V94.3A型燃機燃燒穩定裕度控制系統的實現和應用

王 鑫，瞿虹劍

（華能上海燃機發電有限責任公司，上海 200942）

上海某燃機電廠建設3×400MW西門子V94.3A型燃機聯合循環機組，燃料為天然氣（NG），取自上海市天然氣管網，隨著西氣東輸二線、LNG項目、川氣東送管道等建成投產，上海天然氣管網有4至5種的天然氣混合而成，其成分組成、熱值很難保持穩定，再加上大氣溫濕度變化、環形燃燒室燃燒性能難控制和燃燒控制方式欠缺等因素，投產以來，三臺燃機的燃燒不穩定現象突出，燃燒脈動的加速度（ACC）和蜂鳴（Humming）的幅值較高，多次觸發加速度保護動作，導致機組驟降負荷甚至跳閘，對電網造成沖擊，經濟損失嚴重。

鑒于NG品質、大氣溫室度和燃機的燃燒室結構難以改變，安裝燃機A-SMC系統，完善燃燒控制方式，將燃燒狀態監視信號引入燃燒控制，實現燃燒閉環控制和實時調節，提高燃機對于外界因素變化的適應性變得非常關鍵。

1 V94.3A型燃機工作狀況

1.1 V94.3A型燃機的燃燒特點

V94.3A型燃機采用環形燃燒室，其燃燒主要優點是：（1）帶混合燃燒器的環形燃燒室用于燃燒氣體燃料；（2）采用干式低NOx（DLN）燃燒技術，在較高負荷范圍燃燒氣體時，混合燃燒器可實現干式低NOx控制；（3）裝有24個混合燃燒器，均勻分布在環形燃燒室圓周，保證了在透平葉片前的均勻熱-氣溫度場。

該類型燃機的燃燒主要缺點是：（1）對氣源壓力要求高，即不管燃氣供應率多少，燃氣系統進口的燃氣壓力須相當穩定；（2）氣體燃料不能含有任何液體氫化合物（例如殘余潤滑油），否則會嚴重損壞燃燒器；（3）燃燒室為老型，對燃料的成分變化適應性差，容易收到燃料成分／熱值變化、大氣溫濕度變化等因素的影響，較難控制。

1.2 燃機燃燒事故分析

近幾年，多家國內燃機電廠共發生了數十起燃燒加速度大保護跳機事件，某電廠在2009年11月中旬就發生了一起燃燒加速度大保護跳機事件，圖1為運行曲線。

圖1 機組ACC＞GW3跳閘曲線

由圖1可以看出，在前期毫無征兆的情況下，燃燒加速度（ACC）突然陡增，超過了GW3限值（8g），機組跳閘，根據燃料的控制方式，可以列舉出影響燃燒穩定性的8個因素，采用排除法來排查導致這次燃氣輪機跳閘的原因，在機組跳閘前期9min內，機組轉速和負荷、大氣溫度和濕度、IGV開度、OTC、壓氣機出口壓力、燃料溫度、燃料壓力等7個因素均沒有發生過變化，最大的疑點就落在燃料的成分變化這個因素上，即燃料的組成成分變化，使單位質量的燃料燃燒熱值變化，使燃燒偏離燃燒穩定區，直至加速度超過跳閘限值。本次機組跳閘不僅增加了130多個EOH，還需要停機24小時，待燃燒室冷卻后，開出人孔門進入燃燒室，進行陶瓷瓦檢查，對破損超限的瓦片，進行更換。每次跳機造成的設備和運營損失都很巨大。

1.3 燃燒控制存在缺陷

目前V94.3A型燃機的燃燒控制采取開環控制策略，控制邏輯框圖如圖2。

從圖2可以看出，燃料和空氣進入燃燒室進行燃燒，通過ARGUS和蜂鳴及加速度測量系統實時監測燃燒的狀態，蜂鳴和加速度是反映燃燒是否穩定的主要指標，其中蜂鳴只作顯示，加速度帶保護，都不參與燃燒控制，導致燃燒的控制方式為開環結構，容易造成控制發散，最終導致燃燒ACC＞MAX3跳機事件的發生。在某些特定工況下，諸如：大氣溫濕度驟然變化、天然氣成份偏離設計值較大時，燃氣輪機會出現燃燒不穩定現象，蜂鳴和ACC的幅值驟然增高，引起加速度保護跳機。

1.4 燃料成分多變、熱值降低

NG的成分變化是外界因素，對電廠來說往往是不可抗力的外部因素。上海的天然氣管網由有4～5種氣源混合而成，分別是西氣東輸一線、西氣東輸二線、川氣東送、東海天然氣和LNG，其成分組成不斷發生變化，更不能要求其和該型燃氣輪機的燃燒匹配。

