IGCC燃?xì)廨啓C(jī)二次風(fēng)閥控制優(yōu)化

侯興鑫，李帥，佟宇軒，周廣利，吳楠，張皓，趙劍

（華能（天津）煤氣化發(fā)電有限公司，天津 300452）

0 引言

1972年在德國(guó)Liinen的斯蒂克電站投運(yùn)了世界上第一個(gè)以增壓鍋爐型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)為基礎(chǔ)的IGCC電站，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，世界上公認(rèn)真正試運(yùn)成功的IGCC是于1984年5月建成于美國(guó)加州Daggett的“冷水”（Cool water），它是以余熱鍋爐型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)為基礎(chǔ)的[1]。

整體煤氣化燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)（簡(jiǎn)稱IGCC）是屬于清潔煤發(fā)電技術(shù)，華能“綠色煤電”項(xiàng)目天津IGCC煤氣化發(fā)電為中國(guó)第一座自主設(shè)計(jì)和建造的IGCC電廠[2]，它包括空分、煤氣化、凈化和動(dòng)力島4個(gè)部分，氣化爐由上海鍋爐廠制造，燃?xì)廨啓C(jī)采用E級(jí)燃機(jī)，由上海電氣集團(tuán)與西門子聯(lián)合制造，余熱鍋爐由杭州鍋爐集團(tuán)股份有限公司制造，蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組由上海電氣集團(tuán)制造，空分裝置由開封空分集團(tuán)有限公司制造，壓縮機(jī)由西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司和沈陽(yáng)透平機(jī)械股份有限公司制造。

主要生產(chǎn)流程是：空分制備出的氧氣與煤粉在氣化爐里生成合成氣（60%CO，25%H2），經(jīng)過(guò)除塵和脫硫等凈化過(guò)程，變?yōu)闈崈舻臍怏w燃料驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)。在燃?xì)廨啓C(jī)做功發(fā)電的同時(shí)，燃機(jī)排氣經(jīng)余熱鍋爐加熱給水產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電，形成高效率的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)。

天津IGCC燃?xì)廨啓C(jī)左、右燃燒室火焰內(nèi)缸側(cè)壁處均安裝一臺(tái)二次風(fēng)閥，用來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入燃燒室的空氣流量，其調(diào)節(jié)作用直接影響燃機(jī)燃燒效率和穩(wěn)定性。在天津IGCC燃機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)過(guò)二次風(fēng)閥反饋故障的情況，當(dāng)機(jī)組處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，二次風(fēng)閥反饋故障會(huì)直接導(dǎo)致二次風(fēng)閥退出自動(dòng)調(diào)節(jié)，二次風(fēng)閥無(wú)法參與控制，嚴(yán)重影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。本文將詳細(xì)介紹二次風(fēng)閥控制優(yōu)化過(guò)程，以供其它電廠參考。

1 天津IGCC燃機(jī)介紹

燃?xì)廨啓C(jī)是組成IGCC系統(tǒng)的核心[3]，世界上生產(chǎn)重型燃?xì)廨啓C(jī)的主要公司有美國(guó)的GE公司、德國(guó)的SIEMENS公司、法國(guó)的ALSTOM公司和日本的三菱公司[4]。天津IGCC示范工程采用了西門子SGT5－2000E（LC）型低熱值合成氣燃?xì)廨啓C(jī)。該型燃?xì)廨啓C(jī)是在常規(guī)的SGT5－2000E型燃?xì)廨啓C(jī)基礎(chǔ)上改造的，重點(diǎn)對(duì)壓氣機(jī)和燃燒室進(jìn)行了改造，以滿足燃用低熱值合成氣燃料的要求[5]，壓氣機(jī)的改造是在常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)的基礎(chǔ)上增加一級(jí)，燃燒室的改造主要是燃料管路分布的改進(jìn)和對(duì)燃燒器燒嘴出口的改進(jìn)[6]。

如圖1所示，此燃機(jī)是單軸單缸設(shè)計(jì)，無(wú)論是作為原動(dòng)機(jī)還是帶基本負(fù)荷在恒速下運(yùn)行或高峰負(fù)荷下運(yùn)行都適合。西門子2000E系列燃機(jī)可以應(yīng)用于聯(lián)合循環(huán)和區(qū)域供熱。他們適用于氣體和液體燃料的操作。一個(gè)單軸單缸燃?xì)廨啓C(jī)的典型特征是壓氣機(jī)和透平同轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子被兩個(gè)在有壓區(qū)域外的軸承支撐。這樣為確保良好的運(yùn)行工況提供了基礎(chǔ)，因此可以穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)總覽圖（不反映機(jī)械設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)）

