三菱M701F3型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組燃燒調(diào)整系統(tǒng)

范新宇

（深圳能源集團(tuán)股份有限公司東部電廠，廣東 深圳 518120）

三菱M701F3型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組燃燒調(diào)整系統(tǒng)

范新宇

（深圳能源集團(tuán)股份有限公司東部電廠，廣東 深圳 518120）

從硬件組成結(jié)構(gòu)和軟件控制邏輯的角度出發(fā)對三菱M701F3型燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機組的燃燒系統(tǒng)的工作方式和調(diào)節(jié)原理進(jìn)行了概念性的闡述。隨后針對三菱機組ACPFM系統(tǒng)的硬件網(wǎng)絡(luò)配置、調(diào)節(jié)原理做了簡單的介紹。最后，針對燃燒調(diào)整的基本原則，以及燃燒調(diào)整效果的評估提出了看法。

燃燒調(diào)整；燃燒振動；ACPFM；PLCSO；BYCSO

1　燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三菱M701F3型燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機組的燃料供給主要由5個閥門來完成。值班燃料壓力控制閥、值班燃料流量控制閥、主燃料壓力控制閥A、主燃料壓力控制閥B和主燃料流量控制閥。燃料壓力控制閥主要是為了保證燃料流量控制閥前后差壓的穩(wěn)定。燃料流量控制閥根據(jù)機組負(fù)荷不同，控制燃料流量。燃料氣經(jīng)燃料控制閥后，進(jìn)入環(huán)形母管，分別供給環(huán)形排列，斜插在燃壓缸中的20個燃燒器。燃燒器由燃料噴嘴、燃燒筒、過渡段和尾筒以及其他附件組成。燃料噴嘴由8個環(huán)形圍繞的預(yù)混主噴嘴和位于中心的1個擴(kuò)散值班噴嘴組成。燃壓缸中充滿壓氣機排氣，通過燃燒器旁路閥調(diào)節(jié)從過渡段直接旁路掉的壓氣機排氣量，來控制參與燃燒的空氣量。參與燃燒的壓縮空氣經(jīng)燃燒器中的旋流器與燃?xì)獬浞诸A(yù)混后燃燒，完成工質(zhì)加熱過程。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

從燃燒系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理來看，M701F3型機組燃燒的穩(wěn)定性主要是通過兩種手段來進(jìn)行控制：①控制值班燃料量，即控制值班燃料比率；②控制燃燒器旁路閥的開度，從而控制參與燃燒的空氣量，即控制燃料空氣比例（下稱燃空比）。

從三菱控制邏輯來看，燃料總量控制信號指令（Control Signal Output， CSO）來自于5種控制指令“小選”產(chǎn)生，即燃料限制控制指令（Fuel Limit CSO，F(xiàn)LCSO）、轉(zhuǎn)速控制指令（GVCSO：Governor CSO）、負(fù)荷控制指令（Load CSO， LDCSO）、葉片通道溫度控制指令（Blade Path temperature CSO， BPCSO）和排氣溫度控制指令（Exhaust temperature CSO，EXCSO）中的最小者為最終的CSO指令。其中，F(xiàn)LCSO指令是機組轉(zhuǎn)速的函數(shù)，主要作用在機組啟動升速過程中，控制機組的整個升速過程；GVCSO指令是以額定轉(zhuǎn)速3000r/min為控制目標(biāo)，采用閉環(huán)控制回路維持機組穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速，該指令信號主要是作用在機組達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，并網(wǎng)前的階段；機組并網(wǎng)后，LDCSO開始投入，其主要功能是維持機組負(fù)荷的穩(wěn)定；BPCSO和EXCSO不是機組常規(guī)的控制手段，二者與葉片通道溫度（BPT溫度）、燃?xì)廨啓C排氣溫度（EXT溫度）和燃燒器殼壓有關(guān)，主要作用是為了防止機組熱通道部件超溫造成損壞，而限制CSO指令的繼續(xù)上升。得到CSO指令后，三菱控制邏輯又將其分成主燃料流量指令（Main CSO， MCSO）和值班燃料流量指令（Pilot CSO，PLCSO），三者的關(guān)系為：MCSO=CSO-PLCSO。其中，PLCSO是由以CSO為因變量的F（X）函數(shù)輸出值加上由自動燃燒調(diào)整系統(tǒng)輸出的修正量得到。由此看到，在燃料流量控制中，CSO和PLCSO為主要控制因子。在三菱控制邏輯中，為了描述值班燃料量與總?cè)剂狭恐g的關(guān)系，采用了值班燃料比率（PILOT FUEL RATIO）的概念，即值班燃料比率（%）=值班燃料流量×100/總?cè)剂狭髁俊?/p>

