9FB型與9FA型燃氣輪機控制分析比較

熊 超， 王 勇， 曹偉平， 肖艷藏， 貢文明， 宋順利

(1. 國電南京自動化股份公司， 南京 210032；2. 江蘇華電戚墅堰發電有限公司，江蘇 常州 213011)

GE公司9FA型燃氣輪機是我國最早引進的9F燃氣輪機，早期壓氣機、燃燒器設計不合理，導致電廠燃氣輪機問題多發[1]，后期經過升級后逐漸穩定。2012年中國首次引進9FB型燃氣輪機，該型燃氣輪機采用先進熱通道、DLN2.6+燃燒器，機組效率、出力更高，穩定性好，電廠反響較好。本文以兩個電廠正在運行的9FA與9FB機組為基礎，從控制角度分析比較9FA、9FB型燃氣輪機。需要注意的是國內大多數9FA燃氣輪機已經實現升級改造，采用了9FB燃氣輪機的部分技術。

1 技術概述

本文介紹的機型主要技術參數如下。9FA型機組：透平入口溫度1 327 ℃，聯合循環最大功率390 MW，采用DLN2.0+燃燒器。9FB型機組：透平入口溫度1 371 ℃，聯合循環最大功率450 MW，采用標準DLN2.6+燃燒器。9FA采用傳統基于時序邏輯控制(SBC)算法。9FB采用基于模型控制(MBC)算法，相較于9FA，這種控制方式可以實現在線、實時地自適應燃氣輪機仿真。9FB引入直接邊界控制，從而可以對環境條件、燃氣輪機老化、燃料等變化進行自動適應調整。9FB具體控制結構如圖1所示，主要包括三塊模型：自適應實時燃氣輪機仿真模型、自動燃燒調整模型、燃氣輪機邊界控制模型。

圖1 9FB燃氣輪機控制結構圖

1.1 自適應實時燃氣輪機仿真模型

此模型是高保真模型，可實時連續調諧，以匹配燃氣輪機實際的性能。該模型由燃氣輪機性能模型推導而出。利用燃氣輪機測量參數推導出一些無法測量的虛擬循環參數(比如燃燒溫度TFIRE、燃燒基準溫度CA_CRT)，這些參數直接用于控制回路。此外，隨著燃氣輪機運行，燃氣輪機部件性能發生老化，ARES可實時調整模型，確保模型的準確性。此處要說明9FB燃氣輪機燃燒基準溫度采用的是CA_CRT，是基于以ARES模型推算出的，較9FA燃氣輪機采用經驗擬合出的燃燒基準溫度TTRF更加精準。

1.2 自動燃燒調整模型

9FB安裝有自動燃燒調整系統，主要包括了4個模型，分別計算了燃燒調整的4要素，燃燒脈動、NOx排放、CO排放、燃燒穩定性裕度。

1) 脈動模型：脈動模型根據測量參數計算燃燒脈動，同時用脈動測量(CDM)系統實時調整脈動模型，當CDM 系統發生傳感器故障時，可以繼續利用模型計算的脈動進行燃燒調整。

2) 排放模型：排放模型通過相關測量值和實際反應的物理特性計算出理論排放的NOx和CO。

3) 燃料系統模型和乏氣熄火裕度模型：這兩個模型互相作用，從燃料噴嘴流量和燃燒穩定性兩個方面來防止燃氣輪機突然熄火。

1.3 燃氣輪機邊界控制模型

邊界控制模型是基于物理邊界的模型，利用測量參數推導出機組運行的邊界裕度，可以定義任何時間點的操作邊界條件。不管環境條件、負載、燃料特性或部件惡化，燃氣輪機控制系統盡可能接近邊界運行，可以提高燃氣輪機的系統性能。9FB燃氣輪機運行邊界包括以下9個邊界限制：1)排氣溫度限制，限制FSR和IGV開度；2)氮氧化合物NOx排放限制，限制燃料閥開度；3)最大、最小燃燒溫度TFIRE限制，限制FSR和IGV開度；4)燃燒基準溫度CA_CRT限制，限制IGV、IBH、W9(9級抽氣冷卻閥)、W13(13級抽氣冷卻閥)；5) 燃料閥壓比VPR限制，限制燃料閥開度；6) 防止壓氣機入口結冰，限制IBH開度；7)燃料閥燃燒穩定性限制，限制燃料閥開度；8)最大脈動限制，限制燃料閥開度；9)冷卻抽氣流量裕度限制，限制W9(9級抽氣冷卻閥)、W13(13級抽氣冷卻閥)開度。

