IGCC燃氣輪機二次風閥控制優(yōu)化

侯興鑫，李帥，佟宇軒，周廣利，吳楠，張皓，趙劍

（華能（天津）煤氣化發(fā)電有限公司，天津 300452）

0 引言

1972年在德國Liinen的斯蒂克電站投運了世界上第一個以增壓鍋爐型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)為基礎的IGCC電站，經(jīng)過多年發(fā)展，世界上公認真正試運成功的IGCC是于1984年5月建成于美國加州Daggett的“冷水”（Cool water），它是以余熱鍋爐型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)為基礎的[1]。

整體煤氣化燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)（簡稱IGCC）是屬于清潔煤發(fā)電技術，華能“綠色煤電”項目天津IGCC煤氣化發(fā)電為中國第一座自主設計和建造的IGCC電廠[2]，它包括空分、煤氣化、凈化和動力島4個部分，氣化爐由上海鍋爐廠制造，燃氣輪機采用E級燃機，由上海電氣集團與西門子聯(lián)合制造，余熱鍋爐由杭州鍋爐集團股份有限公司制造，蒸汽輪機發(fā)電機組由上海電氣集團制造，空分裝置由開封空分集團有限公司制造，壓縮機由西安陜鼓動力股份有限公司和沈陽透平機械股份有限公司制造。

主要生產(chǎn)流程是：空分制備出的氧氣與煤粉在氣化爐里生成合成氣（60%CO，25%H2），經(jīng)過除塵和脫硫等凈化過程，變?yōu)闈崈舻臍怏w燃料驅動燃氣輪機。在燃氣輪機做功發(fā)電的同時，燃機排氣經(jīng)余熱鍋爐加熱給水產(chǎn)生蒸汽驅動蒸汽輪機發(fā)電，形成高效率的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)。

天津IGCC燃氣輪機左、右燃燒室火焰內缸側壁處均安裝一臺二次風閥，用來調節(jié)進入燃燒室的空氣流量，其調節(jié)作用直接影響燃機燃燒效率和穩(wěn)定性。在天津IGCC燃機運行過程中，出現(xiàn)過二次風閥反饋故障的情況，當機組處于運行狀態(tài)時，二次風閥反饋故障會直接導致二次風閥退出自動調節(jié)，二次風閥無法參與控制，嚴重影響機組的穩(wěn)定運行。本文將詳細介紹二次風閥控制優(yōu)化過程，以供其它電廠參考。

1 天津IGCC燃機介紹

燃氣輪機是組成IGCC系統(tǒng)的核心[3]，世界上生產(chǎn)重型燃氣輪機的主要公司有美國的GE公司、德國的SIEMENS公司、法國的ALSTOM公司和日本的三菱公司[4]。天津IGCC示范工程采用了西門子SGT5－2000E（LC）型低熱值合成氣燃氣輪機。該型燃氣輪機是在常規(guī)的SGT5－2000E型燃氣輪機基礎上改造的，重點對壓氣機和燃燒室進行了改造，以滿足燃用低熱值合成氣燃料的要求[5]，壓氣機的改造是在常規(guī)燃氣輪機的基礎上增加一級，燃燒室的改造主要是燃料管路分布的改進和對燃燒器燒嘴出口的改進[6]。

如圖1所示，此燃機是單軸單缸設計，無論是作為原動機還是帶基本負荷在恒速下運行或高峰負荷下運行都適合。西門子2000E系列燃機可以應用于聯(lián)合循環(huán)和區(qū)域供熱。他們適用于氣體和液體燃料的操作。一個單軸單缸燃氣輪機的典型特征是壓氣機和透平同轉子。轉子被兩個在有壓區(qū)域外的軸承支撐。這樣為確保良好的運行工況提供了基礎，因此可以穩(wěn)定運行。

圖1 燃氣輪機總覽圖（不反映機械設計細節(jié)）

如圖2所示，西門子2000E系列燃氣輪機采用桶形燃燒室，兩個側面燃燒室通過法蘭連接到燃氣輪機。從壓氣機來的壓縮空氣進入燃燒室，通過環(huán)形空間11并通過空間14和16（在承壓部件4和內部部件6之間）到達燃燒器組件1。空氣被對角旋流器3集中的成對角線噴出用來穩(wěn)定火焰燃燒?？烧{二次風閥（空氣稀釋孔）5布置在每個火焰缸的下段?？纱蜷_或者關閉可旋轉環(huán)12（調節(jié)二次風量）來調節(jié)透平出口溫度。二次風閥電動執(zhí)行機構10成切向地裝在燃燒室殼體上，同時可以驅動調節(jié)環(huán)。

圖2 燃燒室總覽圖（不反映機械設計細節(jié)）

2 燃機二次風閥動作原理和作用

為實現(xiàn)穩(wěn)定和低污染物燃燒，燃機配備了混合燃燒器，大部分必需的燃燒空氣量由壓縮機提供。只有少量空氣在啟動和低負荷過程中需要。在負荷范圍內提供越多的空氣量，燃機的負荷越大（在燃料增加的基礎上）。

