Analysis of Flue Gas Temperature Control for SGT5-4000F CCPP

林士兵　戴云飛　唐珠珠

(上海申能臨港燃機(jī)發(fā)電有限公司，上?！?01306)

SGT5-4000F型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組煙溫控制淺析

Analysis of Flue Gas Temperature Control for SGT5-4000F CCPP

林士兵戴云飛唐珠珠

(上海申能臨港燃機(jī)發(fā)電有限公司，上海201306)

摘要：以西門子SGT5-4000F型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組為例，對(duì)聯(lián)合循環(huán)的核心設(shè)備——燃?xì)廨啓C(jī)的排煙溫度控制進(jìn)行了研究，剖析了燃?xì)廨啓C(jī)排煙溫度控制的作用、控制原理，以及影響排煙溫度控制的各種因素(包括汽輪機(jī)、余熱鍋爐、燃?xì)廨啓C(jī)自身等影響因素)。在此基礎(chǔ)上，為降低環(huán)保排放,提出了通過(guò)優(yōu)化排煙溫度控制策略來(lái)進(jìn)一步提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和機(jī)組最大出力等設(shè)想，為同類型機(jī)組提供參考。

第一作者林士兵(1983-)，男，2006年畢業(yè)于上海交通大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，工程師；主要從事發(fā)電廠熱控檢修、技術(shù)管理和機(jī)組方面的籌建工作。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合循環(huán)SGT5-4000F協(xié)調(diào)控制燃?xì)釵TC

Abstract：Taking Siemens SGT5-4000F fuel gas-steam combined cycle power plant(CCPP)as example, the flue gas temperature control of the core equipment, i.e., gas turbine is studied, the flue gas temperature control function, the control principle, and various factors affecting the temperature control, including turbine, heat recovery boiler, and gas turbine itself are dissected. On this basis, several ideas for improving the operation stability, economic benefit and maximum output of the unit, reducing environmental emissions of CCPP by optimizing the flue gas temperature control strategy are proposed to provide reference to similar power units.

Keywords：Combined cycleSGT5-4000FCoordinated controlFlue gasOutlet temperature calculated

0引言

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組因其高效、環(huán)保、自動(dòng)化程度高而得到大力發(fā)展。作為聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的核心設(shè)備——燃?xì)廨啓C(jī)的三大國(guó)際品牌之一的西門子燃機(jī)，因其高效、高可靠性和先進(jìn)的設(shè)計(jì)而得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

西門子SGT5-4000F型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組是目前被廣泛應(yīng)用的F級(jí)機(jī)組，其機(jī)組級(jí)協(xié)調(diào)控制主要由負(fù)荷控制、溫度控制和壓力控制三部分組成。協(xié)調(diào)控制根據(jù)機(jī)組的不同運(yùn)行工況，給出相應(yīng)的負(fù)荷、溫度、壓力設(shè)定值指令，協(xié)調(diào)燃機(jī)、余熱鍋爐和汽機(jī)的啟停及不同負(fù)荷的運(yùn)行。其中,溫度控制分為燃機(jī)排煙溫度控制和余熱鍋爐蒸汽溫度控制，前者由燃機(jī)調(diào)節(jié)燃料量和空氣進(jìn)氣量實(shí)現(xiàn)，后者通過(guò)鍋爐減溫水系統(tǒng)完成。

本文對(duì)機(jī)組啟停及運(yùn)行具有重要影響的燃機(jī)排煙溫度控制進(jìn)行分析，介紹了排煙溫度控制的作用、原理以及各種影響因素，并提出優(yōu)化排煙溫度控制的一些設(shè)想。

1排煙溫度控制作用和原理

SGT5-4000F型燃機(jī)的排煙溫度控制是由燃機(jī)控制系統(tǒng)中的排煙溫度控制器來(lái)完成的。排煙溫度控制器包括進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)葉(IGV)溫度控制器和經(jīng)過(guò)修正的透平出口溫度(outlet temperature calculated,OTC)控制器，它是燃機(jī)控制系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，主要通過(guò)調(diào)節(jié)燃料量和空氣進(jìn)氣量，使燃機(jī)透平入口溫度在不高于設(shè)計(jì)值下穩(wěn)定運(yùn)行。排煙溫度控制的主要目標(biāo)是控制透平入口溫度，其主要作用如下[1-4]。

