9FA燃機溫度匹配控制優化研究

溫焱明

（中山嘉明電力有限公司，廣東 中山 528437）

某電廠配置有2套GE公司額定負荷為390MW的S109FA型燃氣-蒸汽聯合循環單軸熱電聯產機組。2套機組于2009年投產，為了提高燃機對天然氣燃料多樣化的適應能力和減少氮氧化物排放，2套機組分別于2016年底和2017年初進行了將DLN2.0+燃燒器升級為DLN2.6+燃燒器的替換性改造，同時相應的控制系統也進行了升級，從MARK VI升級到MARK VIe。

改造完成后啟機進入溫度匹配階段時機組負荷大幅度下降，甚至下降至下限負荷導致機組跳閘保護動作。為了防止保護動作，運行人員只能緊急操作退出溫度匹配進程，等待儀控人員到場調整參數后重新投入溫度匹配控制程序，而且整個過程還需要得到嚴格的監控，隨時根據負荷情況調整參數，稍有失誤，就可能導致溫度匹配程序自動退出甚至機組跳閘動作。直接降低了控制系統的自動化水平，耗時耗力，并且存在較大安全風險，可能造成較大的經濟損失和不良的社會影響。通過對機組多次啟停數據的分析和對燃機溫度匹配邏輯的研究，創建自適應參數自動調整邏輯，成功解決了二期機組DLN2.6+改造以來存在的溫度匹配不穩定問題。該研究成果具有較好的推廣應用價值，可應用于全國其他同類型機組。

1 燃機溫度匹配原理

根據汽輪機高壓缸上缸內壁溫度的差異，機組的啟動狀態分為冷態、溫態和熱態3種狀態。其定義的溫度范圍分別是：高壓缸汽缸上內壁溫度在204℃以下時為冷態啟動。高壓缸進汽缸上內壁溫度在204～371℃之間時為溫態啟動。高壓缸進汽缸上內壁溫度在371℃以上時為熱態啟動。

9FA燃機機組的正常啟動流程是：燃機發啟動指令-啟動器LCI將發電機作為電動機啟動-冷拖清吹-點火-暖機-升速-啟動器脫扣-機組全速空載-發電機并網-溫度匹配。當蒸汽品質滿足要求后，汽輪機高壓缸進氣，進入進氣壓力控制IPC模式后，退出溫度匹配，汽輪機中、低壓缸進汽，聯合循環機組繼續帶負荷。

燃機發電機并網后執行溫度匹配流程是為了減少汽輪機在進汽過程中產生的熱應力，以保證汽輪機的安全和壽命。溫度匹配通過改變燃機壓氣機的進口可轉導葉IGV開度或者燃料供應量，進而將燃氣輪機的排氣溫度控制至某一計算值，最終保證余熱鍋爐產生的主蒸汽經過主汽門后溫度稍高于汽輪機汽缸壁溫，從而保證汽缸進汽后缸壁得到均勻受熱，為機組進一步提升負荷作準備。當機組冷態啟動時，燃氣輪機排氣溫度相對缸溫較高，需要通過開大IGV增加空氣量來降低排氣溫度；當機組熱態啟動時，燃氣輪機排氣溫度相對缸溫較低，而此時IGV處于最小開度（改造前49°，改造后41.5°），需要增加燃料量來提高排氣溫度。

溫度匹配功能的投入由DCS和MARK VIe頁面的手動投入/切除按鈕共同完成，溫度設定值和溫度變化率則均由DCS產生。當溫度匹配的條件滿足后，在DCS頁面中設定匹配溫度值，然后在MARK Vie頁面按“ST Temp Matching ON”，機組即進入溫度匹配模式。排氣溫度設定值變化率由DCS手動設定，一般取0.265℃/s。排氣溫度設定值為：

