SGT5-4000F型聯合循環機組煙溫控制淺析

Analysis of Flue Gas Temperature Control for SGT5-4000F CCPP

林士兵　戴云飛　唐珠珠

(上海申能臨港燃機發電有限公司，上?！?01306)

SGT5-4000F型聯合循環機組煙溫控制淺析

Analysis of Flue Gas Temperature Control for SGT5-4000F CCPP

林士兵戴云飛唐珠珠

(上海申能臨港燃機發電有限公司，上海201306)

摘要：以西門子SGT5-4000F型燃氣-蒸汽聯合循環發電機組為例，對聯合循環的核心設備——燃氣輪機的排煙溫度控制進行了研究，剖析了燃氣輪機排煙溫度控制的作用、控制原理，以及影響排煙溫度控制的各種因素(包括汽輪機、余熱鍋爐、燃氣輪機自身等影響因素)。在此基礎上，為降低環保排放,提出了通過優化排煙溫度控制策略來進一步提高機組運行穩定性、經濟性和機組最大出力等設想，為同類型機組提供參考。

第一作者林士兵(1983-)，男，2006年畢業于上海交通大學控制理論與控制工程專業，獲碩士學位，工程師；主要從事發電廠熱控檢修、技術管理和機組方面的籌建工作。

關鍵詞：聯合循環SGT5-4000F協調控制燃氣OTC

Abstract：Taking Siemens SGT5-4000F fuel gas-steam combined cycle power plant(CCPP)as example, the flue gas temperature control of the core equipment, i.e., gas turbine is studied, the flue gas temperature control function, the control principle, and various factors affecting the temperature control, including turbine, heat recovery boiler, and gas turbine itself are dissected. On this basis, several ideas for improving the operation stability, economic benefit and maximum output of the unit, reducing environmental emissions of CCPP by optimizing the flue gas temperature control strategy are proposed to provide reference to similar power units.

Keywords：Combined cycleSGT5-4000FCoordinated controlFlue gasOutlet temperature calculated

0引言

燃氣-蒸汽聯合循環發電機組因其高效、環保、自動化程度高而得到大力發展。作為聯合循環發電機組的核心設備——燃氣輪機的三大國際品牌之一的西門子燃機，因其高效、高可靠性和先進的設計而得到越來越多的應用。

西門子SGT5-4000F型燃氣-蒸汽聯合循環發電機組是目前被廣泛應用的F級機組，其機組級協調控制主要由負荷控制、溫度控制和壓力控制三部分組成。協調控制根據機組的不同運行工況，給出相應的負荷、溫度、壓力設定值指令，協調燃機、余熱鍋爐和汽機的啟停及不同負荷的運行。其中,溫度控制分為燃機排煙溫度控制和余熱鍋爐蒸汽溫度控制，前者由燃機調節燃料量和空氣進氣量實現，后者通過鍋爐減溫水系統完成。

本文對機組啟停及運行具有重要影響的燃機排煙溫度控制進行分析，介紹了排煙溫度控制的作用、原理以及各種影響因素，并提出優化排煙溫度控制的一些設想。

1排煙溫度控制作用和原理

SGT5-4000F型燃機的排煙溫度控制是由燃機控制系統中的排煙溫度控制器來完成的。排煙溫度控制器包括進口可調導葉(IGV)溫度控制器和經過修正的透平出口溫度(outlet temperature calculated,OTC)控制器，它是燃機控制系統的核心環節，主要通過調節燃料量和空氣進氣量，使燃機透平入口溫度在不高于設計值下穩定運行。排煙溫度控制的主要目標是控制透平入口溫度，其主要作用如下[1-4]。

① 保持穩定的燃機透平入口溫度；

② 限制燃機透平入口溫度在允許條件下的一個最高值，在確保安全的情況下盡可能提高效率；

③ 聯合循環模式下，滿足啟動階段燃機同余熱鍋爐、汽機的溫度匹配；

④ 特定工況下，快速減少燃機透平出口溫度，保護設備。

對于SGT5-4000F型燃機而言，由于透平入口溫度很高(約1 350 ℃)，無法實現長期直接測量，而透平出口溫度相對較低(約600 ℃)，易被精確測得。因此，作為替代的解決方案，西門子燃機的排煙溫度控制器正是通過控制透平出口溫度(經修正后)來間接控制燃機透平入口溫度的[5-6]。OTC是一個虛擬的被控變量，通過它可間接表征透平入口溫度的狀況。因為對于燃機而言，壓氣機入口溫度、燃機轉速和空氣相對濕度等因素會影響燃機透平的膨脹比，繼而影響透平的焓降及透平出口溫度，若將容易測得的透平出口溫度進行壓氣機入口溫度。燃機轉速和空氣相對濕度等因素的修正，則經過修正的燃機透平出口溫度同透平入口溫度將形成相對固定的對應關系。因此，通過控制經修正的透平出口溫度(OTC)，可間接控制燃機透平入口溫度，實現排煙溫度控制目標[7-8]。