如圖2所示，西門子2000E系列燃?xì)廨啓C(jī)采用桶形燃燒室，兩個(gè)側(cè)面燃燒室通過(guò)法蘭連接到燃?xì)廨啓C(jī)。從壓氣機(jī)來(lái)的壓縮空氣進(jìn)入燃燒室，通過(guò)環(huán)形空間11并通過(guò)空間14和16（在承壓部件4和內(nèi)部部件6之間）到達(dá)燃燒器組件1。空氣被對(duì)角旋流器3集中的成對(duì)角線噴出用來(lái)穩(wěn)定火焰燃燒。可調(diào)二次風(fēng)閥（空氣稀釋孔）5布置在每個(gè)火焰缸的下段。可打開或者關(guān)閉可旋轉(zhuǎn)環(huán)12（調(diào)節(jié)二次風(fēng)量）來(lái)調(diào)節(jié)透平出口溫度。二次風(fēng)閥電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)10成切向地裝在燃燒室殼體上，同時(shí)可以驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)。

圖2 燃燒室總覽圖（不反映機(jī)械設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)）

2 燃機(jī)二次風(fēng)閥動(dòng)作原理和作用

為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和低污染物燃燒，燃機(jī)配備了混合燃燒器，大部分必需的燃燒空氣量由壓縮機(jī)提供。只有少量空氣在啟動(dòng)和低負(fù)荷過(guò)程中需要。在負(fù)荷范圍內(nèi)提供越多的空氣量，燃機(jī)的負(fù)荷越大（在燃料增加的基礎(chǔ)上）。

燃機(jī)提供了用于控制空氣量?jī)煞N方法：1）調(diào)節(jié)壓氣機(jī)的進(jìn)口導(dǎo)葉（此文略）；2）壓縮空氣一部分進(jìn)入燒嘴，另一部分從二次風(fēng)閥走（燃燒室空氣流量控制）。

燃燒空氣控制（也稱為調(diào)整/控制二次風(fēng)閥的空氣量）通過(guò)改變進(jìn)入燃燒室的空氣量，把一部分壓縮空氣從旁路送到燃燒室下游末端（火焰缸）。該空氣冷卻燃燒室產(chǎn)生的熱氣流。進(jìn)入燃燒室的空氣質(zhì)量流量根據(jù)透平出口溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)。稀釋空氣的進(jìn)口（二次風(fēng)閥）位于燃燒室內(nèi)火焰缸，它們的橫截面可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)調(diào)整環(huán)來(lái)增加或減小。矩形段（每個(gè)稀釋空氣孔一段）布置在調(diào)整環(huán)周圍。隨著環(huán)的旋轉(zhuǎn)，可以調(diào)節(jié)進(jìn)入稀釋空氣孔（二次風(fēng)閥）的流量。在幾何方面，每個(gè)稀釋空氣孔（二次風(fēng)閥）徑相當(dāng)于一個(gè)滑動(dòng)窗口相應(yīng)的幀。段邊緣有密封面相當(dāng)于框架。進(jìn)入燃燒器的壓縮空氣有固定的橫截面。當(dāng)稀釋空氣孔（二次風(fēng)閥）關(guān)閉時(shí)，進(jìn)入燃燒器的空氣就增加了，稀釋空氣相應(yīng)地減少了。當(dāng)稀釋空氣孔（二次風(fēng)閥）打開時(shí)，進(jìn)入燃燒器的空氣就減少了，而稀釋空氣相應(yīng)地增加了。

燃燒空氣控制系統(tǒng)的主要目的是根據(jù)透平出口溫度來(lái)調(diào)節(jié)調(diào)整環(huán)。1）通過(guò)開環(huán)控制信號(hào)進(jìn)行二次風(fēng)閥定位；2）通過(guò)閉環(huán)控制信號(hào)進(jìn)行二次風(fēng)閥定位。二次風(fēng)閥定位由電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行。這兩個(gè)二次風(fēng)閥必須同步進(jìn)行定位，在嚴(yán)格的公差范圍內(nèi)，以防止非正常流動(dòng)和透平上游的熱氣流。在跳閘時(shí)，二次風(fēng)閥設(shè)置為打開位置，以防止由于二次風(fēng)閥和套管的熱膨脹而導(dǎo)致二次風(fēng)閥卡住。監(jiān)視透平出口溫度的模擬信號(hào)在允許范圍內(nèi)，如果在允許范圍外，開環(huán)控制切換為手動(dòng)操作。