TTRXMTM_cmd=T+110℃

式中，T為汽輪機高壓缸上缸內壁溫度，TTRXMTM_cmd為溫度匹配控制的溫度設定值。為了保證高壓主蒸汽溫度能夠高于高壓缸進汽室金屬溫度，選擇高壓缸進汽上缸內壁溫度，加上110℃作為燃機排氣溫度目標溫度設定值，防止高壓主蒸汽進入汽缸后對高壓缸造成冷沖擊，造成設備損傷。同時系統還設置了溫度匹配時燃氣輪機排氣溫度的最大值限制值為566℃和最小限制值為371℃，以防止高壓主蒸汽溫度高、低溫超限。高溫限制是為了防止余熱鍋爐超溫以及汽輪機進汽溫度超高限。低溫則是保證高壓主蒸汽溫度有一定的過熱度，防止蒸汽帶水進入汽輪機，保護汽輪機，同時也是燃機在極端工況下所需保證的低限溫度。

投入溫度匹配所需滿足的條件如下：

（1）轉速基準TNR處于100.3%～102%之間；

（2）機組并網；

（3）排氣溫度定值小于溫控曲線定值；

（4）TNR處于IGV控制排氣溫度時所允許的范圍。

一般在機組熱態啟動時（特別是缸溫超過420℃），也可不投溫度匹配，通過加負荷來提高主蒸汽溫度，當主蒸汽壓力高于39kg/cm2，主蒸汽溫度高于高壓缸內缸上壁溫度，且蒸汽品質合格后，可以使汽機高壓缸進氣。本項目的研究主要是針對冷態或溫態啟動時，燃機排氣溫度大于缸溫，需要投入溫度匹配，通過保持恒定的燃料量（TNR調整至TNKTML），開大IGV增加空氣量來降低排氣溫度的情況。TNR為轉速基準變量，該變量來自負荷增減指令邏輯，最終影響燃氣燃料量的輸出，按照轉速不等率的設定，其與燃料基準FSR的關系如下式：

投入溫度匹配后，程序自動將TNR調整至TNKTML以保持燃料量不變。

2 溫度匹配異常問題

燃機冷態啟動進入溫度匹配階段時出現了機組負荷大幅度下降，甚至下降至下限負荷導致機組跳閘保護動作的情況。如圖1所示為某次冷態啟機進入溫度匹配時出現的逆功率保護動作事件。

圖1 溫度匹配引起跳閘甩負荷保護動作事件

G2.DWATT為機組負荷（發電功率），G2.CSGV為IGV開度，G2.L52ONLINE為機組并網標志（1為并網），G2.L83TMSEL為溫度匹配投入標志（1為投入）。從圖1可見，在機組并網時，投入溫度匹配后，IGV接收溫度匹配控制程序降低排氣溫度的請求開始從最小開度41.5°逐漸開大，而機組負荷也開始由20MW下降至導致機組跳閘甩負荷動作值-4.8MW，此時IGV開度53.8°，機組解列，溫度匹配強制退出。

為了防止甩負荷事件的發生，嘗試將影響負荷的溫度匹配TNR基準值常數TNKTML提高，即提高燃料量以防止功率下降至下限負荷，但更改該值過大會出現投入溫度匹配前因燃料量輸入偏大導致燃氣排氣溫度超過566℃，出現自動減負荷保護動作的情況，致使無法順利投入溫度匹配。而將該值改大至不會導致排氣溫度超溫的數值時，又可能會出現溫度匹配的整改過程IGV無法重新關至最小角度41.5°。即使在某種工況下，更改該參數至合適值不會出現以上的情況。但當工況變化時，如天氣溫度變化，壓氣機效率變化等，該參數又不適合，會出現同樣的問題。

鑒于以上的情況，當機組冷態或穩態啟動時，就需要由儀控工程師到場監視邏輯運行，根據負荷情況隨時調整該參數，整個過程大約需要2h。調整TNKTML參數不是通過監控畫面來實現，而是采用邏輯組態軟件的信號強制功能，作為一種調試和應急的功能，稍有不慎，就有可能出現失誤，出現數值過大或過小，或者變化率過快，超過限制值導致自動退出溫度匹配進程，嚴重則可能導致負荷波動甚至跳閘保護動作。這種方式降低了機組運行的自動化水平，耗時耗力，而且存在較大的安全風險。