① 保持穩(wěn)定的燃機(jī)透平入口溫度；

② 限制燃機(jī)透平入口溫度在允許條件下的一個(gè)最高值，在確保安全的情況下盡可能提高效率；

③ 聯(lián)合循環(huán)模式下，滿足啟動(dòng)階段燃機(jī)同余熱鍋爐、汽機(jī)的溫度匹配；

④ 特定工況下，快速減少燃機(jī)透平出口溫度，保護(hù)設(shè)備。

對(duì)于SGT5-4000F型燃機(jī)而言，由于透平入口溫度很高(約1 350 ℃)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期直接測(cè)量，而透平出口溫度相對(duì)較低(約600 ℃)，易被精確測(cè)得。因此，作為替代的解決方案，西門子燃機(jī)的排煙溫度控制器正是通過(guò)控制透平出口溫度(經(jīng)修正后)來(lái)間接控制燃機(jī)透平入口溫度的[5-6]。OTC是一個(gè)虛擬的被控變量，通過(guò)它可間接表征透平入口溫度的狀況。因?yàn)閷?duì)于燃機(jī)而言，壓氣機(jī)入口溫度、燃機(jī)轉(zhuǎn)速和空氣相對(duì)濕度等因素會(huì)影響燃機(jī)透平的膨脹比，繼而影響透平的焓降及透平出口溫度，若將容易測(cè)得的透平出口溫度進(jìn)行壓氣機(jī)入口溫度。燃機(jī)轉(zhuǎn)速和空氣相對(duì)濕度等因素的修正，則經(jīng)過(guò)修正的燃機(jī)透平出口溫度同透平入口溫度將形成相對(duì)固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，通過(guò)控制經(jīng)修正的透平出口溫度(OTC)，可間接控制燃機(jī)透平入口溫度，實(shí)現(xiàn)排煙溫度控制目標(biāo)[7-8]。

西門子SGT5-4000F型燃機(jī)的OTC修正計(jì)算公式如下：

OTC=TOT+[TVI×k11+TVI2×k12+TVI3×k13+TVI2×DNN×k18+TVI×DNN×k16+DNN×k14+TVI×DNN2×k17+DNN2×k15]+{[DNN×(TVI+a)2×k1+(TVI+a)3×k2]×(TVI×k3-b-DEW)/(TVI-DEW+c)}

以上公式涉及的變量含義如下。

① 透平出口溫度(TOT)由安裝在燃機(jī)排氣擴(kuò)散段的24支熱電偶測(cè)量后取均值得到。

②k11、k12、k13、k14、k15、k16、k17、k18，k1、k2、k3、a、b、c均為常數(shù)系數(shù)。

③DNN=1-NT/50S-1，燃機(jī)未并網(wǎng)時(shí)DNN取0。

④TVI為壓氣機(jī)入口溫度。

⑤NT為燃機(jī)轉(zhuǎn)速。

⑥D(zhuǎn)EW為進(jìn)氣露點(diǎn)溫度。

由此看出，當(dāng)環(huán)境溫、濕度一定時(shí)，控制OTC也將控制燃機(jī)排向余熱鍋爐的煙溫(TOT)，對(duì)余熱鍋爐、汽機(jī)產(chǎn)生影響。

由于IGV溫度控制器和OTC控制器均用于控制燃機(jī)排煙溫度，因此二者均采用上述OTC修正計(jì)算值作為被調(diào)量。但二者又有不同之處：IGV溫度控制器是在IGV介于全關(guān)和全開(kāi)狀態(tài)之間，可以在自由調(diào)節(jié)開(kāi)度時(shí)起作用，用于控制部分負(fù)荷下的燃機(jī)排煙溫度，其調(diào)節(jié)量是IGV開(kāi)度(空氣進(jìn)氣量)；OTC控制器是在IGV全開(kāi)或全關(guān)情況下起作用，用于限制燃機(jī)在額定負(fù)荷下不超溫，或在啟動(dòng)暖機(jī)階段通過(guò)限制燃機(jī)排煙溫度來(lái)保證余熱鍋爐不超溫，以減少熱應(yīng)力，OTC控制器的調(diào)節(jié)量是燃料閥開(kāi)度(燃料量)。

為了提高IGV溫度控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，在IGV溫控回路中引入了前饋環(huán)節(jié)，將燃料量綜合輸出(Ymin)作為前饋，來(lái)提前調(diào)節(jié)IGV開(kāi)度，再通過(guò)PID閉環(huán)調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)排煙溫度的穩(wěn)態(tài)控制。

2排煙溫度設(shè)定值的形成

西門子SGT5-4000F型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組排煙溫度定值形成回路如圖1所示。

