9FA燃機AGC模式下主、再熱蒸汽溫度控制策略

萬志勇（江蘇華電戚墅堰發電有限公司，江蘇常州 213011）

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9FA燃機AGC模式下主、再熱蒸汽溫度控制策略

萬志勇
（江蘇華電戚墅堰發電有限公司，江蘇常州 213011）

【摘要】介紹美國GE公司9FA級燃氣蒸汽聯合循環機組余熱鍋爐特點及蒸汽減溫配置，聯合循環機組正常運行中通過串聯布置的兩個回路控制主、再熱蒸汽溫度，包含最小流量和過熱度保護的實現方法。機組啟動階段，IGV參與燃機排氣溫度控制，前饋調節來穩定啟動期間的主蒸汽溫度。機組在AGC模式控制下調峰，機組負荷變動頻繁、劇烈，用實踐出的目標溫度法控制主、再熱蒸汽溫度-燃機排氣溫度-IGV角度統一協調調節動作，維持調峰機組大負荷變動情況下的主、再熱蒸汽溫度穩定的控制策略。

【關鍵詞】聯合循環 主、再熱蒸汽溫度 IGV前饋 過熱度保護 最小流量保護 目標溫度法

長期以來，我國能源結構以煤為主。煤電的污染排放（SO2、NOX）問題非常嚴重，已成為我國電力工業實施可持續發展戰略的“瓶頸”。而燃氣-蒸汽聯合循環發電機組由于優越的節能環保優勢，效率高、啟停快、占地省、建設周期短，以及快速的“無外電源啟動”特性，能保證電網運行的安全和可恢復性。近年來發展迅速，不僅可以用作緊急備用電源和尖峰負荷機組，而且還能攜帶基本負荷和中間負荷，特別適合調峰作用。

燃氣-蒸汽聯合循環機組在調峰時負荷率變動大，以F級燃機為例，在A G C模式下運行時調峰負荷調整范圍大（2 8 0～390MWMW）、變動時間短（5～15min），燃機排氣溫度變動范圍大（600℃～650℃）。本文以9FA燃氣輪機配套的余熱鍋爐為例，介紹燃機供應商的主、再蒸汽溫度的控制策略以及在AGC模式下運行中實踐總結出的主、再蒸汽溫度的控制策略。

1 設備簡介

1.1 并網運行調度AGC要求

為適應大電網、大調度發展趨勢，上網機組負荷必須嚴格按照省調下達的日計劃發電曲線執行，電網調度能量管理系統（EMS）每5分鐘采樣，全天288個點，分為高峰、腰荷、低谷三個時段，采集到的發電負荷實績與計劃曲線比較，超過±3%為不合格點，按規定進行考核。發電企業100MW以上機組必須具有AGC功能，一個月連續2天或累計5天AGC不能投入的，將進行考核。F級燃機AGC可調范圍280～390MW，調節速率3.5%，日均調節精度必須達到0.5%的額定容量。機組AGC一旦投入，運行人員不允許干預機組負荷設置，面對峰谷階段的大負荷變動必須及時調整參數才能保證機組在安全經濟范圍內運行。

1.2 存在問題

我公司9FA燃機發電機組是引進美國GE公司的F級燃機單軸聯合循環發電機組，采用集控運行模式。在AGC模式下，省調度員遠程控制機組負荷，無規律性、無預知性，現有的主、再熱蒸汽減溫水自動調節不理想，波動幅度大、調節時間長，易調節失穩，運行中需解除蒸汽溫度自動控制人工參與調節。一方面使運行人員操作強度變大，在單人值機操作頻繁時易出差錯；另一方面機組金屬產生持續交變應力易發生疲勞破壞。由于燃氣輪機具有的快速變負荷特點使其成為調峰機組的最佳選擇，在AGC模式下電網遠程快速調節負荷是一種必然。所以盡快尋找到一種切實可行的自動調節方式來滿足電網快速調節負荷時匹配的主、再熱蒸汽汽溫自動控制來減少人員的操作強度已經刻不容緩。