3 溫度匹配異常原因分析

在溫度匹配投入初期，汽輪機尚未進汽做功，分析簡化為如圖2所示為燃氣輪機簡單循環原理圖，理論上可看成發電機負荷dwatt為：

分析溫度匹配時出現的負荷下降，從能量守恒的角度看，要么是能量輸入lt減小，透平做功下降，要么就是能量消耗ly增大。

圖2 單軸燃氣輪機的簡單循環原理圖

首先從能量輸入方面來看，按照溫度匹配程序的設定，投入溫度匹配后，如圖3所示系統通過ERRORADJ算法將TNR調整至TNKTML（控制死區0.02）并保持不變，由式（2），若TNHSYS不變，則燃料基準FSR也保持不變。TNHSYS為機組大軸轉速的修正值，在溫度匹配階段該值也保持不變。由圖4事件的曲線也可以看到FSR在投入溫度匹配后保持不變。

圖3 TNR調整至TNKTML算法

圖4 溫度匹配時FSR保持不變的曲線

由此可見，燃料量輸入的熱量q1沒有發生變化。但開大IGV使空氣量增加，進而透平的膨脹做功lt會有增大。簡化為定比熱過程分析，lt的計算公式為：

式中：q1+q2為空氣質量流量加上天然氣質量流量，即為透平排氣總流量，kg/s；q0為燃機冷卻空氣量，kg/s；Cp為比熱容，kJ/kg·℃；T3為透平入口溫度，℃；T4為透平出口溫度，℃；ηt、ηm分別為等熵膨脹效率及機械效率。

q0取為壓氣機空氣流量q1的19.29%，Cp取為1.15，ηt、ηm分別為0.88和0.97。

將運行數據代入公式（4）可得到如圖5中透平膨脹做功lt的變化曲線。隨著IGV開度的增大，理論計算的透平膨脹做功從對應發電功率為12.9MW時的121MW上升至保護動作（發電機功率-4.8MW）時的126MW，出力增加了5MW。

從能量消耗方面來看，壓氣機消耗軸功率ly根據壓氣機等熵壓縮原理可由以下公式來表示：

式中：q為空氣質量流量，kg/s；γ為空氣的絕熱指數，一般可取為1.4；Rg為氣體常數，取287J/kg·k；T1為壓氣機入口空氣的熱力學溫度，K；T2為壓氣機出口空氣的熱力學溫度，K；π為壓氣機壓比。

將運行數據代入公式（5）可得到如圖5中壓氣機耗功ly的變化曲線，即隨著IGV開度的增大，壓氣機耗功也大幅增加。理論計算的壓氣機耗功從對應發電功率為12.9MW時的106MW上升至保護動作（發電機功率-4.8MW）時的133MW，耗功增加了27MW。可見，在IGV開大的過程中，壓氣機耗功增加量大于透平做功出力的增加量。耗功大于透平剩余用于發電的所有負荷，需要吸收電網負荷，故出現了逆功率（功率為負值）的情況。

圖5 壓氣機耗功變化曲線

研究IGV開度變化與壓氣機耗功變化的關系可采用以坐標起點為零點形成圖6曲線和擬合公式，在某種確定性的工況下條件下，壓氣機功耗的變化與IGV開度的變化是接近線性的關系。

圖6 壓氣機耗功變化與IGV開度變化關系曲線和公式

圖7為以相同時間點為起點計算的壓氣機耗功變化、透平膨脹做功出力變化和發電機功率變化曲線，其中壓氣機耗功和透平膨脹做功出力隨時間為正向增加，發電機功率隨時間為負向減小。變化量絕對值處理后進行曲線對比，壓氣機耗功變化量基本等于透平出力和發電機功率變化量之和，且透平出力的變化趨勢相對平緩。通過這個曲線可以總結出，發電機功率下降出現逆功率的主要原因是IGV開大導致壓氣機功耗增大。

