基于9E燃氣輪機國產(chǎn)化控制系統(tǒng)的燃料速比截止閥控制優(yōu)化

黃月麗， 陳海文， 徐龍魏， 張 昊， 呂玥婷， 潘雪澄， 茅珈浩

(華電浙江龍游熱電有限公司，浙江 龍游 324400)

某電廠建設(shè)有一套S209E燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，由2臺燃氣輪機發(fā)電機組、2臺余熱鍋爐、1臺抽凝式蒸汽輪機發(fā)電機組和1臺背壓式蒸汽輪機發(fā)電機組組成。燃氣輪機發(fā)電機組和蒸汽輪機發(fā)電機組采用分軸布置，可選擇“一拖一”或“二拖一”運行方式。燃氣輪機控制系統(tǒng)采用GE公司的Mark VIe產(chǎn)品，余熱鍋爐、蒸汽輪機發(fā)電機組及其輔助控制系統(tǒng)采用南自維美德DCS產(chǎn)品。

該電廠于2021年5月完成了其中一臺燃氣輪機控制系統(tǒng)國產(chǎn)化改造，將OEM廠商控制系統(tǒng)完整替換為全國產(chǎn)化的華電睿藍maxCHD控制系統(tǒng)。機組改造后運行正常，達到了控制系統(tǒng)改造“無擾切換”的目標。

TCS國產(chǎn)化改造后，電廠技術(shù)人員組織開展了燃氣輪機運行可靠性與穩(wěn)定性的專項分析工作，重點對控制系統(tǒng)改造前后的機組參數(shù)與調(diào)節(jié)品質(zhì)差異進行分析，并針對某日燃氣輪機啟動升速階段發(fā)生的熄火事件開展了專題研究，提出了速比截止閥(簡稱SRV)的控制改進方案，通過燃氣輪機運行各階段的持續(xù)跟蹤與優(yōu)化，實現(xiàn)了提升SRV全過程調(diào)節(jié)品質(zhì)的目標，控制性能優(yōu)于OEM，進一步穩(wěn)定了燃燒工況，提升了燃氣輪機啟、停階段運行的可靠性。

1 速比截止閥控制概述

1.1 速比截止閥作用

SRV的作用是作為截止閥在機組跳閘或停機時切斷燃料供應(yīng)，以及作為調(diào)節(jié)閥在機組正常運行期間，通過SRV的控制，實現(xiàn)燃料閥前管道P2壓力的穩(wěn)定。一般情況下，P2壓力的給定值與轉(zhuǎn)速TNH成正比，在機組點火至100%額定轉(zhuǎn)速(3 000 r/min)期間，P2壓力的穩(wěn)定性與SRV的控制緊密相連；定速后，P2壓力幾乎維持不變。通過SRV的調(diào)節(jié)，在氣體燃料溫度及P2壓力不變條件下，燃料閥的流量正比于燃料給定基準FSR，從而實現(xiàn)燃料控制的穩(wěn)定性[1]。

1.2 原控制邏輯介紹

P2壓力給定值FPRG，在SRV控制不使能時為0 kg/cm2，在控制使能時，通過燃氣輪機控制轉(zhuǎn)速信號TNH乘于適當增益常數(shù)，再疊加給定值偏置后形成。

給定值偏置FPKGNO經(jīng)泄漏試驗工況選擇輸出。在泄漏試驗工況下，輸出給定值偏置為38.67 kg/cm2，可實現(xiàn)泄漏試驗工況下的閥位迅速開關(guān)；在非泄漏工況下，輸出給定值偏置為-0.35 kg/cm2。通過整定給定值偏置，可修正P2給定值，從而改變機組運行期間的空氣與燃料的壓力比。

P2的測量值FPG，由3個壓力變送器信號經(jīng)三取中形成。

SRV開度指令FRCROUT，在控制使能時，由P2壓力給定值與測量值的偏差乘于調(diào)節(jié)增益，其計算值經(jīng)比例、積分作用后，計算形成SRV開度指令，限幅為0～100%；控制不使能時為-40%，閥門全關(guān)。

