基于9E燃氣輪機國產化控制系統的燃料速比截止閥控制優化

黃月麗， 陳海文， 徐龍魏， 張 昊， 呂玥婷， 潘雪澄， 茅珈浩

(華電浙江龍游熱電有限公司，浙江 龍游 324400)

某電廠建設有一套S209E燃氣-蒸汽聯合循環發電機組，由2臺燃氣輪機發電機組、2臺余熱鍋爐、1臺抽凝式蒸汽輪機發電機組和1臺背壓式蒸汽輪機發電機組組成。燃氣輪機發電機組和蒸汽輪機發電機組采用分軸布置，可選擇“一拖一”或“二拖一”運行方式。燃氣輪機控制系統采用GE公司的Mark VIe產品，余熱鍋爐、蒸汽輪機發電機組及其輔助控制系統采用南自維美德DCS產品。

該電廠于2021年5月完成了其中一臺燃氣輪機控制系統國產化改造，將OEM廠商控制系統完整替換為全國產化的華電睿藍maxCHD控制系統。機組改造后運行正常，達到了控制系統改造“無擾切換”的目標。

TCS國產化改造后，電廠技術人員組織開展了燃氣輪機運行可靠性與穩定性的專項分析工作，重點對控制系統改造前后的機組參數與調節品質差異進行分析，并針對某日燃氣輪機啟動升速階段發生的熄火事件開展了專題研究，提出了速比截止閥(簡稱SRV)的控制改進方案，通過燃氣輪機運行各階段的持續跟蹤與優化，實現了提升SRV全過程調節品質的目標，控制性能優于OEM，進一步穩定了燃燒工況，提升了燃氣輪機啟、停階段運行的可靠性。

1 速比截止閥控制概述

1.1 速比截止閥作用

SRV的作用是作為截止閥在機組跳閘或停機時切斷燃料供應，以及作為調節閥在機組正常運行期間，通過SRV的控制，實現燃料閥前管道P2壓力的穩定。一般情況下，P2壓力的給定值與轉速TNH成正比，在機組點火至100%額定轉速(3 000 r/min)期間，P2壓力的穩定性與SRV的控制緊密相連；定速后，P2壓力幾乎維持不變。通過SRV的調節，在氣體燃料溫度及P2壓力不變條件下，燃料閥的流量正比于燃料給定基準FSR，從而實現燃料控制的穩定性[1]。

1.2 原控制邏輯介紹

P2壓力給定值FPRG，在SRV控制不使能時為0 kg/cm2，在控制使能時，通過燃氣輪機控制轉速信號TNH乘于適當增益常數，再疊加給定值偏置后形成。

給定值偏置FPKGNO經泄漏試驗工況選擇輸出。在泄漏試驗工況下，輸出給定值偏置為38.67 kg/cm2，可實現泄漏試驗工況下的閥位迅速開關；在非泄漏工況下，輸出給定值偏置為-0.35 kg/cm2。通過整定給定值偏置，可修正P2給定值，從而改變機組運行期間的空氣與燃料的壓力比。

P2的測量值FPG，由3個壓力變送器信號經三取中形成。

SRV開度指令FRCROUT，在控制使能時，由P2壓力給定值與測量值的偏差乘于調節增益，其計算值經比例、積分作用后，計算形成SRV開度指令，限幅為0～100%；控制不使能時為-40%，閥門全關。

SRV的開度經LVDT測量反饋至伺服控制硬件回路，在P2壓力反饋和閥位反饋構成的兩個PI閉環回路調節下，實現P2壓力與控制轉速TNH的控制關系[2-3]。SRV原控制邏輯如圖1所示。

圖1 SRV原控制邏輯

1.3 控制優化前的運行分析

分析原控制邏輯啟機SRV的調節性能曲線如圖2、圖3所示。TCS改造前，在啟動升速階段，均存在SRV開度、燃料控制閥GCV1開度、P2壓力以及轉子角加速度的等幅振蕩。其中，P2壓力振蕩幅度約25 kg/cm2，振蕩間隔8.37 s，SRV開度振蕩幅度約2.05%，振蕩間隔8.53 s。

圖2 優化前啟機SRV調節曲線1

圖3 優化前啟機SRV調節曲線2

TCS改造后，對控制回路中的比例、積分參數進行整定，且在點火啟動至加速階段，以及燃氣輪機轉速大于2 500 r/min工況下的P2壓力波動幅度略有減弱，但在上述階段以外，P2壓力的波動幅度略微偏大。某次的燃氣輪機啟動升速階段熄火，與SRV開度大幅波動的關聯度極大[4-5]，最后采取在線調整比例、積分參數方式，通過了啟機升速階段。

分析原控制邏輯停機SRV的調節性能曲線如圖4所示。機組解列后，燃氣輪機在83.3%額定轉速至熄火階段SRV開度、P2壓力存在一定幅度的振蕩，P2壓力振蕩幅度約11 kg/cm2，振蕩間隔15.8 s，SRV開度振蕩幅度約1.97%，振蕩間隔16.9 s。