2 主要控制對比分析

2.1 可變進口導葉(IGV)系統控制

圖2 9FA的IGV溫度控制基準圖

9FB的IGV控制相對9FA復雜不少，9FB增加了空燃協調控制(CAF)，保證到燃燒室的空氣-燃料混合物在一個可控范圍內。使用該控制可以使IGV快速響應FSR的變化，而不是像9FA那樣等到排氣溫度變化之后才開始介入控制，具體邏輯如圖3所示。CSRGVSS0是根據空燃協調設計標準得出的燃料FSR對應的IGV開度，CSRGV是IGV最終控制指令，IGV_CAF_H、IGV_CAF_L就是空燃協調控制的IGV高、低限制值。機組帶負荷平穩運行期間，IGV_CAF_H、IGV_CAF_L不會限制IGV開度。當遇特殊工況，FSR快速變化時，對應CSRGVSS0也會快速變化，IGV_CAF_H、IGV_CAF_L會瞬間介入IGV的控制，使IGV快速達到CSRGVSSO要求開度。

圖3 空燃協調控制邏輯圖

圖4 9FB機型IGV控制圖

2.2 進氣加熱(IBH)系統控制

9FA型機組進氣加熱系統具體計算公式如式(1)：

CRISHOUT=max(CSRDLN,CSRPRX)

(1)

式中:CRISHOUT是IBH指令輸出；CSRPRX是IBH壓比極限控制基準；CSRDLN是擴展預混DLN燃燒基準。整個運行過程是隨著負荷增加，IGV開度增加，IBH開度逐漸減小最終全關。

9FB機組的IBH運行過程與9FA一樣，但是控制方式有差別。具體公式如式(2)：

CRISHOUT=max(min(IBH_CRT,IBH_TDBD),IBH_OLL,IBH_ICE)

(2)

式中:CRISHOUT是IBH指令輸出；IBH_CRT是最小燃燒基準溫度控制輸出，是根據邊界模型給出的最小目標燃燒基準溫度CRT進行PI運算得出的值；IBH_TDBD是配合IGV溫匹控制的IBH輸出，默認不參與控制，當投入溫匹控制的時候，一旦IGV開度大于58°，IBH_TDBD變成0，并且只有退出溫匹才能恢復；IBH_OLL是壓比極限IBH輸出，用于壓比保護；IBH_ICE是防結冰IBH輸出，目標值是邊界模型根據壓氣機進氣蝸殼溫度和IGV開度推算得出。

IBH一個重要功能是拓展DLN的預混下限，9FA是根據與IGV開度的線性函數來實現的，當IGV開到一定角度時，IBH開始跟隨IGV打開，從而通過提高透平排氣溫度來實現提高燃燒基準溫度。9FB則通過IBH_CRT直接控制燃燒基準溫度CA_CRT，控制上更加精準。

2.3 燃燒模式控制及清吹系統控制

燃燒模式控制是燃氣輪機控制的核心部分，清吹系統則是保證燃燒器安全運行的重要部分。

9FA機組采用的是DLN2.0+燃燒器，每個燃燒器有5只燃料噴嘴，每只噴嘴各有一個擴散燃料通道(D5)和一個預混燃料通道(PM1或PM4)，D5和PM4各配有空氣側、燃氣側兩個清吹閥和中間的通風閥，PM1無清吹閥，具體噴嘴圖如圖5(a)所示。DLN2.0+燃燒切換是以經驗公式擬合出的燃燒基準溫度TTRF作為切換基準。DLN2.0+燃燒模式切換如圖6(a)所示，切換過程如下：

1) 9FA點火時是擴散模式(D5模式)，D5燃料占總燃料FSR比為100%，按照10 %/s變化。默認PM4清吹打開。

2) 當經驗公式擬合出的燃燒基準溫度>426.7 ℃，燃氣輪機轉速大概到95%，切換成亞先導預混模式(SPPM模式)，此模式下D5通道占大概70%的FSR，PM1打開，占30%的FSR。

3) 當經驗公式擬合出的燃燒基準溫度>954 ℃，燃氣輪機大概帶10%負荷，切換成先導預混模式(PPM模式)，PM4清吹關閉，PM4通道打開。

4) 當經驗公式擬合出的燃燒基準溫度>1 232 ℃，燃氣輪機大概帶50%負荷，切換成預混模式(PM模式)，此模式下D5通道關到0后，D5通道開始清吹，PM1占比15%的FSR，PM4占85%的FSR。

