基于模型控制的9FB燃氣輪機燃燒調整技術探討

陳穎

摘要：燃燒調整是燃氣輪機關鍵技術之一，對抑制燃燒脈動、保證穩定運行、降低排放有著重要的意義。本文主要介紹9FB燃氣輪機燃燒脈動監測系統，基于模型控制的基本原理及其在燃燒調整中的應用，燃料閥分量計算方法，以及在實際工程中案例分析及解決過程。

Abstract： Combustion adjustment is one of the key technologies of gas turbine， which is of great significance to suppress combustion dynamic， ensure stable operation and reduce emissions. This paper introduces 9FB gas turbine combustion dynamic monitoring system， the basic principle of based-model control and application in combustion adjustment， the calculation method of fuel valve split and the case analysis and solution process in practical engineering application.

關鍵詞：9FB燃氣輪機;模型控制;燃燒調整;CDM系統;燃料閥分量

Key words： 9FB gas turbine;model-based control;combustion tuning;CDM system;fuel valve split

中圖分類號：TK471? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0193-02

0? 引言

近年來為適應能源結構調整、滿足環保指標，我國燃氣輪機裝機容量大幅增長。但是由于技術、材料等條件限制，我國大部分燃機設備均從國外進口。燃燒調整是燃氣輪機調整機制非常重要的一環，大多數燃燒調整技術目前仍實行技術封鎖。本文針對某電廠實際工程，對GE公司9FB燃氣輪機燃燒調整技術進行探討。

1? 燃燒脈動監測系統（CDM）

隨著環保需求日益提升，干式低氮燃燒（Dry Low Noxious，簡稱DLN）被廣泛應用。由于DLN2.0+系統中火焰筒常在靠近噴嘴處損壞，GE公司用DLN2.6+替換DLN2.0+[1]。DLN可以有效降低NOX排放，但會造成燃燒壓力波動，因此，CDM系統應運而生。

燃燒脈動監測系統（Combustion Dynamic Monitoring System，簡稱CDM系統），是GE公司為9FB燃氣輪機配備的監測系統，幫助用戶更直觀地觀察燃燒脈動、及時發現燃燒系統問題并采取應對措施。CDM系統架構如圖1，由脈動探頭測量實時數據，通過JB1000接線盒（內有電荷放大器，即PCB模塊），送到Mark VIe機柜卡件PAMC模塊計算分析數據。

燃燒脈動是指不穩定燃燒及燃燒室本身特性造成的燃燒系統內的壓力波動。Mark VIe邏輯中將燃燒脈動分為六個頻段[2]，見表1。低頻、中頻、高頻、極高頻達表中報警值時，均會觸發機組甩負荷，直到脈動正常為止。

2? 模型控制

基于模型控制（Model-basded Control，簡稱MBC）使用物理邊界模型，利用實時建模技術，計算并維持機組運行時必要的邊界裕度。模型控制替代傳統控制，不管燃料特性、運行工況、負荷等條件如何變化，均使燃氣輪機盡可能靠近邊界運行，以提高機組性能和操作靈活性。典型燃氣輪機運行邊界有NOX排放、CO排放、燃燒脈動、閥門壓比、壓氣機結冰、壓氣機喘振、壓氣機排氣溫度等。GE公司9FB級燃氣輪機的燃燒模型控制包括ARES、脈動模型、排放模型、乏氣熄火模型（LBO）等。

①ARES（Adaptive real-time Engine Simulation）：自適應實時引擎仿真模型。它是一種高保真模型，采用虛擬傳感器[3]，實時連續調節，性能穩定。ARES可以解決傳感器系統滯后、高精度參數無法獲取、過分依賴排放或CDM系統等問題。

②排放模型：重建燃燒室發生的實際反應的物理特性，包含NOX和CO排放模型。排放算法不開放，實現了單位轉換，該模型可以達到與工業排放傳感器相同的精度。

③脈動模型：根據測量參數和ARES計算燃燒脈動，利用CDM系統輸入連續調整脈動模型，但并不依賴于CDM系統，因此當CDM系統部分傳感器故障時，可以剔除故障傳感器正常計算。

④乏氣熄火模型（Lean Blow Out，簡稱LBO）：利用測量參數繪制LBO邊界，保證燃料閥分量在邊界內運行，有兩個獨立的控制回路以防燃燒LBO。

3? 燃燒調整

燃燒調整目的是控制燃燒脈動保證運行穩定、防止燃燒部件局部高溫、減少天然氣組分變化對機組運行的影響等。GE公司自動燃燒調整系統（OpFlex Auto Tuning系統）能夠實時地進行燃料分配調整，使用該系統有提高燃料靈活性、減少季節性重新燃調頻率、降低燃燒脈動、實時調整排放目標、瞬時調節快速響應等[3][4]優勢。

