基于燃燒模式切換的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略研究與應(yīng)用

張 劍

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 華東分公司, 合肥 230000)

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)模式下燃?xì)廨啓C(jī)(簡稱燃機(jī))承擔(dān)主要的能量輸出，汽輪機(jī)起跟隨作用，因此負(fù)荷變化首先作用在燃機(jī)上，隨著燃機(jī)出力提高，余熱鍋爐蒸發(fā)量增大，從而汽輪機(jī)負(fù)荷跟隨增加[1]。協(xié)調(diào)控制一般采取將總負(fù)荷指令減去蒸汽輪機(jī)的實(shí)際負(fù)荷然后分配至燃機(jī)，實(shí)現(xiàn)總負(fù)荷指令的平衡。在燃機(jī)負(fù)荷變化過程中可能會(huì)出現(xiàn)其特有燃燒模式的切換，而燃燒模式與燃機(jī)排放和穩(wěn)定燃燒密切相關(guān)。

筆者以GE 9E型燃機(jī)為例，引入燃燒基準(zhǔn)溫度至聯(lián)合循環(huán)機(jī)組協(xié)調(diào)控制中，解決聯(lián)合循環(huán)過程燃機(jī)在負(fù)荷變動(dòng)過程中易出現(xiàn)的燃燒模式切換、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍小的問題，實(shí)現(xiàn)燃機(jī)負(fù)荷和汽輪機(jī)負(fù)荷的智能分配。

1 常規(guī)聯(lián)合循環(huán)協(xié)調(diào)控制策略

對于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，機(jī)組負(fù)荷控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)為：通過改變?nèi)紮C(jī)側(cè)和汽輪機(jī)側(cè)的負(fù)荷，控制聯(lián)合循環(huán)機(jī)組總負(fù)荷為期望目標(biāo)值[2]。以GE 9E型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為例，為充分保證燃機(jī)側(cè)負(fù)荷快速響應(yīng)和減少汽輪機(jī)閥門節(jié)流損失，燃機(jī)側(cè)接受機(jī)組協(xié)調(diào)控制中負(fù)荷分配算法計(jì)算的燃機(jī)負(fù)荷指令，汽輪機(jī)側(cè)保持調(diào)門全開滑壓運(yùn)行。其負(fù)荷分配算法為：

(1)

式中：FRTU為通信單元；ADS為中調(diào)負(fù)荷指令；NLD為機(jī)組負(fù)荷目標(biāo)；NLDMD為機(jī)組實(shí)際負(fù)荷指令；GNLD為燃機(jī)負(fù)荷指令；TNE為汽輪機(jī)實(shí)際負(fù)荷；GNE為燃機(jī)實(shí)際負(fù)荷；RFSR為燃機(jī)燃料指令；LC為燃機(jī)負(fù)荷控制器；FX為限幅/限速單元。

由式(1)可知，常規(guī)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)協(xié)調(diào)控制策略主要控制思想是：燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組在投入自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)的情況下，通過對電網(wǎng)側(cè)負(fù)荷指令進(jìn)行適當(dāng)?shù)牧恐迪拗坪妥兓俾氏拗铺幚砗螅贸鯪LDMD。汽輪機(jī)側(cè)為調(diào)門全開的開環(huán)跟隨控制，汽輪機(jī)側(cè)將當(dāng)前熱負(fù)荷最大限度轉(zhuǎn)換為電功率。因此，為了保證聯(lián)合循環(huán)機(jī)組總目標(biāo)負(fù)荷，GNLD由目標(biāo)負(fù)荷和汽輪機(jī)實(shí)際負(fù)荷差值得出。常規(guī)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組協(xié)調(diào)控制的控制框圖見圖1。

圖1 常規(guī)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)協(xié)調(diào)控制框圖

該燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)協(xié)調(diào)控制策略滿足聯(lián)合循環(huán)機(jī)組整體的能量平衡，控制策略簡單實(shí)用；但作為燃機(jī)和汽輪機(jī)的上層負(fù)荷分配單元，這種控制策略并未考慮到燃機(jī)自身在其特有的燃燒模式切換過程下，如何根據(jù)其燃燒模式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)上層負(fù)荷分配單元，保證聯(lián)合循環(huán)機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