燃燒器旁路閥控制指令（BYCSO）是一個以MW/（Kpc+B）為因變量的函數(shù)。MW/（Kpc+B）為燃燒器殼壓百分比值與燃?xì)廨啓C負(fù)荷百分比值的比值經(jīng)壓氣機入口溫度修正后的一個參數(shù)。也就是說，燃燒器旁路閥的開度為壓氣機入口溫度、燃燒器殼壓和燃?xì)廨啓C負(fù)荷的函數(shù)，參與燃燒的空氣量的控制是與這三個參數(shù)有關(guān)的，另外最終的BYCSO指令中也包含了自動燃燒調(diào)整系統(tǒng)輸出的修正量。

壓氣機進(jìn)口導(dǎo)葉（Inlet Guide Valve， IGV）的主要作用有兩點：①機組啟動過程中防止壓氣機發(fā)生喘振；②機組正常運行時，控制燃?xì)廨啓C排氣溫度，提高機組聯(lián)合循環(huán)效率。但當(dāng)IGV開度增大或者減小時，進(jìn)入壓氣機做功的工質(zhì)就會相應(yīng)增加或減少，因此就會使燃空比發(fā)生變化，從而改變?nèi)紵鞯娜紵隣顟B(tài)。但這種改變只是影響燃燒狀態(tài)，而不是進(jìn)行燃燒穩(wěn)定控制。

2　自動燃燒調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

M701F3型機組共有20個環(huán)繞排列的燃燒器，每個燃燒器上裝設(shè)有1個壓力波動傳感器。此外，分別在3號、8號、13號、18號燃燒器上還裝設(shè)有1個壓力波動加速度傳感器。壓力波動傳感器和壓力波動加速度傳感器在安裝方式和監(jiān)視側(cè)重點上都有所不同。壓力波動傳感器安裝在噴嘴根部的燃燒器外缸上，其直接與燃燒區(qū)域相通。壓力波動加速度傳感器安裝在噴嘴根部的金屬壁上，不直接與燃燒區(qū)域相通。

自動燃燒調(diào)整系統(tǒng)（Advanced Combustion Pressure Fluctuation Monitor， ACPFM）硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖中可以看到，傳感器采集到的壓力波動信號經(jīng)前置器送至VIM模塊。在VIM模塊中，壓力波動信號經(jīng)快速傅里葉轉(zhuǎn)換為9個不同頻段的頻譜信號，振動頻譜信號再經(jīng)ControlNet網(wǎng)絡(luò)送至ACPFM系統(tǒng)的多功能處理站（Multiple Process Station， MPS）進(jìn)行預(yù)報警（PRE-ALARM）、甩負(fù)荷（RUNBACK）和跳機（TRIP）邏輯保護(hù)判斷。同時，VIM模塊輸出的振動頻譜信號經(jīng)RS232送至DTU，再由DTU經(jīng)以太網(wǎng)絡(luò)送至CPFA電腦主機。CPFA電腦主機是自動燃燒調(diào)整的核心組成部分，其數(shù)據(jù)來源有二：①剛才所說的從VIM模塊送來的振動頻譜信號；②從透平控制系統(tǒng)（TURBIN CONTROL SYSTEM， TCS）經(jīng)以太網(wǎng)傳來的機組各項運行狀態(tài)參數(shù)，包括壓氣機入口空氣溫度、壓氣機入口INDEX差壓、燃燒器殼壓等。CPFA電腦主機接收到這些數(shù)據(jù)后，根據(jù)以往機組正常運行時采集的歷史數(shù)據(jù)，運用復(fù)回歸分析法來分析預(yù)測各個參數(shù)變量之間的相關(guān)性和相關(guān)強度，從而計算出自動燃燒調(diào)整的修正值，再將修正值送回至TCS系統(tǒng)，完成自動燃燒調(diào)整功能。

