TS-3000控制系統(tǒng)在燃?xì)廨啓C(jī)節(jié)能改造中的應(yīng)用

郭慶軍，朱世凱，曹立佳

(1.河南利源新能科技有限公司，河南 安陽(yáng) 455141；2.北京康吉森自動(dòng)化技術(shù)股份有限公司，北京 101318)

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)是一種將空氣增壓后與燃料充分反應(yīng)，形成高溫高壓燃?xì)鈳?dòng)透平高速旋轉(zhuǎn)，從而輸出機(jī)械功的動(dòng)力機(jī)械，被譽(yù)為制造業(yè)“皇冠上的明珠”[1]。其主要結(jié)構(gòu)包括壓氣機(jī)、燃燒室、燃?xì)馔钙饺齻€(gè)部分。通常，燃機(jī)及配套控制系統(tǒng)的改造難度非常大，尤其是在現(xiàn)場(chǎng)需要更換燃機(jī)燃料和燃燒室火焰噴嘴的情況下。

本文針對(duì)河南省某公司采購(gòu)引進(jìn)的PG6581B型舊燃機(jī)進(jìn)行研究，對(duì)燃機(jī)設(shè)備及控制系統(tǒng)改造后將其用于128萬(wàn)噸/年焦化配套聯(lián)合發(fā)電。此燃機(jī)原燃料為輕柴油和煤制合成氣，用輕柴油點(diǎn)火啟機(jī)，開車成功后切換到合成煤氣燃料。

作為焦化配套聯(lián)合新能源發(fā)電項(xiàng)目的關(guān)鍵設(shè)備之一，改造后的燃機(jī)采用天然氣點(diǎn)火。點(diǎn)火成功后切焦?fàn)t氣燃料升速，達(dá)到正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速后再切除天然氣，用焦?fàn)t煤氣實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、穩(wěn)定發(fā)電運(yùn)行。此燃料改造為國(guó)內(nèi)6B系列燃機(jī)的創(chuàng)新節(jié)能應(yīng)用。

1 系統(tǒng)配置和節(jié)能控制軟件功能

1.1 硬件配置

TS-3000通過(guò)下列模件控制燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組。

①模擬輸入模件。模擬輸入模件與模擬信號(hào)相連，如火焰強(qiáng)度、溫度、壓力、振動(dòng)等。

②脈沖輸入模件。脈沖輸入模件與燃機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)相連。

③數(shù)字輸入模件。數(shù)字輸入模件與開關(guān)量輸入相連，如壓力開關(guān)、液位開關(guān)和溫度開關(guān)量及閥門狀態(tài)反饋等。

④模擬輸出模件。模擬輸出模件用于燃料調(diào)節(jié)閥(gas control valve，GCV)、速比閥(speed ratio valve，SRV)和進(jìn)氣導(dǎo)向葉片(inlet guide vane，IGV)的開度基準(zhǔn)信號(hào)[2]。

⑤數(shù)字輸出模件。數(shù)字輸出模件用于控制開關(guān)量，如電磁閥、各種泵和風(fēng)扇的啟停命令、發(fā)電機(jī)同期并網(wǎng)指令等。

⑥伺服控制模件。伺服控制模件激勵(lì)/接收并調(diào)制SRV和IGV的線性可變差動(dòng)傳感器的反饋信號(hào)[3]；接收模擬輸出模件的控制基準(zhǔn)信號(hào)，并輸出伺服閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

1.2 軟件配置

①下位機(jī)軟件。下位機(jī)軟件包括TRISTATION 1131軟件VERSION 4.17、TRICON SOE軟件VERSION4.8和TRICON DDE軟件VERSION4.9。

②上位畫面軟件。上位畫面軟件采用INTOUCH人機(jī)界面(human machine interface,HMI)軟件，從而實(shí)現(xiàn)一體化燃機(jī)控制(integrated gas turbine control,IGTC)系統(tǒng)的監(jiān)控操作。工程師站則采用INTOUCH VERSION20.0.000.4300開發(fā)版、操作站采用INTOUCH VERSION20.0.000.4300運(yùn)行版。在TS1131控制軟件與上位機(jī)軟件之間，通過(guò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換軟件DDE SERVER相連。

1.3 節(jié)能控制軟件功能

在改造應(yīng)用中，燃機(jī)控制系統(tǒng)采用基于TüV 認(rèn)證SIL3級(jí)別TMR技術(shù)的 Triconex TS-3000控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)PG6581B 單軸燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行。TS-3000提供以下功能。

①自動(dòng)啟動(dòng)和加載。

燃機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)到全速空載模式。發(fā)電機(jī)同期并網(wǎng)期間，系統(tǒng)接收到發(fā)電機(jī)出口斷路器觸點(diǎn)閉合信號(hào)后，即可由操作人員按照工廠調(diào)度需求給燃機(jī)增加負(fù)荷，加載發(fā)電運(yùn)行。