3.1 燃燒調整四要素

燃燒調整四要素是脈動、NOX排放、CO排放、穩定性，目的是調整燃燒系統參數，滿足四要素要求。四要素關系如圖2所示，該菱形面積固定不變，意味著當某個因素變化時，另外三個因素隨之變化。燃燒調整就是通過調節燃料的分配比例及流量，來找到最優四要素。

3.2 燃料閥分量

在6.3燃燒模式下，PM1、PM2、PM3（燃料閥）分量總和為100%。燃燒調整過程中，主要是燃料閥分配比例調節，其中PM1（GVC2）和PM3（GCV3）分量調節是關鍵。PM1和PM3控制回路不盡相同，但其算法思路基本一致，本文主要針對PM1分量算法進行簡單探討。

燃燒調整時，PM1除最大最小值限值回路外，還有五種控制回路：PM1_NOX（NOX目標值控制）、PM1_NOX2（最大NOX限值控制）、PM1_PK2（PK2脈動邊界控制）、PM1_VPR（燃料閥壓比目標值控制）、PM1_SBL（PM1穩定性控制）。

PM1燃料閥配比參數為PM1_MBC，其控制回路選取方法如下：

PM1_NOX是6.3模式下PM1正常工作的控制回路。該回路根據NOX目標值調整PM1燃料閥配比及開度，以保證NOX排放控制在目標值，符合機組運行及環保參數要求。PM1_NOX控制回路采用PI調節，其計算公式為：

K為比例系數，NOX實際計算值通過邊界模型獲得。FXP1BC為6.3燃燒模式下PM1分量（由一階慣性環節計算所得），有兩種模式輸出，一種是MBC控制模式，一種是自動燃調退出時運行模式。當MBC模式退出后，PM1分量根據既定模型，利用插值法計算得：

PM1_REF是PM1基準（分量FXP1BC），Y為X的折線函數，表述PM1_REF與燃燒基準CA_CRT的關系。

3.3 燃燒脈動波動案例分析

2019年3月，某電廠#1燃機燃燒脈動出現晃動，#10燃燒筒M頻高達10.5psi，且晃動頻繁。由表1可知，M頻脈動高且持續時間長會導致機組減負荷，甚至可能造成設備損壞。分析燃燒脈動原因，當時環境溫度較低（15℃），NOX計算值為17～19ppm，PM1控制回路在最小值和NOX來回切換。此時NOX目標值在15ppm，為達目標值，PM1分量減小，處于最小值控制回路。分析四要素，NOX減小會造成PK2（中頻）脈動增大。

針對這一矛盾，采取了折中的辦法——適當提高NOX排放目標值。因為有脫硝系統，適當提高NOX對環保數據影響較小，符合國家環保排放標準。該方法是通過犧牲部分NOX排放，使PM1跳出最小值控制回路，來保證PK2脈動正常。

GE公司自動燃燒調整系統，為用戶提供了實時調整NOX排放目標值的功能。用戶可修改NOX偏置，其偏置輸入有速率限制，保證NOX目標值不會瞬間變化。最終NOX偏置設置為5ppm，將NOX目標值抬高至20ppm左右，使PM1在PM1_NOX控制回路運行，燃燒脈動幅度減小，機組運行正常。

4? 結束語

本文針對某電廠實際工程應用，介紹9FB燃氣輪機燃燒系統基本架構、模型控制基本概念、燃燒調整原理功能及實際案例，在實際工程應用中積累燃燒系統異常的處理思路及方法，對同類型機組有一定參考價值。燃燒調整對機組安全穩定運行、防止設備損壞、降低排放滿足環保要求有著重要意義，是燃氣輪機技術關鍵課題之一，大部分9FB燃氣輪機的燃燒調整技術仍被封鎖，因此需要更深入的學習和鉆研。

參考文獻：

[1]章素華.燃氣輪機發電機組控制系[M].北京：中國電力出版社，2012.

[2]賴曉華.燃燒監測系統（CDM）在晉江氣電的實際工程運用 [J].燃氣輪機技術，2013，26（2）：62-66.

[3]甄家麟.9FA燃氣輪機DLN2.6+燃燒系統環保經濟效益分析[J].低碳世界，2018，6（2）：375.

[4]李忠義，崔耀欣，虎煜.燃氣輪機燃燒調整和自動燃燒調整技術探討[J].熱力透平，2015，9（3）：183-187.