圖2　ACPFM系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3　燃燒調(diào)整介紹

3.1燃燒調(diào)整控制邏輯結(jié)構(gòu)

前面已經(jīng)說過，M701F3型機組燃燒穩(wěn)定的控制主要是通過控制PLCSO即值班燃料比率和BYCSO燃燒器旁路閥開度來實現(xiàn)的。因此，機組的燃燒調(diào)整主要就是圍繞著這兩個因素來展開的。PLCSO指令生成邏輯示意圖如圖3所示。

圖3 PLCSO邏輯示意圖

圖3中PLCSO0是CSO的函數(shù)輸出值。檢修周期后機組初次啟動時，三菱調(diào)試人員進(jìn)行燃燒調(diào)整的主要工作就是確定CSO與PLCSO0之間的函數(shù)對應(yīng)關(guān)系。另外，DPLCSO也為CSO的函數(shù)，T（PLCSO）為壓氣機入口空氣溫度的函數(shù)，二者用來對PLCSO0進(jìn)行溫度修正。

PLCSO（FX1）、PLCSO（FX2）和PLCSO（FX3）的功能分別與PLCSO0、DPLCSO和T（PLCSO）的功能相仿。只不過PLCSO（FX1）、PLCSO（FX2）和PLCSO（FX3）的函數(shù)對應(yīng)關(guān)系是由ACPFM系統(tǒng)經(jīng)復(fù)回歸分析算法自動生成，經(jīng)CPFA電腦主機通過以太網(wǎng)上傳至TCS控制系統(tǒng)的，這就是ACPFM系統(tǒng)自動燃燒調(diào)整功能在PLCSO控制邏輯中的實現(xiàn)。

BYCSO指令生成邏輯原理與PLCSO相似，也分為人工調(diào)整部分和ACPFM自動調(diào)整部分。三菱調(diào)試人員進(jìn)行人工燃燒調(diào)整的主要工作就是確定MW/（Kpc+B）與BYCSO0之間的函數(shù)對應(yīng)關(guān)系。

3.2燃燒調(diào)整基本原則

三菱調(diào)試人員進(jìn)行人工燃燒調(diào)整的目的就是確定CSO與PLCSO0之間以及MW/（Kpc+B）與BYCSO0之間的函數(shù)對應(yīng)關(guān)系。而燃燒調(diào)整的過程實際上就是人為在PLCSO0和BYCSO0指令上設(shè)置正、負(fù)偏置值（如圖3所示的SG1），在各個機組負(fù)荷點不斷尋找燃燒振動臨界值的過程。燃燒調(diào)整后，為保證機組安全穩(wěn)定運行，PLCSO0最終設(shè)置值應(yīng)至少保證在±1%偏置情況下，機組燃燒振動的穩(wěn)定。同樣，BYCSO0調(diào)整后的最小安全裕度應(yīng)至少有±10%。

PLCSO和BYCSO對燃燒振動的影響以及對燃燒后的NOx排放的影響各有不同。PLCSO控制值班燃料比率。值班燃料比率越高，火焰的穩(wěn)定性越好，但NOx的排放量也會隨之快速增加。值班燃料比率越低，NOx排放量也越低，但火焰的穩(wěn)定性下降，嚴(yán)重時可以導(dǎo)致熄火。BYCSO控制燃空比。旁路閥開度越大，參與燃燒的空氣量越少，火焰燃燒的溫度越高，NOx的排放量會隨之增加，此外還容易產(chǎn)生回火現(xiàn)象。旁路閥開度越小，吹入噴嘴的空氣量越多，火焰燃燒的溫度越低，NOx的排放量也會隨之下降，但容易造成空氣吹熄火焰，導(dǎo)致燃燒器熄火。

