西門子重型燃氣輪機排氣溫度控制策略解析

許 淼，張立穎，吳尚澤，周長德

(1.遼寧東科電力有限公司，遼寧 沈陽 110179;2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

孟加拉國古拉紹電廠7號機組燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)365 MW工程采用多軸聯(lián)合循環(huán)機組，其中包括1臺燃氣輪機，1臺余熱鍋爐，1臺蒸汽輪機。燃機既可單循環(huán)運行，也可聯(lián)合循環(huán)運行。燃機主燃料是天然氣，備用燃料是輕柴油，采用西門子SGT5-4000F型重型燃氣輪機，余熱鍋爐由韓國斗山(DOOSAN)鍋爐廠生產(chǎn)，蒸汽輪機為東方汽輪機廠有限責任公司生產(chǎn)的LN126.9-11.11/565/565型(合缸)三壓、一次中間再熱、雙缸雙排汽、雙抽凝汽式聯(lián)合循環(huán)用汽輪機。燃氣輪機操作所需的控制、監(jiān)控、保護、診斷和報警功能由過程控制系統(tǒng)SPPA-T3000提供。

1 燃氣輪機排氣溫度控制

受制造工藝及高溫限制，燃燒室內(nèi)的溫度不能直接被測量，所以要通過修正后的排氣溫度(OTC)來間接控制燃燒室內(nèi)溫度。燃氣輪機排氣溫度控制是燃氣輪機自動控制系統(tǒng)的核心部分，由OTC控制器和進口可轉(zhuǎn)導葉(IGV)控制器兩部分組成，OTC控制器調(diào)節(jié)燃料量，IGV控制器調(diào)節(jié)空氣進氣流量[1]。

OTC控制器和IGV控制器的控制目標都是修正后排氣溫度，IGV控制器是在IGV未全關(guān)且未全開時起作用，通過調(diào)節(jié)空氣進氣量來控制排氣溫度。而OTC控制器是在IGV全關(guān)或全開時起作用，用于限制額定負荷下排氣溫度不超溫[2]。

2 控制策略解析

2.1 OTC補償

由于壓氣機入口溫度、燃機轉(zhuǎn)速和大氣環(huán)境露點溫度等因素會影響燃機透平的膨脹比，所以在控制透平出口排氣溫度時，必須考慮這些因素，需要對透平排氣出口的24個雙支熱電偶測得的平均溫度值進行修正補償，平均溫度值加上溫度補償值(TC)就是修正補償后的排氣溫度，即OTC控制器和IGV控制器的過程值(PV)。溫度補償值計算公式見式(1)—(10)。

(1)

(2)

S1=T×(-0.288)+T2×(-0.005 88)

(3)

S2=T2×Z0×(-0.058 5)+Z0×(-103)

(4)

(5)

S4=T3×(-0.000 087)

(6)

S5=T×Z0×(-4.16)

(7)

S6=(T+10)3×0.000 11

(8)

S7=S0×(T+10)2×Z0×0.037 9

(9)

TC=S1+S2+S3+S4+S5+S6+S7

(10)

式中：Z0，S0，S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7為中間變量；Z為燃機轉(zhuǎn)速；T為壓氣機入口溫度；T0為大氣環(huán)境露點溫度；TC為溫度補償值。

2.2 排氣溫度控制策略

2.2.1 排氣溫度設定值

排氣溫度設定值控制邏輯簡圖如圖1所示。

由圖1可知，排氣溫度設定值分為排氣溫度OTC設定值和排氣溫度IGV設定值兩部分，當IGV全開或全關(guān)時，2個回路的設定值相同；當IGV在中間開度時，排氣溫度OTC設定值會加上一個10 ℃的偏置值，避免2個回路在調(diào)節(jié)排氣溫度時相互干擾。設定值回路都經(jīng)過了最大值和最小值的限制，最大值為642 ℃加上溫度補償值，而最小值的限制回路與協(xié)調(diào)投入相關(guān)，若協(xié)調(diào)設定的最高溫度比較低時，此回路會在燃機未到滿負荷的情況下提前被激活，從而影響燃機效率和負荷，所以協(xié)調(diào)設定的最高溫度通常應該設定高一些，盡量不能讓此回路提前被激活[3]。

排氣溫度的設定值受相對負荷、壓氣機入口溫度修正和HCO(液壓間隙優(yōu)化)修正3個主要因素影響。

圖1 排氣溫度設定值控制邏輯簡圖

壓氣機入口溫度修正的作用是避免環(huán)境溫度低時燃機的NOx排放量增加，所以在環(huán)境溫度低時提高排氣溫度的設定值。HCO修正是在HCO投入時燃機的排氣溫度會增加，所以在HCO投入時降低排氣溫度的設定值。

2.2.2 IGV控制器

IGV控制器邏輯簡圖如圖2所示。

圖2中，切換條件1為頻率大于47 Hz且防喘放氣閥全關(guān)。

圖2 IGV控制器邏輯簡圖

切換條件2為燃機跳閘30 s脈沖或切換條件1的10 s脈沖。

由圖2可知，IGV控制器分為兩部分，一是頻率小于47 Hz時，由轉(zhuǎn)速的函數(shù)曲線開環(huán)控制；二是頻率大于47 Hz時，由IGV溫度控制器控制，當燃機未在OTC控制模式時，IGV溫度控制器由YMIN(燃料量控制指令)修正值作為前饋和排氣溫度的PID輸出值組成。YMIN的修正值是經(jīng)過壓氣機入口壓力、壓氣機入口溫度和燃機轉(zhuǎn)速修正后的值。當燃機切換到OTC控制模式時，IGV控制器的前饋值保持當前值。YMIN修正值計算公式見式(11)。

(11)

式中：P為壓氣機入口壓力；T為壓氣機入口溫度；ZS為燃機轉(zhuǎn)速；MAX(a,b)為a、b中取大值。

圖3 OTC控制器邏輯簡圖

2.2.3 OTC控制器

當排氣溫度達到溫控值時，燃機的控制模式會切換至OTC模式，這時燃機控制對象為排氣溫度，避免燃機超溫。OTC控制為修正后排氣溫度的閉環(huán)控制，邏輯簡圖如圖3所示。

圖3中，切換條件1是燃機并網(wǎng)協(xié)調(diào)投入且IGV閥在最小開度，在燃機—汽輪機聯(lián)合循環(huán)冷態(tài)啟動，余熱鍋爐和汽輪機升溫升壓時，為保證鍋爐壓力、溫度在制造廠允許范圍內(nèi)，控制溫升曲線、排氣溫度的設定值，協(xié)調(diào)給出溫度設定值。由于該設定值較低，小選功能塊作用下此回路被激活，從而限制了燃氣輪機的排氣溫度[4-5]。

3 結(jié)束語

通過對西門子SGT5-4000F型燃氣輪機排氣溫度控制策略解析，對此類型機組的進一步優(yōu)化提供依據(jù)，為相關(guān)人員對控制邏輯的理解和判斷事故原因提供參考。