天然氣增壓機(jī)在燃?xì)廨啓C(jī)甩負(fù)荷時(shí)的控制邏輯優(yōu)化

溫文忠

(深圳南山熱電股份有限公司，廣東 深圳 518052)

某聯(lián)合循環(huán)電廠總裝機(jī)容量為230 MW，采用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)，配置有兩臺(tái)6FA級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組、兩臺(tái)雙壓余熱鍋爐及一臺(tái)純凝式汽輪發(fā)電機(jī)組。由于燃?xì)廨啓C(jī)入口天然氣壓力要求為2.5～5 MPa, 而業(yè)主方提供的天然氣管網(wǎng)輸入的天然氣壓力為0.6～1.6 MPa,所以該廠天然氣供應(yīng)系統(tǒng)采用天然氣壓縮機(jī)增壓系統(tǒng)，在燃?xì)廨啓C(jī)的燃料系統(tǒng)上游設(shè)置天然氣增壓站。

1 天然氣增壓調(diào)壓站工藝流程

用于增壓的天然氣調(diào)壓站是由緊急切斷、過濾、計(jì)量、增壓、冷卻、集中放散、安全監(jiān)測(cè)、電氣及儀表控制等設(shè)備和管道組成的，具備使天然氣符合燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣要求的功能[1]。該電廠采用的“一拖二”和“一主一備”的方式設(shè)計(jì)了兩套阿特拉斯·科普柯天然氣增壓機(jī)用于天然氣增壓,即電廠正常運(yùn)行時(shí)，一臺(tái)天然氣增壓機(jī)可以滿足兩臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)滿載運(yùn)行所需天然氣流量和壓力。圖1所示是天然氣調(diào)壓站處理系統(tǒng)及工藝流程。

圖1 天然氣調(diào)壓站處理系統(tǒng)及工藝流程

2 阿特拉斯·科普柯天然氣增壓機(jī)工作原理

離心式壓縮機(jī)是透平式壓縮機(jī)的一種，是借助高速旋轉(zhuǎn)的葉輪所產(chǎn)生的離心力將氣體介質(zhì)壓縮并輸送的一種動(dòng)力設(shè)備[2]。

阿特拉斯·科普柯天然氣增壓機(jī)采用兩級(jí)離心式壓縮機(jī)，示意圖如圖2。它的入口與天然氣調(diào)壓站處理系統(tǒng)中的計(jì)量單元出口相連接，天然氣經(jīng)過入口關(guān)斷閥、壓力調(diào)節(jié)閥、過濾單元，通過一級(jí)和二級(jí)壓縮機(jī)壓縮，升壓至燃?xì)廨啓C(jī)入口所需的壓力2.8～3.2 MPa，并通過冷卻系統(tǒng)將壓縮后的天然氣溫度保持在燃?xì)廨啓C(jī)所設(shè)定的最高限值(110 ℃)內(nèi)。一級(jí)和二級(jí)離心式壓縮機(jī)是由同一臺(tái)6.6 kV電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，分別通過增速齒輪驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)葉輪高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生離心力使流體獲得能量，將天然氣穩(wěn)定連續(xù)吸入到壓縮機(jī)中去，逐級(jí)完成對(duì)其壓縮過程，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，最終使壓縮機(jī)出口的天然氣壓力升高。

圖2 增壓機(jī)系統(tǒng)示意圖

正常運(yùn)行時(shí)，天然氣增壓機(jī)通過自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)整壓力調(diào)節(jié)閥、進(jìn)口導(dǎo)葉角度或再循環(huán)閥開度來維持天然氣增壓機(jī)出口壓力和改變進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)天然氣流量。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)需要的天然氣量減少時(shí)，通過開大再循環(huán)閥旁通閥、關(guān)小壓力調(diào)節(jié)閥和進(jìn)口導(dǎo)葉來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，通過控制再循環(huán)閥開度確保天然氣增壓機(jī)最小流量不小于喘振流量，以防止天然氣增壓機(jī)喘振發(fā)生。

