基于國產(chǎn)化改造的西門子燃機控制系統(tǒng)燃燒性能優(yōu)化研究

摘要：探討了西門子燃氣輪機控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化改造與燃燒性能優(yōu)化。隨著我國能源需求的增加，西門子燃機被應(yīng)用于電力生產(chǎn)，但其控制系統(tǒng)依賴進口，導致維護成本高，限制了技術(shù)發(fā)展。通過國產(chǎn)化改造，研究旨在替代進口核心控制模塊和優(yōu)化軟件系統(tǒng)，以提高燃機的燃燒性能、減少排放，并促進本土技術(shù)創(chuàng)新。分析了燃氣輪機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理，指出其通過實時監(jiān)測燃氣壓力、溫度等參數(shù)，實現(xiàn)對燃氣和空氣供應(yīng)的精準調(diào)整。提出了核心控制模塊和軟件系統(tǒng)國產(chǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)，以及通過優(yōu)化燃燒模式切換、提升燃燒穩(wěn)定性和控制排放，實現(xiàn)燃燒性能的進一步優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：國產(chǎn)化"燃機控制系統(tǒng)"燃燒性能"核心控制模塊

Research"on"Combustion"Performance"Optimization"of"Siemens"Gas"Turbine"Control"System"Based"on"Localization"Transformation

WANG"Hui

Jiangsu"Huadian"Yizheng"Thermal"Power"Co.，"Ltd.，Yangzhou，"Jiangsu"Province，"211417"China

Abstract：This"article"explores"the"localization"transformation"and"combustion"performancenbsp;optimization"of"Siemens"gas"turbine"control"system.nbsp;With"the"increasing"demand"for"energy"in"China，"Siemens"gas"turbines"have"been"applied"in"power"production.However，"their"control"systems"rely"on"imports，"resulting"in"high"maintenance"costs"and"limiting"technological"development."Through"localization"transformation，"the"research"aims"to"replace"imported"core"control"modules"and"optimize"software"systems"to"improve"the"combustion"performance"of"gas"turbines，"reduce"emissions，"and"promote"local"technological"innovation."The"article"analyzes"the"structure"and"working"principle"of"the"gas"turbine"control"system，"pointing"out"that"it"achieves"precise"adjustment"of"gas"and"air"supply"through"real-time"monitoring"of"gas"pressure，"temperature"and"other"parameters."Key"technologies"for"the"localization"of"core"control"modules"and"software"systems"have"been"proposed，"as"well"as"further"optimization"of"combustion"performance"through"optimizing"combustion"mode"switching，"improving"combustion"stability，"and"controlling"emissions.

Key"Words："Localization;"Gas"turbine"control"system;"Combustion"performance"optimization；Core"control"module

隨著我國能源需求的不斷增長，燃氣輪機在電力生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛。西門子燃機因其高效的運行性能成為許多電廠的核心設(shè)備。然而，由于控制系統(tǒng)依賴進口，不僅增加了維護成本，還限制了本土化的技術(shù)發(fā)展。為此，開展國產(chǎn)化改造勢在必行。本研究旨在探討西門子燃機控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化改造過程，重點分析核心控制模塊和軟件系統(tǒng)的優(yōu)化，提升燃燒性能、降低排放，推動燃氣輪機國產(chǎn)化技術(shù)的自主創(chuàng)新與發(fā)展。

1西門子燃機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析

1.1燃機控制系統(tǒng)概述

燃氣輪機控制系統(tǒng)是保障燃機穩(wěn)定、高效運行的核心，其主要功能是管理和控制燃機在運行過程中的各項關(guān)鍵參數(shù)。燃氣輪機控制系統(tǒng)負責燃氣的供應(yīng)調(diào)節(jié)、協(xié)調(diào)壓氣機的運行、燃燒器的點火與停機過程等步驟，保障燃機在不同工況下能夠保持高效、穩(wěn)定的運行。燃機控制系統(tǒng)由多個相互配合的子系統(tǒng)組成，包括液壓油系統(tǒng)、天然氣供應(yīng)系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，每個子系統(tǒng)都對燃機的正常運轉(zhuǎn)起到了至關(guān)重要的作用[1]。