西門子SGT5-4000F型燃機的OTC修正計算公式如下：

OTC=TOT+[TVI×k11+TVI2×k12+TVI3×k13+TVI2×DNN×k18+TVI×DNN×k16+DNN×k14+TVI×DNN2×k17+DNN2×k15]+{[DNN×(TVI+a)2×k1+(TVI+a)3×k2]×(TVI×k3-b-DEW)/(TVI-DEW+c)}

以上公式涉及的變量含義如下。

① 透平出口溫度(TOT)由安裝在燃機排氣擴散段的24支熱電偶測量后取均值得到。

②k11、k12、k13、k14、k15、k16、k17、k18，k1、k2、k3、a、b、c均為常數系數。

③DNN=1-NT/50S-1，燃機未并網時DNN取0。

④TVI為壓氣機入口溫度。

⑤NT為燃機轉速。

⑥DEW為進氣露點溫度。

由此看出，當環境溫、濕度一定時，控制OTC也將控制燃機排向余熱鍋爐的煙溫(TOT)，對余熱鍋爐、汽機產生影響。

由于IGV溫度控制器和OTC控制器均用于控制燃機排煙溫度，因此二者均采用上述OTC修正計算值作為被調量。但二者又有不同之處：IGV溫度控制器是在IGV介于全關和全開狀態之間，可以在自由調節開度時起作用，用于控制部分負荷下的燃機排煙溫度，其調節量是IGV開度(空氣進氣量)；OTC控制器是在IGV全開或全關情況下起作用，用于限制燃機在額定負荷下不超溫，或在啟動暖機階段通過限制燃機排煙溫度來保證余熱鍋爐不超溫，以減少熱應力，OTC控制器的調節量是燃料閥開度(燃料量)。

為了提高IGV溫度控制的動態響應速度，在IGV溫控回路中引入了前饋環節，將燃料量綜合輸出(Ymin)作為前饋，來提前調節IGV開度，再通過PID閉環調節來實現排煙溫度的穩態控制。

2排煙溫度設定值的形成

西門子SGT5-4000F型燃氣-蒸汽聯合循環發電機組排煙溫度定值形成回路如圖1所示。

圖1　發電機組排煙溫度定值形成回路

燃機排煙溫度控制主要通過調節燃料量和空氣進氣量，使燃氣輪機在最優的透平入口溫度下運行，其控制過程要同時兼顧燃機效率、出力、透平初溫、環保排放、燃燒穩定性等多個因素；聯合循環模式下，還要兼顧余熱鍋爐、汽機的熱應力要求[9-10]。因此，燃機排煙溫度設定值可分為單循環和聯合循環兩種模式。

2.1　單循環模式下的溫度定值

在燃機單循環模式下，排煙溫度設定值的形成主要考慮燃機效率、最大出力、透平初溫、環保排放、燃燒穩定性等因素。

部分負荷下，由IGV溫度控制器調節排煙溫度，此時煙溫定值主要根據燃機相對負荷(PNORM)進行設定[如圖1(a)所示]。由于燃機升、降負荷過程經過同一負荷點的動態穩定性不完全一致，因此IGV溫控定值曲線[圖1(a)中y=f1(x)]分為升負荷和降負荷兩條曲線設定，如圖2所示。定值的差異要根據燃燒動態特性決定，但差值不宜過大，以免在負荷穩定時由于測量等因素出現負荷小幅波動，發生兩條曲線來回切換而導致IGV波動甚至造成燃燒不穩定現象。此外，為避免在環境溫度降低情況下，燃機的環保排放增加甚至超標，對排煙溫度定值進行了NOx排放修正[圖1(a)中y=f2(x)]，即恒NOx控制，其修正作用在環境溫度低于一定值后起作用，具體修正曲線如圖3所示。另外，對于配有液壓間隙優化系統(HCO)的機組[如SGT5-4000F(4)型及以后的機組]，當HCO投用時燃機透平的焓降及做功增加，若將排煙溫度維持在HCO投用前不變，則燃機透平入口會超溫，因此，在HCO投用后通過適度降低排煙溫度設定值來維持透平入口溫度穩定，如圖1(a)中的HCO修正，即為實現該作用。