起機(jī)順控包括啟動(dòng)燃料控制、燃料切換控制、加速控制、GCV控制、SRV控制、排氣溫度控制和IGV調(diào)節(jié)， 實(shí)現(xiàn)天然氣燃料點(diǎn)火、起機(jī)。焦?fàn)t煤氣帶負(fù)荷運(yùn)行[4]。轉(zhuǎn)速/發(fā)電機(jī)負(fù)荷控制包括轉(zhuǎn)速有差和無(wú)差控制，以及發(fā)電機(jī)增減負(fù)荷控制等。

②渦輪和發(fā)電機(jī)保護(hù)功能包括燃燒監(jiān)視、軸系振動(dòng)監(jiān)視、發(fā)電機(jī)運(yùn)行監(jiān)視等。

③燃機(jī)輔助系統(tǒng)控制。

輔助系統(tǒng)包括潤(rùn)滑油系統(tǒng)、控制油系統(tǒng)、燃料氣系統(tǒng)、氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)、加熱通風(fēng)系統(tǒng)、冷卻和密封氣系統(tǒng)、啟動(dòng)設(shè)備和盤車機(jī)構(gòu)等。

④燃機(jī)外圍設(shè)備控制包括焦?fàn)t煤氣進(jìn)氣過(guò)濾、加熱控制以及冷卻循環(huán)介質(zhì)監(jiān)控等。

TS-3000通過(guò)操作員站或工程師站的HMI操作畫面進(jìn)行監(jiān)控和操作。HMI提供完善的監(jiān)視功能，以及便捷、友好的操作界面。

2 燃機(jī)自動(dòng)起機(jī)順序控制

燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組總是在13個(gè)運(yùn)行模式中的1個(gè)模式下運(yùn)行。每個(gè)順控模式的進(jìn)入都是按預(yù)先設(shè)置好的程序進(jìn)行的。這樣可以確保燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)和輔助設(shè)備的安全運(yùn)行。當(dāng)觸發(fā)1個(gè)起動(dòng)命令后，TS-3000就會(huì)通過(guò)啟動(dòng)順序模式自動(dòng)運(yùn)行起機(jī)程序[5-6]。

為了描述燃機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程，TRICON TS-3000根據(jù)機(jī)組的不同階段定義了模式號(hào)(Mode)，用相應(yīng)方式變量來(lái)控制程序的進(jìn)程。燃機(jī)啟動(dòng)模式定義如表1所示。

表1 燃機(jī)啟動(dòng)模式定義

起機(jī)過(guò)程為全自動(dòng)，無(wú)需人工干預(yù)。啟動(dòng)控制系統(tǒng)僅控制燃?xì)廨啓C(jī)從點(diǎn)火開始到啟動(dòng)程序完成這個(gè)過(guò)程中的燃料分配。燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過(guò)程中燃料需要量變化范圍相當(dāng)大。其最大值受壓氣機(jī)喘振和透平超溫所限，而最小值則受熄火極限或零功率所限。這個(gè)上下限隨著燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速的大小變化。在脫扣轉(zhuǎn)速時(shí)，這個(gè)上下限之間的范圍最窄。沿上限控制燃料量可使啟動(dòng)最快，但燃?xì)廨啓C(jī)溫度變化劇烈，會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致材料的熱疲勞而縮短使用壽命。啟動(dòng)控制過(guò)程是開環(huán)的，根據(jù)程序系統(tǒng)輸入的一組邏輯信號(hào)分段輸出預(yù)先設(shè)置的燃機(jī)燃料行程參考基準(zhǔn)(fuel stroke reference，F(xiàn)SR)。

起機(jī)過(guò)程中，燃機(jī)啟動(dòng)FSR曲線如圖1所示。

圖1 燃機(jī)啟動(dòng)FSR曲線

當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)被啟動(dòng)機(jī)帶到點(diǎn)火轉(zhuǎn)速并滿足點(diǎn)火條件時(shí)，點(diǎn)火變壓器觸點(diǎn)閉合。為了點(diǎn)燃火焰并提供燃燒室之間的聯(lián)焰，在火花塞打火時(shí)，點(diǎn)火FSR為17%，相對(duì)較大，在圖1中對(duì)應(yīng)A點(diǎn)。當(dāng)滿足下列條件之一時(shí)，點(diǎn)火成功：①至少2個(gè)火焰檢測(cè)器檢測(cè)到火焰，并且持續(xù)時(shí)間超過(guò)2 s; ②所有4個(gè)火焰檢測(cè)器均檢測(cè)到火焰。

