安萨尔多AE94.3A型燃气轮机值班天然气控制浅析

安萨尔多AE94.3A型燃气轮机值班天然气控制浅析

韩玉鑫

广东大唐国际肇庆热电有限责任公司

摘要结合大唐肇庆热电公司安萨尔多AE94.3A燃气轮机运行情况，对燃机值班天然气控制策略进行梳理和分析，并提出优化建议，以适应国内电力系统的要求和发展形势。

关键词燃气轮机 安萨尔多 控制逻辑 值班天然气

1前言

2015年，上海电气和欧洲燃气轮机巨头——意大利安萨尔多公司签署一系列协议文本，上海电气计划出资4亿欧元参股后者40%股权，这意味着上海电气公司成为我国第二家掌握重型燃气轮机制造核心技术的公司，近年来，上海电气携手安萨尔多公司在国内上马了多个AE94.3A型燃机轮机（9F级）联合循环项目，不过机组正式投产运行的时间都还较短，其中最早运行的中电四会项目也仅仅2年，第一批次的大唐肇庆和周口项目也仅仅运行了1年。这三个项目是安萨尔多9F级机组在国内的首批次项目，尚处于上海电气与安萨尔多公司的磨合期。由于安萨尔多公司的设计理念和国内用户的需求有很大差异，使得在运行初期，三个项目都发生过多起设备异常和非停事故，这其中机组主保护及主要辅机保护逻辑部分的差异最大：厂家的控制逻辑苛刻，要求以保护设备为主；业主面对多次非停和电网考核，要求优化主保护条件。因此，平衡双方需求，适当的优化部分控制策略，以适应国内电力系统安全生产要求的工作显得尤为重要了。

2值班燃气与预混燃气

3值班燃气控制

安萨尔多燃机的值班燃气控制分为三部门组成，分别为最小流量控制、扩散燃烧控制及值班燃气控制，三种控制分别作用于燃机启动的不同的时间段，且在模式切换过程中也有相辅相成的补充和调整，从而达到保证燃机燃烧稳定的目的。

3.1最小流量控制

最小流量控制作用于燃机启动点火启动瞬间的值班燃气流量控制，以肇庆公司1号机组为例，燃机点火瞬间的值班流量为固定值60g/s，值班阀根据该流量提前开启相应的开度。当燃机顺控到达点火步序时，ESV阀开启，天然气开始逐步进入燃机内部进行点火，由于此时燃机的转速在SFC的带动下仍然处于转速快速上升的过程，使得燃机的进气量也在逐步上升，因此值班燃气的流量也必须跟随进气量进行逐步上升，来确保燃烧室内空燃比达到点火需求，因此在控制策略朱红，ESV阀开启5S后，值班燃气量也开始逐步得等速率增加，约6-8秒钟升至380g/s，后保持稳定。燃机点火期间值班气流量的变化如图1 。

3.2扩散燃料需求控制

在了解第二阶段扩散燃烧燃料需求控制之前，要先了解燃料需求的总体计算方式，也就是燃机在当前状态下（点火启动、升转速、定速3000、升降负荷等）所需要的总的燃料量，也就是燃机FUEL CONTROL画面的LOW VALUE GATE算法，即低值门（直译）算法。在机组实际运行中，低值门作为一个百分之比数字，在控制策略中，它可以通过乘以0.187kg/s/%换算为燃料流量单位kg/s，实际上，我们将画面的中的1号测点乘以0.187，得出的值将等于2+3测点。也就说，低值门就代表着的燃机实时燃烧的总燃料量。低值门的算法过于复杂，此论文中就暂不描述了。

燃机燃烧所需的燃料总量已经有了，接下来就该分配给预混阀和值班阀了。

3.2.1 首先说机组正常运行状态，也就是燃机带负荷后的情况。正常运行时，低值门根据负荷的变化增减数值，燃料也随即变化，但为保证负荷控制稳定，必须采用预混燃烧的闭环控制，因此在算法中，首先要将总燃料量中的非参与调解量算出来，刨去非参与调解的燃料后剩余的量就可以进入闭环控制了。

