天然氣增壓機在燃氣輪機甩負荷時的控制邏輯優化

溫文忠

(深圳南山熱電股份有限公司，廣東 深圳 518052)

某聯合循環電廠總裝機容量為230 MW，采用燃氣-蒸汽聯合循環發電技術，配置有兩臺6FA級燃氣輪機發電機組、兩臺雙壓余熱鍋爐及一臺純凝式汽輪發電機組。由于燃氣輪機入口天然氣壓力要求為2.5～5 MPa, 而業主方提供的天然氣管網輸入的天然氣壓力為0.6～1.6 MPa,所以該廠天然氣供應系統采用天然氣壓縮機增壓系統，在燃氣輪機的燃料系統上游設置天然氣增壓站。

1 天然氣增壓調壓站工藝流程

用于增壓的天然氣調壓站是由緊急切斷、過濾、計量、增壓、冷卻、集中放散、安全監測、電氣及儀表控制等設備和管道組成的，具備使天然氣符合燃氣輪機進氣要求的功能[1]。該電廠采用的“一拖二”和“一主一備”的方式設計了兩套阿特拉斯·科普柯天然氣增壓機用于天然氣增壓,即電廠正常運行時，一臺天然氣增壓機可以滿足兩臺燃氣輪機滿載運行所需天然氣流量和壓力。圖1所示是天然氣調壓站處理系統及工藝流程。

圖1 天然氣調壓站處理系統及工藝流程

2 阿特拉斯·科普柯天然氣增壓機工作原理

離心式壓縮機是透平式壓縮機的一種，是借助高速旋轉的葉輪所產生的離心力將氣體介質壓縮并輸送的一種動力設備[2]。

阿特拉斯·科普柯天然氣增壓機采用兩級離心式壓縮機，示意圖如圖2。它的入口與天然氣調壓站處理系統中的計量單元出口相連接，天然氣經過入口關斷閥、壓力調節閥、過濾單元，通過一級和二級壓縮機壓縮，升壓至燃氣輪機入口所需的壓力2.8～3.2 MPa，并通過冷卻系統將壓縮后的天然氣溫度保持在燃氣輪機所設定的最高限值(110 ℃)內。一級和二級離心式壓縮機是由同一臺6.6 kV電動機提供動力，分別通過增速齒輪驅動壓縮機葉輪高速旋轉而產生離心力使流體獲得能量，將天然氣穩定連續吸入到壓縮機中去，逐級完成對其壓縮過程，從而實現動能轉化為壓力能，最終使壓縮機出口的天然氣壓力升高。

圖2 增壓機系統示意圖

正常運行時，天然氣增壓機通過自動控制系統調整壓力調節閥、進口導葉角度或再循環閥開度來維持天然氣增壓機出口壓力和改變進入燃氣輪機天然氣流量。當燃氣輪機需要的天然氣量減少時，通過開大再循環閥旁通閥、關小壓力調節閥和進口導葉來實現。同時，通過控制再循環閥開度確保天然氣增壓機最小流量不小于喘振流量，以防止天然氣增壓機喘振發生。

3 天然氣增壓機在燃氣輪機甩負荷時的控制邏輯優化

3.1 燃氣輪機對天然氣壓力保護設計

單臺GE 6FA 燃氣輪機的天然氣設計壓力值為2.48～3.45 MPa , 因此燃氣輪機控制系統對天然氣壓力大小進行限制保護。如果天然氣壓力低于2.5 MPa 時，燃氣輪機控制系統啟動快速減負荷程序，降負荷速率約64 MW/min，燃氣輪機從滿載降至5 MW只需1 min。天然氣壓力低減負荷邏輯示意圖如圖3。天然氣壓力三個測點96FG-1A、96FG-1B、96FG-1C位于燃氣輪機天然氣管道入口，通過中選(選擇中值)邏輯判斷后得到天然氣壓力FPG1與低限比較后，觸發快速減負荷程序。

圖3 天然氣壓力低減負荷邏輯示意圖

3.2 單臺燃氣輪機甩負荷時出現故障及原因分析

3.2.1 故障現象

該電廠在某次全廠滿載情況下進行#1燃氣輪機甩負荷試驗過程中，由于機組天然氣需求量瞬間由24 388 m3/h 降至15 390 m3/h, 單臺天然氣增壓機的負荷由100%快速降至約60%負荷，造成天然氣壓力波動，壓力下降至2.3 MPa引起帶滿載的#2燃氣輪機快速減負荷程序啟動，負荷降至5 MW，機組甩負荷試驗失敗。#1燃氣輪機甩負荷時部分參數變化如圖4。