如果點(diǎn)火成功，控制系統(tǒng)將13%賦給FSR，以建立暖機(jī)FSR值，在圖1中對(duì)應(yīng)B點(diǎn)。FSR水平的降低是為了減少轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力。在點(diǎn)火FSR到暖機(jī)FSR的轉(zhuǎn)變過(guò)程中，采用了1個(gè)一階濾波器，使得過(guò)渡過(guò)程變得緩和。燃?xì)廨啓C(jī)暖機(jī)過(guò)程中FSR值保持不變，轉(zhuǎn)速則在逐漸上升，實(shí)際燃料流量也隨之緩慢增加，使處于冷態(tài)的燃?xì)馔钙街饾u被加熱。暖機(jī)持續(xù)60 s結(jié)束，由啟動(dòng)程序給出暖機(jī)完成指令，在圖1中對(duì)應(yīng)C點(diǎn)。

暖機(jī)完成后，F(xiàn)SR按照0．08 %/s的斜升速率(對(duì)應(yīng)圖1中CD段斜率)進(jìn)入積分器的輸入端，使得FSR輸出在暖機(jī)值的基礎(chǔ)上逐漸增加。隨著燃料量的增加，燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速逐步升高。當(dāng)達(dá)到45%全速轉(zhuǎn)速(對(duì)應(yīng)圖1中D點(diǎn))時(shí)，控制系統(tǒng)FSR將按照0.2%/s的斜升速率(對(duì)應(yīng)圖1中DE段斜率)繼續(xù)增大FSR，直至燃機(jī)達(dá)到90%全速轉(zhuǎn)速(對(duì)應(yīng)圖1中E點(diǎn))時(shí)，啟動(dòng)控制系統(tǒng)FSR按照1.5%/s(對(duì)應(yīng)圖1中FG段斜率)快速達(dá)到100%FSR。至此，啟動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)退出。

燃機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速5 133 rad/min時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)天然氣具備退出條件，由操作員發(fā)出天然氣開始退出指令。此時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)緩慢關(guān)閉天然氣燃料閥。當(dāng)天然氣燃料閥全關(guān)后，天然氣切斷閥電磁閥自動(dòng)失電，切斷閥關(guān)閉；同時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)打開天然氣放散閥，燃料切換完成。在天然氣退出階段，燃機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。

3 燃燒排氣溫度節(jié)能控制和保護(hù)

燃?xì)廨啓C(jī)的透平葉輪和葉片在高溫、高速下工作，承受高溫和巨大的離心應(yīng)力。對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)而言，這些受熱零部件的強(qiáng)度余量本來(lái)就不大，所以在運(yùn)行中就必須使透平進(jìn)氣溫度限制在一定范圍內(nèi)。否則，超溫將會(huì)使透平受熱部件的壽命大大降低，甚至引起透平葉片燒毀、斷裂等嚴(yán)重事故。因此，燃機(jī)的燃燒溫度控制和保護(hù)非常重要。由于燃機(jī)透平前溫度直接測(cè)量與控制非常困難，通常通過(guò)測(cè)量燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度間接反映透平前溫的大小。兩者的變化趨勢(shì)是相同的[7-8]。

為了監(jiān)測(cè)燃機(jī)高溫部件工作是否正常，TS-3000系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量均勻分配安裝在排氣通道上的18只熱電偶測(cè)溫元件?？刂葡到y(tǒng)將采集的排溫?cái)?shù)據(jù)送至專門的溫度保護(hù)程序參與運(yùn)算。 TS-3000系統(tǒng)排氣溫度保護(hù)任務(wù)如下。

①透平平均排氣溫度高保護(hù)。燃機(jī)在進(jìn)入點(diǎn)火模式后，如透平排氣溫度平均值高于設(shè)定值649 ℃或高于基準(zhǔn)溫控溫度5 ℃，機(jī)組將保護(hù)停機(jī)。

②透平排氣溫度熱電偶故障保護(hù)。燃機(jī)轉(zhuǎn)速大于2 567 rad/min后，如果平均排氣溫度低于121.1 ℃，則表明燃機(jī)燃燒存在異常，或者在燃機(jī)啟動(dòng)后有超過(guò)8只排氣測(cè)溫?zé)犭娕脊收稀＿@2種異常工況下，控制系統(tǒng)都會(huì)自動(dòng)遮斷機(jī)組。

