基于特征攔截的燃氣輪機控制邏輯優化

常少輝 劉永旺 張 楠 肖黎明

（1.華電（北京）熱電有限公司 2.中國華電集團發電運營有限公司）

0 引言

華電（北京）熱電廠西門子SGT5-2000E型（V94.2）燃機燃燒模式主要分為擴散模式、預混模式兩種模式，燃機正常運行時在預混模式，但由于預混模式穩定性較差，為防止燃機機組實際功率突降造成燃機貧燃熄火停機，在燃機控制系統中設置了當機組功率信號發生大于32MW變化的情況下，燃機進入“小甩功率”控制模式，此時燃機的燃燒模式由“預混模式”切換為燃燒更穩定的“擴散模式”。

然而，由于連接的外側電網（以下簡稱“外網”）會發生短路故障，導致機組功率信號的快速上下波動，但原有燃機控制邏輯無法有效識別這一情況，只要機組功率信號出現大于32MW的快速下降時，燃機即進入“小甩功率”控制模式，導致燃機錯誤地由“預混模式”切換為“擴散模式”。“擴散模式”由于燃燒溫度較高，促使大量“NOX”的生成，引發機組污染物排放超標。

在近年來環保要求越來越嚴的背景下，外網沖擊導致燃機燃燒模式的錯誤切換，嚴重影響燃氣電廠的污染物排放水平。以華電（北京）熱電公司（以下簡稱“電廠”）西門子SGT5-2000E型（V94.2）燃機為例，2018年因外網沖擊導致的燃燒模式切換造成的氮氧化物超標次數就有11次，2019年有6次，嚴重影響的企業為解決以上問題，本文提出一種基于燃機機組功率信號特征攔截與分析的燃機控制邏輯優化方法。通過對外網沖擊參數的分析，優化燃氣輪機的控制邏輯，采用基于特征曲線的識別方法，對外側電網沖擊導致的燃氣輪機功率信號波動進行甄別以及攔截。優化邏輯投入后，2021年9月15日在電廠實際燃機機組上成功攔截一次，證明了邏輯優化的有效性。

1 研究背景

1.1 燃機氮氧化物的生成機理

氮氧化物（NOX）是指含氮的氧化物的總稱，環境監測廢氣中的氮氧化物一般包括NO和NO2。研究表明，NOX的生成途徑有三種：①熱力型NOX，指空氣中的氮氣在高溫下氧化而生成NOX；②燃料型NOX，指燃料中含氮化合物在燃燒過程中進行熱分解，繼而進一步氧化而生成NOX；③快速型NOX，指燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳氫離子團如CH等反應，然后快速與氧氣反應生成NOX。

快速型NOX通常所占比例不到5%；西門子SGT5-2000E型（V94.2）燃機天然氣氣源中含氮化合物的含量非常低，所占體積不超過0.1%，因此燃料型NOX的比例也很低；在溫度低于1500℃時，熱力型NOX的生成率很低，但是在1500℃以上時，熱力型NOX生成速度迅速增長，尤其是1650℃以上時，熱力型NOX的生成率將大幅提高，且溫度越高，生成率就越高。故燃氣輪機NOX的排放量主要來自熱力型。

1.2 燃機燃燒模式介紹

西門子SGT5-2000E型（V94.2）燃機設計有兩種燃燒模式，分別為擴散模式、預混模式。

1）擴散模式用于點火、升速、低功率階段，用以保證點火成功率與較高的燃燒溫度，使燃氣輪機快速升速。燃料和空氣分別送入燃燒室，依靠擴散與湍流交換的作用，使它們彼此相互摻混，形成一個接近理論燃燒溫度的火焰。擴散模式燃燒穩定，不易熄火，燃燒效率幾乎不受功率降低影響，但是在著火前需要依靠紊流擾動與空氣混合，混合過程比燃燒過程緩慢得多，因此它的火焰要比預混燃燒的長；火焰面上的理論燃燒溫度，總是高于1650℃，因此會引發大量熱力型“NOX”的生成。

2）預混模式主要用于在機組穩定高功率運行階段，在燃機啟動后達到，使機組控制“NOX”排放，達到環保排放的目的。預混模式采用的湍流燃燒方法是把燃料與空氣預先混合成為均相、稀釋的可燃混合物，然后使之以湍流火焰傳播的方式通過火焰面進行燃燒，火焰面的燃燒溫度與燃料和空氣實時當量比的數值相對應。預混燃燒模式下高溫燃燒區范圍將大大縮小，大部分區域為低溫燃燒區，有利于減少“NOX”的生成。通過對燃料與空氣實時摻混比的控制，使火焰面的溫度低于1650℃，這樣就能控制熱力型“NOX”的生成，但預混燃燒穩定性比較差，需由值班氣噴嘴來穩定燃燒，因此主要用于機組穩定高功率運行階段。

1.3 存在問題

在環保要求越來越嚴格的背景下，電廠燃機機組一旦由于外網沖擊而錯誤進入“小甩功率”控制模式，燃燒方式切換至“擴散模式”后，NOX排放濃度瞬時值可達500mg／m3，即使是3～5min的時間，也會造成該時段的NOX小時均值排放超標，而違反《中華人民共和國大氣污染物防治法》，有被屬地生態環境主管部門立案調查甚至直接處罰的可能。電廠類似情況在2018年、2019年分別發生11次、6次，給電廠帶來經濟損失以及社會負面影響風險，此問題亟待解決。