圖2　IGV溫控定值曲線

在額定負荷下，由OTC控制器來調節排煙溫度，此時煙溫定值主要考慮透平允許的最大入口溫度、環保排放及燃燒穩定性等因素而設定。圖1(b)中的GLTNOX即為此時的溫度定值，其同樣有NOx排放修正、HCO投用修正等。

圖3　NOx修正曲線

2.2　聯合循環模式下溫度定值

在聯合循環模式下，排煙溫度設定值不僅要考慮上述單循環模式下的影響因素，還要兼顧對余熱鍋爐、汽機的影響，尤其是機組啟動階段的影響。

在圖1中，TSX和TSMAX為機組協調控制回路送至OTC控制器和IGV溫度控制器的溫度定值和允許的最高排煙溫度定值。TSX和TSMAX的形成回路如圖4所示。

(1) 該地堆積體主要由粗、巨顆粒占優勢，其占比約95%，細粒占比不到5%，堆積體密實度高。根據Shepard三角沉積分類，其樣品點2 mm以下顆粒以粗顆粒砂占優勢。

圖4　TSX和TSMAX的形成回路

由圖4(a)可以看出，在聯合循環模式下，協調控制送至排煙溫度控制器的溫度定值TSX由汽機溫度限值和鍋爐溫度限值共同決定。

就鍋爐溫度限值而言，為避免燃機啟動過程排煙溫度變化劇烈導致余熱鍋爐產生熱應力，協調控制記錄燃機啟動瞬間余熱鍋爐的初始溫度，并將其作為燃機排煙溫度的初始定值。當燃機并網升負荷至排煙溫度大于該初始定值時，進入OTC控制器限溫模式，機組升負荷暫停，等待鍋爐暖管。當余熱鍋爐有穩定的蒸發量且主蒸汽溫度接近燃機排煙溫度時，鍋爐溫度限值切換為主蒸汽溫度疊加一定正偏值，燃機隨之升溫、升負荷，鍋爐繼續升溫、升壓。在主蒸汽溫度升至一定值后，鍋爐對燃機排煙溫度的限制逐漸消失，切換為汽機暖機對燃機排煙溫度的限制起作用。

圖4(a)中，在汽機暖機未完成(START LOAD LIMIT ON未消失)之前，來自汽機的溫度限值始終保持在IGV初始溫控定值(如570 ℃)，這個限值直接決定了汽機暖機階段的燃機負荷和排煙溫度。當IGV零位角度一定時，這個限值還決定了暖機階段的主蒸汽溫度和流量，即汽機暖機的能量。同時，由于汽機暖機階段燃機的實際排煙溫度始終比IGV初始溫控定值低ΔT，IGV將一直保持全關狀態而不會打開。汽機暖機完成后(START LOAD LIMIT ON消失)，汽機溫度限值切為Tmax，對燃機排煙溫度的限制解除，燃機隨之繼續升溫、升負荷，IGV隨后逐漸開啟，進入真正意義的聯合循環狀態，與此同時，整個協調控制對啟動低負荷階段的燃機排煙溫度限制解除。需要說明的是，在汽機中速暖機結束沖轉并網期間，協調控制自動將汽機溫度限值保持在沖轉并網前的定值，這樣可避免在汽機嚙合瞬間造成燃機負荷的波動；之后，再進行高速暖汽機，直至暖機結束后溫度限值才逐步放開。

圖4(b)表示協調控制所允許的燃機最高排煙溫度，其中TOT為前文所述的燃機透平出口溫度測量值，REDHP、REDIP分別表示高壓主蒸汽和熱再蒸汽管路所允許的排煙溫升，主要用于保護鍋爐管道不超溫。當高壓主蒸汽或熱再蒸汽溫度超過一定值時(如高壓主蒸汽溫度>569 ℃)，REDHP或REDIP將由正值變為負值，燃機排煙溫度將快速下調，直至蒸汽不再超溫。

此外，在聯合循環模式下，來自協調控制的排煙溫度定值TSX的變化速率還受鍋爐、汽機應力的限制，即：根據汽機本體、高壓主汽門和調門的應力(本條在汽機并網后生效)，高壓汽包壁溫差和二級減溫器進口汽溫變化率，高壓汽包壓力的變化率計算出TSX的最終允許變化速率。