2 現有的主、再熱蒸汽溫度控制策略

2.1 減溫配置

我公司余熱鍋爐采用無補燃的三壓再熱循環系統，其能量來源于燃機的高溫排氣，余熱鍋爐的蒸汽參數只與燃機排氣有關，即蒸汽溫度取決于燃機排氣流量及溫度。余熱鍋爐有高、中、低壓三個汽包。高壓過熱器共4級，在2、3級和3、4級過熱器之間分別設置了一級噴水減溫裝置，控制其出口蒸汽溫度。再熱器共3級，在2、3級再熱器之間設置了一級噴水減溫裝置，控制其出口蒸汽溫度。低壓過熱器沒有噴水減溫裝置。過熱器、再熱器減溫裝置減溫水分別來自于高、中壓給水。

過熱器一級減溫策略為粗調，流量大，受過熱度保護邏輯限制。二級減溫策略為細調，當流量超過4.5t/h，發出報警，表示超過溫控閥調節穩定區，主汽溫度調整易受高壓給水壓力波動而造成調節失穩。

2.2 現有的蒸汽溫度控制策略

2.2.1 控制原理

現有蒸汽溫度控制策略包括采用串級布置的控制回路、IGV前饋回路、過熱度保護、最小流量保護等控制回路。圖1是燃機供應商提供的主蒸汽溫度控制原理圖。

主蒸汽溫度控制系統采用串聯布置的兩個控制回路：一是由被調對象的導前區、導前汽溫、內控制器、執行器和溫控閥組成的內回路；二是由被調對象的惰性區、主汽溫、外控制器組成的外回路。

外控制器接受末級過熱器出口實測蒸汽溫度和設定值間的偏差，其輸出值作為內控制器給定值，對內回路進行校正。為防止積分飽和，采用帶復位功能的比例和外部積分調節作用。

圖1　主蒸汽溫度控制原理圖

圖2　主蒸汽溫度設定值回路

內控制器根據實測的減溫器后溫度變化迅速改變減溫水量，消除因給水壓力波動等原因引起的減溫水自發性擾動。

2.2.2 主蒸汽溫度設定值回路

燃機在起動至部分負荷時，壓氣機進口導葉（IGV）參與燃機排氣溫度調節。IGV開度的變化直接影響著燃機排氣的流量、溫度進而影響機組的蒸汽溫度。因此在主蒸汽溫度控制策略中，設有IGV前饋回路，見圖2。

機組冷態起動時，控制系統通過調整IGV角度來控制燃機排氣溫度。此時主汽溫度控制設定值為IGV角度的函數。機組并網后，溫度匹配程序被激活，為控制燃機排氣溫度使主汽溫度的上升匹配缸溫，IGV由最小工作角度49°打開，燃機排氣流量增加，主蒸汽溫度上升。匹配程序完成后IGV角度關小到最小工作角度，燃機加載，FSR（燃料沖程基準）增加，燃機排氣溫度急劇上升，為維持排氣溫度，IGV角度由最小工作角度重新打開。當IGV 角度大于70°時，RS觸發器模塊置位，切換模塊的輸出選擇最大設定值。在機組停機過程中，當IGV角度小于65°時，RS觸發模塊處于復位狀態，切換模塊再次選擇函數模塊的輸出。

機組熱態起動時，燃機控制系統通過調整FSR來控制燃機排氣溫度。當IGV 角度大于70°時，切換模塊的輸出選擇最大設定值，此時設定值（即小選模塊的輸出）為主蒸汽溫度測量值及接通溫度TON（482℃）的最大值，為了防止汽機溫度過高引起機組RB（runback， 輔機故障減負荷），設定值不得超過566℃。

