燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組雙燃料切換全程自動(dòng)控制策略

趙奕州，何冬輝，林茂盛，丁永允

(國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

高爐煤氣(blast furnace gas，BFG)、焦?fàn)t煤氣(coke oven gas，COG)和轉(zhuǎn)爐煤氣是鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中的副產(chǎn)品，屬于二次能源，其中高爐煤氣轉(zhuǎn)移了高爐輸入燃料中約60%的能量[1]。隨著燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，為提高鋼廠對(duì)低品質(zhì)高爐煤氣利用效率和節(jié)約資源的要求，某些重型燃機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，逐步開(kāi)發(fā)出高效率的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組[2]。世界上第1臺(tái)純粹以高爐煤氣為工質(zhì)的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，首先在中國(guó)寶鋼集團(tuán)有限公司投運(yùn)，由于該工程取得成功，極大地促進(jìn)這一技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)很多鋼廠先后引進(jìn)、建設(shè)了高爐煤氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，并且取得了較好的業(yè)績(jī)[3]。燃用高爐煤氣的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組因建設(shè)周期短、熱效率高、冷卻水量少以及環(huán)保性能好等優(yōu)點(diǎn)，在鋼廠逐步得到廣泛應(yīng)用，為企業(yè)帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

基于節(jié)能減排的要求，某鋼廠新建1臺(tái)180 MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，該機(jī)組為以低熱值混合煤氣為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)。與常規(guī)氣液雙燃料(天然氣-燃油)燃?xì)廨啓C(jī)相比，該燃?xì)廨啓C(jī)采用氣氣雙燃料(天然氣-合成氣)系統(tǒng)，以低熱值合成氣,即高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣混合氣(synthetic gas，SG)為主要燃料帶高負(fù)荷運(yùn)行，以高熱值燃料天然氣(natural gas，NG)為點(diǎn)火啟動(dòng)帶低負(fù)荷運(yùn)行及備用燃料。由于天然氣和合成氣2種燃料的熱值、體積流量相差較大，在燃料切換過(guò)程中極易出現(xiàn)超溫、燃燒震蕩甚至滅火的現(xiàn)象[4]，從而影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了保證雙燃料燃燒室在天然氣-合成氣可靠、穩(wěn)定雙向切換，基于燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)功能和雙燃料切換流程，提出一種雙燃料燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組一鍵切換全程自動(dòng)控制策略，在一定時(shí)間范圍內(nèi)完成燃料雙向切換，并確保機(jī)組在燃料切換過(guò)程中平穩(wěn)、無(wú)擾動(dòng)運(yùn)行。

1 概述

該機(jī)組燃?xì)廨啓C(jī)由上海電氣集團(tuán)股份有限公司引進(jìn)意大利安薩爾多能源公司生產(chǎn)的AE94.2KS型單軸重型燃機(jī)，包括18級(jí)軸流壓氣機(jī)和4級(jí)軸流透平，采用冷端驅(qū)動(dòng)及筒形燃燒室。

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組采用單軸布置，與燃機(jī)同軸的設(shè)備有壓氣機(jī)、發(fā)電機(jī)和煤壓機(jī)。其中，發(fā)電機(jī)軸一端通過(guò)剛性聯(lián)軸器與燃?xì)廨啓C(jī)相連，另一端通過(guò)彈性聯(lián)軸器與增速齒輪箱相連，煤氣壓縮機(jī)通過(guò)剛性聯(lián)軸器與增速齒輪箱相連，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組軸系布置如圖1所示。外部空氣經(jīng)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)入壓氣機(jī)，空氣經(jīng)過(guò)壓氣機(jī)壓縮后進(jìn)入每個(gè)燃燒室頂部的燃燒器中，2個(gè)筒形燃燒室垂直對(duì)稱布置在燃?xì)廨啓C(jī)兩側(cè)，分別裝有8只燃燒器，燃燒器采用雙燃料噴嘴，天然氣或煤氣分別增壓后，經(jīng)調(diào)壓控制閥組進(jìn)入燃燒室燃燒。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組布置

a.天然氣系統(tǒng)