5) 預混模式下甩負荷，進入PM1模式，所有FSR集中在PM1，且動作過程無速率限制，此過程延續15 s。15 s后，D5關閉清吹，PM4開啟清吹，進入亞先導預混模式。

6) 先導預混模式下甩負荷，直接進入亞先導預混模式。

圖5 DLN2.0+和DLN2.6+燃燒器噴嘴示意圖

DLN2.0+清吹系統控制比較復雜，文獻[2]對此解析非常完整，本文由于篇幅不再敘述。模式切換對清吹閥開關時間有嚴格要求，表1是DLN2.0+清吹閥開關要求時間表。在實際機組運行調試過程中，經常出現因為清吹閥問題造成切換預混模式失敗，甚至跳機。

(a) DLN2.0+燃燒模式切換

表1 DLN2.0+清吹閥開關要求時間

9FB機組采用的是標準DLN2.6+燃燒器，每個燃燒器有6只燃料噴嘴，PM1噴嘴是全預混燃料通道，其他每只噴嘴各有一個擴散燃料通道(D5)和一個預混燃料通道(PM2或PM3)，D5、PM2、PM3各配有空氣側、燃氣側兩個清吹閥和中間的通風閥，PM1無清吹閥，具體噴嘴圖如圖5(b)所示。DLN2.6+燃燒切換是以ARES模型推算出的CA_CRT作為燃燒基準。根據文獻[3]描述，利用傳統經驗公式擬合出的燃燒基準TTRF存在誤差大的缺陷。DLN2.6+燃燒模式切換如圖6(b)所示，切換過程如下：

1) 機組點火時是擴散模式(D5模式)，只有D5參與燃燒，D5是擴散燃燒方式，沒有預混，但是能保證燃燒的穩定性。

2) 當轉速到95%左右，燃燒基準溫度CA_CRT>3.57%時，進入亞先導預混模式(1D),PM1打開，此時PM3和PM2清吹閥打開開始清吹。

3) 當繼續加負荷到大概10%，CA_CRT>63.21%,進入亞預混模式(3模式)，PM2關閉清吹，開始打開進入燃燒，D5關閉，D5打開清吹。

4) 當繼續加負荷到大概25%，CA_CRT>71%,進入了預混C模式(6.2模式)，PM3關閉清吹后打開參與燃燒，此時PM2的燃料量要大于PM3的燃料量，機組NOx排放還沒達到DLN2.6+能達到的最低值。

5) 繼續加負荷到大概40%，CA_CRT>86.7%,進入預混B模式(6.3模式)，此時依舊是PM1、PM3、PM2參與燃燒，但是PM3的燃料比例要高于PM2，此時NOx排放可達DLN2.6+最低水平。

6) 當在亞先導預混模式(1D模式)下向亞預混模式(3模式)切換時，因為故障(比如D5清吹閥故障)，D5沒有切除燃料，依然參與燃燒。當繼續增加負荷到CA_CRT>64.8%時，機組進入先導預混模式(3D模式),PM2開始打開參與燃燒。繼續增加負荷到CA_CRT>92.6%時，機組進入擴展先導預混模式(6D模式),PM3開始打開參與燃燒。這是一個故障的模式，非常類似于DLN1.0的L-L模式，此模式下排放高，損害燃燒器壽命。

7) 當在預混模式(預混C模式或預混B模式)下甩負荷時，60%的FSR燃料量全部集中于PM1,此過程維持15 s，15 s后，進入亞先導預混模式(1D模式)。

8) 當在故障模式先導預混模式(3D模式)或擴展先導預混模式(6D模式)下甩負荷則直接進入亞先導預混模式(1D模式)。

9FB燃氣輪機清吹閥組控制設有擴散測試投入按鈕、預混測試投入按鈕和取消按鈕。每次燃氣輪機啟動之前，必須做清吹系統測試，測試通過后，燃氣輪機啟動條件才滿足。點擊投入按鈕依次使D5、PM3和PM2空氣側吹掃閥和燃氣側吹掃閥得電，并對吹掃閥開關時間進行判斷。如果滿足要求則通過，不滿足要求則要求檢修人員調節開關時間，直到滿足要求才能準備開機。9FA燃氣輪機無此項功能，每次開機都需手動檢修并做相關實驗。表2是DLN2.6+清吹閥開關要求時間表。

