V94.3A型燃機燃燒穩(wěn)定裕度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)和應(yīng)用

王 鑫，瞿虹劍

（華能上海燃機發(fā)電有限責任公司，上海 200942）

上海某燃機電廠建設(shè)3×400MW西門子V94.3A型燃機聯(lián)合循環(huán)機組，燃料為天然氣（NG），取自上海市天然氣管網(wǎng)，隨著西氣東輸二線、LNG項目、川氣東送管道等建成投產(chǎn)，上海天然氣管網(wǎng)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(wěn)定，再加上大氣溫濕度變化、環(huán)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(chǎn)以來，三臺燃機的燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)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(fā)加速度保護動作，導致機組驟降負荷甚至跳閘，對電網(wǎng)造成沖擊，經(jīng)濟損失嚴重。

鑒于NG品質(zhì)、大氣溫室度和燃機的燃燒室結(jié)構(gòu)難以改變，安裝燃機A-SMC系統(tǒng)，完善燃燒控制方式，將燃燒狀態(tài)監(jiān)視信號引入燃燒控制，實現(xiàn)燃燒閉環(huán)控制和實時調(diào)節(jié)，提高燃機對于外界因素變化的適應(yīng)性變得非常關(guān)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(huán)形燃燒室，其燃燒主要優(yōu)點是：（1）帶混合燃燒器的環(huán)形燃燒室用于燃燒氣體燃料；（2）采用干式低NOx（DLN）燃燒技術(shù)，在較高負荷范圍燃燒氣體時，混合燃燒器可實現(xiàn)干式低NOx控制；（3）裝有24個混合燃燒器，均勻分布在環(huán)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(yīng)率多少，燃氣系統(tǒng)進口的燃氣壓力須相當穩(wěn)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(yīng)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(nèi)燃機電廠共發(fā)生了數(shù)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(fā)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(jù)燃料的控制方式，可以列舉出影響燃燒穩(wěn)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(nèi)，機組轉(zhuǎn)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(fā)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(zhì)量的燃料燃燒熱值變化，使燃燒偏離燃燒穩(wěn)定區(qū)，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(shè)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(huán)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(tǒng)實時監(jiān)測燃燒的狀態(tài)，蜂鳴和加速度是反映燃燒是否穩(wěn)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(huán)結(jié)構(gòu)，容易造成控制發(fā)散，最終導致燃燒ACC＞MAX3跳機事件的發(fā)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(shè)計值較大時，燃氣輪機會出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)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(wǎng)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(fā)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(zhì)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(wěn)定性相對于投產(chǎn)初期有很大程度的影響。近年來屢屢發(fā)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(zhì)分析報告中（該報告由管網(wǎng)公司提供），很容易發(fā)現(xiàn)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(jīng)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(chǎn)品所能承受的穩(wěn)定燃燒范圍，運行機組燃燒室異常脈動的不安全現(xiàn)象時有發(fā)生，給該燃機電廠機組的安全運行和對電網(wǎng)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(fā)生的不安全情況進行分析，若在燃燒穩(wěn)定性已經(jīng)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(wěn)導致燃燒室脈動過大，引發(fā)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(zhì)分析報告

綜上所述，電廠投產(chǎn)以來，由于受到燃燒室構(gòu)造特點、NG品質(zhì)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(fā)，造成嚴重經(jīng)濟損失和惡劣影響。由此，在燃燒室結(jié)構(gòu)、NG品質(zhì)和大氣溫濕度等因素難以改變的情況下，優(yōu)化燃燒控制策略，實現(xiàn)燃燒閉環(huán)控制和實時調(diào)節(jié)，變得至關(guān)重要。

2 燃燒穩(wěn)定裕度控制系統(tǒng)的工作原理及功能

采用燃燒穩(wěn)定裕度控制系統(tǒng)（A-SMC）能夠建立燃燒閉環(huán)控制，當燃燒發(fā)生不穩(wěn)定時，立即調(diào)節(jié)值班氣供應(yīng)量、降低OTC或降低負荷，對燃燒強度進行實時在線調(diào)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(xiàn)對燃燒可視化監(jiān)測的軟件，它是燃燒優(yōu)化調(diào)整的重要監(jiān)視工具。以往的燃燒調(diào)整是根據(jù)ARGUS系統(tǒng)反映的燃燒頻譜圖人為設(shè)置燃燒參數(shù)，由于當時ARGUS系統(tǒng)不參與控制，造成燃燒控制只是一種開環(huán)的控制思路。

A-SMC系統(tǒng)根據(jù)預設(shè)的調(diào)整曲線，在燃燒不穩(wěn)定時自動對透平出口溫度（OTC）設(shè)定值和值班氣體（Pilot Gas）流量設(shè)定值進行自動調(diào)整。當燃燒穩(wěn)定后，ARGUS系統(tǒng)將參數(shù)反饋給ASMC系統(tǒng)，A-SMC系統(tǒng)通過燃機的控制系統(tǒng)將重新把參數(shù)調(diào)回最佳狀態(tài)，確保機組效率，調(diào)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(huán)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(fā)降負荷，旨在及時消除燃燒不穩(wěn)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(jīng)濟運行最佳狀態(tài)。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(tǒng)來實時監(jiān)控燃燒穩(wěn)定情況，并計算出A-SMC變量，來實時反映燃燒的不穩(wěn)定情況，以在燃燒惡化時實時作出反應(yīng)，調(diào)整OTC設(shè)定值和值班氣流量，必要時通過MAX1與MAX4通道觸發(fā)降負荷，使燃燒快速脫離危險區(qū)，以避免跳機事件的發(fā)生。