在燃燒調(diào)整過程中，應(yīng)時刻注意BPT溫度的偏差程度。燃燒筒和過渡段暴露在高溫區(qū)域，極易發(fā)生損壞。當(dāng)燃燒筒和過渡段發(fā)生損壞產(chǎn)生裂紋時，壓氣機排氣就會滲過裂紋，流入熱通道，造成BPT溫度下降。因此，在發(fā)生某單個BPT溫度過低造成BPT溫度偏差過大的現(xiàn)象時，要及時降負(fù)荷甚至停機，以防止裂紋碎片對熱通道部件產(chǎn)生二次傷害。

三菱將燃燒振動發(fā)生頻率劃分為9個頻段，分別為LOW頻段（15～40Hz），MID頻段（55～95Hz），HIGH1頻段（95～170Hz），HIGH2頻段（170～290Hz），HIGH3頻段（290～500Hz），HIGH HIHG1頻段（500～2000Hz），HIGH HIHG2頻段（2000～2800Hz），HIGH HIHG3頻段（2800～3800Hz），HIGH HIHG4頻段（4000～4750Hz）。在進(jìn)行燃燒調(diào)整時，對各個頻段都要注意其燃燒振動情況。隨著，值班燃料比率和燃燒器旁路閥開度的變化，某個頻段的燃燒振動幅度有可能反而會隨著調(diào)整而增加，因此在調(diào)整時要注意選取合適的中間點。

根據(jù)以往燃燒調(diào)整的經(jīng)驗來看，在低負(fù)荷階段，容易發(fā)生振動的頻段為LOW頻段和HIGH HIGH2頻段。隨著負(fù)荷的升高，HIGH1頻段以及HIGH2頻段的振動也會逐漸趨于偏高。在調(diào)整過程中，應(yīng)著重注意各個高頻段的振動情況，因為振動發(fā)生的頻率越高，給燃燒器帶來的傷害就越大。

4　燃燒調(diào)整效果的評估

對燃燒調(diào)整效果的評估可以從3個方面去考慮：①燃燒調(diào)整后，在各個負(fù)荷段以及變負(fù)荷工況下的各頻段的燃燒振動情況。這可以通過負(fù)荷擺動試驗后的振動頻譜圖和機組實際運行中燃燒振動情況，以及CPFM系統(tǒng)中燃燒工作點的位置是否趨于穩(wěn)定工作區(qū)域中心位置來進(jìn)行判斷；②燃燒調(diào)整后，機組聯(lián)合循環(huán)效率有無變化。正常的只是針對PLCSO和BYCSO的燃燒調(diào)整，對機組聯(lián)合循環(huán)效率的影響一般不大。但當(dāng)需要對IGV開度進(jìn)行調(diào)整時，機組聯(lián)合循環(huán)的效率就會受到影響。一般情況下，當(dāng)環(huán)境溫度比前次燃燒調(diào)整環(huán)境溫度高時，為防止機組過早進(jìn)入溫控，則需適當(dāng)開大IGV開度。當(dāng)環(huán)境溫度比前次燃燒調(diào)整環(huán)境溫度低時，為防止機組排汽溫度過低，降低余熱鍋爐效率，則需適當(dāng)減小IGV開度。燃燒調(diào)整前，三菱工作人員會收集機組正常運行期間各個負(fù)荷段下的BPT溫度和排汽溫度，以及機組進(jìn)入溫控時的各個相關(guān)參數(shù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)和目前的環(huán)境溫度再決定是否對IGV進(jìn)行調(diào)整。另外，減小IGV開度雖會提高排汽溫度，提高余熱鍋爐效率，但是相應(yīng)的燃?xì)廨啓C部分由于做工工質(zhì)的減少，效率會有所降低，所以在決定IGV開度的時候還要對此加以考慮，盡量選取合適的中間點。要對機組聯(lián)合循環(huán)效率做出評估，就必須對燃燒調(diào)整前后各個負(fù)荷段下的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。數(shù)據(jù)應(yīng)至少包括：燃?xì)廨啓C負(fù)荷，CSO，PLCSO，Pilot Ratio，BPT溫度，排汽溫度，BYCSO，IGV開度，壓氣機出入口壓力和溫度，大氣壓力，大氣濕度，高壓、再熱、低壓主汽壓力溫度流量，余熱鍋爐排氣壓力和溫度等等與機組聯(lián)合循環(huán)效率相關(guān)的參數(shù)。另外，也可以通過比較燃燒調(diào)整前后，相同負(fù)荷下，燃料氣流量和燃?xì)廨啓C、汽輪機出力情況來進(jìn)行初步判斷；③NOx的排放情況，這可以通過余熱鍋爐煙氣監(jiān)測系統(tǒng)來進(jìn)行判斷。