DLN2.6+清吹系統保護主要可以分為兩大類：清吹失去(LOP)保護和隔離失去(LOB)保護。

清吹失去(LOP)保護包括以下4條：1) 吹掃指令發出14 s后，三個閥間壓力任意兩個報低；2) 吹掃條件滿足后，未發出吹掃指令(燃料閥反饋故障)；3) 吹掃指令發出后，一個閥門關限位故障且開限位故障(關限位未按規定時間脫開，開限位未按規定時間到)；4) 吹掃指令發出后，任意一個閥門關限位或開限位故障且三個清吹閥間壓力有一個故障。如發生以上任意一條清吹失去保護，則閉鎖進入DLN模式切換，閉鎖條件還包括吹掃空氣溫度>399 ℃。

表2 DLN2.6+清吹閥開關要求時間

隔離失去(LOB)保護包括以下4條：1) 吹掃關閉指令發出后，一個閥門開限位故障且關限位故障(開限位未按規定時間脫開，關限位未按規定時間到)；2) 吹掃關閉指令發出后，任意一個閥門開限位或關限位故障且三個清吹閥間壓力有一個故障；3) 吹掃關閉指令發出后，空氣側清吹閥開或關限位開關故障且任意一個閥間壓力開關故障且燃氣側清吹閥開或關限位開關故障；4) 吹掃關閉指令發出8 s后，三個閥間壓力任意兩個報高。發生以上所述隔離失去保護條件3或4會觸發跳機保護，隔離失去保護條件1或2會觸發自動停機。自動停機還包括清吹冷卻系統冷卻水水位高于跳機值。跳機保護還包括機組并網前吹掃空氣溫度>399 ℃。

2.4 抽氣流量冷卻優化控制

9FB型機組通過調節閥來實現抽氣流量冷卻優化控制，以最優的冷卻空氣量對2級透平S2N(壓氣機13級抽氣冷卻)和3級透平S3N(壓氣機9級抽氣冷卻)冷卻，從而提高機組效率。本文以冷卻2級透平S2N的壓氣機13級抽氣控制為例展開分析。從文獻[4]得知，此優化算法模型參數是基于大量實驗數據分析和金屬部件壽命分析得出。此優化控制在機組并網后自動投入，具體控制如圖7所示，共分了7個控制輸出：

1) 抽氣流量裕度控制:2級噴嘴腔壓力TS2P_ABS是PI計算測量值，設定是邊界模型給出的常數，經過PI計算得出S2N_BFMX。

2) 燃燒基準溫度控制：燃燒基準溫度CA_CRT是PI計算測量值，設定是邊界模型給出的燃燒器最低燃燒溫度目標值，經過PI計算得出S2N_CRT。

3) 金屬溫度裕度控制：設定值是邊界模型根據轉速折算的裕度，測量值是2級噴嘴腔壓力TS2P_ABS，經過PI計算得出金屬溫度裕度控制輸出S2N_BMTX。此控制是為了保護2級噴嘴的熱應力安全。

4) 壓比極限限制控制：設定值是常數偏置值，測量值是壓比極限與實際壓比偏差，經過PI計算得出S2N_OLL。此控制是防止抽氣流量過大或過小，導致壓比變化量超過極限，發生喘振等危險。

5) 最大抽氣流量控制：設定值是設計常數，測量值是兩側抽氣流量占總壓氣機流量的比值，經過PI計算得出S2N_WMAX。

6) 溫度匹配投入限制控制：當投入溫度匹配時，溫度匹配限制輸出值是最小值48.5，退出溫匹后溫度匹配限制輸出值是100，關閉邊界限制，溫度匹配限制輸出用S2N_TDBD表示。

7) 抽氣流量邊界限制控制：根據轉速TNH和IGV開度折算出抽氣流量邊界限制值S2N_NCBE，在達到額定轉速后，此控制起保護作用，壓比極限限制S2N_OLL和最大抽氣流量控制S2N_WMAX失效。

圖7 抽氣流量冷卻優化控制圖

此外，當2級噴嘴腔壓力TS2P_ABS過低時，流量閥將強制開到100%，同時燃氣輪機會自動減負荷保證燃氣輪機透平安全。如果發生單側抽氣流量閥關閉，則將一側的控制開度補償到另一側。

2.5 透平冷卻風機(88BT)控制

相對于9FA兩臺88BT控制，9FB采用3臺88BT，并且使用變頻風機。88BT的作用除了在9FA防止透平間溫度過高，還有一個重要作用是在9FB時實現對透平缸體溫度的控制。9FB的88BT控制共有5個模式，包括稀釋模式、透平間排氣溫度控制模式、間隙控制模式、浮力控制模式和冷卻/停機模式。具體控制圖如圖8所示。