③透平排氣溫度分散度高保護(hù)。燃機(jī)穩(wěn)定燃燒時(shí)，透平排氣溫度數(shù)據(jù)并非完全相同，總存在一些偏差。這個(gè)偏差通常被稱為燃機(jī)排氣溫度分散度。當(dāng)燃燒室內(nèi)火焰筒、導(dǎo)流襯套或過(guò)渡段等部件出現(xiàn)堵塞、破裂等異常工況時(shí)，均會(huì)引起燃機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)和排氣溫度流場(chǎng)的嚴(yán)重不均勻。對(duì)于燃機(jī)排氣溫度而言，排氣溫度不均勻的程度超過(guò)限定值，即為排氣分散度的異常。為了確定機(jī)組在穩(wěn)定負(fù)荷下允許各排氣熱電偶測(cè)量結(jié)果的偏差量，PG6581B燃?xì)廨啓C(jī)均規(guī)定了一個(gè)允許分散度(設(shè)為X)。當(dāng)實(shí)際分散度超出X并滿足一定條件時(shí)，機(jī)組將立即停機(jī)以確保燃機(jī)的安全[9]。機(jī)組在穩(wěn)態(tài)時(shí)，X是一個(gè)常數(shù)。發(fā)電機(jī)在增減負(fù)荷時(shí)，X會(huì)疊加上一個(gè)值，從而在機(jī)組燃燒變換時(shí)防止因?qū)嶋H分散度增大而誤保護(hù)停機(jī)。

穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，燃機(jī)排氣溫度測(cè)量數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 燃機(jī)排氣溫度測(cè)量數(shù)據(jù)

排氣溫度分散度保護(hù)的方法如下。TS-3000系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)計(jì)算實(shí)際排氣分散度的大小。排氣溫度的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的差值稱為排氣分散度X1。排氣溫度的最高點(diǎn)與次低點(diǎn)的差值稱為排氣分散度X2。排氣溫度的最高點(diǎn)與第三低點(diǎn)的差值稱為排氣分散度X3。這3個(gè)實(shí)際分散度的值與X進(jìn)行比較，并輔以這3個(gè)低點(diǎn)的元件是否存在相鄰關(guān)系的條件，從而產(chǎn)生以下3種遮斷跳機(jī)的保護(hù)。

①均勻分配安裝在排氣通道上的熱電偶測(cè)溫元件。如果測(cè)量到的排氣溫度最低點(diǎn)與次低點(diǎn)是相鄰的，且所計(jì)算的X1和X2又超出了相應(yīng)的允許值，說(shuō)明在此區(qū)域內(nèi)排氣溫度明顯低于正常值。而這種現(xiàn)象極有可能是由于某個(gè)燃燒器或過(guò)渡段破損造成的。因此，機(jī)組應(yīng)立即跳機(jī)以避免故障擴(kuò)大。燃機(jī)排氣分散度停機(jī)保護(hù)邏輯1如圖3所示。

圖3 燃機(jī)排氣分散度停機(jī)保護(hù)邏輯1

②當(dāng)X1是X的5倍以上時(shí)，程序認(rèn)為這個(gè)排氣溫度最低點(diǎn)的熱電偶元件出現(xiàn)了故障。在這種情況下，如果排氣分散度次低點(diǎn)與第三低點(diǎn)仍然處于相鄰位置，同時(shí)排氣分散度次低點(diǎn)超出了允許值[10-11]，即認(rèn)為排氣溫度次低點(diǎn)與第三低點(diǎn)熱電偶元件所處的位置是不正常的低溫區(qū)。同時(shí)，考慮到有1個(gè)熱電偶元件出現(xiàn)故障，為了保護(hù)設(shè)備的安全，系統(tǒng)發(fā)出跳機(jī)指令。燃機(jī)排氣分散度停機(jī)保護(hù)邏輯2如圖4所示。

圖4 燃機(jī)排氣分散度停機(jī)保護(hù)邏輯2

③當(dāng)X3超出X之后，就出現(xiàn)了均勻分配安裝在排氣通道上的熱電偶測(cè)溫元件測(cè)量到了3個(gè)不相鄰的非正常低溫區(qū)。在這種情況下，無(wú)論是排氣溫度元件本身故障還是其他原因造成的故障，均對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行造成重大威脅。因此，系統(tǒng)需立即發(fā)出跳機(jī)指令，燃機(jī)排氣分散度停機(jī)保護(hù)邏輯3如圖5所示。

圖5 燃機(jī)排氣分散度停機(jī)保護(hù)邏輯3

4 結(jié)論

本文研究的128萬(wàn)噸/年焦化配套聯(lián)合發(fā)電項(xiàng)目1#燃機(jī)已于2022年2月一次點(diǎn)火開車成功。改造后的燃機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次試車、燃料切換、并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行及開車檢驗(yàn)，已安全連續(xù)運(yùn)行超過(guò)3 000 h。目前，燃機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、可靠。改造后的控制系統(tǒng)在燃機(jī)啟停、控制監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)通信等方面性能良好，減少了維護(hù)成本，具有在同類燃機(jī)項(xiàng)目進(jìn)行推廣應(yīng)用的價(jià)值。