非参与调节量=值班气量+预混最小流量

非参与调节量中的第一路就是值班气量，值班气量当然作为最主要的部门，燃机在每一个负荷下，值班气量都一个固定的值，这个值只有个别修正参数变化时才有很微小的调整，值班气作为维持燃机稳定燃烧的基础，自己气量不可以参与闭环调节。

非参与调节量中的第二路就是预混气量中一小部分，这一部分我们称之为预混燃烧最小值，预混最小值的作用，就是在控制逻辑中将预混气的一小部分提取出来，不让其参与调解，以保证燃机在甩负荷时，燃机会因为预混气源全断造成火焰波动大甚至熄灭。预混最小值在控制策略中只与IGV的开度有关，最低为0.45kg/s。

那么，将总燃料量中的非参与调节量做减法后，剩余的调节量参与到转速或负荷控制的闭环调节中，图2中所画出的控制策略即为机组正常运行时的计算方式。

图2，燃料控制策略图（该图画出的控制策略是机组正常运行时的状态）

3.2.2 说完机组正常运行状态下的燃料分配控制，再说一下机组升转速期间的燃料分配控制。在机组启动初期的升转速阶段，由于燃机缸温低、燃料量小、扰动多且途径临界转速等等因素，使得燃机在升转速过程中的燃烧状况较差，若仍然按照正常运行时的燃料分配方案，也就是预混气量＞值班气量的方式，将大概率出现熄火或加速度大的事故，因此，在燃机启动升转速时期，必须采用第二种燃料分配策略，才能确保燃烧稳定。

在第二种燃料分配策略中：

非参与调节量=预混调节气量+预混最小流量

而

参与调解量=总燃料量—非参与调节量=值班气需求量+值班气最小流量

也就是说，在第二种燃料分配策略中，在每一个转速点上，预混气的量是函数固定的，预混气的最小流量也是固定的，而值班气量就等于总燃料量减去以上两个值。这样的策略，就能保证在燃机启动升速过程中，值班气作为主要的调节气并且占比超过50%甚至更高，使得燃机升速过程值班燃烧作为重点，提高了升速过程中的火焰强度和稳定度，大大降低了熄火或加速度大的风险。

那么，说完两种燃料分配方案，就可以清晰的对机组升转速过程中的值班气量和预混气量进行分析了。

在图3中，燃机转速约660rpm时，值班气量先由最小流量控制的380g/s开始上升，此时其实已经介入第二种燃料分配方案的策略中了，即预混不变，总燃料-预混为值班气量。但由于预混需要在转速大于1180rpm时才会介入，因此在660rpm至1180rpm之间，总燃料量就等于值班气量。

当燃机转速到达1180rpm时，预混燃气开始工作，上文已经说明预混燃气由预混调节气量和预混最小流量组成，在预混介入的几秒钟内，预混调节气量根据转速的函数开始缓慢提高流量，而预混的最小流量由于是个维持不变的定值，它会快速的升至300g/s。那么，预混气的快速加入，使得总燃料量快速上涨，值班气为了调节总的燃料量而下降，这也就是为什么在1180rpm下，我们看到值班气总量有一个下降趋势的原因。

在燃机转速约1500rpm后，由于燃机转速依然在快速上升，总燃料量的需求也在快速上升，而预混调节气量的跟踪是缓慢的，因此值班气流量控制再次回头开始快速升速，直至燃机转速3000rpm。

3.3值班燃气量控制

以上已介绍完机组的点火初期和升转速阶段的值班气控制模式，接下来将介绍燃机在3000rpm或已并网后的值班气流量控制，也就是上文提到的燃机正常运行模式下的值班燃气控制。在这种工况下，值班燃气的控制方式非常简单，主要由三部分组成。

3.3.1IGV开度跟踪控制

燃机到达额定转速或已并网后，值班气开始进入另一个控制策略，即跟踪IGV开度控制，IGV的不同开度反馈与值班燃气量之间做有一个折线函数，值班气量将实时跟踪。

3.3.2TETC修正

在值班燃气跟踪IGV开度的基础上，还有几个不同工况的修正参数，其中之一就是TETC修正，即燃机排气温度修正。TETC修正的目的，就是在燃机启动初期，缸温较低时对值班气量的补充，以达到稳燃的目的。TETC越低，值班气修正量越高。