圖8 9FB透平冷卻風機(88BT)控制圖

1) 稀釋模式：當SRV開度>1%(開始進天然氣) 或 火焰建立 或 點火開始 或 啟動開始自動投入，風機指令自動給50%。此模式主要是稀釋透平間的熱空氣或者泄漏的天然氣。

2) 透平間排氣溫度控制模式： 從點火成功到熄火且排氣溫度小于52 ℃并超過20 min則自動投入，此模式是將透平間溫度控制在不高于116 ℃。

3) 間隙控制模式：此模式在進入稀釋模式或冷卻模式后自動投入，將第1級透平缸體8只熱電偶的平均值控制在給定目標值內(由環境溫度ATID推算出)。間隙控制可以通過控制缸體膨脹來減少第1級動靜葉片之間的漏氣量，從而提高機組效率。9FB型機組在第1級透平護環處安裝了8個缸體熱電偶，如圖9所示。

圖9 第1級透平缸體熱電偶安裝布置圖

4) 浮力控制模式：此模式在進入稀釋模式或冷卻模式后自動投入，此控制目標是將缸體8個熱電偶對角的熱電偶溫度差值(熱電偶1與熱電偶5、熱電偶2與熱電偶6、熱電偶3與熱電偶7、熱電偶4與熱電偶8之間的最大差值)控制在55 ℃內。此模式主要是防止缸體受熱不均勻，降低缸體橢圓度，嚴防葉片刮缸。

5) 冷卻/停機模式：

當停機至熄火后風機仍在運行時且排氣溫度>46 ℃自動投入，自動給出風機指令為35%。

此外，當燃燒基準CA_CRT>88.63%時觸發故障輸出， 將風機指令調整到67%。當3臺88BT只剩一臺運行時，風機指令將達到最大100%，防止透平間溫度超溫。當透平間排氣溫度>149 ℃時，燃氣輪機將自動停機。

2.6 自動燃燒調整控制

燃燒調整是燃氣輪機檢修服務中的重點工作之一，對機組的安全運行、污染物排放減少、機組延壽都有重要意義。9FB型機組安裝了脈動測量(CDM)系統。在此基礎上，GE公司開發了自動燃燒調整控制技術。自動燃燒調整需要在預混B模式(6.3模式)才能投入，此模式下PM1、PM2、PM3參與控制燃料，自動燃燒調整對PM1和PM3進行調節。PM1和PM3控制思路一致，下面以PM1為例進行分析，PM1共有5個控制部分：

1) PK2代表18個燃燒器的中頻測量值(取大)，但是GE采用的是脈動模型計算的PK2參與燃燒調整。根據實際測量脈動值不斷調整脈動模型，所以脈動模型計算出的PK2與實際測量脈動PK2幾乎沒有任何偏差。這樣做還有一個優勢是，當脈動測量裝置故障時，依舊可以根據模型計算的PK2進行燃燒調整。PK2的設定值是常數，理論上不超過報警值(0.42 kg/cm2)都可以，最終通過PI計算得出PM1_PK2。

2) 參與自動燃燒調整的是15%含氧量下NOx值也是排放模型計算的NOx值。實際NOx值從燃燒調整到生成有一個反應時間，而用理論NOx來參與燃燒調整，調節更快更精準。NOx設定值是依據當地環保政策設定的常數，最終通過PI計算得出PM1_NOx。

3) 此外對NOx還有一個最大設定值，進行PI計算后得出最大NOx排放限制PM1_NOx。

4) PM1燃料管道壓比控制輸出PM1_VPR實際是對燃料流量的控制，測量值是根據噴嘴和歧管之間的差壓與速比燃料閥后壓力P2之間的壓比，設定值是邊界模型給出的設計常數。通過PI計算得出PM1_VPR。

5) PM1燃料閥穩定燃燒裕度控制輸出PM1_SBL：測量值是根據乏氣裕度模型計算出的PM1噴嘴燃燒裕度，設定值是邊界模型給出的設計常數。通過PI計算得出PM1_SBL。

最終經過上述5個控制部分運算得出的PM1指令開度(PM1_MBC)，如圖10所示。

圖10 PM1自動燃燒調整控制圖

3 結語

本文以9FA型燃氣輪機和9FB型燃氣輪機為基礎，從技術概述和主要控制兩個部分分析了兩個機型的控制差異。9FB燃氣輪機無論在機體還是控制上都較9FA先進很多。9FB采用現代航空架構取代傳統控制結構，大量使用模型控制，而且可做到自適應控制，提高了燃料適應性、負荷靈活性、運行穩定性。