2.2.3 過熱度保護

由于一級過熱器出口汽溫低，為防止減溫水噴淋過度使蒸汽溫度降到飽和溫度導致蒸汽帶水損壞汽輪機葉片的可能性，設計了過熱度保護功能，根據二級減溫器出口蒸汽壓力計算出對應壓力下的飽和溫度，加上一定的過熱裕度△Tsat，作為末級過熱器入口蒸汽溫度限制值，與外控制器的輸出指令經過大選模塊作為內控制器的給定值。當外控制器的輸出指令小于溫度保護值時，限制減溫水流量，使減溫器出口蒸汽溫度不低于飽和溫度。若主蒸汽溫度小于最小過熱度時，則關閉減溫閥，保證機組的安全運行。

2.2.4 最小流量保護

在機組運行期間，溫控閥工作區范圍可能進入小開度調節甚至全關狀態，如果減溫水流量被切斷后再打開噴淋，循環往復下高溫區域的金屬易發生熱沖擊和高循環疲勞。故維持最小的減溫水流量可以增加減溫器噴嘴部件的壽命。

當減溫水流量小于設定值時，最小流量調節器（見圖1）輸出增加，與高壓主蒸汽溫度串級控制回路輸出指令一起進入大選模塊，若其指令小于最小流量調節器的輸出，則將最小流量調節器的輸出作為溫控閥的指令，從而保護減溫器噴嘴。

3 AGC模式下主、再熱蒸汽溫度控制策略

3.1 AGC模式下主、再熱汽溫調節問題

GE公司提供的蒸汽溫度減溫策略是比較完備與縝密，但其調節策略是跟隨主、再熱蒸汽溫度發生變化后再進行調節，屬于被動調節，調節節奏慢、溫度變動范圍大、調節震蕩大，無法適應在AGC模式下短時大范圍變動負荷的特點。經常會出現一個調節過程中調節震蕩還未消退電網調度又發出負荷變動的調節指令，致使調節震蕩迭加，甚至調節崩潰，主、再熱汽溫超限，嚴重威脅機組安全運行，所有需要優化其調節策略。根據負荷指令的變動，通過IGV角度、燃機排氣溫度的變化值預先判斷主汽溫度變化趨勢，超前微調，主動調節。如果能找到正確的調節方式再模擬其調節策略作出邏輯優化就可達到在AGC模式下大幅度變負荷工況時主、再汽溫的自動調節了。

3.2 負荷變動過程中燃機的特性

聯合循環機組變負荷時由于余熱鍋爐的熱緩沖現象表現出燃機增、減負荷快，汽機增、減負荷慢的特點。所以增、減負荷過程也可看作是燃機與汽機的負荷分配過程。

當減負荷指令發出后，機組FSR即燃料量開始減少。在燃機IGV角度不變的情況下對應的是燃機排氣溫度與壓力下降，負荷下降。燃機MARK Ⅵ控制系統的FSR控制（此時FSR已由溫控切至速度控制）為維持機組效率及環保指標，保證燃機進口TTSR溫度在較高溫度范圍內，發出關小IGV的指令，燃機排氣溫度上升至溫控算法計算值。目標負荷到位，這一段可看作燃機減負荷。當排氣溫度與排氣壓力下降使得進入余熱鍋爐熱量的減少，鍋爐蒸發量減少使主、再熱蒸汽壓力下降、流量下降從而減少了汽機負荷，這一段可看作汽機減負荷。由于目標總負荷量不變，汽機減負荷時燃機負荷回升，表現為IGV角度關小后又開大，當主汽壓力穩定后汽機負荷也穩定，燃機IGV角度穩定，燃機負荷也穩定，一次減負荷過程完成。主、再熱蒸汽溫度受排煙溫度影響從上面的過程可看出隨燃機排氣溫度是先瞬間下降再上升。由于聯合循環機組存在這樣的負荷特性加劇了減溫調節震蕩。所以減溫策略不但需要跟蹤減溫器前后蒸汽溫度的變化情況還應該靈敏捕捉負荷變化中燃機參數的變化值，特別是燃機排氣溫度和IGV角度這兩個參數，來準確預判出汽溫變化的趨勢，實時進行調整。