圖7 IGV開大過程壓氣機功耗、透平出力和發電機功率變化曲線

4 溫度匹配控制優化對策研究

從以上的原因分析可以看出，要優化溫度匹配控制程序，避免出現逆功率保護情況，可以從減少壓氣機耗功或增加透平出力來實現。

從壓氣機耗功公式（5）可以看出，在其他條件不變的情況下，通過提高壓氣機效率可以降低壓氣機功耗，但壓氣機效率的提高在正常運行時只能通過壓氣機水洗來實現，而且壓氣機進氣溫度的變化等因素也會影響效率，所能提高的效率有限，達不到大幅度降低壓氣機功耗的目的。從壓氣機耗功變化與IGV開度變化關系曲線和公式來看，降低壓氣機功耗也可以通過限制IGV開度來實現，即IGV開度變化量引起的功耗變化量不應超過當時的發電機功率加上逆功率下限值4.8MW。在本文案例中即IGV開度不能大于50°。但限制IGV開度會導致燃機排氣溫度不能下降至滿足溫控定值的要求，無法實現對目標蒸汽溫度的控制。因此降低壓氣機功耗的方式不可行。

增加透平出力在透平效率一定的情況下就是要增加熱量q1的輸入，即增加燃料量，在控制系統里就是提高FSR數值，也就是TNR的數值。實現的方案有以下3種。

（1）根據壓氣機功耗計算公式（5）和冷態、熱態啟動在不同大氣溫度下的實際數據建立1個以大氣溫度和初始缸溫為輸入量的復合函數，該函數輸出值為TNKTML，該值應能保證TNR輸入能量大于IGV開大時壓氣機的耗功。此方案的困難在于要搜集多個溫度下兩種態啟動的數據。而且即使建立了該函數、壓氣機和透平效率，燃料熱值等的變化也會導致函數值失效，因為這些因素會導致壓氣機功耗和透平出力發生變化。

（2）更改TNR溫控調節邏輯，就是修改在機組熱態啟動時才起作用的邏輯功能介入參與冷態啟動過程的IGV溫控調節，見圖8。該邏輯原設計為熱態啟動時，因燃氣輪機排氣溫度相對缸溫較低，而此時IGV處于最小開度，故需要增加燃料量供應來提高排氣溫度，即需要增大TNR。更改L3TMTNR邏輯可以使功能投入，更改L33TMR1和L33TML1邏輯加入功率限制可以啟動調節TNR的功能。但此段邏輯屬于控制系統關鍵邏輯，屬GE廠家保護邏輯，只有GE在美國本土的公司才能修改。若通過廠家修改，需要提交申請，還需要交納金額較大的技術服務費用。

圖8 TNR溫控調節邏輯

（3）根據公式（2），在溫度匹配控制程序里通過增大控制TNR的TNKTML常數可以提高FSR。既然目標是控制發電機功率不低于保護下限值，考慮一些裕度，可以設計1套以確定功率值范圍為目標的邏輯，該邏輯可以根據功率的變化情況動態自適應調整TNKTML，從而實現對輸入燃料量的調節，增加能量輸入，避免出現逆功率保護。即設定1個功率下限，實際功率低于下限時以一定的速率增加TNKTML；為保證最后IGV能回到最小角度，設定一個功率上限，實際功率超過上限時以一定的速率減小TNKTML。此種方案不需要考慮影響壓氣機功耗和透平出力變化的因素，只要以負荷為限制邊界，避免發生逆功率保護，就可以解決問題，是一種有效且容易實現的方案。

5 溫度匹配參數動態自適應調整邏輯的設計

由于如圖3所示的TNKTML邏輯算法在受保護邏輯頁，因此無法在該邏輯頁增加邏輯。鑒于在控制系統里有1個用戶可編輯修改區域CUSTOM程序區，可以在該區域創建新邏輯TASK頁tempmatch，創建邏輯實現對原常數TNKTML的動態自適應調整，將其改為一個動態變量，邏輯算法如圖9所示。

圖9 TNKTML動態自適應調整邏輯

邏輯中算法塊COMPARE_1實現對發電機功率DWATT的運行下限判斷，設定下限值為15MW；算法塊COMPARE_2實現對發電機功率DWATT的運行上限判斷，設定上限為30MW；算法塊RUNG_1和RUNG_2里的L83TMSEL為溫度匹配投入標志，兩個算法限定在溫度匹配階段TNKTML變量參數才執行自適應調整功能；算法SELECT_1是參數選擇模塊，當SEL1輸入值為1時，選擇IN1的輸入值（0.0002）至OUT輸出，當SEL2輸入值為1時，選擇IN2（-0.0002）的輸入值至OUT輸出；算法塊ADD_1將IN1和IN2的數值相加后通過OUT輸出；算法MANSETP_1為手動設定模塊，在這里主要實現輸出值的上下限制和預置輸出數值功能，即將OUTPUT值TNKTML限制在100.3至100.6之間，同時在未投入溫度匹配時（L83TMSEL信號取反）將TNKTML預置到100.3，保證投入前不需要太高的負荷，防止排氣溫度超溫。