圖1　發(fā)電機(jī)組排煙溫度定值形成回路

燃機(jī)排煙溫度控制主要通過(guò)調(diào)節(jié)燃料量和空氣進(jìn)氣量，使燃?xì)廨啓C(jī)在最優(yōu)的透平入口溫度下運(yùn)行，其控制過(guò)程要同時(shí)兼顧燃機(jī)效率、出力、透平初溫、環(huán)保排放、燃燒穩(wěn)定性等多個(gè)因素；聯(lián)合循環(huán)模式下，還要兼顧余熱鍋爐、汽機(jī)的熱應(yīng)力要求[9-10]。因此，燃機(jī)排煙溫度設(shè)定值可分為單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)兩種模式。

2.1　單循環(huán)模式下的溫度定值

在燃機(jī)單循環(huán)模式下，排煙溫度設(shè)定值的形成主要考慮燃機(jī)效率、最大出力、透平初溫、環(huán)保排放、燃燒穩(wěn)定性等因素。

部分負(fù)荷下，由IGV溫度控制器調(diào)節(jié)排煙溫度，此時(shí)煙溫定值主要根據(jù)燃機(jī)相對(duì)負(fù)荷(PNORM)進(jìn)行設(shè)定[如圖1(a)所示]。由于燃機(jī)升、降負(fù)荷過(guò)程經(jīng)過(guò)同一負(fù)荷點(diǎn)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性不完全一致，因此IGV溫控定值曲線[圖1(a)中y=f1(x)]分為升負(fù)荷和降負(fù)荷兩條曲線設(shè)定，如圖2所示。定值的差異要根據(jù)燃燒動(dòng)態(tài)特性決定，但差值不宜過(guò)大，以免在負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)由于測(cè)量等因素出現(xiàn)負(fù)荷小幅波動(dòng)，發(fā)生兩條曲線來(lái)回切換而導(dǎo)致IGV波動(dòng)甚至造成燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象。此外，為避免在環(huán)境溫度降低情況下，燃機(jī)的環(huán)保排放增加甚至超標(biāo)，對(duì)排煙溫度定值進(jìn)行了NOx排放修正[圖1(a)中y=f2(x)]，即恒NOx控制，其修正作用在環(huán)境溫度低于一定值后起作用，具體修正曲線如圖3所示。另外，對(duì)于配有液壓間隙優(yōu)化系統(tǒng)(HCO)的機(jī)組[如SGT5-4000F(4)型及以后的機(jī)組]，當(dāng)HCO投用時(shí)燃機(jī)透平的焓降及做功增加，若將排煙溫度維持在HCO投用前不變，則燃機(jī)透平入口會(huì)超溫，因此，在HCO投用后通過(guò)適度降低排煙溫度設(shè)定值來(lái)維持透平入口溫度穩(wěn)定，如圖1(a)中的HCO修正，即為實(shí)現(xiàn)該作用。

圖2　IGV溫控定值曲線

在額定負(fù)荷下，由OTC控制器來(lái)調(diào)節(jié)排煙溫度，此時(shí)煙溫定值主要考慮透平允許的最大入口溫度、環(huán)保排放及燃燒穩(wěn)定性等因素而設(shè)定。圖1(b)中的GLTNOX即為此時(shí)的溫度定值，其同樣有NOx排放修正、HCO投用修正等。

圖3　NOx修正曲線

2.2　聯(lián)合循環(huán)模式下溫度定值

在聯(lián)合循環(huán)模式下，排煙溫度設(shè)定值不僅要考慮上述單循環(huán)模式下的影響因素，還要兼顧對(duì)余熱鍋爐、汽機(jī)的影響，尤其是機(jī)組啟動(dòng)階段的影響。

在圖1中，TSX和TSMAX為機(jī)組協(xié)調(diào)控制回路送至OTC控制器和IGV溫度控制器的溫度定值和允許的最高排煙溫度定值。TSX和TSMAX的形成回路如圖4所示。

(1) 該地堆積體主要由粗、巨顆粒占優(yōu)勢(shì)，其占比約95%，細(xì)粒占比不到5%，堆積體密實(shí)度高。根據(jù)Shepard三角沉積分類，其樣品點(diǎn)2 mm以下顆粒以粗顆粒砂占優(yōu)勢(shì)。

圖4　TSX和TSMAX的形成回路

由圖4(a)可以看出，在聯(lián)合循環(huán)模式下，協(xié)調(diào)控制送至排煙溫度控制器的溫度定值TSX由汽機(jī)溫度限值和鍋爐溫度限值共同決定。