圖4 優化前停機SRV的調節性能曲線

1.4 控制機理與問題分析

綜上所述，燃氣輪機全程運行過程中，SRV控制回路采用了單一的比例、積分參數控制方式。當燃氣輪機處于不同階段運行工況時，燃料需求量發生變化，為維持P2壓力穩定，SRV的開度將同步調整。由于SRV的流量特性，以及不同燃燒工況差異，導致單一的比例、積分控制參數無法滿足全過程工況下的P2壓力穩定[6]，控制回路的設計存在一定的缺陷。

通常情況下，SRV控制回路中的比例、積分參數整定，用于滿足燃氣輪機帶負荷工況下的燃燒可控，因此表現出的典型運行特征是燃氣輪機在啟、停階段時，SRV開度與P2壓力振蕩，并由此導致了當環境、天然氣熱值等發生較大變化時，燃氣輪機啟、停階段燃燒的不穩定性加劇，嚴重時甚至熄火[7]。

2 速比截止閥的控制優化

通過SRV原邏輯的控制原理與調節曲線，以及燃氣輪機全程燃燒機理分析[8]，機組啟動升速與停機減速階段SRV開度與P2壓力等參數發生的振蕩現象，主要原因是調節回路的比例、積分參數整定不夠合理。

優化的控制方案基于燃氣輪機啟、停機階段采用調節回路變比例、變積分參數控制，在啟動升速階段增加SRV開度指令前饋策略，并運用變參數與前饋回路作用方式下的無擾切換技術[9]，實現穩定P2壓力的目的。SRV控制優化邏輯圖如圖5所示。

圖5 SRV控制優化邏輯圖

2.1 啟動升速階段邏輯條件

當燃料給定基準FSR處于加速控制燃料給定基準FSRACC方式下，燃氣輪機轉速大于28.6%額定轉速，P2壓力偏差小于0.14 kg/cm2時，觸發機組啟動升速階段；當燃氣輪機轉速大于83.3%額定轉速，且P2壓力偏差小于0.14 kg/cm2時，復位機組啟動升速階段。

2.2 停機減速階段邏輯條件

當機組處于正常停機階段，燃氣輪機轉速小于83.3%額定轉速，且P2壓力偏差小于0.14 kg/cm2時，觸發機組停機減速階段證實；當轉速小于26.6%額定轉速，且P2壓力偏差小于0.14 kg/cm2時，復位機組停機減速階段證實。

2.3 控制回路優化設計

當機組啟動升速或停機減速階段證實后，采用另一套比例、積分參數，作用于SRV調節回路。變比例、積分參數的切換基于P2壓力較小偏差，可達到SRV開度指令較小擾動效果。

SRV開度前饋計算值，通過直接疊加到比例、定積分常數作用之和的方式實現。

SRV前饋計算值采用PID設計方案，PID測量值為轉子角加速度計算值TNHA與轉子角加速度給定值TNHAR的偏差；PID設定值為測量值限幅后的計算值；PID前饋值為轉子角加速度偏差經限幅后的計算值。

通過PID參數的整定，可實現測量值處于限幅區間內的穩定輸出，當測量值處于較大偏差時，通過前饋作用可實現較快響應轉子加速度變化的功能。當機組啟動升速階段復位，通過PID自帶的切除調節功能，實現輸出值置零功能[10-11]。控制邏輯優化后的啟、停機速比截止閥的調節性能曲線見圖6、圖7、圖8。

圖6 優化后的啟機SRV調節曲線1

圖7 優化后的啟機SRV調節曲線2

圖8 優化后的停機SRV調節曲線

3 效果分析

對比SRV優化前后的P2壓力、轉子角加速度等參數，分析得出效果如下：(1)啟機階段SRV開度穩定性提升86%，P2壓力波動幅度減小84%，轉子角加速度TNHA波動幅度減小80%；(2)停機階段SRV開度穩定性提升40%，P2壓力波動幅度減小22%;(3)燃料給定基準FSR輸出平穩，GCV1燃料閥位同步穩定；(4)火焰強度波動幅度與脈動次數減少，燃燒趨于穩定；(5)對機組振動無明顯影響。控制優化前后的啟、停機階段SRV、P2參數對比分析見表1至表4。

表1 優化前啟機階段SRV、P2參數對比分析

表2 優化后啟機階段SRV、P2參數對比分析

表3 優化前停機階段SRV、P2參數對比分析

表4 優化后停機階段SRV、P2參數對比分析

4 結論

基于國產化TCS平臺的SRV控制優化應用，提升了燃料系統控制性能，特別是在燃氣輪機啟、停機階段，燃燒相關參數穩定性大幅提升，有效改善燃氣輪機燃燒工況的穩定性和可靠性。

通過實際運行效果對比表明，SRV控制邏輯優化后，實現了SRV的全程穩定控制，燃氣輪機部分運行工況的控制品質大幅超越了OEM廠家，對于啟、停頻繁的調峰機組，具備較強的實用性。