天然氣作為燃?xì)廨啓C(jī)的點(diǎn)火燃料，天然氣燃料系統(tǒng)控制進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的天然氣質(zhì)量流量，并在特定條件下阻止天然氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)。該系統(tǒng)主要由前置過(guò)濾模塊、緊急關(guān)斷閥、放散閥、控制閥、球閥等組成，如圖2所示。前置過(guò)濾模塊用于防止上游精過(guò)濾器單元和該過(guò)濾器之間管道中的任何粗異物進(jìn)入天然氣緊急關(guān)斷閥；緊急關(guān)斷閥是在燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)以及在天然氣系統(tǒng)啟動(dòng)或關(guān)閉時(shí)，供應(yīng)或者切斷進(jìn)入燃燒器的天然氣；在緊急關(guān)斷閥后，燃?xì)夤?yīng)管線分為2個(gè)分支：一路通向合成氣系統(tǒng)(摻混管線)，另一路通過(guò)擴(kuò)散燃燒器直接進(jìn)入燃燒室；放散閥必須置于第1關(guān)斷閥(緊急關(guān)斷閥)和第2關(guān)斷閥(控制閥)之間，用于將關(guān)斷閥之間管段中的天然氣排放到空氣中；控制閥根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)的要求控制供應(yīng)至擴(kuò)散燃燒器的天然氣流量；通向燃燒室的每條管路上都安裝截止球閥，具有供應(yīng)或者切斷流向燃燒器的天然氣流量的功能。

圖2 天然氣燃料系統(tǒng)

b.合成氣系統(tǒng)

合成氣系統(tǒng)控制進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的合成氣質(zhì)量流量，并在特定條件下切斷供應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)的合成氣。來(lái)自煤壓機(jī)出口的合成氣，一路通往放散火炬用于調(diào)整合成氣熱值；另一路通往燃燒器，經(jīng)過(guò)濾器出口后連接左右燃燒器各2條分支管線，燃燒器分支管線各設(shè)有緊急關(guān)斷閥、放散閥、控制閥。合成氣燃料系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 合成氣燃料系統(tǒng)

2 雙燃料燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)

燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)由順序控制系統(tǒng)、調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等組成[5]，其中，調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)包括主控制系統(tǒng)、進(jìn)口導(dǎo)葉(inlet guide vane，IGV)控制系統(tǒng)和燃料控制系統(tǒng)。主控制系統(tǒng)通過(guò)集成在冗余配置的控制系統(tǒng)中的數(shù)字控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)控制，主要包括啟動(dòng)升速控制器、轉(zhuǎn)速/負(fù)荷控制器、排氣溫度控制器、壓氣機(jī)壓比限制控制器、壓氣機(jī)壓力限制器、排氣溫度限制器，如圖4所示。主控制系統(tǒng)是燃機(jī)的核心控制系統(tǒng)，從燃機(jī)點(diǎn)火到帶負(fù)荷運(yùn)行階段，通過(guò)最小值選擇邏輯實(shí)現(xiàn)天然氣或合成氣流量閥位控制[6]。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)升速控制器控制燃機(jī)轉(zhuǎn)速最終至額定轉(zhuǎn)速或同步轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)速/負(fù)荷控制器在同步至基本負(fù)荷階段進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)控制，用于加減負(fù)荷至選擇的目標(biāo)值；排氣溫度控制器以排氣溫度的修正值作為排氣溫度的調(diào)節(jié)器被調(diào)量，間接調(diào)節(jié)燃料量，實(shí)時(shí)控制透平出口溫度[7]；壓氣機(jī)壓比限制控制器、壓氣機(jī)壓力限制器和排氣溫度限制器作為燃?xì)廨啓C(jī)控制的約束條件，確保燃機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 燃?xì)廨啓C(jī)主控制系統(tǒng)