就鍋爐溫度限值而言，為避免燃機(jī)啟動(dòng)過(guò)程排煙溫度變化劇烈導(dǎo)致余熱鍋爐產(chǎn)生熱應(yīng)力，協(xié)調(diào)控制記錄燃機(jī)啟動(dòng)瞬間余熱鍋爐的初始溫度，并將其作為燃機(jī)排煙溫度的初始定值。當(dāng)燃機(jī)并網(wǎng)升負(fù)荷至排煙溫度大于該初始定值時(shí)，進(jìn)入OTC控制器限溫模式，機(jī)組升負(fù)荷暫停，等待鍋爐暖管。當(dāng)余熱鍋爐有穩(wěn)定的蒸發(fā)量且主蒸汽溫度接近燃機(jī)排煙溫度時(shí)，鍋爐溫度限值切換為主蒸汽溫度疊加一定正偏值，燃機(jī)隨之升溫、升負(fù)荷，鍋爐繼續(xù)升溫、升壓。在主蒸汽溫度升至一定值后，鍋爐對(duì)燃機(jī)排煙溫度的限制逐漸消失，切換為汽機(jī)暖機(jī)對(duì)燃機(jī)排煙溫度的限制起作用。

圖4(a)中，在汽機(jī)暖機(jī)未完成(START LOAD LIMIT ON未消失)之前，來(lái)自汽機(jī)的溫度限值始終保持在IGV初始溫控定值(如570 ℃)，這個(gè)限值直接決定了汽機(jī)暖機(jī)階段的燃機(jī)負(fù)荷和排煙溫度。當(dāng)IGV零位角度一定時(shí)，這個(gè)限值還決定了暖機(jī)階段的主蒸汽溫度和流量，即汽機(jī)暖機(jī)的能量。同時(shí)，由于汽機(jī)暖機(jī)階段燃機(jī)的實(shí)際排煙溫度始終比IGV初始溫控定值低ΔT，IGV將一直保持全關(guān)狀態(tài)而不會(huì)打開(kāi)。汽機(jī)暖機(jī)完成后(START LOAD LIMIT ON消失)，汽機(jī)溫度限值切為Tmax，對(duì)燃機(jī)排煙溫度的限制解除，燃機(jī)隨之繼續(xù)升溫、升負(fù)荷，IGV隨后逐漸開(kāi)啟，進(jìn)入真正意義的聯(lián)合循環(huán)狀態(tài)，與此同時(shí)，整個(gè)協(xié)調(diào)控制對(duì)啟動(dòng)低負(fù)荷階段的燃機(jī)排煙溫度限制解除。需要說(shuō)明的是，在汽機(jī)中速暖機(jī)結(jié)束沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)期間，協(xié)調(diào)控制自動(dòng)將汽機(jī)溫度限值保持在沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)前的定值，這樣可避免在汽機(jī)嚙合瞬間造成燃機(jī)負(fù)荷的波動(dòng)；之后，再進(jìn)行高速暖汽機(jī)，直至暖機(jī)結(jié)束后溫度限值才逐步放開(kāi)。

圖4(b)表示協(xié)調(diào)控制所允許的燃機(jī)最高排煙溫度，其中TOT為前文所述的燃機(jī)透平出口溫度測(cè)量值，REDHP、REDIP分別表示高壓主蒸汽和熱再蒸汽管路所允許的排煙溫升，主要用于保護(hù)鍋爐管道不超溫。當(dāng)高壓主蒸汽或熱再蒸汽溫度超過(guò)一定值時(shí)(如高壓主蒸汽溫度>569 ℃)，REDHP或REDIP將由正值變?yōu)樨?fù)值，燃機(jī)排煙溫度將快速下調(diào)，直至蒸汽不再超溫。

此外，在聯(lián)合循環(huán)模式下，來(lái)自協(xié)調(diào)控制的排煙溫度定值TSX的變化速率還受鍋爐、汽機(jī)應(yīng)力的限制，即：根據(jù)汽機(jī)本體、高壓主汽門和調(diào)門的應(yīng)力(本條在汽機(jī)并網(wǎng)后生效)，高壓汽包壁溫差和二級(jí)減溫器進(jìn)口汽溫變化率，高壓汽包壓力的變化率計(jì)算出TSX的最終允許變化速率。

3排煙溫度的控制模式

由上文可知，控制燃機(jī)排煙溫度有兩種模式：IGV控溫模式和OTC限溫模式。兩種模式的溫度設(shè)定值已在上一節(jié)中進(jìn)行闡述，兩種控制模式之間是相對(duì)獨(dú)立但又彼此關(guān)聯(lián)的。

