三菱M701F3型燃氣-蒸汽聯合循環機組燃燒調整系統

范新宇

（深圳能源集團股份有限公司東部電廠，廣東 深圳 518120）

三菱M701F3型燃氣-蒸汽聯合循環機組燃燒調整系統

范新宇

（深圳能源集團股份有限公司東部電廠，廣東 深圳 518120）

從硬件組成結構和軟件控制邏輯的角度出發對三菱M701F3型燃氣蒸汽聯合循環機組的燃燒系統的工作方式和調節原理進行了概念性的闡述。隨后針對三菱機組ACPFM系統的硬件網絡配置、調節原理做了簡單的介紹。最后，針對燃燒調整的基本原則，以及燃燒調整效果的評估提出了看法。

燃燒調整；燃燒振動；ACPFM；PLCSO；BYCSO

1　燃燒系統結構

三菱M701F3型燃氣蒸汽聯合循環機組的燃料供給主要由5個閥門來完成。值班燃料壓力控制閥、值班燃料流量控制閥、主燃料壓力控制閥A、主燃料壓力控制閥B和主燃料流量控制閥。燃料壓力控制閥主要是為了保證燃料流量控制閥前后差壓的穩定。燃料流量控制閥根據機組負荷不同，控制燃料流量。燃料氣經燃料控制閥后，進入環形母管，分別供給環形排列，斜插在燃壓缸中的20個燃燒器。燃燒器由燃料噴嘴、燃燒筒、過渡段和尾筒以及其他附件組成。燃料噴嘴由8個環形圍繞的預混主噴嘴和位于中心的1個擴散值班噴嘴組成。燃壓缸中充滿壓氣機排氣，通過燃燒器旁路閥調節從過渡段直接旁路掉的壓氣機排氣量，來控制參與燃燒的空氣量。參與燃燒的壓縮空氣經燃燒器中的旋流器與燃氣充分預混后燃燒，完成工質加熱過程。結構示意圖如圖1所示。

圖1　燃燒系統結構示意圖

從燃燒系統的結構和工作原理來看，M701F3型機組燃燒的穩定性主要是通過兩種手段來進行控制：①控制值班燃料量，即控制值班燃料比率；②控制燃燒器旁路閥的開度，從而控制參與燃燒的空氣量，即控制燃料空氣比例（下稱燃空比）。

從三菱控制邏輯來看，燃料總量控制信號指令（Control Signal Output， CSO）來自于5種控制指令“小選”產生，即燃料限制控制指令（Fuel Limit CSO，FLCSO）、轉速控制指令（GVCSO：Governor CSO）、負荷控制指令（Load CSO， LDCSO）、葉片通道溫度控制指令（Blade Path temperature CSO， BPCSO）和排氣溫度控制指令（Exhaust temperature CSO，EXCSO）中的最小者為最終的CSO指令。其中，FLCSO指令是機組轉速的函數，主要作用在機組啟動升速過程中，控制機組的整個升速過程；GVCSO指令是以額定轉速3000r/min為控制目標，采用閉環控制回路維持機組穩定在額定轉速，該指令信號主要是作用在機組達到額定轉速后，并網前的階段；機組并網后，LDCSO開始投入，其主要功能是維持機組負荷的穩定；BPCSO和EXCSO不是機組常規的控制手段，二者與葉片通道溫度（BPT溫度）、燃氣輪機排氣溫度（EXT溫度）和燃燒器殼壓有關，主要作用是為了防止機組熱通道部件超溫造成損壞，而限制CSO指令的繼續上升。得到CSO指令后，三菱控制邏輯又將其分成主燃料流量指令（Main CSO， MCSO）和值班燃料流量指令（Pilot CSO，PLCSO），三者的關系為：MCSO=CSO-PLCSO。其中，PLCSO是由以CSO為因變量的F（X）函數輸出值加上由自動燃燒調整系統輸出的修正量得到。由此看到，在燃料流量控制中，CSO和PLCSO為主要控制因子。在三菱控制邏輯中，為了描述值班燃料量與總燃料量之間的關系，采用了值班燃料比率（PILOT FUEL RATIO）的概念，即值班燃料比率（%）=值班燃料流量×100/總燃料流量。