同時，近年以來天然氣品質呈逐年變化趨勢，其對于燃機燃燒有決定作用的成分（甲烷）的含量不斷下降，從客觀上造成該燃機電廠三臺機組的燃機燃燒穩定性相對于投產初期有很大程度的影響。近年來屢屢發生機組燃燒保護動作的不安全事件。從表1所附的2006年9月與2012年9月的天然氣氣質分析報告中（該報告由管網公司提供），很容易發現這個問題。

從表1可看出，目前使用的天然氣除了甲烷的含量下降，其高位烴類及氮氣等對燃機燃燒工況有危害的成分在上升。尤其是氮氣的含量變化已經超出了該燃機電廠第二捆招標的三臺西門子9F級機組第一批產品所能承受的穩定燃燒范圍，運行機組燃燒室異常脈動的不安全現象時有發生，給該燃機電廠機組的安全運行和對電網安全供電均帶來了隱患。該燃機電廠也針對上述情況對每次發生的不安全情況進行分析，若在燃燒穩定性已經相當薄弱的情況下，再進行大范圍快速的負荷變動，將會引起燃燒不穩導致燃燒室脈動過大，引發燃燒保護動作，導致燃機驟減負荷甚至跳閘。

表1 天然氣氣質分析報告

綜上所述，電廠投產以來，由于受到燃燒室構造特點、NG品質變化和燃燒控制方式欠缺等因素的影響，燃燒加速度保護動作，引起機組驟降負荷甚至跳閘事件頻發，造成嚴重經濟損失和惡劣影響。由此，在燃燒室結構、NG品質和大氣溫濕度等因素難以改變的情況下，優化燃燒控制策略，實現燃燒閉環控制和實時調節，變得至關重要。

2 燃燒穩定裕度控制系統的工作原理及功能

采用燃燒穩定裕度控制系統（A-SMC）能夠建立燃燒閉環控制，當燃燒發生不穩定時，立即調節值班氣供應量、降低OTC或降低負荷，對燃燒強度進行實時在線調整，以降低燃燒帶來的風險。

燃燒檢測裝置ARGUS是通過對Humming和Acc信號進行快速傅里葉（Fourier）變換實現對燃燒可視化監測的軟件，它是燃燒優化調整的重要監視工具。以往的燃燒調整是根據ARGUS系統反映的燃燒頻譜圖人為設置燃燒參數，由于當時ARGUS系統不參與控制，造成燃燒控制只是一種開環的控制思路。

A-SMC系統根據預設的調整曲線，在燃燒不穩定時自動對透平出口溫度（OTC）設定值和值班氣體（Pilot Gas）流量設定值進行自動調整。當燃燒穩定后，ARGUS系統將參數反饋給ASMC系統，A-SMC系統通過燃機的控制系統將重新把參數調回最佳狀態，確保機組效率，調整前后的控制方式如圖3所示。

圖3 A-SMC改造后的控制控制方式（閉環控制）

A-SMC主要包括三項功能，分別是SMC-O控制器、SMC-P控制器、通過MAX1與MAX4通道觸發降負荷，旨在及時消除燃燒不穩定工況，保證機組的安全運行，同時提高燃機效率，使機組處于經濟運行最佳狀態。圖4是SMC-O的控制示意圖，圖5是SMC-P的控制示意圖。

圖4 SMC-O控制示

圖5 SMC-P控制示意圖

由圖4、圖5可看出，A-SMC利用“Argus”的Humming和ACC測量系統來實時監控燃燒穩定情況，并計算出A-SMC變量，來實時反映燃燒的不穩定情況，以在燃燒惡化時實時作出反應，調整OTC設定值和值班氣流量，必要時通過MAX1與MAX4通道觸發降負荷，使燃燒快速脫離危險區，以避免跳機事件的發生。

3 安裝和調試

3.1 安裝工作內容

加裝A-SMC系統的安裝工作如下：

（1）在原有五個Humming信號的基礎上，新增二個Humming信號測點，分別安裝在12號、17號燃燒器上，并敷設電纜和完成接線工作。

（2）將原ARGUS系統由目前1.0版本升級為2.0版本，并重新優化Humming、ACC信號，以適應A-SMC系統的需要，并對新型ARGUS盤柜的底座制作、就位安裝和接線。

（3）建立燃機DCS、燃機SIMADYN系統與ARGUS系統之間的通訊聯系和邏輯組態。

3.2 調試工作內容

調試準備為：將MAX3的設定值由8g改到5g。安裝“降負荷按鈕”用于手動出發MAX4。

調試工作主要包括二部分：一是系統投用前，進行信號通道測試、通訊建立等冷態調試內容；二是燃機啟動至基本負荷進行燃燒調整、摸清邊界、修改參數設置等熱態調試內容。

熱態調試工作共計5個階段，主要內容包括：（1）基本負荷值班氣及OTC優化／激活SMC-P（穩定裕量控制器-值班氣）；（2）驗證部分負荷設定值／激活SMC-O（穩定裕量控制器-OTC）；（3）基本負荷優化值班氣及OTC；（4）驗證基本負荷設定值／激活SMC-O及SMC-P；（5）驗證部分負荷及基本負荷設定值。

