基于特征拦截的燃气轮机控制逻辑优化

常少辉 刘永旺 张 楠 肖黎明

（1.华电（北京）热电有限公司 2.中国华电集团发电运营有限公司）

0 引言

华电（北京）热电厂西门子SGT5-2000E型（V94.2）燃机燃烧模式主要分为扩散模式、预混模式两种模式，燃机正常运行时在预混模式，但由于预混模式稳定性较差，为防止燃机机组实际功率突降造成燃机贫燃熄火停机，在燃机控制系统中设置了当机组功率信号发生大于32MW变化的情况下，燃机进入“小甩功率”控制模式，此时燃机的燃烧模式由“预混模式”切换为燃烧更稳定的“扩散模式”。

然而，由于连接的外侧电网（以下简称“外网”）会发生短路故障，导致机组功率信号的快速上下波动，但原有燃机控制逻辑无法有效识别这一情况，只要机组功率信号出现大于32MW的快速下降时，燃机即进入“小甩功率”控制模式，导致燃机错误地由“预混模式”切换为“扩散模式”。“扩散模式”由于燃烧温度较高，促使大量“NOX”的生成，引发机组污染物排放超标。

在近年来环保要求越来越严的背景下，外网冲击导致燃机燃烧模式的错误切换，严重影响燃气电厂的污染物排放水平。以华电（北京）热电公司（以下简称“电厂”）西门子SGT5-2000E型（V94.2）燃机为例，2018年因外网冲击导致的燃烧模式切换造成的氮氧化物超标次数就有11次，2019年有6次，严重影响的企业为解决以上问题，本文提出一种基于燃机机组功率信号特征拦截与分析的燃机控制逻辑优化方法。通过对外网冲击参数的分析，优化燃气轮机的控制逻辑，采用基于特征曲线的识别方法，对外侧电网冲击导致的燃气轮机功率信号波动进行甄别以及拦截。优化逻辑投入后，2021年9月15日在电厂实际燃机机组上成功拦截一次，证明了逻辑优化的有效性。

1 研究背景

1.1 燃机氮氧化物的生成机理

氮氧化物（NOX）是指含氮的氧化物的总称，环境监测废气中的氮氧化物一般包括NO和NO2。研究表明，NOX的生成途径有三种：①热力型NOX，指空气中的氮气在高温下氧化而生成NOX；②燃料型NOX，指燃料中含氮化合物在燃烧过程中进行热分解，继而进一步氧化而生成NOX；③快速型NOX，指燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团如CH等反应，然后快速与氧气反应生成NOX。

快速型NOX通常所占比例不到5%；西门子SGT5-2000E型（V94.2）燃机天然气气源中含氮化合物的含量非常低，所占体积不超过0.1%，因此燃料型NOX的比例也很低；在温度低于1500℃时，热力型NOX的生成率很低，但是在1500℃以上时，热力型NOX生成速度迅速增长，尤其是1650℃以上时，热力型NOX的生成率将大幅提高，且温度越高，生成率就越高。故燃气轮机NOX的排放量主要来自热力型。

1.2 燃机燃烧模式介绍

西门子SGT5-2000E型（V94.2）燃机设计有两种燃烧模式，分别为扩散模式、预混模式。

1）扩散模式用于点火、升速、低功率阶段，用以保证点火成功率与较高的燃烧温度，使燃气轮机快速升速。燃料和空气分别送入燃烧室，依靠扩散与湍流交换的作用，使它们彼此相互掺混，形成一个接近理论燃烧温度的火焰。扩散模式燃烧稳定，不易熄火，燃烧效率几乎不受功率降低影响，但是在着火前需要依靠紊流扰动与空气混合，混合过程比燃烧过程缓慢得多，因此它的火焰要比预混燃烧的长；火焰面上的理论燃烧温度，总是高于1650℃，因此会引发大量热力型“NOX”的生成。