在部分負(fù)荷運(yùn)行階段(IGV未全開(kāi))，由IGV溫度控制器通過(guò)調(diào)節(jié)IGV開(kāi)度來(lái)控制燃機(jī)排煙溫度，此時(shí)處于IGV控溫模式。在這種情況下，IGV溫度控制器和OTC控制器可能會(huì)接收同一溫度設(shè)定值，這將導(dǎo)致兩者間相互干擾。為避免這種情況，當(dāng)IGV溫度控制器在激活狀態(tài)時(shí)(IGV未全開(kāi))，OTC控制器的設(shè)定值在IGV溫控設(shè)定值的基礎(chǔ)上自動(dòng)增加一個(gè)偏置D01[如圖1(b)所示]，保證在部分負(fù)荷下OTC控制器不動(dòng)作，避免了兩個(gè)溫控回路相互干擾。

同樣，當(dāng)IGV全開(kāi)后，燃機(jī)達(dá)到額定負(fù)荷，進(jìn)入OTC限溫模式。此時(shí)，OTC控制器的溫度設(shè)定值切回額定負(fù)荷OTC設(shè)定值GLTW[如圖1(b)所示]，OTC控制器被激活，燃機(jī)排煙溫度由OTC控制器通過(guò)控制燃料量來(lái)進(jìn)行限制。此時(shí)，為避免IGV在全開(kāi)位置波動(dòng)，導(dǎo)致兩個(gè)溫控回路頻繁切換，將IGV溫控設(shè)定值在原有基礎(chǔ)上自動(dòng)減去一個(gè)偏置(≥2 K，如圖1(a)所示)，保證IGV停留在全開(kāi)位置，由OTC控制器進(jìn)行排煙溫度控制。

在聯(lián)合循環(huán)機(jī)組啟動(dòng)初期，需進(jìn)行鍋爐暖管和暖汽機(jī)，IGV處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)的燃機(jī)排煙溫度受余熱鍋爐和汽機(jī)的限制，處于較低值，排煙溫度控制處于OTC限溫模式。待暖管、暖汽機(jī)結(jié)束后，OTC限溫消除，允許燃機(jī)排煙繼續(xù)升溫。當(dāng)升至IGV溫控設(shè)定起始值后，IGV逐漸打開(kāi)，進(jìn)入部分負(fù)荷下的IGV控溫模式。

4優(yōu)化設(shè)想

通過(guò)上文的分析，希望能為進(jìn)一步優(yōu)化西門子SGT5-4000F型聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組控制邏輯和運(yùn)行方式提供參考。

① 通過(guò)調(diào)整汽機(jī)暖機(jī)時(shí)的燃機(jī)排煙溫度值來(lái)改變暖機(jī)階段燃機(jī)的負(fù)荷和暖機(jī)能量，探索經(jīng)濟(jì)性最佳的暖機(jī)負(fù)荷；

② 在確保燃燒穩(wěn)定前提下，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整排煙溫度定值來(lái)降低機(jī)組NOx排放；

③ 通過(guò)關(guān)小IGV來(lái)提高燃機(jī)燃料閥切換時(shí)的燃燒室溫度，提高啟動(dòng)階段燃機(jī)燃燒穩(wěn)定性和均衡性；

④ 通過(guò)增大IGV最大開(kāi)度，來(lái)增加最大空氣進(jìn)氣量，在燃機(jī)透平入口不超溫情況下提高機(jī)組的最大出力；

⑤ 適度調(diào)整余熱鍋爐、汽機(jī)對(duì)燃機(jī)排煙溫度變化的限制速率，縮短聯(lián)合循環(huán)機(jī)組啟停時(shí)間等。

5結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)西門子SGT5-4000F型聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組排煙溫度控制進(jìn)行分析，了解了排煙溫度控制的作用與控制原理。同時(shí)，對(duì)兩種排煙溫度控制器(IGV溫度控制器和OTC控制器)的協(xié)調(diào)與切換進(jìn)行了說(shuō)明，并分析了單循環(huán)及聯(lián)合循環(huán)模式下影響排煙溫度控制的各種因素。在此基礎(chǔ)上，提出一些優(yōu)化設(shè)想。

希望文中的分析能為相關(guān)人員理解控制邏輯、判

斷事故原因等提供參考與幫助。

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中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501012

修改稿收到日期：2014-07-30。