5　結(jié)論

燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定對于燃?xì)廨啓C安全穩(wěn)定的運行至關(guān)重要，而燃料熱值成分的變化，大氣環(huán)境溫度的改變以及機組負(fù)荷的擺動都有可能加大燃燒時的壓力振動。為了提高燃燒的穩(wěn)定性，三菱燃?xì)廨啓C設(shè)計了獨特的燃燒器旁路閥結(jié)構(gòu)，從而能夠更加精確地對燃空比進(jìn)行調(diào)控。此外，在2000年，三菱推出了早期版本的燃燒壓力振動監(jiān)視系統(tǒng)（Combustion Pressure Fluctuation Monitor， CPFM），早期版本的CPFM系統(tǒng)僅具備燃燒振動的報警、甩負(fù)荷和跳閘的邏輯連鎖功能。隨著時間的推移，三菱不斷完善該系統(tǒng)功能，又推出了功能更為優(yōu)化的燃燒壓力波動監(jiān)視調(diào)整系統(tǒng)（Advanced Combustion Pressure Fluctuation Monitor， ACPFM）。ACPFM系統(tǒng)在原先CPFM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一套燃燒壓力波動分析系統(tǒng)（Combustion Pressure Fluctuation Analyzer，CPFA）。由此，ACPFM系統(tǒng)除了具備CPFM系統(tǒng)的所有功能外，還提供了實時燃燒壓力波動分析，評估燃燒穩(wěn)定安全裕度和自動進(jìn)行在線燃燒調(diào)整的功能。

燃燒調(diào)整控制是三菱燃?xì)廨啓C控制系統(tǒng)的核心部分。由于三菱的技術(shù)保密，至今為止我們對于該系統(tǒng)的關(guān)鍵內(nèi)容也是知之甚少。要了解三菱燃燒調(diào)整系統(tǒng)，掌握燃燒調(diào)整技術(shù)除了要求技術(shù)人員對機組的運行特性及其主要參數(shù)的相關(guān)性非常熟悉外，還必須要有大量的試驗數(shù)據(jù)作支撐。這些需要國內(nèi)主機廠家、調(diào)試、運行單位密切配合，共同努力積累經(jīng)驗數(shù)據(jù)才能夠盡快吸收引進(jìn)該項關(guān)鍵技術(shù)。

［1］ H. Iba， M. Nomura， T. Kawakamiand T. Koga. Advanced Monitoring System for Combustor Pressure Fluctuation［R］. Tokyo： Proceeding of the international Gas Turbine Congress， 2003.

［2］ MHI Takasagao Machinery Works. Combustion Tuning report［R］.

［3］ 肖小清. 三菱M701F燃?xì)廨啓C燃燒調(diào)整初探［C］. 中國電機工程學(xué)會第十屆青年學(xué)術(shù)會議， 吉林： 2008.

Analysis on M701F3 Gas Turbine Combustion Tuning System

Fan Xinyu
（Shenzhen Energy Group Co.， Ltd， Dongbu Power Plant， Shenzhen， Guangdong 518120）

How M701F3 Gas Turbine combustion control system working is elaborated in this paper on the perspectives of the system's structure and control logics. Then， an introduction about ACPFM system's network and the principle of combustion tuning is made. Finally， proposing a method on how to evaluate the effect of combustion tuning.

combustion tuning； combustion fluctuation； ACPFM； PLCSO； BYCSO

范新宇（1978-），男，碩士，深圳能源集團(tuán)股份有限公司東部電廠熱控工程師，主要從事燃?xì)廨啓C聯(lián)合循環(huán)電廠熱控專業(yè)的檢修維護(hù)工作。