3 天然氣增壓機(jī)在燃?xì)廨啓C(jī)甩負(fù)荷時(shí)的控制邏輯優(yōu)化

3.1 燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)天然氣壓力保護(hù)設(shè)計(jì)

單臺(tái)GE 6FA 燃?xì)廨啓C(jī)的天然氣設(shè)計(jì)壓力值為2.48～3.45 MPa , 因此燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)對(duì)天然氣壓力大小進(jìn)行限制保護(hù)。如果天然氣壓力低于2.5 MPa 時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)啟動(dòng)快速減負(fù)荷程序，降負(fù)荷速率約64 MW/min，燃?xì)廨啓C(jī)從滿載降至5 MW只需1 min。天然氣壓力低減負(fù)荷邏輯示意圖如圖3。天然氣壓力三個(gè)測(cè)點(diǎn)96FG-1A、96FG-1B、96FG-1C位于燃?xì)廨啓C(jī)天然氣管道入口，通過中選(選擇中值)邏輯判斷后得到天然氣壓力FPG1與低限比較后，觸發(fā)快速減負(fù)荷程序。

圖3 天然氣壓力低減負(fù)荷邏輯示意圖

3.2 單臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)甩負(fù)荷時(shí)出現(xiàn)故障及原因分析

3.2.1 故障現(xiàn)象

該電廠在某次全廠滿載情況下進(jìn)行#1燃?xì)廨啓C(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)過程中，由于機(jī)組天然氣需求量瞬間由24 388 m3/h 降至15 390 m3/h, 單臺(tái)天然氣增壓機(jī)的負(fù)荷由100%快速降至約60%負(fù)荷，造成天然氣壓力波動(dòng)，壓力下降至2.3 MPa引起帶滿載的#2燃?xì)廨啓C(jī)快速減負(fù)荷程序啟動(dòng)，負(fù)荷降至5 MW，機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)失敗。#1燃?xì)廨啓C(jī)甩負(fù)荷時(shí)部分參數(shù)變化如圖4。

圖4 #1燃?xì)廨啓C(jī)甩負(fù)荷時(shí)部分參數(shù)變化

3.2.2 故障分析

天然氣增壓機(jī)工作在天然氣危險(xiǎn)場(chǎng)所，其再循環(huán)閥、壓力調(diào)節(jié)閥等采用安全防爆的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)較電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度慢，加之增壓機(jī)控制盤與監(jiān)測(cè)、執(zhí)行元件距離較遠(yuǎn)，從氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)檢測(cè)到信號(hào)到輸出控制信號(hào)去控制氣動(dòng)閥門，執(zhí)行完畢大約需25 s。燃?xì)廨啓C(jī)燃料控制閥采用電液控制，有較快的響應(yīng)速度，其動(dòng)作時(shí)間僅需0.5 s[3]。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)流量發(fā)生較大擾動(dòng)時(shí),天然氣增壓機(jī)通過再循環(huán)閥調(diào)節(jié)流量,調(diào)整壓力調(diào)節(jié)閥、進(jìn)口導(dǎo)葉來維持天然氣增壓機(jī)出口壓力。當(dāng)#1燃?xì)廨啓C(jī)在甩負(fù)荷過程中,燃?xì)廨啓C(jī)燃料控制閥快速響應(yīng)關(guān)小,而天然氣增壓機(jī)的壓力調(diào)節(jié)閥、再循環(huán)閥控制系統(tǒng)不能快速響應(yīng)，造成控制失調(diào)，引起天然氣增壓機(jī)出口壓力大幅波動(dòng)，造成#2燃?xì)廨啓C(jī)天然氣管道入口壓力低于2.5 MPa，觸發(fā)了#2燃?xì)廨啓C(jī)快速減負(fù)荷程序，負(fù)荷降至5 MW。

3.3 解決方法

3.3.1 基本思路

正常情況下，天然氣增壓機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)天然氣壓力設(shè)定值與增壓機(jī)出口天然氣壓力的差值來調(diào)整壓力調(diào)節(jié)閥、進(jìn)口導(dǎo)葉和再循環(huán)閥開度；在雙燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行期間，當(dāng)有一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)快速減負(fù)荷而快速截?cái)嗵烊粴馊剂狭髁?，增壓機(jī)的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)不及時(shí)，容易造成增壓機(jī)出口母管壓力大幅波動(dòng)而引起另一正常運(yùn)行的機(jī)組因天然氣壓力下降而減載。