SRV的開度經(jīng)LVDT測量反饋至伺服控制硬件回路，在P2壓力反饋和閥位反饋構(gòu)成的兩個PI閉環(huán)回路調(diào)節(jié)下，實現(xiàn)P2壓力與控制轉(zhuǎn)速TNH的控制關(guān)系[2-3]。SRV原控制邏輯如圖1所示。

圖1 SRV原控制邏輯

1.3 控制優(yōu)化前的運行分析

分析原控制邏輯啟機SRV的調(diào)節(jié)性能曲線如圖2、圖3所示。TCS改造前，在啟動升速階段，均存在SRV開度、燃料控制閥GCV1開度、P2壓力以及轉(zhuǎn)子角加速度的等幅振蕩。其中，P2壓力振蕩幅度約25 kg/cm2，振蕩間隔8.37 s，SRV開度振蕩幅度約2.05%，振蕩間隔8.53 s。

圖2 優(yōu)化前啟機SRV調(diào)節(jié)曲線1

圖3 優(yōu)化前啟機SRV調(diào)節(jié)曲線2

TCS改造后，對控制回路中的比例、積分參數(shù)進行整定，且在點火啟動至加速階段，以及燃氣輪機轉(zhuǎn)速大于2 500 r/min工況下的P2壓力波動幅度略有減弱，但在上述階段以外，P2壓力的波動幅度略微偏大。某次的燃氣輪機啟動升速階段熄火，與SRV開度大幅波動的關(guān)聯(lián)度極大[4-5]，最后采取在線調(diào)整比例、積分參數(shù)方式，通過了啟機升速階段。

分析原控制邏輯停機SRV的調(diào)節(jié)性能曲線如圖4所示。機組解列后，燃氣輪機在83.3%額定轉(zhuǎn)速至熄火階段SRV開度、P2壓力存在一定幅度的振蕩，P2壓力振蕩幅度約11 kg/cm2，振蕩間隔15.8 s，SRV開度振蕩幅度約1.97%，振蕩間隔16.9 s。

圖4 優(yōu)化前停機SRV的調(diào)節(jié)性能曲線

1.4 控制機理與問題分析

綜上所述，燃氣輪機全程運行過程中，SRV控制回路采用了單一的比例、積分參數(shù)控制方式。當燃氣輪機處于不同階段運行工況時，燃料需求量發(fā)生變化，為維持P2壓力穩(wěn)定，SRV的開度將同步調(diào)整。由于SRV的流量特性，以及不同燃燒工況差異，導(dǎo)致單一的比例、積分控制參數(shù)無法滿足全過程工況下的P2壓力穩(wěn)定[6]，控制回路的設(shè)計存在一定的缺陷。

通常情況下，SRV控制回路中的比例、積分參數(shù)整定，用于滿足燃氣輪機帶負荷工況下的燃燒可控，因此表現(xiàn)出的典型運行特征是燃氣輪機在啟、停階段時，SRV開度與P2壓力振蕩，并由此導(dǎo)致了當環(huán)境、天然氣熱值等發(fā)生較大變化時，燃氣輪機啟、停階段燃燒的不穩(wěn)定性加劇，嚴重時甚至熄火[7]。

2 速比截止閥的控制優(yōu)化

通過SRV原邏輯的控制原理與調(diào)節(jié)曲線，以及燃氣輪機全程燃燒機理分析[8]，機組啟動升速與停機減速階段SRV開度與P2壓力等參數(shù)發(fā)生的振蕩現(xiàn)象，主要原因是調(diào)節(jié)回路的比例、積分參數(shù)整定不夠合理。

優(yōu)化的控制方案基于燃氣輪機啟、停機階段采用調(diào)節(jié)回路變比例、變積分參數(shù)控制，在啟動升速階段增加SRV開度指令前饋策略，并運用變參數(shù)與前饋回路作用方式下的無擾切換技術(shù)[9]，實現(xiàn)穩(wěn)定P2壓力的目的。SRV控制優(yōu)化邏輯圖如圖5所示。

圖5 SRV控制優(yōu)化邏輯圖

2.1 啟動升速階段邏輯條件

當燃料給定基準FSR處于加速控制燃料給定基準FSRACC方式下，燃氣輪機轉(zhuǎn)速大于28.6%額定轉(zhuǎn)速，P2壓力偏差小于0.14 kg/cm2時，觸發(fā)機組啟動升速階段；當燃氣輪機轉(zhuǎn)速大于83.3%額定轉(zhuǎn)速，且P2壓力偏差小于0.14 kg/cm2時，復(fù)位機組啟動升速階段。