2 DLN1.0燃燒模式切換對協(xié)調(diào)控制的影響

燃機(jī)作為聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的能量輸入，其燃燒的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)環(huán)保性是機(jī)組至關(guān)重要的。為了保證燃機(jī)在各個(gè)工況下的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，燃機(jī)在燃燒過程設(shè)計(jì)了多種燃燒模式及切換過程，部分燃燒模式的切換點(diǎn)也會(huì)出現(xiàn)在協(xié)調(diào)控制的負(fù)荷范圍內(nèi)。因此，協(xié)調(diào)控制策略需要針對燃燒模式切換進(jìn)行相應(yīng)控制策略設(shè)計(jì)。

以GE 9E型燃機(jī)200 MW等級(jí)的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為例，其燃機(jī)DLN1.0的燃燒模式中正常啟動(dòng)模式5種，正常停機(jī)模式4種，另外有2種特殊燃燒模式代表燃燒異常[3]。燃燒模式的切換點(diǎn)由燃燒基準(zhǔn)溫度(TTRF)決定，其具體燃燒模式和切換過程見表1。

表1 DLN1.0燃燒模式種類及切換表

由表1可知：在聯(lián)合循環(huán)機(jī)組帶負(fù)荷過程中主要運(yùn)行在預(yù)混燃燒模式，隨著不同的負(fù)荷變化，燃機(jī)的燃燒基準(zhǔn)溫度隨之發(fā)生變化，運(yùn)行過程中可能會(huì)出現(xiàn)燃機(jī)的燃燒模式發(fā)生切換。而燃機(jī)燃燒模式的切換是遵循在啟動(dòng)或停機(jī)過程固定設(shè)計(jì)的程序，若聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在燃機(jī)不同燃燒模式下機(jī)組負(fù)荷指令發(fā)生升降變化，則有可能導(dǎo)致燃機(jī)進(jìn)入異常燃燒模式，威脅機(jī)組運(yùn)行安全(見圖2)。

圖2 負(fù)荷變化過程中的燃燒模式切換

由圖2可知：當(dāng)機(jī)組在升降負(fù)荷過程中，如果燃機(jī)由預(yù)混穩(wěn)定的燃燒模式進(jìn)行降負(fù)荷，一旦降負(fù)荷范圍過大，使得燃機(jī)進(jìn)入貧貧(負(fù))模式，則燃機(jī)需要繼續(xù)進(jìn)行降負(fù)荷至貧貧(正)模式，才能進(jìn)入升負(fù)荷的燃燒模式切換程序，否則燃機(jī)有可能進(jìn)入擴(kuò)展貧貧的異常燃燒模式。燃機(jī)在擴(kuò)展貧貧燃燒模式下運(yùn)行，將嚴(yán)重降低火焰筒和過渡段高溫部件的使用壽命，大大影響機(jī)組安全運(yùn)行。

因此，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在其負(fù)荷變化過程中必須考慮燃燒模式切換下協(xié)調(diào)控制中負(fù)荷分配的控制策略設(shè)計(jì)，在確保機(jī)組安全運(yùn)行的前提下，完成總體負(fù)荷分配。

3 基于燃燒模式切換的新型協(xié)調(diào)控制策略

GE 9E型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在正常運(yùn)行過程中，燃機(jī)一般均處于燃燒較穩(wěn)定且排放較低的預(yù)混穩(wěn)定燃燒模式。通過前述分析，協(xié)調(diào)控制的負(fù)荷分配在聯(lián)合循環(huán)機(jī)組運(yùn)行過程中需要解決2個(gè)問題：

(1)如何在負(fù)荷升降變化過程中，避免負(fù)荷下降至燃燒模式切換至貧貧(負(fù))模式。常規(guī)方法是通過設(shè)置負(fù)荷下限來解決該問題，但由于燃燒模式切換的主線并不是負(fù)荷，而且由于對象特性的變化，會(huì)導(dǎo)致不同工況下相同的負(fù)荷對應(yīng)燃燒模式也存在差別，因此負(fù)荷下限并不能安全保障燃機(jī)燃燒模式切換。

(2)如何在燃機(jī)預(yù)混穩(wěn)定燃燒模式范圍內(nèi)，通過調(diào)整汽輪機(jī)負(fù)荷大大拓寬聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍。因?yàn)槿紮C(jī)預(yù)混穩(wěn)定燃燒模式范圍有限，為了防止燃燒模式切換，常規(guī)協(xié)調(diào)控制策略的負(fù)荷下限經(jīng)常設(shè)置過高，導(dǎo)致大部分聯(lián)合循環(huán)機(jī)組整體負(fù)荷調(diào)整范圍過小，受到電網(wǎng)AGC考核嚴(yán)重。