燃燒器旁路閥控制指令（BYCSO）是一個以MW/（Kpc+B）為因變量的函數。MW/（Kpc+B）為燃燒器殼壓百分比值與燃氣輪機負荷百分比值的比值經壓氣機入口溫度修正后的一個參數。也就是說，燃燒器旁路閥的開度為壓氣機入口溫度、燃燒器殼壓和燃氣輪機負荷的函數，參與燃燒的空氣量的控制是與這三個參數有關的，另外最終的BYCSO指令中也包含了自動燃燒調整系統輸出的修正量。

壓氣機進口導葉（Inlet Guide Valve， IGV）的主要作用有兩點：①機組啟動過程中防止壓氣機發生喘振；②機組正常運行時，控制燃氣輪機排氣溫度，提高機組聯合循環效率。但當IGV開度增大或者減小時，進入壓氣機做功的工質就會相應增加或減少，因此就會使燃空比發生變化，從而改變燃燒器的燃燒狀態。但這種改變只是影響燃燒狀態，而不是進行燃燒穩定控制。

2　自動燃燒調整系統結構

M701F3型機組共有20個環繞排列的燃燒器，每個燃燒器上裝設有1個壓力波動傳感器。此外，分別在3號、8號、13號、18號燃燒器上還裝設有1個壓力波動加速度傳感器。壓力波動傳感器和壓力波動加速度傳感器在安裝方式和監視側重點上都有所不同。壓力波動傳感器安裝在噴嘴根部的燃燒器外缸上，其直接與燃燒區域相通。壓力波動加速度傳感器安裝在噴嘴根部的金屬壁上，不直接與燃燒區域相通。

自動燃燒調整系統（Advanced Combustion Pressure Fluctuation Monitor， ACPFM）硬件網絡結構如圖2所示。從圖中可以看到，傳感器采集到的壓力波動信號經前置器送至VIM模塊。在VIM模塊中，壓力波動信號經快速傅里葉轉換為9個不同頻段的頻譜信號，振動頻譜信號再經ControlNet網絡送至ACPFM系統的多功能處理站（Multiple Process Station， MPS）進行預報警（PRE-ALARM）、甩負荷（RUNBACK）和跳機（TRIP）邏輯保護判斷。同時，VIM模塊輸出的振動頻譜信號經RS232送至DTU，再由DTU經以太網絡送至CPFA電腦主機。CPFA電腦主機是自動燃燒調整的核心組成部分，其數據來源有二：①剛才所說的從VIM模塊送來的振動頻譜信號；②從透平控制系統（TURBIN CONTROL SYSTEM， TCS）經以太網傳來的機組各項運行狀態參數，包括壓氣機入口空氣溫度、壓氣機入口INDEX差壓、燃燒器殼壓等。CPFA電腦主機接收到這些數據后，根據以往機組正常運行時采集的歷史數據，運用復回歸分析法來分析預測各個參數變量之間的相關性和相關強度，從而計算出自動燃燒調整的修正值，再將修正值送回至TCS系統，完成自動燃燒調整功能。

圖2　ACPFM系統硬件網絡結構圖

3　燃燒調整介紹

3.1燃燒調整控制邏輯結構

前面已經說過，M701F3型機組燃燒穩定的控制主要是通過控制PLCSO即值班燃料比率和BYCSO燃燒器旁路閥開度來實現的。因此，機組的燃燒調整主要就是圍繞著這兩個因素來展開的。PLCSO指令生成邏輯示意圖如圖3所示。

圖3 PLCSO邏輯示意圖

圖3中PLCSO0是CSO的函數輸出值。檢修周期后機組初次啟動時，三菱調試人員進行燃燒調整的主要工作就是確定CSO與PLCSO0之間的函數對應關系。另外，DPLCSO也為CSO的函數，T（PLCSO）為壓氣機入口空氣溫度的函數，二者用來對PLCSO0進行溫度修正。

PLCSO（FX1）、PLCSO（FX2）和PLCSO（FX3）的功能分別與PLCSO0、DPLCSO和T（PLCSO）的功能相仿。只不過PLCSO（FX1）、PLCSO（FX2）和PLCSO（FX3）的函數對應關系是由ACPFM系統經復回歸分析算法自動生成，經CPFA電腦主機通過以太網上傳至TCS控制系統的，這就是ACPFM系統自動燃燒調整功能在PLCSO控制邏輯中的實現。