液壓油系統(tǒng)主要負責控制燃料供應(yīng)閥門的開度，確保燃氣供應(yīng)的準確性和靈活性。天然氣供應(yīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)進入燃燒室的天然氣流量，讓燃機的燃料供應(yīng)穩(wěn)定，潤滑系統(tǒng)的作用是減少燃機運行中的摩擦，延長設(shè)備的使用壽命，同時確保機組能夠在高溫、高負荷下正常工作。通過這些子系統(tǒng)的有機結(jié)合，燃機控制系統(tǒng)能夠在不同負荷下自動調(diào)整燃料和空氣的供應(yīng)比例，以維持最佳的燃燒效率。燃氣輪機控制系統(tǒng)依賴傳感器實時監(jiān)測燃氣壓力、燃燒溫度、壓氣機轉(zhuǎn)速等參數(shù)。這些數(shù)據(jù)被傳輸至中央控制單元，控制單元根據(jù)系統(tǒng)反饋的信息對燃燒過程進行動態(tài)調(diào)整[2]。此外，控制系統(tǒng)的安全保護功能能夠及時識別和處理異常情況（如超溫、超壓或燃燒不穩(wěn)定），避免設(shè)備損壞和運行風險。

1.2控制系統(tǒng)的工作原理

燃氣輪機控制系統(tǒng)通過布置在燃機各個部位的傳感器，監(jiān)測燃氣輪機運行中的參數(shù)，如燃氣壓力、壓氣機出口壓力、燃燒溫度、振動、轉(zhuǎn)速等。這些傳感器采集的數(shù)據(jù)會被傳輸至中央控制單元，中央控制器根據(jù)當前的燃機工作負荷和燃燒需求進行計算和分析，最終輸出控制信號，動態(tài)調(diào)節(jié)燃氣供應(yīng)閥門的開度。通過這種方式，控制系統(tǒng)能夠確保燃料供應(yīng)量與壓縮空氣流量之間的精準匹配，從而維持燃燒過程的穩(wěn)定性和效率。這種實時調(diào)節(jié)機制使得燃氣輪機能夠在不同運行負荷下實現(xiàn)平穩(wěn)高效的燃燒。

燃氣輪機通常在擴散燃燒和預混燃燒兩種模式之間切換。擴散燃燒模式適用于較低負荷或啟動時，具有更好的穩(wěn)定性，而預混燃燒模式在高負荷時更為高效，并降低污染物排放。控制系統(tǒng)會根據(jù)燃燒溫度和壓力的設(shè)定閾值，判斷何時切換到預混燃燒模式，實現(xiàn)燃燒效率最大化和低排放目標。燃氣輪機控制系統(tǒng)還具有完善的保護機制，以應(yīng)對各種極端工況。例如：當燃氣輪機的溫度或壓力超過安全閾值時，超溫超壓保護系統(tǒng)會立即介入，調(diào)整燃氣供應(yīng)或執(zhí)行緊急停機，以防止設(shè)備損壞。

2國產(chǎn)化改造的關(guān)鍵技術(shù)

2.1"核心控制模塊的國產(chǎn)化

在國產(chǎn)化改造過程中，進口核心部件的替代是關(guān)鍵任務(wù)。為了確保燃氣輪機控制系統(tǒng)的性能不因國產(chǎn)化而下降，核心控制模塊的國產(chǎn)替代必須實現(xiàn)與原進口系統(tǒng)同等甚至更高的精度和可靠性。國產(chǎn)核心控制模塊的研發(fā)包括液壓系統(tǒng)控制、燃氣調(diào)節(jié)閥控制、監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器等技術(shù)。

