PG5361燃機改燒焦爐煤氣時控制系統改造介紹

摘 要：焦爐煤氣是制取焦炭時產生的副產品，是煤焦化過程得到的可燃氣體，直接利用焦爐煤氣作為燃料生產高品位的電能，是焦爐煤氣利用的主導方向，是焦爐煤氣開發利用最經濟、最簡便的方式，前景非常廣闊。燃氣蒸汽聯合循環發電（combined cycle power plant，簡稱CCPP）方式是焦爐煤氣發電的最優方式，其具有熱效率高（發電效率一般能到40%-55%）、污染少、啟動快、占地少、用水量少等優點。但是，由于焦爐煤氣是一種含氫量很高的有毒易燃易爆氣體，在空氣中的爆炸極限范圍寬，燃燒時火焰傳播速度快，存在容易引起回火等問題。對于通常按標準燃料（天然氣和柴油）設計的燃氣輪機，必須對其燃燒系統和控制保護系統進行適當改造設計后才能用于焦爐煤氣燃料發電。

關鍵詞：焦爐煤氣；控制系統改造；研究分析

我公司PG5361燃氣輪機改燒焦爐煤氣已取得成功，在國內外屬首創。現就改燒焦爐煤氣時控制系統改造做一簡單介紹。

1 原控制系統功能簡介

該機組的控制系統是1997年由MARK II 改造升級為MARK V 單通道的系統，使用的是DOS操作系統的人機接口-----機。控制范圍分為三部分：協調控制、順控控制和保護。協調控制主要完成：起動、轉速/負荷、溫度、液體燃料的控制。順控主要完成：啟動和停機過程中控制及監視各種輔機設備。保護功能主要完成：超速、超溫、振動、熄火、燃燒監視、CO2滅火保護、低潤滑油壓、高潤滑油溫等。

單通道MARK V 使用在燃氣輪機控制國內機組僅此一臺。由于原機組僅燃用輕柴油，程序很簡單，主要保護功能，采用直接接入保護模塊的方式。機組有12根排氣測量熱電偶即接入控制器又并入通訊器以增強保護能力。相對于三冗余系統，單通道系統的可靠性較差，但較經濟。由于要改造成燒焦爐煤氣機組，此系統并不是一理想系統，一是可靠性較差，二是程序需大量增加之外要考慮如何兼顧安全可靠，三是操作系統古老操作不便。出于對經濟性和時間要求的考慮，控制系統仍采用單通道MARK V。這樣至少節約了400萬左右的人民幣投資。

2 改造后控制系統新增功能

2.1 基本工作要求

焦爐煤氣屬高氫燃料，直接點火燃燒不安全，需由輕油點火運行并帶有一定負荷時，經氮氣驅氧后才切入燃燒。另外當燃用焦爐煤氣時如果氣體條件不滿足，機組將切回輕油保證機組連續運行，并對氣體燃料管線進行氮氣清吹和封堵，以保證機組安全。下圖為煤氣和氮氣系統主要構成原理圖。

可總結為五種工況，這時氣體燃料閥站各閥門的狀態如下：

（1）燃機處在輕柴油運行，氣體燃料未被作為選擇模式，在輪控盤控制下，氣體燃料閥站各閥門的開/閉配置如下。

氣體燃料閥VS4-11、VSR-11、VGC-11關閉，通氣閥VA13-20打開，VA13-22關閉。使VS4-11和 VSR-11閥間腔室通大氣；氮氣清吹控制閥VAH1-1打開，VAH1-2關閉。使VSR-11和VGC-11閥間腔室充氮氣。

（2）燃機處在輕柴油運行，負荷帶到20%以上，選擇切換到氣體燃料指令（假設氣體燃料已送到VS4-11上游）。在輪控盤程序控制下，氣體燃料閥站各閥門的開/閉配置如下。

氣體燃料閥VS4-11、VSR-11、VGC-11關閉；

通氣閥VA13-20打開，VA13-22打開；

氮氣清吹控制閥VAH1-2打開，氮氣清吹VGC-11下游氣體燃料母管，氮氣清吹VSR-11和VGC-11閥間腔室，保持清吹時間>試驗確定了的值。

（3）燃機由輕柴油切換到氣體燃料，進入氣體燃料模式運行。在輪控盤程序控制下，氣體燃料閥站各閥門的開/閉配置如下。

VA13-20、VA13-22、VAH1-1、VAH1-2關閉，；

VS4-11、VSR-11打開，VGC-11受控打開給氣體燃料母管預充燃料，預充完后VGC-11進入正常運行控制狀態。

（4）機組正常停機或氣體燃料故障，需要從氣體燃料切換到液體燃料。在輪控盤程序控制下，氣體燃料閥站各閥門的開/閉配置如下。

VS4-11、VSR-11、VGC-11關閉，使氣體燃料供給關斷；

VAH1-2打開，使氮氣清吹氣體燃料母管大于試驗確定了的值；

VA13-22、VAH1-1打開，使氮氣清吹VSR-11和VGC-11閥間腔室； 就此完成氣體燃料到液體燃料的切換。

（5）機組遮斷。在輪控盤程序控制，氣體燃料閥站各閥門的開/閉配置如下。

VS4-11、VSR-11、VGC-11關閉，關斷氣體燃料供給；

VA13-20、VA13-22、VAH1-1、VAH1-2打開，使氮氣清吹VSR-11和VGC-11閥間腔室、氮氣清吹氣體燃料母管；清吹完成后，VAH1-2、VA13-22關閉，使VSR-11和VGC-11閥間腔室充氮氣。

2.2 新增功能

為完成上述功能，對MARK V控制系統的控制程序進行了大量增加，主要包括：（1）在燒油時，打開相應的閥門，實行氮氣封堵功能，保證機組安全運行。（2）判別允許切換氣體的條件，如氣體燃料壓力、機組負荷、氮氣壓力、檢測系統狀況等等。（3）施行氮氣清吹氣體管線，并保證氮氣量和清吹時間達到試驗所要求的值。（4）進行油-氣平穩切換，切換速率兼顧煤氣壓縮機的調節要求。（5）具有油-氣混合燃燒功能。混合區域與功率大小有關。（6）當燃氣條件，氮氣條件等不滿足時，自動進行氣——油切換并根據不同原因自動選擇切換速率，保證機組連續運行。（7）在出現不當條件時，區別不同原因采取自動停機和遮斷機組。（8）對煤氣泄漏進行多種手段監視，如可燃氣體、一氧化碳、紫外光。確保人身設備安全。（9）增加氣體燃料監視畫面，直觀形象觀察運行參數及閥位狀況。（10）增加通風機控制，滿足危險區域的通風可靠。

3 結束語

通過這次改造工程的順利完成，從控制系統的改造來說，關鍵的工作是編寫的程序如何滿足焦爐煤氣這種中熱值、高氫燃料的特殊要求：安全、穩定、可靠。為此新增了3個自動停機信號、9個自動跳機信號、4個允許起動信號、7個氣體燃料選擇允許信號、12個自動切油信號、77條報警信息。整個改造程序增加的梯級數大于200條。增加的I/O點多于67點。