基于模型控制的9FB燃?xì)廨啓C(jī)燃燒調(diào)整技術(shù)探討

陳穎

摘要：燃燒調(diào)整是燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵技術(shù)之一，對抑制燃燒脈動(dòng)、保證穩(wěn)定運(yùn)行、降低排放有著重要的意義。本文主要介紹9FB燃?xì)廨啓C(jī)燃燒脈動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，基于模型控制的基本原理及其在燃燒調(diào)整中的應(yīng)用，燃料閥分量計(jì)算方法，以及在實(shí)際工程中案例分析及解決過程。

Abstract： Combustion adjustment is one of the key technologies of gas turbine， which is of great significance to suppress combustion dynamic， ensure stable operation and reduce emissions. This paper introduces 9FB gas turbine combustion dynamic monitoring system， the basic principle of based-model control and application in combustion adjustment， the calculation method of fuel valve split and the case analysis and solution process in practical engineering application.

關(guān)鍵詞：9FB燃?xì)廨啓C(jī);模型控制;燃燒調(diào)整;CDM系統(tǒng);燃料閥分量

Key words： 9FB gas turbine;model-based control;combustion tuning;CDM system;fuel valve split

中圖分類號(hào)：TK471? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）01-0193-02

0? 引言

近年來為適應(yīng)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、滿足環(huán)保指標(biāo)，我國燃?xì)廨啓C(jī)裝機(jī)容量大幅增長。但是由于技術(shù)、材料等條件限制，我國大部分燃機(jī)設(shè)備均從國外進(jìn)口。燃燒調(diào)整是燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)整機(jī)制非常重要的一環(huán)，大多數(shù)燃燒調(diào)整技術(shù)目前仍實(shí)行技術(shù)封鎖。本文針對某電廠實(shí)際工程，對GE公司9FB燃?xì)廨啓C(jī)燃燒調(diào)整技術(shù)進(jìn)行探討。

1? 燃燒脈動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)（CDM）

隨著環(huán)保需求日益提升，干式低氮燃燒（Dry Low Noxious，簡稱DLN）被廣泛應(yīng)用。由于DLN2.0+系統(tǒng)中火焰筒常在靠近噴嘴處損壞，GE公司用DLN2.6+替換DLN2.0+[1]。DLN可以有效降低NOX排放，但會(huì)造成燃燒壓力波動(dòng)，因此，CDM系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

燃燒脈動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)（Combustion Dynamic Monitoring System，簡稱CDM系統(tǒng)），是GE公司為9FB燃?xì)廨啓C(jī)配備的監(jiān)測系統(tǒng)，幫助用戶更直觀地觀察燃燒脈動(dòng)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)燃燒系統(tǒng)問題并采取應(yīng)對措施。CDM系統(tǒng)架構(gòu)如圖1，由脈動(dòng)探頭測量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過JB1000接線盒（內(nèi)有電荷放大器，即PCB模塊），送到Mark VIe機(jī)柜卡件PAMC模塊計(jì)算分析數(shù)據(jù)。

燃燒脈動(dòng)是指不穩(wěn)定燃燒及燃燒室本身特性造成的燃燒系統(tǒng)內(nèi)的壓力波動(dòng)。Mark VIe邏輯中將燃燒脈動(dòng)分為六個(gè)頻段[2]，見表1。低頻、中頻、高頻、極高頻達(dá)表中報(bào)警值時(shí)，均會(huì)觸發(fā)機(jī)組甩負(fù)荷，直到脈動(dòng)正常為止。

