西門子重型燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度控制策略解析

許 淼，張立穎，吳尚澤，周長(zhǎng)德

(1.遼寧東科電力有限公司，遼寧 沈陽 110179;2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

孟加拉國(guó)古拉紹電廠7號(hào)機(jī)組燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)365 MW工程采用多軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，其中包括1臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)，1臺(tái)余熱鍋爐，1臺(tái)蒸汽輪機(jī)。燃機(jī)既可單循環(huán)運(yùn)行，也可聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行。燃機(jī)主燃料是天然氣，備用燃料是輕柴油，采用西門子SGT5-4000F型重型燃?xì)廨啓C(jī)，余熱鍋爐由韓國(guó)斗山(DOOSAN)鍋爐廠生產(chǎn)，蒸汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的LN126.9-11.11/565/565型(合缸)三壓、一次中間再熱、雙缸雙排汽、雙抽凝汽式聯(lián)合循環(huán)用汽輪機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)操作所需的控制、監(jiān)控、保護(hù)、診斷和報(bào)警功能由過程控制系統(tǒng)SPPA-T3000提供。

1 燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度控制

受制造工藝及高溫限制，燃燒室內(nèi)的溫度不能直接被測(cè)量，所以要通過修正后的排氣溫度(OTC)來間接控制燃燒室內(nèi)溫度。燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度控制是燃?xì)廨啓C(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部分，由OTC控制器和進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉(IGV)控制器兩部分組成，OTC控制器調(diào)節(jié)燃料量，IGV控制器調(diào)節(jié)空氣進(jìn)氣流量[1]。

OTC控制器和IGV控制器的控制目標(biāo)都是修正后排氣溫度，IGV控制器是在IGV未全關(guān)且未全開時(shí)起作用，通過調(diào)節(jié)空氣進(jìn)氣量來控制排氣溫度。而OTC控制器是在IGV全關(guān)或全開時(shí)起作用，用于限制額定負(fù)荷下排氣溫度不超溫[2]。

2 控制策略解析

2.1 OTC補(bǔ)償

由于壓氣機(jī)入口溫度、燃機(jī)轉(zhuǎn)速和大氣環(huán)境露點(diǎn)溫度等因素會(huì)影響燃機(jī)透平的膨脹比，所以在控制透平出口排氣溫度時(shí)，必須考慮這些因素，需要對(duì)透平排氣出口的24個(gè)雙支熱電偶測(cè)得的平均溫度值進(jìn)行修正補(bǔ)償，平均溫度值加上溫度補(bǔ)償值(TC)就是修正補(bǔ)償后的排氣溫度，即OTC控制器和IGV控制器的過程值(PV)。溫度補(bǔ)償值計(jì)算公式見式(1)—(10)。

(1)

(2)

S1=T×(-0.288)+T2×(-0.005 88)

(3)

S2=T2×Z0×(-0.058 5)+Z0×(-103)

(4)

(5)

S4=T3×(-0.000 087)

(6)

S5=T×Z0×(-4.16)

(7)

S6=(T+10)3×0.000 11

(8)

S7=S0×(T+10)2×Z0×0.037 9

(9)

TC=S1+S2+S3+S4+S5+S6+S7

(10)

式中：Z0，S0，S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7為中間變量；Z為燃機(jī)轉(zhuǎn)速；T為壓氣機(jī)入口溫度；T0為大氣環(huán)境露點(diǎn)溫度；TC為溫度補(bǔ)償值。