通過增加兩臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)時(shí)負(fù)荷信號(hào)并通過硬接線接入天然氣增壓機(jī)控制系統(tǒng)，根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)天然氣的需求量變化，作為天然氣增壓機(jī)氣動(dòng)調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部調(diào)節(jié)器前饋量，提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減緩天然氣增壓機(jī)出口波動(dòng)幅度。

3.3.2 實(shí)施方法

天然氣增壓機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷變化情況預(yù)先計(jì)算出天然氣流量需求量的變化，使再循環(huán)閥和壓力調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部設(shè)定輸入信號(hào)同步快速斜降至一定變化量，經(jīng)過數(shù)秒鐘后自動(dòng)斜升至正常的額定壓力設(shè)定值，從而大大減少了增壓機(jī)出口母管壓力迅速變化而引起的進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)天然氣壓力波動(dòng)，減緩由于自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)作滯后而產(chǎn)生大幅擾動(dòng)。

在天然氣增壓機(jī)控制系統(tǒng)增加以下計(jì)算程序，并在壓力調(diào)節(jié)閥和再循環(huán)閥內(nèi)部調(diào)節(jié)器上增加前饋調(diào)節(jié)功能。

(1)

式中：D為天然氣流量需求量；W1為#1燃?xì)廨啓C(jī)功率；W2為#2燃?xì)廨啓C(jī)功率；W為單臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)額定功率。

ΔV=(D1-D2)×K

(2)

式中：ΔV為再循環(huán)閥開度變化量；D1為天然氣需求量前一個(gè)周期值；D2為天然氣需求量當(dāng)前值；K為常數(shù)。

天然氣流量需求量D表示燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)天然氣的需求，須要加強(qiáng)天然氣增壓機(jī)對(duì)天然氣需求量的應(yīng)變能力。如果D的值等于零或接近零且天然氣增壓機(jī)出口壓力上漲，天然氣增壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)可以判斷燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組當(dāng)前無天然氣的需求，就會(huì)關(guān)閉入口關(guān)斷閥，反之自動(dòng)打開入口關(guān)斷閥。

在燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行減載時(shí)，天然氣需求量也隨著減少，天然氣增壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)天然氣需求量前后運(yùn)算周期的值計(jì)算出減小差值ΔV，利用這個(gè)差值折算出壓力調(diào)節(jié)閥和再循環(huán)閥內(nèi)部調(diào)節(jié)器前饋?zhàn)兓?，通過改變式(2)K值可將天然氣增壓機(jī)出口壓力波動(dòng)減至最小，使壓力調(diào)節(jié)閥和再循環(huán)閥在發(fā)生擾動(dòng)之前提前動(dòng)作，及時(shí)消除了它們對(duì)天然氣壓力調(diào)整的滯后。

按照上述方法改造后，在#1燃?xì)廨啓C(jī)甩負(fù)荷時(shí)，天然氣壓力FPG1 最高上升到3.2 MPa,最低下降到了2.73 MPa; #2燃?xì)廨啓C(jī)維持滿載運(yùn)行。#1燃?xì)廨啓C(jī)甩負(fù)荷時(shí)天然氣壓力變化見圖5。

圖5 #1燃?xì)廨啓C(jī)甩負(fù)荷時(shí)天然氣壓力變化

4 效果及意義

通過上述方法改造，天然氣增壓機(jī)在單臺(tái)6FA級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)和兩臺(tái)6FA級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)天然氣壓力能夠穩(wěn)定維持2.7～3.2 MPa，確保了機(jī)組安全可靠運(yùn)行。天然氣增壓機(jī)在以天然氣為燃料的聯(lián)合循環(huán)電廠中,是一個(gè)至關(guān)重要的設(shè)備,它的運(yùn)行狀況直接關(guān)系到燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行安全,并影響著整個(gè)電廠的運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益。本文介紹的方法為同類型的電廠提供了借鑒。