2 系統設計與實現

2.1 基于特征曲線的信號攔截與分析

通過對歷次導致燃機燃燒模式切換的外網沖擊參數的收集與整理，對參數突變特性的分析，總結出當發生外網故障誤引起的燃機功率波動（定義為“虛假小甩功率”）曲線有如下特征。首先，外網故障大多由各種電氣短路故障引發，短路故障的暫態特性可能引發電網系統振蕩，振蕩傳遞到電廠側表現為機組負荷在一個基準面上發生上下波動的特征（見圖1），這與燃機出現甩負荷（定義為“真實小甩功率”）時，負荷曲線只發生單向下降的特征曲線有明顯區別。鑒于分析出的信號特征，對現有控制邏輯進行優化，使控制系統具備對功率信號快速識別的能力，當發生由于外網沖擊引起的瞬態功率波動時，可以進行有效“攔截”，不觸發燃機甩負荷控制狀態，從而防止燃機燃燒方式誤切換，避免燃機環保排放超標。

圖1 外網沖擊時的功率信號特征圖

2.2 控制邏輯優化

依據以上分析，可以通過提取外網沖擊信號特征參數，來確定采用濾波邏輯改造方案（見圖2）：機組發生真實功率突降時（即“真實小甩功率”），機組功率信號呈單向下降趨勢；而發生外網引起的功率波動時（即“虛假小甩功率”），功率信號是在當前功率基礎上下波動變化并快速衰減。在燃機負荷控制邏輯中增加外網功率信號的特征判斷邏輯，對機組功率信號進行實時采樣分析。通過調研以及數據收集，發現電網正常振蕩波動幅值均小于15MW，因此首次確定閾值15MW作為波動幅值判別條件；其次，對功率波動信號曲線進行識別，如果呈現上下波動下降即為外網沖擊信號。此外，為防止振蕩形成的波谷誤觸發閉鎖造成對機組需要燃燒穩定性時無法切換，在確保不影響機組燃燒的前提下設置了1s延時，對波動進行多次判斷。綜上所述，此閉鎖控制邏輯的總體思路是：在1s內，①是否存在機組功率信號大于15MW幅度的波動；②信號曲線是否呈波動式下降。如滿足要求，則判斷為外網沖擊，閉鎖機組觸發功率小甩（LAW），燃機不進行燃燒模式切換；如不滿足要求，則判斷機組為“真實小甩功率”，開放機組功率小甩（LAW）。此外，在機組控制邏輯檢測到大于32MW的功率信號快速下降時，燃機啟動功率小甩邏輯判斷，延時200ms燃燒模式進行切換，保障機組的運行穩定性。

圖2 邏輯設計框圖

2.3 安全風險識別與分析

濾波方案對燃燒穩定性影響分析：如果是“虛假小甩功率”，在符合波動期間其真實燃燒熱功率并沒有發生變化，因此濾波不會對燃機燃燒造成影響。如果是“真實小甩功率”，意味著降低后的燃燒熱功率在預混模式下延時200ms才會進行燃燒模式切換（到擴散模式），由于燃燒的惡化是漸變的過程，是累計效果，延時200ms對燃燒的影響微乎其微。

為了確保控制邏輯優化達到預期效果，采取以下安全措施：

1）控制邏輯設置“投／切”功能塊，可根據測試需要或新增邏輯實際工作效果隨時投切。

2）邏輯離線下載并激活后，在停機狀態進行仿真測試，確保設計功能完整有效實現。

3）控制參數的設置堅持“從弱到強”的原則，從小或者保守的值開始，在實際運行中測試效果如有必要進行相應調整。

4）為便于記錄、分析外網電壓波動期間相關邏輯信號動作情況（如功率瞬態信號變化最大幅值，衰減周期），在上述邏輯相應地方將信號引出至飛行記錄儀。

3 效果驗證

優化后的控制邏輯于2021年1月投入運行，在2021年9月15日發生一次外網沖擊造成＃1燃機功率信號波動，功率修正信號波動下降達到35.6MW，＃1燃機優化后負荷控制邏輯激活并進行攔截，避免了因功率修正信號發生大于32MW的快速下降時引起燃燒模式切換，證明了優化后控制邏輯滿足既定目標，此次成功攔截證明了負荷小甩邏輯優化程序取得的成功。以下是當時具體情況：

2021年9月15日18點20分39秒，由于外網原因，＃1燃機功率信號出現異常波動，形成“虛假小甩功率”，并且功率修正信號最大值35.6MW，達到負荷異常波動大于32MW的小甩設定值。優化后的邏輯對異常功率型號進行及時識別和攔截，閉鎖了機組觸發功率小甩，避免了一次由于負荷波動達到小甩值而引發的燃燒方式誤切換（見圖3）。

圖3 負荷波動截圖（最大值35.6MW）

由于在兩臺燃機的負荷控制優化后的邏輯投入運行后外網相對比較穩定，發生功率信號波動達到32MW的次數少，此控制邏輯投入運行時間也比較短，還要繼續積累檢驗效果，以便進行后續持續對邏輯的優化。

4 結束語

本文提出基于信號特征攔截與分析的燃機控制邏輯優化方法。通過對外網沖擊參數的分析，采用基于特征攔截的方法捕捉機組功率測量信號的快速且短暫波動，優化燃氣輪機相關控制邏輯，并在西門子SGT5-2000E型（V94.2）燃機上進行攔截驗證。證明優化的邏輯能夠對外網沖擊引發的“虛假小甩功率”進行及時識別和攔截，避免由于負荷波動達到小甩值而引發燃燒方式誤切換，進而引發機組環保排放超標問題。

本次燃機控制邏輯優化在同型號燃機具備一定的通用性，此次對西門子SGT5-2000E（V94.2）型燃機控制邏輯的優化為同類型燃機解決此類問題提供了可行、可借鑒的方案。