基于燃燒模式切換的聯合循環機組協調控制策略研究與應用

張 劍

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司 華東分公司, 合肥 230000)

燃氣-蒸汽聯合循環模式下燃氣輪機(簡稱燃機)承擔主要的能量輸出，汽輪機起跟隨作用，因此負荷變化首先作用在燃機上，隨著燃機出力提高，余熱鍋爐蒸發量增大，從而汽輪機負荷跟隨增加[1]。協調控制一般采取將總負荷指令減去蒸汽輪機的實際負荷然后分配至燃機，實現總負荷指令的平衡。在燃機負荷變化過程中可能會出現其特有燃燒模式的切換，而燃燒模式與燃機排放和穩定燃燒密切相關。

筆者以GE 9E型燃機為例，引入燃燒基準溫度至聯合循環機組協調控制中，解決聯合循環過程燃機在負荷變動過程中易出現的燃燒模式切換、負荷調節范圍小的問題，實現燃機負荷和汽輪機負荷的智能分配。

1 常規聯合循環協調控制策略

對于燃氣-蒸汽聯合循環機組，機組負荷控制系統的控制目標為：通過改變燃機側和汽輪機側的負荷，控制聯合循環機組總負荷為期望目標值[2]。以GE 9E型燃氣-蒸汽聯合循環機組為例，為充分保證燃機側負荷快速響應和減少汽輪機閥門節流損失，燃機側接受機組協調控制中負荷分配算法計算的燃機負荷指令，汽輪機側保持調門全開滑壓運行。其負荷分配算法為：

(1)

式中：FRTU為通信單元；ADS為中調負荷指令；NLD為機組負荷目標；NLDMD為機組實際負荷指令；GNLD為燃機負荷指令；TNE為汽輪機實際負荷；GNE為燃機實際負荷；RFSR為燃機燃料指令；LC為燃機負荷控制器；FX為限幅/限速單元。

由式(1)可知，常規燃氣-蒸汽聯合循環協調控制策略主要控制思想是：燃氣-蒸汽聯合循環發電機組在投入自動發電控制(AGC)的情況下，通過對電網側負荷指令進行適當的量值限制和變化速率限制處理后，得出NLDMD。汽輪機側為調門全開的開環跟隨控制，汽輪機側將當前熱負荷最大限度轉換為電功率。因此，為了保證聯合循環機組總目標負荷，GNLD由目標負荷和汽輪機實際負荷差值得出。常規燃氣-蒸汽聯合循環機組協調控制的控制框圖見圖1。

圖1 常規燃氣-蒸汽聯合循環協調控制框圖

該燃氣-蒸汽聯合循環協調控制策略滿足聯合循環機組整體的能量平衡，控制策略簡單實用；但作為燃機和汽輪機的上層負荷分配單元，這種控制策略并未考慮到燃機自身在其特有的燃燒模式切換過程下，如何根據其燃燒模式進行優化設計上層負荷分配單元，保證聯合循環機組運行的安全性和經濟性。

2 DLN1.0燃燒模式切換對協調控制的影響

燃機作為聯合循環機組的能量輸入，其燃燒的穩定性和經濟環保性是機組至關重要的。為了保證燃機在各個工況下的安全經濟運行，燃機在燃燒過程設計了多種燃燒模式及切換過程，部分燃燒模式的切換點也會出現在協調控制的負荷范圍內。因此，協調控制策略需要針對燃燒模式切換進行相應控制策略設計。

以GE 9E型燃機200 MW等級的聯合循環機組為例，其燃機DLN1.0的燃燒模式中正常啟動模式5種，正常停機模式4種，另外有2種特殊燃燒模式代表燃燒異常[3]。燃燒模式的切換點由燃燒基準溫度(TTRF)決定，其具體燃燒模式和切換過程見表1。

表1 DLN1.0燃燒模式種類及切換表

由表1可知：在聯合循環機組帶負荷過程中主要運行在預混燃燒模式，隨著不同的負荷變化，燃機的燃燒基準溫度隨之發生變化，運行過程中可能會出現燃機的燃燒模式發生切換。而燃機燃燒模式的切換是遵循在啟動或停機過程固定設計的程序，若聯合循環機組在燃機不同燃燒模式下機組負荷指令發生升降變化，則有可能導致燃機進入異常燃燒模式，威脅機組運行安全(見圖2)。