燃機提供了用于控制空氣量兩種方法：1）調節(jié)壓氣機的進口導葉（此文略）；2）壓縮空氣一部分進入燒嘴，另一部分從二次風閥走（燃燒室空氣流量控制）。

燃燒空氣控制（也稱為調整/控制二次風閥的空氣量）通過改變進入燃燒室的空氣量，把一部分壓縮空氣從旁路送到燃燒室下游末端（火焰缸）。該空氣冷卻燃燒室產(chǎn)生的熱氣流。進入燃燒室的空氣質量流量根據(jù)透平出口溫度自動調節(jié)。稀釋空氣的進口（二次風閥）位于燃燒室內火焰缸，它們的橫截面可以通過旋轉調整環(huán)來增加或減小。矩形段（每個稀釋空氣孔一段）布置在調整環(huán)周圍。隨著環(huán)的旋轉，可以調節(jié)進入稀釋空氣孔（二次風閥）的流量。在幾何方面，每個稀釋空氣孔（二次風閥）徑相當于一個滑動窗口相應的幀。段邊緣有密封面相當于框架。進入燃燒器的壓縮空氣有固定的橫截面。當稀釋空氣孔（二次風閥）關閉時，進入燃燒器的空氣就增加了，稀釋空氣相應地減少了。當稀釋空氣孔（二次風閥）打開時，進入燃燒器的空氣就減少了，而稀釋空氣相應地增加了。

燃燒空氣控制系統(tǒng)的主要目的是根據(jù)透平出口溫度來調節(jié)調整環(huán)。1）通過開環(huán)控制信號進行二次風閥定位；2）通過閉環(huán)控制信號進行二次風閥定位。二次風閥定位由電動執(zhí)行機構執(zhí)行。這兩個二次風閥必須同步進行定位，在嚴格的公差范圍內，以防止非正常流動和透平上游的熱氣流。在跳閘時，二次風閥設置為打開位置，以防止由于二次風閥和套管的熱膨脹而導致二次風閥卡住。監(jiān)視透平出口溫度的模擬信號在允許范圍內，如果在允許范圍外，開環(huán)控制切換為手動操作。

3 燃機二次風閥硬件改造

3.1 二次風閥存在的隱患

目前天津IGCC燃機二次風閥只有一個模擬量反饋信號，反饋直接參與二次風閥動作邏輯，在天津IGCC機組正常運行期間，左側二次風閥反饋出現(xiàn)過故障現(xiàn)象，具體現(xiàn)象為模擬量反饋故障為壞值，當模擬量反饋壞值時，燃機二次風閥自動退出閉環(huán)控制，且無法遠程手動操作，徹底失去對二次風閥的控制，機組退出AGC。因無法對二次風閥進行在線定位，無法在機組運行期間進行維修或者更換。

為解決此重大設備隱患，設備負責班組提出多種解決思路，包括更換二次風閥電動執(zhí)行機構，更換反饋設備等等。通過深入了解二次風閥反饋裝置，發(fā)現(xiàn)可以在原反饋裝置基礎上增加一套模擬量反饋裝置，此方法可有效避免二次風閥在一個反饋故障后無法在線檢修的事故發(fā)生，同時此方法操作簡單且費用較低。

3.2 硬件改造

二次風閥動作電動機品牌為德國EUBA，型號C4，設備編號50912-01,推力為15 000 N,拉力為15 000 N，行程為250 mm，速度為8 mm/s。

二次風閥反饋裝置由力矩開關、行程開關、電位器、位置變送器組成。電位器是將閥門位置轉換為電阻信號的儀器，位置變送器是將電位器的電阻信號轉換為4～20 mA的儀器，電位器和位置變送器是組成模擬量反饋的重要裝置。當力矩開關動作時，電動執(zhí)行機構將無法動作。通過深入了解反饋裝置，發(fā)現(xiàn)圖5所示電位器具有堆疊使用的功能，可在圖4所示反饋傳動裝置右側新增一個電位器，同時在反饋盒內新增一個圖6所示位置變送器，構成了新增模擬量反饋的重要設備，再敷設一根信號電纜，完成二次風閥反饋改造的硬件部分。

圖3 反饋裝置總覽圖

圖4 反饋傳動裝置

圖5 電位器

圖6 位置變送器

4 控制優(yōu)化

為達到最好的控制效果，控制邏輯將選擇反饋與指令偏差小的反饋信號作為控制信號。當一側二次風閥反饋1和2中任一個有故障時，將自動選擇非故障信號作為控制信號，當反饋1、2均故障時，二次風閥退出閉環(huán)，投入開環(huán)控制。

新增左右側二次風閥反饋接線圖如圖7、圖8所示；新增測點供電回路圖如圖9所示；控制邏輯框圖如圖10所示。

圖7 左側二次風閥反饋邏輯圖

圖8 右側二次風閥反饋邏輯圖

圖9 左、右側二次風閥反饋供電圖

圖10 二次風閥反饋控制邏輯圖

1）此控制邏輯將選擇反饋與指令偏差小的反饋信號作為控制信號。

2）當反饋1、2均出故障時，二次風閥退出閉環(huán)，投入開環(huán)控制。

5 結語

作為國內第一座整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站，天津IGCC機組在運行中逐步克服了諸多前所未有的問題[7]。

通過對二次風閥反饋裝置現(xiàn)有設備分析及研判，成功完成二次風閥反饋改造和控制優(yōu)化，實現(xiàn)了二次風閥位置測量及控制可靠性的倍增。本文僅通過測量元件及信號處理過程的改變，實現(xiàn)了冗余測量的功能（一點測量，輸出兩個信號）；而對于實際二次風閥位置的真實位移量測量方面，并未涉及，下一步的研究可在此方向上進行拓展。以期可以實現(xiàn)兩個或更多個反饋真實位移量的測量及輸出（2點或更多點測量，輸出多個 信號）。