2.1 雙燃料切換流程

該燃?xì)廨啓C(jī)從點(diǎn)火、升速、定速、并網(wǎng)到燃料切換負(fù)荷區(qū)間(約40%～50%)都是以天然氣為燃料，天然氣經(jīng)增壓機(jī)增壓至預(yù)定壓力后，通過(guò)前置過(guò)濾器，由天然氣控制閥經(jīng)天然氣燃料通路進(jìn)入燃燒室，此階段合成氣燃料通路和其他閥門(mén)均關(guān)閉。為避免在低負(fù)荷下燃燒不穩(wěn)定或滅火，機(jī)組負(fù)荷必須達(dá)到一定初負(fù)荷后，才能進(jìn)行燃料切換[8]，在保證燃料切換過(guò)程中各項(xiàng)參數(shù)相對(duì)平穩(wěn)的情況下，盡量縮短燃料切換時(shí)間，從而降低天然氣用量，提高機(jī)組啟動(dòng)經(jīng)濟(jì)性。

雙燃料切換必須由運(yùn)行人員在確認(rèn)燃料的供應(yīng)參數(shù)(熱值、壓力和溫度等)符合要求后，手動(dòng)選擇一鍵切換才能進(jìn)行。以下均以天然氣切換合成氣過(guò)程為例進(jìn)行分析，整個(gè)切換過(guò)程分為合成氣燃料調(diào)整和燃料動(dòng)態(tài)切換2個(gè)階段，如圖5所示。第1階段，通過(guò)火炬放散調(diào)整合成氣熱值；第2階段，待合成氣的熱值、溫度和應(yīng)力滿足切換要求后，運(yùn)行人員手動(dòng)選擇一鍵切換，動(dòng)態(tài)切換階段開(kāi)始，其動(dòng)態(tài)切換流程如圖6所示。

圖5 氣氣燃料切換

圖6 燃料動(dòng)態(tài)切換流程

2.2 雙燃料切換控制策略

2.2.1 燃料切換前

檢查確認(rèn)煤壓機(jī)出口合成氣的壓力、溫度及熱值是否達(dá)到設(shè)定值，機(jī)組負(fù)荷處于燃料切換的負(fù)荷區(qū)間(約40%～50%)。由于燃料切換初始階段，切換的燃料流量較低、燃料熱值變化不定、控制閥在低閥位時(shí)非線性度較大等因素影響，控制閥難以對(duì)燃料流量進(jìn)行精準(zhǔn)控制，極易導(dǎo)致燃燒室動(dòng)態(tài)壓力波動(dòng)大，出現(xiàn)嗡鳴現(xiàn)象。因此，切換前需以最大開(kāi)啟速率將左右兩側(cè)4個(gè)合成氣控制閥開(kāi)啟到最大非線性閥位(約10%)，在合成氣控制閥快速開(kāi)啟階段，機(jī)組負(fù)荷由天然氣控制閥進(jìn)行負(fù)荷閉環(huán)調(diào)節(jié)，待燃燒室動(dòng)態(tài)壓力和出口溫度穩(wěn)定以后，開(kāi)始進(jìn)行2種燃料切換操作，確保機(jī)組燃燒穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2.2 燃料切換后

當(dāng)天然氣流量控制閥逐漸關(guān)小至最大非線性閥位(約10%)時(shí)，天然氣流量控制閥以最大關(guān)閉速率快速關(guān)閉。此時(shí)，4個(gè)合成氣流量控制閥經(jīng)負(fù)荷控制器閉環(huán)控制，閥位逐漸增大，使燃料量快速提升，確保機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定控制。同時(shí)，合成氣至火炬放散閥應(yīng)按照一定速率快速關(guān)閉，使合成氣全部進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒。