2? 模型控制

基于模型控制（Model-basded Control，簡稱MBC）使用物理邊界模型，利用實(shí)時(shí)建模技術(shù)，計(jì)算并維持機(jī)組運(yùn)行時(shí)必要的邊界裕度。模型控制替代傳統(tǒng)控制，不管燃料特性、運(yùn)行工況、負(fù)荷等條件如何變化，均使燃?xì)廨啓C(jī)盡可能靠近邊界運(yùn)行，以提高機(jī)組性能和操作靈活性。典型燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行邊界有NOX排放、CO排放、燃燒脈動(dòng)、閥門壓比、壓氣機(jī)結(jié)冰、壓氣機(jī)喘振、壓氣機(jī)排氣溫度等。GE公司9FB級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒模型控制包括ARES、脈動(dòng)模型、排放模型、乏氣熄火模型（LBO）等。

①ARES（Adaptive real-time Engine Simulation）：自適應(yīng)實(shí)時(shí)引擎仿真模型。它是一種高保真模型，采用虛擬傳感器[3]，實(shí)時(shí)連續(xù)調(diào)節(jié)，性能穩(wěn)定。ARES可以解決傳感器系統(tǒng)滯后、高精度參數(shù)無法獲取、過分依賴排放或CDM系統(tǒng)等問題。

②排放模型：重建燃燒室發(fā)生的實(shí)際反應(yīng)的物理特性，包含NOX和CO排放模型。排放算法不開放，實(shí)現(xiàn)了單位轉(zhuǎn)換，該模型可以達(dá)到與工業(yè)排放傳感器相同的精度。

③脈動(dòng)模型：根據(jù)測量參數(shù)和ARES計(jì)算燃燒脈動(dòng)，利用CDM系統(tǒng)輸入連續(xù)調(diào)整脈動(dòng)模型，但并不依賴于CDM系統(tǒng)，因此當(dāng)CDM系統(tǒng)部分傳感器故障時(shí)，可以剔除故障傳感器正常計(jì)算。

④乏氣熄火模型（Lean Blow Out，簡稱LBO）：利用測量參數(shù)繪制LBO邊界，保證燃料閥分量在邊界內(nèi)運(yùn)行，有兩個(gè)獨(dú)立的控制回路以防燃燒LBO。

3? 燃燒調(diào)整

燃燒調(diào)整目的是控制燃燒脈動(dòng)保證運(yùn)行穩(wěn)定、防止燃燒部件局部高溫、減少天然氣組分變化對機(jī)組運(yùn)行的影響等。GE公司自動(dòng)燃燒調(diào)整系統(tǒng)（OpFlex Auto Tuning系統(tǒng)）能夠?qū)崟r(shí)地進(jìn)行燃料分配調(diào)整，使用該系統(tǒng)有提高燃料靈活性、減少季節(jié)性重新燃調(diào)頻率、降低燃燒脈動(dòng)、實(shí)時(shí)調(diào)整排放目標(biāo)、瞬時(shí)調(diào)節(jié)快速響應(yīng)等[3][4]優(yōu)勢。

3.1 燃燒調(diào)整四要素

燃燒調(diào)整四要素是脈動(dòng)、NOX排放、CO排放、穩(wěn)定性，目的是調(diào)整燃燒系統(tǒng)參數(shù)，滿足四要素要求。四要素關(guān)系如圖2所示，該菱形面積固定不變，意味著當(dāng)某個(gè)因素變化時(shí)，另外三個(gè)因素隨之變化。燃燒調(diào)整就是通過調(diào)節(jié)燃料的分配比例及流量，來找到最優(yōu)四要素。

3.2 燃料閥分量

在6.3燃燒模式下，PM1、PM2、PM3（燃料閥）分量總和為100%。燃燒調(diào)整過程中，主要是燃料閥分配比例調(diào)節(jié)，其中PM1（GVC2）和PM3（GCV3）分量調(diào)節(jié)是關(guān)鍵。PM1和PM3控制回路不盡相同，但其算法思路基本一致，本文主要針對PM1分量算法進(jìn)行簡單探討。

燃燒調(diào)整時(shí)，PM1除最大最小值限值回路外，還有五種控制回路：PM1_NOX（NOX目標(biāo)值控制）、PM1_NOX2（最大NOX限值控制）、PM1_PK2（PK2脈動(dòng)邊界控制）、PM1_VPR（燃料閥壓比目標(biāo)值控制）、PM1_SBL（PM1穩(wěn)定性控制）。