3 燃機(jī)二次風(fēng)閥硬件改造

3.1 二次風(fēng)閥存在的隱患

目前天津IGCC燃機(jī)二次風(fēng)閥只有一個(gè)模擬量反饋信號(hào)，反饋直接參與二次風(fēng)閥動(dòng)作邏輯，在天津IGCC機(jī)組正常運(yùn)行期間，左側(cè)二次風(fēng)閥反饋出現(xiàn)過(guò)故障現(xiàn)象，具體現(xiàn)象為模擬量反饋故障為壞值，當(dāng)模擬量反饋壞值時(shí)，燃機(jī)二次風(fēng)閥自動(dòng)退出閉環(huán)控制，且無(wú)法遠(yuǎn)程手動(dòng)操作，徹底失去對(duì)二次風(fēng)閥的控制，機(jī)組退出AGC。因無(wú)法對(duì)二次風(fēng)閥進(jìn)行在線定位，無(wú)法在機(jī)組運(yùn)行期間進(jìn)行維修或者更換。

為解決此重大設(shè)備隱患，設(shè)備負(fù)責(zé)班組提出多種解決思路，包括更換二次風(fēng)閥電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，更換反饋設(shè)備等等。通過(guò)深入了解二次風(fēng)閥反饋裝置，發(fā)現(xiàn)可以在原反饋裝置基礎(chǔ)上增加一套模擬量反饋裝置，此方法可有效避免二次風(fēng)閥在一個(gè)反饋故障后無(wú)法在線檢修的事故發(fā)生，同時(shí)此方法操作簡(jiǎn)單且費(fèi)用較低。

3.2 硬件改造

二次風(fēng)閥動(dòng)作電動(dòng)機(jī)品牌為德國(guó)EUBA，型號(hào)C4，設(shè)備編號(hào)50912-01,推力為15 000 N,拉力為15 000 N，行程為250 mm，速度為8 mm/s。

二次風(fēng)閥反饋裝置由力矩開關(guān)、行程開關(guān)、電位器、位置變送器組成。電位器是將閥門位置轉(zhuǎn)換為電阻信號(hào)的儀器，位置變送器是將電位器的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20 mA的儀器，電位器和位置變送器是組成模擬量反饋的重要裝置。當(dāng)力矩開關(guān)動(dòng)作時(shí)，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將無(wú)法動(dòng)作。通過(guò)深入了解反饋裝置，發(fā)現(xiàn)圖5所示電位器具有堆疊使用的功能，可在圖4所示反饋傳動(dòng)裝置右側(cè)新增一個(gè)電位器，同時(shí)在反饋盒內(nèi)新增一個(gè)圖6所示位置變送器，構(gòu)成了新增模擬量反饋的重要設(shè)備，再敷設(shè)一根信號(hào)電纜，完成二次風(fēng)閥反饋改造的硬件部分。

圖3 反饋裝置總覽圖

圖4 反饋傳動(dòng)裝置

圖5 電位器

圖6 位置變送器

4 控制優(yōu)化

為達(dá)到最好的控制效果，控制邏輯將選擇反饋與指令偏差小的反饋信號(hào)作為控制信號(hào)。當(dāng)一側(cè)二次風(fēng)閥反饋1和2中任一個(gè)有故障時(shí)，將自動(dòng)選擇非故障信號(hào)作為控制信號(hào)，當(dāng)反饋1、2均故障時(shí)，二次風(fēng)閥退出閉環(huán)，投入開環(huán)控制。

新增左右側(cè)二次風(fēng)閥反饋接線圖如圖7、圖8所示；新增測(cè)點(diǎn)供電回路圖如圖9所示；控制邏輯框圖如圖10所示。

圖7 左側(cè)二次風(fēng)閥反饋邏輯圖

圖8 右側(cè)二次風(fēng)閥反饋邏輯圖

圖9 左、右側(cè)二次風(fēng)閥反饋供電圖

圖10 二次風(fēng)閥反饋控制邏輯圖

1）此控制邏輯將選擇反饋與指令偏差小的反饋信號(hào)作為控制信號(hào)。

2）當(dāng)反饋1、2均出故障時(shí)，二次風(fēng)閥退出閉環(huán)，投入開環(huán)控制。

5 結(jié)語(yǔ)

作為國(guó)內(nèi)第一座整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站，天津IGCC機(jī)組在運(yùn)行中逐步克服了諸多前所未有的問題[7]。

通過(guò)對(duì)二次風(fēng)閥反饋裝置現(xiàn)有設(shè)備分析及研判，成功完成二次風(fēng)閥反饋改造和控制優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了二次風(fēng)閥位置測(cè)量及控制可靠性的倍增。本文僅通過(guò)測(cè)量元件及信號(hào)處理過(guò)程的改變，實(shí)現(xiàn)了冗余測(cè)量的功能（一點(diǎn)測(cè)量，輸出兩個(gè)信號(hào)）；而對(duì)于實(shí)際二次風(fēng)閥位置的真實(shí)位移量測(cè)量方面，并未涉及，下一步的研究可在此方向上進(jìn)行拓展。以期可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或更多個(gè)反饋真實(shí)位移量的測(cè)量及輸出（2點(diǎn)或更多點(diǎn)測(cè)量，輸出多個(gè) 信號(hào)）。