2.2 停機減速階段邏輯條件

當機組處于正常停機階段，燃氣輪機轉(zhuǎn)速小于83.3%額定轉(zhuǎn)速，且P2壓力偏差小于0.14 kg/cm2時，觸發(fā)機組停機減速階段證實；當轉(zhuǎn)速小于26.6%額定轉(zhuǎn)速，且P2壓力偏差小于0.14 kg/cm2時，復(fù)位機組停機減速階段證實。

2.3 控制回路優(yōu)化設(shè)計

當機組啟動升速或停機減速階段證實后，采用另一套比例、積分參數(shù)，作用于SRV調(diào)節(jié)回路。變比例、積分參數(shù)的切換基于P2壓力較小偏差，可達到SRV開度指令較小擾動效果。

SRV開度前饋計算值，通過直接疊加到比例、定積分常數(shù)作用之和的方式實現(xiàn)。

SRV前饋計算值采用PID設(shè)計方案，PID測量值為轉(zhuǎn)子角加速度計算值TNHA與轉(zhuǎn)子角加速度給定值TNHAR的偏差；PID設(shè)定值為測量值限幅后的計算值；PID前饋值為轉(zhuǎn)子角加速度偏差經(jīng)限幅后的計算值。

通過PID參數(shù)的整定，可實現(xiàn)測量值處于限幅區(qū)間內(nèi)的穩(wěn)定輸出，當測量值處于較大偏差時，通過前饋作用可實現(xiàn)較快響應(yīng)轉(zhuǎn)子加速度變化的功能。當機組啟動升速階段復(fù)位，通過PID自帶的切除調(diào)節(jié)功能，實現(xiàn)輸出值置零功能[10-11]?？刂七壿媰?yōu)化后的啟、停機速比截止閥的調(diào)節(jié)性能曲線見圖6、圖7、圖8。

圖6 優(yōu)化后的啟機SRV調(diào)節(jié)曲線1

圖7 優(yōu)化后的啟機SRV調(diào)節(jié)曲線2

圖8 優(yōu)化后的停機SRV調(diào)節(jié)曲線

3 效果分析

對比SRV優(yōu)化前后的P2壓力、轉(zhuǎn)子角加速度等參數(shù)，分析得出效果如下：(1)啟機階段SRV開度穩(wěn)定性提升86%，P2壓力波動幅度減小84%，轉(zhuǎn)子角加速度TNHA波動幅度減小80%；(2)停機階段SRV開度穩(wěn)定性提升40%，P2壓力波動幅度減小22%;(3)燃料給定基準FSR輸出平穩(wěn)，GCV1燃料閥位同步穩(wěn)定；(4)火焰強度波動幅度與脈動次數(shù)減少，燃燒趨于穩(wěn)定；(5)對機組振動無明顯影響?？刂苾?yōu)化前后的啟、停機階段SRV、P2參數(shù)對比分析見表1至表4。

表1 優(yōu)化前啟機階段SRV、P2參數(shù)對比分析

表2 優(yōu)化后啟機階段SRV、P2參數(shù)對比分析

表3 優(yōu)化前停機階段SRV、P2參數(shù)對比分析

表4 優(yōu)化后停機階段SRV、P2參數(shù)對比分析

4 結(jié)論

基于國產(chǎn)化TCS平臺的SRV控制優(yōu)化應(yīng)用，提升了燃料系統(tǒng)控制性能，特別是在燃氣輪機啟、停機階段，燃燒相關(guān)參數(shù)穩(wěn)定性大幅提升，有效改善燃氣輪機燃燒工況的穩(wěn)定性和可靠性。

通過實際運行效果對比表明，SRV控制邏輯優(yōu)化后，實現(xiàn)了SRV的全程穩(wěn)定控制，燃氣輪機部分運行工況的控制品質(zhì)大幅超越了OEM廠家，對于啟、停頻繁的調(diào)峰機組，具備較強的實用性。