3排煙溫度的控制模式

由上文可知，控制燃機排煙溫度有兩種模式：IGV控溫模式和OTC限溫模式。兩種模式的溫度設定值已在上一節中進行闡述，兩種控制模式之間是相對獨立但又彼此關聯的。

在部分負荷運行階段(IGV未全開)，由IGV溫度控制器通過調節IGV開度來控制燃機排煙溫度，此時處于IGV控溫模式。在這種情況下，IGV溫度控制器和OTC控制器可能會接收同一溫度設定值，這將導致兩者間相互干擾。為避免這種情況，當IGV溫度控制器在激活狀態時(IGV未全開)，OTC控制器的設定值在IGV溫控設定值的基礎上自動增加一個偏置D01[如圖1(b)所示]，保證在部分負荷下OTC控制器不動作，避免了兩個溫控回路相互干擾。

同樣，當IGV全開后，燃機達到額定負荷，進入OTC限溫模式。此時，OTC控制器的溫度設定值切回額定負荷OTC設定值GLTW[如圖1(b)所示]，OTC控制器被激活，燃機排煙溫度由OTC控制器通過控制燃料量來進行限制。此時，為避免IGV在全開位置波動，導致兩個溫控回路頻繁切換，將IGV溫控設定值在原有基礎上自動減去一個偏置(≥2 K，如圖1(a)所示)，保證IGV停留在全開位置，由OTC控制器進行排煙溫度控制。

在聯合循環機組啟動初期，需進行鍋爐暖管和暖汽機，IGV處于關閉狀態，此時的燃機排煙溫度受余熱鍋爐和汽機的限制，處于較低值，排煙溫度控制處于OTC限溫模式。待暖管、暖汽機結束后，OTC限溫消除，允許燃機排煙繼續升溫。當升至IGV溫控設定起始值后，IGV逐漸打開，進入部分負荷下的IGV控溫模式。

4優化設想

通過上文的分析，希望能為進一步優化西門子SGT5-4000F型聯合循環發電機組控制邏輯和運行方式提供參考。

① 通過調整汽機暖機時的燃機排煙溫度值來改變暖機階段燃機的負荷和暖機能量，探索經濟性最佳的暖機負荷；

② 在確保燃燒穩定前提下，通過動態調整排煙溫度定值來降低機組NOx排放；

③ 通過關小IGV來提高燃機燃料閥切換時的燃燒室溫度，提高啟動階段燃機燃燒穩定性和均衡性；

④ 通過增大IGV最大開度，來增加最大空氣進氣量，在燃機透平入口不超溫情況下提高機組的最大出力；

⑤ 適度調整余熱鍋爐、汽機對燃機排煙溫度變化的限制速率，縮短聯合循環機組啟停時間等。

5結束語

通過對西門子SGT5-4000F型聯合循環發電機組排煙溫度控制進行分析，了解了排煙溫度控制的作用與控制原理。同時，對兩種排煙溫度控制器(IGV溫度控制器和OTC控制器)的協調與切換進行了說明，并分析了單循環及聯合循環模式下影響排煙溫度控制的各種因素。在此基礎上，提出一些優化設想。

希望文中的分析能為相關人員理解控制邏輯、判

斷事故原因等提供參考與幫助。

參考文獻

[1] 彭運洪.V94.3A型燃機排氣溫度控制原理解析[C]∥2010年電站熱工控制研討會暨自動化信息化技術交流年會研討會論文集：236-244.

[2] 虎煜.西門子V94.3A燃機保護系統淺析[J].熱力透平，2007，36(2)：130-132.

[3] 虎煜，陳學文.西門子V94.3A燃氣輪機控制系統[J].上海電力，2006(2)：152-155.

[4] 黃瑜，崔紅星.西門子V94.3A燃氣輪機控制器作用機理及結構特點[J].河南電力，2007(1)：62-64.

[5] 楊柏，黃杰.E型和F型燃機聯合循環電廠的性能和經濟性比較[J].廣東電力，2003，16(2)：50-52.

[6] 施延洲，楊國榮，姚嘯林,等.聯合循環機組燃氣透平進氣溫度的計算[J].熱力發電，2009(2)：17-20.

[7] 焦樹建.燃氣輪機與燃氣-蒸汽聯合循環裝置[M].北京：中國電力出版社，2007.

[8] 閻志敏.V94.3A燃氣輪機控制系統[J].電氣技術，2008(5)：99-103.

[9] 楊順虎.燃氣-蒸汽聯合循環發電設備及運行[M].北京：中國電力出版社，2003.

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501012

修改稿收到日期：2014-07-30。