為了防止邏輯執行調節TNKTML參數時變化速度過快導致負荷變化過大，需要進行變化速率控制，但系統中自帶的具有速率限制功能的開關輸入調節模擬量算法受權限保護限制無法使用。邏輯中設計的ADD_1和MANSETP_1算法構成的循環加法實現了速率控制功能。

圖10 循環加法實現速率控制

如圖10為簡化示意圖，即TNKTML=TNKTML+Srate，邏輯每執行1個周期，該加法執行1次，TNKTML增加或較小Srate（正值增加，負值減小）。Tempmatch邏輯頁所在的執行周期為40ms，因此1s執行25周期，即每秒TNKTML變化25×Srate。因系統中正常負荷調節時TNR的變化速率為每秒0.00555，采用該速率作為TNKTML的變化速率，則Srate=0.00555÷25≈±0.0002。

設定負荷下限為15WM是考慮燃燒系統穩定燃燒安全裕度的經驗值。負荷上限30MW是考慮汽機已經開始進氣，負荷已經可以維持較高位置，因此可以開始降低TNR以提高聯合循環整體效率且保證最后IGV能關至最小運行角度。因為降低TNR后，在控制同樣的排氣溫度下可以相應關小IGV，壓氣機耗功會減小。TNKTML最小值定為100.3是考慮多種工況下投入溫度匹配前排氣溫度不會超溫的數值。TNKTML最大值100.6是依據系統轉速不等率為4%計算，0.3對應的負荷大約為29.25MW，已能滿足各工況下壓氣機耗功的吸收，不會出現逆功率情況。

TNKTML動態自適應調整邏輯實現的效果可描述為：溫度匹配投入前，TNKTML參數被預置至100.3。投入溫度匹配后，若負荷低于15MW，則開始按每秒0.005的速率增加TNKTML，最大不超過100.6，當負荷超過15MW則停止增加；若負荷大于30MW，則開始按每秒0.005的速率減小TNKTML，最小減至100.3。TNKTML作為參數進入溫度匹配主邏輯進行TNR的調節。

6 溫度匹配控制系統優化效果

利用某次4#機組停機較長時間，需要冷態啟動的機會，首先在4#機組MARK VIe上設計了邏輯并完成仿真測試。隨后，在4#機組的實際冷態啟動中驗證了邏輯，執行情況如圖11溫度匹配自適應動態調整曲線。投入溫度匹配后，隨著IGV的開大，負荷開始從26MW下降至15MW以下，TNKTML自適應動態調整邏輯開始起作用，TNR按照預定速率開始增加，負荷下降速度開始減小。至TNR升到100.45時，負荷開始由下降的最小負荷點6.5MW重新開始上升。TNR到達最大限100.6時，負荷升至14MW，并隨著汽機進氣，負荷開始往上增加。在汽機繼續加載，發電負荷大于30MW后，TNR緩慢下降至100.3。隨著高壓缸金屬溫度逐步上升，排氣溫度目標值也會隨之上升，IGV最后也順利關至最小運行角度41.5。

實際運行情況證明溫度匹配控制系統優化方案達到了預期的效果。成功解決了二期機組DNL2.6改造以來存在的匹配異常問題，減少機組啟動溫度匹配時間，消除安全隱患，提高了機組運行的自動化水平和可靠性。

7 結語

圖11 溫度匹配自適應動態調整曲線

由于燃機系統相對比較復雜，所以溫度匹配異常的主要原因分析、解決方案的確定，受權限保護邏輯的修改等方面都存在困難。但通過理論結合數據的分析，自創動態自適應調整邏輯等創新方式還是能成功地解決問題。而國內其他相同機型機組也存在這一問題，研究成果可推廣到這些機組，以達到消除安全隱患，提高了機組運行自動化水平和可靠性的目的。