為了解決上述2個(gè)問題，設(shè)計(jì)一種基于燃燒模式切換的智能負(fù)荷分配的協(xié)調(diào)控制策略，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(2)

式中：TNLD為汽輪機(jī)負(fù)荷指令；GNE為燃機(jī)實(shí)際功率；LD為閉鎖減單元;TOUT為汽輪機(jī)控制輸出；PPID為調(diào)節(jié)器。

比較式(1)和式(2)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的智能負(fù)荷分配的協(xié)調(diào)控制思想為：(1)引入燃機(jī)的燃燒基準(zhǔn)溫度TTRF至協(xié)調(diào)控制中，當(dāng)TTRF接近燃燒模式切換點(diǎn)且機(jī)組繼續(xù)降負(fù)荷，則執(zhí)行燃機(jī)負(fù)荷指令下降速率自動(dòng)減小和閉鎖燃機(jī)負(fù)荷指令減小的程序，確保燃機(jī)燃燒模式不進(jìn)行切換；(2)在燃機(jī)處于燃燒模式切換點(diǎn)時(shí)，若機(jī)組繼續(xù)進(jìn)行降負(fù)荷，負(fù)荷分配控制策略自動(dòng)投入汽輪機(jī)調(diào)整負(fù)荷控制。為滿足整體能量平衡，汽輪機(jī)負(fù)荷指令設(shè)計(jì)為機(jī)組負(fù)荷指令減去燃機(jī)實(shí)際負(fù)荷，確保最大范圍挖掘機(jī)組負(fù)荷調(diào)整范圍。具體控制框圖見圖3。

T—選擇器；K—乘法系數(shù)；F—控制前饋。圖3 基于燃燒模式切換的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組協(xié)調(diào)控制框圖

4 基于燃燒模式切換的協(xié)調(diào)控制策略應(yīng)用

某GE 9E型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組初始協(xié)調(diào)控制策略設(shè)計(jì)為常規(guī)的燃機(jī)調(diào)整負(fù)荷，汽輪機(jī)調(diào)門全開跟隨控制。在實(shí)際運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)燃燒模式切換，降負(fù)荷工況下燃機(jī)從預(yù)混燃燒模式切換至貧貧(負(fù))模式。隨著AGC指令又要求升負(fù)荷，使得燃機(jī)進(jìn)入擴(kuò)展貧貧的異常燃燒模式，威脅機(jī)組安全運(yùn)行。此種異常工況下運(yùn)行人員只能通過提高負(fù)荷下限，減小機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍，導(dǎo)致機(jī)組受到電網(wǎng)細(xì)則考核，影響機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

經(jīng)采用基于燃燒模式切換的智能負(fù)荷分配協(xié)調(diào)控制后，當(dāng)運(yùn)行工況接近燃燒模式切換點(diǎn)時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)降低燃機(jī)降負(fù)荷速率和閉鎖負(fù)荷指令減小的程序，避免燃機(jī)進(jìn)入燃燒模式切換(見圖4)。另外，當(dāng)運(yùn)行工況接近燃燒模式切換點(diǎn)不再有向下調(diào)節(jié)裕度時(shí)，智能負(fù)荷分配的協(xié)調(diào)控制策略自動(dòng)轉(zhuǎn)為汽輪機(jī)調(diào)整負(fù)荷，保證聯(lián)合循環(huán)機(jī)組整體調(diào)節(jié)負(fù)荷范圍，減小機(jī)組受到電網(wǎng)細(xì)則考核，提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性(見圖5)。

圖4 燃燒模式自動(dòng)判斷，避免燃燒模式切換

圖5 因燃燒模式無調(diào)節(jié)裕度，自動(dòng)轉(zhuǎn)為汽輪機(jī)調(diào)整負(fù)荷

5 結(jié)語

通過對GE 9E型燃機(jī)燃燒模式切換機(jī)理分析，引入燃燒基準(zhǔn)溫度至聯(lián)合循環(huán)機(jī)組協(xié)調(diào)控制中，實(shí)現(xiàn)燃機(jī)負(fù)荷和汽輪機(jī)負(fù)荷的智能分配。在保證燃機(jī)燃燒安全的前提下，通過汽輪機(jī)調(diào)整負(fù)荷拓寬聯(lián)合循環(huán)機(jī)組負(fù)荷調(diào)整范圍，大大提高聯(lián)合循環(huán)機(jī)組運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性。