3.3.3其他修正

除TETC修正外，值班气量还有5个小的修正参数，分别为RDS修正、升负荷修正、降负荷修正、燃机进气温度修正、天然气热值修正。

RDS修正是在升、降负荷修正是针对特定的燃机在升降负荷过程中会出现加速度大的情况，因此在过程中补加一小部分值班气来维稳，肇庆公司2号机组在降负荷过程中加速度就十分敏感，因此在燃烧调整中将IGV10%-80%区间的降负荷阶段加了50g/s值班燃气。

燃机进气温度修正的目的和TETC修正的目的基本一样，是因为燃机启动初期进气温度可能过低，使得燃烧室温度降低，造成初期火焰不稳出现熄火等现象，因此在进气温度较低时增补值班燃气。进气温度15°以上不修正。

热值修正就是通过测量前置模块色谱仪天然气热值，来对值班气量进行微小调节，热值越低，增补值班气越多。对于气源稳定的机组，无需调节，目前肇庆公司未投入该功能。

3.4三种控制模式的过渡和切换

点火阶段，仅有最小流量控制；随后当转速上升至680rpm时，扩散燃烧需求开始介入，而此阶段最小流量控制不会消失，两种控制方式叠加控制。当燃机转速到达3000rpm后，预混顺控第五步后，值班燃气控制开始介入，最小流量控制和扩散燃烧需求控制开始退出，两者一个增加一个减少，但为保证这一阶段燃机燃烧稳定，因此控制策略中使值班气总量在增加，这也是为什么在此时值班总燃料有一个明显上涨的原因。

4机组启动过程值班燃气曲线分析

5图3，机组升转速期间值班气的控制策略（绿色是值班气量，红色是转速）

6案例分析

案例1：某电厂2号机组在进行TCS控制系统改造后，燃机首次点火在定速3000rpm后出现转速不可控的上涨，运行人员快速手动打闸停机。

异常分析：检查发现，TCS改造后，燃机燃气压力测点1接线虚接坏点，且燃气压力低坏质量剔除逻辑组态错误，而是继续小选测点1，造成逻辑中认定的燃气压力较实际压力低8bar。在燃机升转速过程中，由于总燃料由值班气调节，因此此阶段未见异常。当燃机定速3000后，值班燃气控制此时应由扩散燃料需求控制向值班燃烧控制去过渡，也就是使得总燃料由值班气调节切换为预混气调节的过程中，由于预混最小值的下限是固定的，因此造成预混无法调节总燃料再下降了，因此造成实际的总燃料大于定速3000的总燃料，造成燃机转速不可控的上升。

案例2：某电厂1号机组运行中加速度三测点突增至24g，机组跳闸。

异常分析；检查发现，机组跳闸前，值班燃气实际流量比设定流量少了近100g/s，原因是值班气开环控制，其设定值直接控制策略根据值班阀流量曲线变化为开度值，但运行当天天然气温度低，造成天然气中硫结晶，堵塞了值班阀阀笼，最终造成燃烧室内值班燃气量不足，火焰偏离正常运行状态，引发燃烧室内热声震荡，激发加速度大跳机。

7结语

随着上海电气与安萨尔多公司的深度合作，以及国内燃气蒸汽联合循环机组的陆续上马，目前国内已有近20台安萨尔多9F型机组在国内新建、投产、运营。从目前已投运机组发生的异常上来看，安萨尔多AE94.3A型机组的燃烧控制出现的问题较多，特别是值班燃气引起的占大多数，想要理解和控制燃机的燃烧，那么对值班燃气控制策略的学习和大数据的学习是必不可少的。其实，安萨尔多燃料分配设计思想其实并不复杂，也有很多很好设计理念值得汽轮机DEH和ETS控制系统学习，但部分控组理念的设计过于理想化，在机组实际运行过程中忽略了涉及到设备本体、监测仪表、运行环境、燃料特性、运行人员技术水平等等诸多因素影响，从而增加了控制的难度和精度，造成机组非停的事故也时有发生。以上为笔者在安萨尔多9F级机组调试和运行中发现并改良的个别项目， 有不妥之处欢迎各位同行指正，希望能为未来的安萨尔多9F级机组的相关技术人员提供参考。

参考文献：无