PM1燃料閥配比參數(shù)為PM1_MBC，其控制回路選取方法如下：

PM1_NOX是6.3模式下PM1正常工作的控制回路。該回路根據(jù)NOX目標(biāo)值調(diào)整PM1燃料閥配比及開度，以保證NOX排放控制在目標(biāo)值，符合機(jī)組運(yùn)行及環(huán)保參數(shù)要求。PM1_NOX控制回路采用PI調(diào)節(jié)，其計(jì)算公式為：

K為比例系數(shù)，NOX實(shí)際計(jì)算值通過邊界模型獲得。FXP1BC為6.3燃燒模式下PM1分量（由一階慣性環(huán)節(jié)計(jì)算所得），有兩種模式輸出，一種是MBC控制模式，一種是自動(dòng)燃調(diào)退出時(shí)運(yùn)行模式。當(dāng)MBC模式退出后，PM1分量根據(jù)既定模型，利用插值法計(jì)算得：

PM1_REF是PM1基準(zhǔn)（分量FXP1BC），Y為X的折線函數(shù)，表述PM1_REF與燃燒基準(zhǔn)CA_CRT的關(guān)系。

3.3 燃燒脈動(dòng)波動(dòng)案例分析

2019年3月，某電廠#1燃機(jī)燃燒脈動(dòng)出現(xiàn)晃動(dòng)，#10燃燒筒M頻高達(dá)10.5psi，且晃動(dòng)頻繁。由表1可知，M頻脈動(dòng)高且持續(xù)時(shí)間長會(huì)導(dǎo)致機(jī)組減負(fù)荷，甚至可能造成設(shè)備損壞。分析燃燒脈動(dòng)原因，當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度較低（15℃），NOX計(jì)算值為17～19ppm，PM1控制回路在最小值和NOX來回切換。此時(shí)NOX目標(biāo)值在15ppm，為達(dá)目標(biāo)值，PM1分量減小，處于最小值控制回路。分析四要素，NOX減小會(huì)造成PK2（中頻）脈動(dòng)增大。

針對這一矛盾，采取了折中的辦法——適當(dāng)提高NOX排放目標(biāo)值。因?yàn)橛忻撓跸到y(tǒng)，適當(dāng)提高NOX對環(huán)保數(shù)據(jù)影響較小，符合國家環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。該方法是通過犧牲部分NOX排放，使PM1跳出最小值控制回路，來保證PK2脈動(dòng)正常。

GE公司自動(dòng)燃燒調(diào)整系統(tǒng)，為用戶提供了實(shí)時(shí)調(diào)整NOX排放目標(biāo)值的功能。用戶可修改NOX偏置，其偏置輸入有速率限制，保證NOX目標(biāo)值不會(huì)瞬間變化。最終NOX偏置設(shè)置為5ppm，將NOX目標(biāo)值抬高至20ppm左右，使PM1在PM1_NOX控制回路運(yùn)行，燃燒脈動(dòng)幅度減小，機(jī)組運(yùn)行正常。

4? 結(jié)束語

本文針對某電廠實(shí)際工程應(yīng)用，介紹9FB燃?xì)廨啓C(jī)燃燒系統(tǒng)基本架構(gòu)、模型控制基本概念、燃燒調(diào)整原理功能及實(shí)際案例，在實(shí)際工程應(yīng)用中積累燃燒系統(tǒng)異常的處理思路及方法，對同類型機(jī)組有一定參考價(jià)值。燃燒調(diào)整對機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行、防止設(shè)備損壞、降低排放滿足環(huán)保要求有著重要意義，是燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)關(guān)鍵課題之一，大部分9FB燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒調(diào)整技術(shù)仍被封鎖，因此需要更深入的學(xué)習(xí)和鉆研。

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