2.2 排氣溫度控制策略

2.2.1 排氣溫度設(shè)定值

排氣溫度設(shè)定值控制邏輯簡(jiǎn)圖如圖1所示。

由圖1可知，排氣溫度設(shè)定值分為排氣溫度OTC設(shè)定值和排氣溫度IGV設(shè)定值兩部分，當(dāng)IGV全開或全關(guān)時(shí)，2個(gè)回路的設(shè)定值相同；當(dāng)IGV在中間開度時(shí)，排氣溫度OTC設(shè)定值會(huì)加上一個(gè)10 ℃的偏置值，避免2個(gè)回路在調(diào)節(jié)排氣溫度時(shí)相互干擾。設(shè)定值回路都經(jīng)過了最大值和最小值的限制，最大值為642 ℃加上溫度補(bǔ)償值，而最小值的限制回路與協(xié)調(diào)投入相關(guān)，若協(xié)調(diào)設(shè)定的最高溫度比較低時(shí)，此回路會(huì)在燃機(jī)未到滿負(fù)荷的情況下提前被激活，從而影響燃機(jī)效率和負(fù)荷，所以協(xié)調(diào)設(shè)定的最高溫度通常應(yīng)該設(shè)定高一些，盡量不能讓此回路提前被激活[3]。

排氣溫度的設(shè)定值受相對(duì)負(fù)荷、壓氣機(jī)入口溫度修正和HCO(液壓間隙優(yōu)化)修正3個(gè)主要因素影響。

圖1 排氣溫度設(shè)定值控制邏輯簡(jiǎn)圖

壓氣機(jī)入口溫度修正的作用是避免環(huán)境溫度低時(shí)燃機(jī)的NOx排放量增加，所以在環(huán)境溫度低時(shí)提高排氣溫度的設(shè)定值。HCO修正是在HCO投入時(shí)燃機(jī)的排氣溫度會(huì)增加，所以在HCO投入時(shí)降低排氣溫度的設(shè)定值。

2.2.2 IGV控制器

IGV控制器邏輯簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2中，切換條件1為頻率大于47 Hz且防喘放氣閥全關(guān)。

圖2 IGV控制器邏輯簡(jiǎn)圖

切換條件2為燃機(jī)跳閘30 s脈沖或切換條件1的10 s脈沖。

由圖2可知，IGV控制器分為兩部分，一是頻率小于47 Hz時(shí)，由轉(zhuǎn)速的函數(shù)曲線開環(huán)控制；二是頻率大于47 Hz時(shí)，由IGV溫度控制器控制，當(dāng)燃機(jī)未在OTC控制模式時(shí)，IGV溫度控制器由YMIN(燃料量控制指令)修正值作為前饋和排氣溫度的PID輸出值組成。YMIN的修正值是經(jīng)過壓氣機(jī)入口壓力、壓氣機(jī)入口溫度和燃機(jī)轉(zhuǎn)速修正后的值。當(dāng)燃機(jī)切換到OTC控制模式時(shí)，IGV控制器的前饋值保持當(dāng)前值。YMIN修正值計(jì)算公式見式(11)。

(11)

式中：P為壓氣機(jī)入口壓力；T為壓氣機(jī)入口溫度；ZS為燃機(jī)轉(zhuǎn)速；MAX(a,b)為a、b中取大值。

圖3 OTC控制器邏輯簡(jiǎn)圖

2.2.3 OTC控制器

當(dāng)排氣溫度達(dá)到溫控值時(shí)，燃機(jī)的控制模式會(huì)切換至OTC模式，這時(shí)燃機(jī)控制對(duì)象為排氣溫度，避免燃機(jī)超溫。OTC控制為修正后排氣溫度的閉環(huán)控制，邏輯簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3中，切換條件1是燃機(jī)并網(wǎng)協(xié)調(diào)投入且IGV閥在最小開度，在燃機(jī)—汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)冷態(tài)啟動(dòng)，余熱鍋爐和汽輪機(jī)升溫升壓時(shí)，為保證鍋爐壓力、溫度在制造廠允許范圍內(nèi)，控制溫升曲線、排氣溫度的設(shè)定值，協(xié)調(diào)給出溫度設(shè)定值。由于該設(shè)定值較低，小選功能塊作用下此回路被激活，從而限制了燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度[4-5]。

3 結(jié)束語

通過對(duì)西門子SGT5-4000F型燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度控制策略解析，對(duì)此類型機(jī)組的進(jìn)一步優(yōu)化提供依據(jù)，為相關(guān)人員對(duì)控制邏輯的理解和判斷事故原因提供參考。