)時(shí)IGV角度與燃機(jī)排氣溫度之間的函數(shù)圖。這樣燃機(jī)的“負(fù)荷-FSR-IGV角度-燃機(jī)排氣溫度-主蒸汽溫度之間的關(guān)系都聯(lián)系起來。當(dāng)接受到省調(diào)度臺(tái)變負(fù)荷指令，通過FSR、IGV角度、燃機(jī)排氣溫度的變化值預(yù)先判斷主汽溫度變化趨勢(shì)，超前微調(diào)，就能滿足主蒸汽減溫要求。

同理找到再熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)規(guī)律為再熱減溫器后溫度與燃機(jī)排氣溫度之和等于1150℃。此處不再贅述。

3.4 主、再熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)目標(biāo)溫度法

綜上所述，主蒸汽汽溫減溫邏輯中減溫器的內(nèi)回路溫度調(diào)節(jié)中加入二級(jí)減溫器后溫度作為取樣點(diǎn)的目標(biāo)溫度調(diào)節(jié)，按“1130℃-實(shí)時(shí)燃機(jī)排氣溫度”這個(gè)動(dòng)態(tài)量算法作為二級(jí)減溫器內(nèi)回路設(shè)定調(diào)節(jié)目標(biāo)溫度并串入IGV角度與燃機(jī)排氣溫度之間的關(guān)系函數(shù)并輔以外控制器輸出值作為修正的方法。

高過一級(jí)減溫水目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)算法為在減溫邏輯中減溫器的外回路溫度設(shè)定值中加入“1130℃-實(shí)時(shí)燃機(jī)排氣溫度+15℃”這個(gè)動(dòng)態(tài)量算法作為調(diào)節(jié)目標(biāo)溫度設(shè)定值。

再熱蒸汽汽溫減溫邏輯中減溫器的內(nèi)回路溫度調(diào)節(jié)中加入再熱減溫器后溫度作為取樣點(diǎn)的目標(biāo)溫度調(diào)節(jié)，按“1150℃-實(shí)時(shí)燃機(jī)排氣溫度”這個(gè)動(dòng)態(tài)量算法作為再熱減溫器內(nèi)回路設(shè)定調(diào)節(jié)目標(biāo)溫度并串入IGV角度與燃機(jī)排氣溫度之間的關(guān)系函數(shù)并輔以外控制器輸出值作為修正的方法，即能達(dá)到AGC模式下變負(fù)荷時(shí)快速、平穩(wěn)的控制減溫水，使主、再熱蒸汽溫度保持正常匹配負(fù)荷。另外減少人工操作，真正達(dá)到無人化全自動(dòng)操作。實(shí)現(xiàn)主、再熱蒸汽汽溫自動(dòng)控制來配合電網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程快速調(diào)節(jié)負(fù)荷的目的。

············

4 結(jié)語

本文介紹了與9FA燃機(jī)配套的余熱鍋爐蒸汽溫度控制策略，包括蒸汽溫度采用了串級(jí)控制、IGV前饋回路、最小流量保護(hù)、過熱度保護(hù)等控制回路方案。

由于余熱鍋爐輸入的能量全部來自于燃機(jī)排氣，蒸汽溫度取決于燃機(jī)排氣流量及溫度。在啟動(dòng)階段，蒸汽溫度全程控制的設(shè)定值是動(dòng)態(tài)的，且是IGV角度的函數(shù)。

在AGC模式下，根據(jù)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組作為調(diào)峰機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)量大且調(diào)節(jié)時(shí)間短的特點(diǎn)。通過優(yōu)化現(xiàn)有的減溫策略，在減溫控制器內(nèi)、外回路中加入經(jīng)過實(shí)踐證明過的根據(jù)燃機(jī)排氣溫度動(dòng)態(tài)變化而變化的目標(biāo)溫度算法，以達(dá)到主、再熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)正常匹配負(fù)荷變化。實(shí)現(xiàn)配合電網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程快速調(diào)節(jié)負(fù)荷的目的。

參考文獻(xiàn)：

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［3］GE公司9FA機(jī)組運(yùn)行培訓(xùn)手冊(cè) 美國：GE公司，2004.

作者簡介：萬志勇（1975—），男，江蘇常州人，助理工程師、二級(jí)技師，從事燃機(jī)集控管理工作。