2.2.3 雙燃料切換控制策略分析

a.當(dāng)2種燃料滿足切換條件，2種燃料之間的流量比例將會(huì)以規(guī)定的斜率開(kāi)始變化，天然氣流量比例按設(shè)定速率從100%降至0，合成氣的比例按設(shè)定速率從0增至100%。2種燃料變化率應(yīng)以機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定和切換時(shí)間為性能指標(biāo)，選擇合適的變化速率，防止變化速率過(guò)大，導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)大甚至燃燒不穩(wěn)現(xiàn)象。

b.合成氣至火炬放散閥按一定速率(5%/s)逐漸關(guān)閉，煤壓機(jī)出口通過(guò)再循環(huán)調(diào)節(jié)閥維持壓力約1.8 MPa。

c.切換過(guò)程中，燃燒室性能閉環(huán)控制是影響燃料切換實(shí)際時(shí)間和負(fù)荷穩(wěn)定的決定因素，其閉環(huán)控制主要包括負(fù)荷控制器、排氣溫度控制器和壓氣機(jī)壓力限制。

d.燃燒穩(wěn)定閉環(huán)控制。判斷燃?xì)廨啓C(jī)是否穩(wěn)定燃燒通過(guò)測(cè)量燃燒室內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力變化情況即嗡鳴和燃燒產(chǎn)生的振蕩動(dòng)態(tài)幅值變化即燃燒室振動(dòng)加速度(acceleration，ACC)來(lái)實(shí)現(xiàn)[9]。嗡鳴通過(guò)燃燒器噴嘴邊緣的動(dòng)態(tài)壓力傳感器對(duì)燃燒室內(nèi)的壓力波動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，ACC通過(guò)被安裝在燃燒室內(nèi)缸外壁上的壓電傳感器對(duì)燃燒室的動(dòng)態(tài)振動(dòng)速度進(jìn)行測(cè)量。燃燒穩(wěn)定閉環(huán)控制以嗡鳴和ACC為性能指標(biāo)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的調(diào)整曲線，對(duì)燃燒狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整。通過(guò)嗡鳴和加速度實(shí)時(shí)判斷燃燒不穩(wěn)定情況，在燃燒惡化前自動(dòng)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整，改變IGV開(kāi)度和實(shí)時(shí)修正天然氣流量，確保燃料切換過(guò)程中機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)調(diào)整到最佳狀態(tài)。

3 雙燃料切換試驗(yàn)分析

該機(jī)組某次啟動(dòng)燃料切換過(guò)程曲線如圖7所示，切換數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

表1 雙燃料切換數(shù)據(jù)對(duì)比

圖7 實(shí)際切換過(guò)程曲線

由表1和圖7可知，雙燃料切換過(guò)程中，機(jī)組負(fù)荷在46～48 MW逐漸平穩(wěn)波動(dòng)，耗時(shí)5 min26 s。切換開(kāi)始后，合成氣控制閥快速開(kāi)啟至10%，隨后按設(shè)定速率逐漸開(kāi)啟。天然氣控制閥逐漸關(guān)小以控制負(fù)荷穩(wěn)定。天然氣和合成氣控制閥在切換過(guò)程中未出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，切換平穩(wěn)。

4 結(jié)論

a.多次切換試驗(yàn)表明，本文提出的雙燃料一鍵切換控制策略使2種燃料按預(yù)先設(shè)定的流量變化率動(dòng)態(tài)變化，同時(shí)考慮到外界因素(如合成氣熱值、壓氣機(jī)入口溫度等)的變化，增加燃燒穩(wěn)定閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了雙燃料切換過(guò)程中的快速性和穩(wěn)定性。

b.該控制策略在切換的初始階段、切換過(guò)程中及結(jié)束階段實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)控制，確保機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)控制快速穩(wěn)定，縮短燃料切換時(shí)間，降低天然氣用量，提高了機(jī)組啟動(dòng)經(jīng)濟(jì)性。