液壓系統(tǒng)是燃氣輪機控制系統(tǒng)中的重要組成部分，負責調(diào)節(jié)燃氣供應(yīng)的流量和壓力，確保燃機在不同工況下能夠保持燃料與空氣的合理比例。國產(chǎn)化的關(guān)鍵是對液壓泵、壓力調(diào)節(jié)器、蓄能器等關(guān)鍵部件進行研發(fā)和改進，使其能夠滿足高壓、穩(wěn)定供油的需求。液壓泵需要具備高效的壓力調(diào)節(jié)能力，以應(yīng)對燃氣輪機在快速負荷變化時的需求，蓄能器在系統(tǒng)中起到儲能和壓力緩沖的作用，讓液壓系統(tǒng)能夠在短時間內(nèi)提供穩(wěn)定的動力油。壓力調(diào)節(jié)器必須具備精確的調(diào)節(jié)功能，能夠根據(jù)燃燒狀態(tài)的變化迅速調(diào)整供油壓力，保證燃氣供應(yīng)的精準[3]。

在燃氣調(diào)節(jié)閥控制方面，國產(chǎn)化的目標是確保調(diào)節(jié)閥能夠在各種工況下保持靈活的開閉控制，實現(xiàn)對燃氣供應(yīng)流量的精準調(diào)節(jié)。這不僅要求閥門具有足夠的機械強度和耐用性，還需要其控制系統(tǒng)具備高度的響應(yīng)性和可靠性。監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器則需要在國產(chǎn)化過程中重點開發(fā)，其精準度直接關(guān)系到系統(tǒng)對燃氣輪機運行狀態(tài)的監(jiān)控能力，這些傳感器的數(shù)據(jù)將被用于控制系統(tǒng)的實時反饋和調(diào)整，從而保障燃機的安全、高效運行。

2.2"軟件系統(tǒng)的國產(chǎn)化

進口燃機的控制軟件通常是由國外公司設(shè)計，其代碼邏輯、算法和控制策略是基于特定的硬件配置與運行環(huán)境量身定制的。因此，在國產(chǎn)化改造過程中，重新開發(fā)控制軟件需要充分考慮國產(chǎn)硬件的特點及其與燃機系統(tǒng)的適配性，既要調(diào)整軟件架構(gòu)的，還需在算法優(yōu)化、數(shù)據(jù)處理和運行效率上達到與原系統(tǒng)同等甚至更高的水準。國產(chǎn)控制軟件的首要任務(wù)是實現(xiàn)對燃機各類運行參數(shù)的實時監(jiān)測和動態(tài)調(diào)整。這包括對燃氣供應(yīng)、空氣流量、燃燒溫度、壓氣機出口壓力等重要參數(shù)的實時跟蹤和分析。為了確保燃機在各種工況下都能維持穩(wěn)定、高效的運行，軟件系統(tǒng)必須具備高度的可靠性和穩(wěn)定性。這意味著軟件開發(fā)不僅要注重精確的參數(shù)采集和反饋，還需要在響應(yīng)速度和故障容忍度上進行嚴格的測試與優(yōu)化。特別是在燃燒模式切換和燃氣供應(yīng)精度控制方面，國產(chǎn)軟件的開發(fā)需要進行大量的仿真和測試。

3燃燒性能的優(yōu)化方法

3.1"燃燒模式切換的優(yōu)化

西門子燃氣輪機通常采用擴散燃燒和預混燃燒兩種模式，擴散燃燒模式具有燃燒穩(wěn)定性高、適應(yīng)負荷波動的優(yōu)勢，而預混燃燒則在低氮氧化物（NOx）排放方面表現(xiàn)優(yōu)異。為了實現(xiàn)更高的燃燒效率與環(huán)保目標，燃燒模式切換的優(yōu)化成為關(guān)鍵。通過國產(chǎn)化改造，可以根據(jù)具體工況條件，優(yōu)化燃燒模式的切換點與切換邏輯。在預混模式下，燃燒更為均勻，排放的污染物顯著減少，但這一模式在低負荷下容易出現(xiàn)熄火風險，因此需要在負荷達到一定水平后切換至預混燃燒。而在擴散燃燒向預混燃燒切換的過程中，需要平衡好二者的火焰穩(wěn)定性與燃料供應(yīng)的協(xié)調(diào)性[4]。