3.3 優化的主、再熱溫度調節過程描述

根據日常的手動調節，發現只要二級減溫器后溫度+燃機排氣溫度=1130℃，就能保證主蒸汽溫度恒定在566℃。控制好二級減溫器后的溫度就能保證主蒸汽的溫度并靈敏感受燃機排氣溫度對主蒸汽溫度的影響。按照此規律我們可以在變負荷時通過基本算法：1130℃減去燃機排氣溫度從而得到二級減溫器后需調節到的溫度。這樣就找到了主汽溫度與燃機排氣溫度之間的聯系。而燃機通過調整IGV角度來控制進入燃機的空氣量使得燃機排氣溫度發生變化，溫控邏輯調整FSR達到控制負荷的目的，進而找到負荷變動時IGV角度與燃機排氣溫度之間的函數圖。這樣燃機的“負荷-FSR-IGV角度-燃機排氣溫度-主蒸汽溫度之間的關系都聯系起來。當接受到省調度臺變負荷指令，通過FSR、IGV角度、燃機排氣溫度的變化值預先判斷主汽溫度變化趨勢，超前微調，就能滿足主蒸汽減溫要求。

同理找到再熱蒸汽溫度調節規律為再熱減溫器后溫度與燃機排氣溫度之和等于1150℃。此處不再贅述。

3.4 主、再熱蒸汽溫度調節目標溫度法

綜上所述，主蒸汽汽溫減溫邏輯中減溫器的內回路溫度調節中加入二級減溫器后溫度作為取樣點的目標溫度調節，按“1130℃-實時燃機排氣溫度”這個動態量算法作為二級減溫器內回路設定調節目標溫度并串入IGV角度與燃機排氣溫度之間的關系函數并輔以外控制器輸出值作為修正的方法。

高過一級減溫水目標設定點算法為在減溫邏輯中減溫器的外回路溫度設定值中加入“1130℃-實時燃機排氣溫度+15℃”這個動態量算法作為調節目標溫度設定值。

再熱蒸汽汽溫減溫邏輯中減溫器的內回路溫度調節中加入再熱減溫器后溫度作為取樣點的目標溫度調節，按“1150℃-實時燃機排氣溫度”這個動態量算法作為再熱減溫器內回路設定調節目標溫度并串入IGV角度與燃機排氣溫度之間的關系函數并輔以外控制器輸出值作為修正的方法，即能達到AGC模式下變負荷時快速、平穩的控制減溫水，使主、再熱蒸汽溫度保持正常匹配負荷。另外減少人工操作，真正達到無人化全自動操作。實現主、再熱蒸汽汽溫自動控制來配合電網進行遠程快速調節負荷的目的。

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4 結語

本文介紹了與9FA燃機配套的余熱鍋爐蒸汽溫度控制策略，包括蒸汽溫度采用了串級控制、IGV前饋回路、最小流量保護、過熱度保護等控制回路方案。

由于余熱鍋爐輸入的能量全部來自于燃機排氣，蒸汽溫度取決于燃機排氣流量及溫度。在啟動階段，蒸汽溫度全程控制的設定值是動態的，且是IGV角度的函數。

在AGC模式下，根據聯合循環機組作為調峰機組負荷變動量大且調節時間短的特點。通過優化現有的減溫策略，在減溫控制器內、外回路中加入經過實踐證明過的根據燃機排氣溫度動態變化而變化的目標溫度算法，以達到主、再熱蒸汽溫度調節正常匹配負荷變化。實現配合電網進行遠程快速調節負荷的目的。

參考文獻：

［1］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.

［2］鄧建玲.大型燃機-蒸汽聯合循環發電技術叢書.北京：中國電力出版社，2009.

［3］GE公司9FA機組運行培訓手冊 美國：GE公司，2004.

作者簡介：萬志勇（1975—），男，江蘇常州人，助理工程師、二級技師，從事燃機集控管理工作。