4 應用效果

4.1 SMC-P的實際應用效果

SMC-P控制器的功能是實時調整值班氣流量，起到穩燃的作用，如90Hz頻段的燃燒強度過分強烈時，SMC-P會增加值班氣流量設定值，直至90Hz頻段的燃燒強度降低到合理值為止，實施效果圖如圖6～圖8所示。

圖6、圖7分別是燃機在SMC-P動作時的燃燒頻譜圖和運行曲線，從中可以看出，在ACC的幅度增大、燃燒出現不穩定時，SMC-P能夠及時響應，實時調整值班氣流量，有效降低ACC的幅度，直至燃燒恢復穩定為止，而且SMC-P的指令幅度始終跟隨ACC的幅度變化，能夠實現有效實時有效調整。

圖6 SMC-P實施效果圖（燃燒頻譜）

圖7 SMC-P實施效果圖（運行曲線）

圖8 SMC-P實施效果圖

由圖8可以看出，在燃機負荷不斷變化的過程中，SMC-P的指令能夠始終跟隨ACC的幅度進行實時調整控制，效果顯著。

4.2 SMC-O的實際應用效果

SMC-O控制器通過調整燃機的排氣溫度（OTC）設定值，改變IGV的開度和燃機的排氣溫度，來達到穩燃的作用（主要在高負荷段發揮使用），如90Hz頻段的燃燒強度太弱，150Hz頻段的燃燒強度過強時，SMC-O會激活，降低燃機排氣OTC，直至燃燒穩定為止。實施效果如圖9、圖10所示。

圖9、圖10為SMC-O動作時，燃機的燃燒頻譜圖和運行曲線，從圖中可以看出，當90Hz頻段太弱，150Hz頻段太強，燃燒不穩定時，SMC-O會立即激活，降低燃機OTC的設定值，從而起到削弱150Hz頻段、增強90Hz頻段燃燒強度的目的，將穩定指標Ln23的數值由0.507提高到1.101，提高了117%，達到了穩定燃燒的目標，效果明顯。

圖9 SMC-O的實施效果圖（燃燒頻譜）

圖10 SMC-O實施效果圖（運行曲線）

4.3 對比效果

2012年12月3號燃機安裝了A-SMC，2號燃機未安裝A-SMC，只配備了F7函數（A-SMC的前身），當燃燒 ACC（3s）大于1.2g，90Hz頻譜增強時，F7函數激活，增加值班氣流量，降低MAX動作的風險，但是相比A-SMC系統，F7函數功能單一、響應速度慢、反應滯后。

2012年12月11日，13：00至14：00之間，兩臺燃機的負荷相當，且均在AGC投入狀態，大氣溫濕度、天然氣品質等外界條件相同。運行曲線對見圖11、圖12。

圖112 號燃機運行曲線

圖123 號燃機運行曲線圖

對比兩張曲線圖可看出，在幾乎相同的外界和變負荷條件下，2號燃機的燃燒ACC變化的幅度和密度較大，燃燒狀況比較惡劣，在負荷穩定時，ACC的幅度不斷增加，觸發F7函數動作，且無法穩定，造成ACC的持續震蕩，燃燒處于持續不穩定狀態，而3號燃機在ACC數值剛有增加時，A-SMC及時發揮作用，進行實時調節，不僅降低了ACC的數值幅度和密度，而且在負荷穩定后，及時將燃燒狀態調整到穩定狀態，綜合比較，可以看出3號燃機在安裝了A-SMC之后，燃燒性能明顯提升，具有更好的適應性和穩定性。

4.4 不足之處

A-SMC的應用，主要是根據燃燒安全性的需要，進行值班氣流量或OTC的調節，而對環保排放、運行經濟性和調峰性能甚少關注，即在燃燒惡化時，適度犧牲機組的運行經濟性、調峰性能或環保排放，以換取運行安全性。例如，當90Hz頻段相對于150Hz頻段的燃燒強度很弱時，A-SMC激活以降低OTC，同時切除AGC調節，以消除機組負荷指令變化的擾動，并降低燃空比，削弱燃燒強度，燃機負荷降低。

同時A-SMC要求升級原有ARGUS系統，增加Humming等監測設備，原來Humming信號只作監視，不作控制和保護，而A-SMC投用后，Humming信號參與控制，若出現故障，會影響燃機控制的可靠性。

5 結論

實際應用表明，A-SMC能夠明顯提升燃機的燃燒性能，使燃燒具有更好的適應性和穩定性，提高機組AGC調節和調峰性能。同時，由于ASMC進行了燃燒頻譜的全頻段計算和分析，采取了實時有效的調整手段，實現了燃燒的閉環控制，所以可以大幅降低燃燒ACC＞MAX導致的緊急降負荷或跳閘事件的發生概率，有效提高燃機運行的安全可靠性。