圖4 #1燃氣輪機甩負荷時部分參數變化

3.2.2 故障分析

天然氣增壓機工作在天然氣危險場所，其再循環閥、壓力調節閥等采用安全防爆的氣動執行機構。因氣動執行機構較電動執行機構響應速度慢，加之增壓機控制盤與監測、執行元件距離較遠，從氣動執行機構檢測到信號到輸出控制信號去控制氣動閥門，執行完畢大約需25 s。燃氣輪機燃料控制閥采用電液控制，有較快的響應速度，其動作時間僅需0.5 s[3]。當燃氣輪機流量發生較大擾動時,天然氣增壓機通過再循環閥調節流量,調整壓力調節閥、進口導葉來維持天然氣增壓機出口壓力。當#1燃氣輪機在甩負荷過程中,燃氣輪機燃料控制閥快速響應關小,而天然氣增壓機的壓力調節閥、再循環閥控制系統不能快速響應，造成控制失調，引起天然氣增壓機出口壓力大幅波動，造成#2燃氣輪機天然氣管道入口壓力低于2.5 MPa，觸發了#2燃氣輪機快速減負荷程序，負荷降至5 MW。

3.3 解決方法

3.3.1 基本思路

正常情況下，天然氣增壓機控制系統根據天然氣壓力設定值與增壓機出口天然氣壓力的差值來調整壓力調節閥、進口導葉和再循環閥開度；在雙燃氣輪機運行期間，當有一臺燃氣輪機快速減負荷而快速截斷天然氣燃料流量，增壓機的氣動執行機構響應不及時，容易造成增壓機出口母管壓力大幅波動而引起另一正常運行的機組因天然氣壓力下降而減載。

通過增加兩臺燃氣輪機實時負荷信號并通過硬接線接入天然氣增壓機控制系統，根據燃氣輪機天然氣的需求量變化，作為天然氣增壓機氣動調節執行機構內部調節器前饋量，提高控制系統的響應速度，減緩天然氣增壓機出口波動幅度。

3.3.2 實施方法

天然氣增壓機控制系統根據負荷變化情況預先計算出天然氣流量需求量的變化，使再循環閥和壓力調節閥的內部設定輸入信號同步快速斜降至一定變化量，經過數秒鐘后自動斜升至正常的額定壓力設定值，從而大大減少了增壓機出口母管壓力迅速變化而引起的進入燃氣輪機天然氣壓力波動，減緩由于自動控制系統的動作滯后而產生大幅擾動。

在天然氣增壓機控制系統增加以下計算程序，并在壓力調節閥和再循環閥內部調節器上增加前饋調節功能。

(1)

式中：D為天然氣流量需求量；W1為#1燃氣輪機功率；W2為#2燃氣輪機功率；W為單臺燃氣輪機額定功率。

ΔV=(D1-D2)×K

(2)

式中：ΔV為再循環閥開度變化量；D1為天然氣需求量前一個周期值；D2為天然氣需求量當前值；K為常數。

天然氣流量需求量D表示燃氣輪機對天然氣的需求，須要加強天然氣增壓機對天然氣需求量的應變能力。如果D的值等于零或接近零且天然氣增壓機出口壓力上漲，天然氣增壓機自動控制系統可以判斷燃氣輪機機組當前無天然氣的需求，就會關閉入口關斷閥，反之自動打開入口關斷閥。

在燃氣輪機進行減載時，天然氣需求量也隨著減少，天然氣增壓機自動控制系統根據天然氣需求量前后運算周期的值計算出減小差值ΔV，利用這個差值折算出壓力調節閥和再循環閥內部調節器前饋變化量，通過改變式(2)K值可將天然氣增壓機出口壓力波動減至最小，使壓力調節閥和再循環閥在發生擾動之前提前動作，及時消除了它們對天然氣壓力調整的滯后。

按照上述方法改造后，在#1燃氣輪機甩負荷時，天然氣壓力FPG1 最高上升到3.2 MPa,最低下降到了2.73 MPa; #2燃氣輪機維持滿載運行。#1燃氣輪機甩負荷時天然氣壓力變化見圖5。

圖5 #1燃氣輪機甩負荷時天然氣壓力變化

4 效果及意義

通過上述方法改造，天然氣增壓機在單臺6FA級燃氣輪機和兩臺6FA級燃氣輪機甩負荷試驗時天然氣壓力能夠穩定維持2.7～3.2 MPa，確保了機組安全可靠運行。天然氣增壓機在以天然氣為燃料的聯合循環電廠中,是一個至關重要的設備,它的運行狀況直接關系到燃氣輪機的運行安全,并影響著整個電廠的運行和經濟效益。本文介紹的方法為同類型的電廠提供了借鑒。