BYCSO指令生成邏輯原理與PLCSO相似，也分為人工調整部分和ACPFM自動調整部分。三菱調試人員進行人工燃燒調整的主要工作就是確定MW/（Kpc+B）與BYCSO0之間的函數對應關系。

3.2燃燒調整基本原則

三菱調試人員進行人工燃燒調整的目的就是確定CSO與PLCSO0之間以及MW/（Kpc+B）與BYCSO0之間的函數對應關系。而燃燒調整的過程實際上就是人為在PLCSO0和BYCSO0指令上設置正、負偏置值（如圖3所示的SG1），在各個機組負荷點不斷尋找燃燒振動臨界值的過程。燃燒調整后，為保證機組安全穩定運行，PLCSO0最終設置值應至少保證在±1%偏置情況下，機組燃燒振動的穩定。同樣，BYCSO0調整后的最小安全裕度應至少有±10%。

PLCSO和BYCSO對燃燒振動的影響以及對燃燒后的NOx排放的影響各有不同。PLCSO控制值班燃料比率。值班燃料比率越高，火焰的穩定性越好，但NOx的排放量也會隨之快速增加。值班燃料比率越低，NOx排放量也越低，但火焰的穩定性下降，嚴重時可以導致熄火。BYCSO控制燃空比。旁路閥開度越大，參與燃燒的空氣量越少，火焰燃燒的溫度越高，NOx的排放量會隨之增加，此外還容易產生回火現象。旁路閥開度越小，吹入噴嘴的空氣量越多，火焰燃燒的溫度越低，NOx的排放量也會隨之下降，但容易造成空氣吹熄火焰，導致燃燒器熄火。

在燃燒調整過程中，應時刻注意BPT溫度的偏差程度。燃燒筒和過渡段暴露在高溫區域，極易發生損壞。當燃燒筒和過渡段發生損壞產生裂紋時，壓氣機排氣就會滲過裂紋，流入熱通道，造成BPT溫度下降。因此，在發生某單個BPT溫度過低造成BPT溫度偏差過大的現象時，要及時降負荷甚至停機，以防止裂紋碎片對熱通道部件產生二次傷害。

三菱將燃燒振動發生頻率劃分為9個頻段，分別為LOW頻段（15～40Hz），MID頻段（55～95Hz），HIGH1頻段（95～170Hz），HIGH2頻段（170～290Hz），HIGH3頻段（290～500Hz），HIGH HIHG1頻段（500～2000Hz），HIGH HIHG2頻段（2000～2800Hz），HIGH HIHG3頻段（2800～3800Hz），HIGH HIHG4頻段（4000～4750Hz）。在進行燃燒調整時，對各個頻段都要注意其燃燒振動情況。隨著，值班燃料比率和燃燒器旁路閥開度的變化，某個頻段的燃燒振動幅度有可能反而會隨著調整而增加，因此在調整時要注意選取合適的中間點。

根據以往燃燒調整的經驗來看，在低負荷階段，容易發生振動的頻段為LOW頻段和HIGH HIGH2頻段。隨著負荷的升高，HIGH1頻段以及HIGH2頻段的振動也會逐漸趨于偏高。在調整過程中，應著重注意各個高頻段的振動情況，因為振動發生的頻率越高，給燃燒器帶來的傷害就越大。