3 安裝和調(diào)試

3.1 安裝工作內(nèi)容

加裝A-SMC系統(tǒng)的安裝工作如下：

（1）在原有五個Humming信號的基礎(chǔ)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(shè)電纜和完成接線工作。

（2）將原ARGUS系統(tǒng)由目前1.0版本升級為2.0版本，并重新優(yōu)化Humming、ACC信號，以適應(yīng)A-SMC系統(tǒng)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(tǒng)與ARGUS系統(tǒng)之間的通訊聯(lián)系和邏輯組態(tài)。

3.2 調(diào)試工作內(nèi)容

調(diào)試準備為：將MAX3的設(shè)定值由8g改到5g。安裝“降負荷按鈕”用于手動出發(fā)MAX4。

調(diào)試工作主要包括二部分：一是系統(tǒng)投用前，進行信號通道測試、通訊建立等冷態(tài)調(diào)試內(nèi)容；二是燃機啟動至基本負荷進行燃燒調(diào)整、摸清邊界、修改參數(shù)設(shè)置等熱態(tài)調(diào)試內(nèi)容。

熱態(tài)調(diào)試工作共計5個階段，主要內(nèi)容包括：（1）基本負荷值班氣及OTC優(yōu)化／激活SMC-P（穩(wěn)定裕量控制器-值班氣）；（2）驗證部分負荷設(shè)定值／激活SMC-O（穩(wěn)定裕量控制器-OTC）；（3）基本負荷優(yōu)化值班氣及OTC；（4）驗證基本負荷設(shè)定值／激活SMC-O及SMC-P；（5）驗證部分負荷及基本負荷設(shè)定值。

4 應(yīng)用效果

4.1 SMC-P的實際應(yīng)用效果

SMC-P控制器的功能是實時調(diào)整值班氣流量，起到穩(wěn)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(shè)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(xiàn)不穩(wěn)定時，SMC-P能夠及時響應(yīng)，實時調(diào)整值班氣流量，有效降低ACC的幅度，直至燃燒恢復穩(wěn)定為止，而且SMC-P的指令幅度始終跟隨ACC的幅度變化，能夠?qū)崿F(xiàn)有效實時有效調(diào)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(diào)整控制，效果顯著。

4.2 SMC-O的實際應(yīng)用效果

SMC-O控制器通過調(diào)整燃機的排氣溫度（OTC）設(shè)定值，改變IGV的開度和燃機的排氣溫度，來達到穩(wěn)燃的作用（主要在高負荷段發(fā)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(wěn)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(wěn)定時，SMC-O會立即激活，降低燃機OTC的設(shè)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(wěn)定指標Ln23的數(shù)值由0.507提高到1.101，提高了117%，達到了穩(wěn)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(shù)（A-SMC的前身），當燃燒 ACC（3s）大于1.2g，90Hz頻譜增強時，F(xiàn)7函數(shù)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(tǒng)，F(xiàn)7函數(shù)功能單一、響應(yīng)速度慢、反應(yīng)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(tài)，大氣溫濕度、天然氣品質(zhì)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(wěn)定時，ACC的幅度不斷增加，觸發(fā)F7函數(shù)動作，且無法穩(wěn)定，造成ACC的持續(xù)震蕩，燃燒處于持續(xù)不穩(wěn)定狀態(tài)，而3號燃機在ACC數(shù)值剛有增加時，A-SMC及時發(fā)揮作用，進行實時調(diào)節(jié)，不僅降低了ACC的數(shù)值幅度和密度，而且在負荷穩(wěn)定后，及時將燃燒狀態(tài)調(diào)整到穩(wěn)定狀態(tài)，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(yīng)性和穩(wěn)定性。

4.4 不足之處

A-SMC的應(yīng)用，主要是根據(jù)燃燒安全性的需要，進行值班氣流量或OTC的調(diào)節(jié)，而對環(huán)保排放、運行經(jīng)濟性和調(diào)峰性能甚少關(guān)注，即在燃燒惡化時，適度犧牲機組的運行經(jīng)濟性、調(diào)峰性能或環(huán)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(diào)節(jié)，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(tǒng)，增加Humming等監(jiān)測設(shè)備，原來Humming信號只作監(jiān)視，不作控制和保護，而A-SMC投用后，Humming信號參與控制，若出現(xiàn)故障，會影響燃機控制的可靠性。

5 結(jié)論

實際應(yīng)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(yīng)性和穩(wěn)定性，提高機組AGC調(diào)節(jié)和調(diào)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(diào)整手段，實現(xiàn)了燃燒的閉環(huán)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(fā)生概率，有效提高燃機運行的安全可靠性。