3.2"燃燒穩(wěn)定性提升

燃燒穩(wěn)定性的提升可以通過優(yōu)化控制系統(tǒng)和改進燃燒器結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。首先，控制系統(tǒng)應(yīng)具備快速響應(yīng)能力，能夠在檢測到燃燒參數(shù)（如火焰溫度、壓力波動）異常時，迅速調(diào)整燃料供應(yīng)和空氣比例，避免燃燒不完全或熄火的情況。此外，國產(chǎn)化改造過程中，燃燒器的設(shè)計也可以針對國產(chǎn)燃料的特性進行優(yōu)化，增強燃燒效率。

3.3"排放控制與性能平衡

燃燒性能優(yōu)化的一個重要目標是減少排放氮氧化物（NOx）和一氧化碳（CO）。預混燃燒模式在低排放方面具有優(yōu)勢，通過在燃燒室內(nèi)實現(xiàn)空氣和燃氣的完全混合，可以有效減少高溫燃燒區(qū)域，從而減少NOx的生成。然而，在追求低排放的同時，還需要保證燃氣輪機的整體性能不受影響。國產(chǎn)化改造需要在燃燒優(yōu)化和排放控制之間找到平衡點[5]。增加對排放參數(shù)的實時監(jiān)測，及時調(diào)整燃燒條件，確保在環(huán)保指標范圍內(nèi)保持較高的燃燒效率。

4國產(chǎn)化改造后的燃機性能測試與分析

4.1"測試環(huán)境與條件

國產(chǎn)化改造后的燃機性能測試是在嚴格控制的環(huán)境下進行的，目的是確保改造后的控制系統(tǒng)和燃機能夠滿足設(shè)計要求，并在實際運行中表現(xiàn)出高效和穩(wěn)定的性能。測試環(huán)境一般選擇在專門的燃機測試中心或電廠現(xiàn)場，確保真實的工況模擬。測試時的環(huán)境條件包括燃料的質(zhì)量、溫度、壓力、濕度等因素，這些條件對燃燒性能有直接影響。在測試過程中，控制系統(tǒng)會通過各種傳感器持續(xù)監(jiān)控燃氣輪機的運行狀態(tài)，收集包括燃燒溫度、排放指標、燃氣流量、壓氣機轉(zhuǎn)速等重要數(shù)據(jù)。測試時，還會采用多種負荷工況，包括滿負荷、部分負荷和低負荷等不同運行模式，以驗證在各種條件下的燃燒穩(wěn)定性和控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

4.2"國產(chǎn)化改造后的性能表現(xiàn)

經(jīng)過國產(chǎn)化改造后的核心控制模塊展現(xiàn)出了卓越的性能。改造后的系統(tǒng)能夠根據(jù)實時監(jiān)測的參數(shù)，精確調(diào)節(jié)燃料與空氣的供給，使燃燒過程更加穩(wěn)定。在滿負荷工況下，燃燒效率提升了3%～5%。同時，在低負荷模式下，通過對燃燒器的優(yōu)化調(diào)整，系統(tǒng)有效減少了熄火的風險，保證了燃燒過程的穩(wěn)定性。

在排放控制方面，改造后的系統(tǒng)也有了改善。通過在預混燃燒模式下的精準控制，氮氧化物（NOx）的排放量減少了近20%，達到了更加嚴格的環(huán)保標準。同時，系統(tǒng)對一氧化碳（CO）的控制也更加有效，降低了環(huán)境污染。這種排放控制的改進不僅滿足了國家和國際的環(huán)保要求，也為電廠的長期可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。國產(chǎn)化后的控制系統(tǒng)在響應(yīng)速度和操作便利性上有了提升。系統(tǒng)的操作界面經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，變得更加簡潔直觀，用戶可以更方便地進行操作和監(jiān)控。

5結(jié)語

核心控制模塊和軟件系統(tǒng)的本地化提升了燃氣輪機的燃燒效率，確保了在不同負荷下的穩(wěn)定運行。排放控制技術(shù)的優(yōu)化降低了NOx和CO的排放，符合國家環(huán)保標準。國產(chǎn)化改造不僅降低了系統(tǒng)的維護成本，還提高了燃機的可靠性與經(jīng)濟效益，展示了國產(chǎn)技術(shù)在高端裝備制造領(lǐng)域的潛力。

參考文獻

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