圖2 負荷變化過程中的燃燒模式切換

由圖2可知：當機組在升降負荷過程中，如果燃機由預混穩定的燃燒模式進行降負荷，一旦降負荷范圍過大，使得燃機進入貧貧(負)模式，則燃機需要繼續進行降負荷至貧貧(正)模式，才能進入升負荷的燃燒模式切換程序，否則燃機有可能進入擴展貧貧的異常燃燒模式。燃機在擴展貧貧燃燒模式下運行，將嚴重降低火焰筒和過渡段高溫部件的使用壽命，大大影響機組安全運行。

因此，聯合循環機組在其負荷變化過程中必須考慮燃燒模式切換下協調控制中負荷分配的控制策略設計，在確保機組安全運行的前提下，完成總體負荷分配。

3 基于燃燒模式切換的新型協調控制策略

GE 9E型聯合循環機組在正常運行過程中，燃機一般均處于燃燒較穩定且排放較低的預混穩定燃燒模式。通過前述分析，協調控制的負荷分配在聯合循環機組運行過程中需要解決2個問題：

(1)如何在負荷升降變化過程中，避免負荷下降至燃燒模式切換至貧貧(負)模式。常規方法是通過設置負荷下限來解決該問題，但由于燃燒模式切換的主線并不是負荷，而且由于對象特性的變化，會導致不同工況下相同的負荷對應燃燒模式也存在差別，因此負荷下限并不能安全保障燃機燃燒模式切換。

(2)如何在燃機預混穩定燃燒模式范圍內，通過調整汽輪機負荷大大拓寬聯合循環機組的負荷調節范圍。因為燃機預混穩定燃燒模式范圍有限，為了防止燃燒模式切換，常規協調控制策略的負荷下限經常設置過高，導致大部分聯合循環機組整體負荷調整范圍過小，受到電網AGC考核嚴重。

為了解決上述2個問題，設計一種基于燃燒模式切換的智能負荷分配的協調控制策略，其數學表達式為：

(2)

式中：TNLD為汽輪機負荷指令；GNE為燃機實際功率；LD為閉鎖減單元;TOUT為汽輪機控制輸出；PPID為調節器。

比較式(1)和式(2)，優化設計的智能負荷分配的協調控制思想為：(1)引入燃機的燃燒基準溫度TTRF至協調控制中，當TTRF接近燃燒模式切換點且機組繼續降負荷，則執行燃機負荷指令下降速率自動減小和閉鎖燃機負荷指令減小的程序，確保燃機燃燒模式不進行切換；(2)在燃機處于燃燒模式切換點時，若機組繼續進行降負荷，負荷分配控制策略自動投入汽輪機調整負荷控制。為滿足整體能量平衡，汽輪機負荷指令設計為機組負荷指令減去燃機實際負荷，確保最大范圍挖掘機組負荷調整范圍。具體控制框圖見圖3。

T—選擇器；K—乘法系數；F—控制前饋。圖3 基于燃燒模式切換的聯合循環機組協調控制框圖

4 基于燃燒模式切換的協調控制策略應用

某GE 9E型燃氣-蒸汽聯合循環機組初始協調控制策略設計為常規的燃機調整負荷，汽輪機調門全開跟隨控制。在實際運行過程中經常出現燃燒模式切換，降負荷工況下燃機從預混燃燒模式切換至貧貧(負)模式。隨著AGC指令又要求升負荷，使得燃機進入擴展貧貧的異常燃燒模式，威脅機組安全運行。此種異常工況下運行人員只能通過提高負荷下限，減小機組負荷調節范圍，導致機組受到電網細則考核，影響機組運行經濟性。

經采用基于燃燒模式切換的智能負荷分配協調控制后，當運行工況接近燃燒模式切換點時，自動觸發降低燃機降負荷速率和閉鎖負荷指令減小的程序，避免燃機進入燃燒模式切換(見圖4)。另外，當運行工況接近燃燒模式切換點不再有向下調節裕度時，智能負荷分配的協調控制策略自動轉為汽輪機調整負荷，保證聯合循環機組整體調節負荷范圍，減小機組受到電網細則考核，提高機組運行經濟性(見圖5)。

圖4 燃燒模式自動判斷，避免燃燒模式切換

圖5 因燃燒模式無調節裕度，自動轉為汽輪機調整負荷

5 結語

通過對GE 9E型燃機燃燒模式切換機理分析，引入燃燒基準溫度至聯合循環機組協調控制中，實現燃機負荷和汽輪機負荷的智能分配。在保證燃機燃燒安全的前提下，通過汽輪機調整負荷拓寬聯合循環機組負荷調整范圍，大大提高聯合循環機組運行安全性和經濟性。