4　燃燒調整效果的評估

對燃燒調整效果的評估可以從3個方面去考慮：①燃燒調整后，在各個負荷段以及變負荷工況下的各頻段的燃燒振動情況。這可以通過負荷擺動試驗后的振動頻譜圖和機組實際運行中燃燒振動情況，以及CPFM系統中燃燒工作點的位置是否趨于穩定工作區域中心位置來進行判斷；②燃燒調整后，機組聯合循環效率有無變化。正常的只是針對PLCSO和BYCSO的燃燒調整，對機組聯合循環效率的影響一般不大。但當需要對IGV開度進行調整時，機組聯合循環的效率就會受到影響。一般情況下，當環境溫度比前次燃燒調整環境溫度高時，為防止機組過早進入溫控，則需適當開大IGV開度。當環境溫度比前次燃燒調整環境溫度低時，為防止機組排汽溫度過低，降低余熱鍋爐效率，則需適當減小IGV開度。燃燒調整前，三菱工作人員會收集機組正常運行期間各個負荷段下的BPT溫度和排汽溫度，以及機組進入溫控時的各個相關參數。根據這些數據和目前的環境溫度再決定是否對IGV進行調整。另外，減小IGV開度雖會提高排汽溫度，提高余熱鍋爐效率，但是相應的燃氣輪機部分由于做工工質的減少，效率會有所降低，所以在決定IGV開度的時候還要對此加以考慮，盡量選取合適的中間點。要對機組聯合循環效率做出評估，就必須對燃燒調整前后各個負荷段下的各項數據進行對比分析。數據應至少包括：燃氣輪機負荷，CSO，PLCSO，Pilot Ratio，BPT溫度，排汽溫度，BYCSO，IGV開度，壓氣機出入口壓力和溫度，大氣壓力，大氣濕度，高壓、再熱、低壓主汽壓力溫度流量，余熱鍋爐排氣壓力和溫度等等與機組聯合循環效率相關的參數。另外，也可以通過比較燃燒調整前后，相同負荷下，燃料氣流量和燃氣輪機、汽輪機出力情況來進行初步判斷；③NOx的排放情況，這可以通過余熱鍋爐煙氣監測系統來進行判斷。

5　結論

燃燒系統的穩定對于燃氣輪機安全穩定的運行至關重要，而燃料熱值成分的變化，大氣環境溫度的改變以及機組負荷的擺動都有可能加大燃燒時的壓力振動。為了提高燃燒的穩定性，三菱燃氣輪機設計了獨特的燃燒器旁路閥結構，從而能夠更加精確地對燃空比進行調控。此外，在2000年，三菱推出了早期版本的燃燒壓力振動監視系統（Combustion Pressure Fluctuation Monitor， CPFM），早期版本的CPFM系統僅具備燃燒振動的報警、甩負荷和跳閘的邏輯連鎖功能。隨著時間的推移，三菱不斷完善該系統功能，又推出了功能更為優化的燃燒壓力波動監視調整系統（Advanced Combustion Pressure Fluctuation Monitor， ACPFM）。ACPFM系統在原先CPFM系統的基礎上增加了一套燃燒壓力波動分析系統（Combustion Pressure Fluctuation Analyzer，CPFA）。由此，ACPFM系統除了具備CPFM系統的所有功能外，還提供了實時燃燒壓力波動分析，評估燃燒穩定安全裕度和自動進行在線燃燒調整的功能。

燃燒調整控制是三菱燃氣輪機控制系統的核心部分。由于三菱的技術保密，至今為止我們對于該系統的關鍵內容也是知之甚少。要了解三菱燃燒調整系統，掌握燃燒調整技術除了要求技術人員對機組的運行特性及其主要參數的相關性非常熟悉外，還必須要有大量的試驗數據作支撐。這些需要國內主機廠家、調試、運行單位密切配合，共同努力積累經驗數據才能夠盡快吸收引進該項關鍵技術。

［1］ H. Iba， M. Nomura， T. Kawakamiand T. Koga. Advanced Monitoring System for Combustor Pressure Fluctuation［R］. Tokyo： Proceeding of the international Gas Turbine Congress， 2003.

［2］ MHI Takasagao Machinery Works. Combustion Tuning report［R］.

［3］ 肖小清. 三菱M701F燃氣輪機燃燒調整初探［C］. 中國電機工程學會第十屆青年學術會議， 吉林： 2008.

Analysis on M701F3 Gas Turbine Combustion Tuning System

Fan Xinyu
（Shenzhen Energy Group Co.， Ltd， Dongbu Power Plant， Shenzhen， Guangdong 518120）

How M701F3 Gas Turbine combustion control system working is elaborated in this paper on the perspectives of the system's structure and control logics. Then， an introduction about ACPFM system's network and the principle of combustion tuning is made. Finally， proposing a method on how to evaluate the effect of combustion tuning.

combustion tuning； combustion fluctuation； ACPFM； PLCSO； BYCSO

范新宇（1978-），男，碩士，深圳能源集團股份有限公司東部電廠熱控工程師，主要從事燃氣輪機聯合循環電廠熱控專業的檢修維護工作。