2）预混模式主要用于在机组稳定高功率运行阶段，在燃机启动后达到，使机组控制“NOX”排放，达到环保排放的目的。预混模式采用的湍流燃烧方法是把燃料与空气预先混合成为均相、稀释的可燃混合物，然后使之以湍流火焰传播的方式通过火焰面进行燃烧，火焰面的燃烧温度与燃料和空气实时当量比的数值相对应。预混燃烧模式下高温燃烧区范围将大大缩小，大部分区域为低温燃烧区，有利于减少“NOX”的生成。通过对燃料与空气实时掺混比的控制，使火焰面的温度低于1650℃，这样就能控制热力型“NOX”的生成，但预混燃烧稳定性比较差，需由值班气喷嘴来稳定燃烧，因此主要用于机组稳定高功率运行阶段。

1.3 存在问题

在环保要求越来越严格的背景下，电厂燃机机组一旦由于外网冲击而错误进入“小甩功率”控制模式，燃烧方式切换至“扩散模式”后，NOX排放浓度瞬时值可达500mg／m3，即使是3～5min的时间，也会造成该时段的NOX小时均值排放超标，而违反《中华人民共和国大气污染物防治法》，有被属地生态环境主管部门立案调查甚至直接处罚的可能。电厂类似情况在2018年、2019年分别发生11次、6次，给电厂带来经济损失以及社会负面影响风险，此问题亟待解决。

2 系统设计与实现

2.1 基于特征曲线的信号拦截与分析

通过对历次导致燃机燃烧模式切换的外网冲击参数的收集与整理，对参数突变特性的分析，总结出当发生外网故障误引起的燃机功率波动（定义为“虚假小甩功率”）曲线有如下特征。首先，外网故障大多由各种电气短路故障引发，短路故障的暂态特性可能引发电网系统振荡，振荡传递到电厂侧表现为机组负荷在一个基准面上发生上下波动的特征（见图1），这与燃机出现甩负荷（定义为“真实小甩功率”）时，负荷曲线只发生单向下降的特征曲线有明显区别。鉴于分析出的信号特征，对现有控制逻辑进行优化，使控制系统具备对功率信号快速识别的能力，当发生由于外网冲击引起的瞬态功率波动时，可以进行有效“拦截”，不触发燃机甩负荷控制状态，从而防止燃机燃烧方式误切换，避免燃机环保排放超标。

图1 外网冲击时的功率信号特征图

2.2 控制逻辑优化

依据以上分析，可以通过提取外网冲击信号特征参数，来确定采用滤波逻辑改造方案（见图2）：机组发生真实功率突降时（即“真实小甩功率”），机组功率信号呈单向下降趋势；而发生外网引起的功率波动时（即“虚假小甩功率”），功率信号是在当前功率基础上下波动变化并快速衰减。在燃机负荷控制逻辑中增加外网功率信号的特征判断逻辑，对机组功率信号进行实时采样分析。通过调研以及数据收集，发现电网正常振荡波动幅值均小于15MW，因此首次确定阈值15MW作为波动幅值判别条件；其次，对功率波动信号曲线进行识别，如果呈现上下波动下降即为外网冲击信号。此外，为防止振荡形成的波谷误触发闭锁造成对机组需要燃烧稳定性时无法切换，在确保不影响机组燃烧的前提下设置了1s延时，对波动进行多次判断。综上所述，此闭锁控制逻辑的总体思路是：在1s内，①是否存在机组功率信号大于15MW幅度的波动；②信号曲线是否呈波动式下降。如满足要求，则判断为外网冲击，闭锁机组触发功率小甩（LAW），燃机不进行燃烧模式切换；如不满足要求，则判断机组为“真实小甩功率”，开放机组功率小甩（LAW）。此外，在机组控制逻辑检测到大于32MW的功率信号快速下降时，燃机启动功率小甩逻辑判断，延时200ms燃烧模式进行切换，保障机组的运行稳定性。

图2 逻辑设计框图

2.3 安全风险识别与分析

滤波方案对燃烧稳定性影响分析：如果是“虚假小甩功率”，在符合波动期间其真实燃烧热功率并没有发生变化，因此滤波不会对燃机燃烧造成影响。如果是“真实小甩功率”，意味着降低后的燃烧热功率在预混模式下延时200ms才会进行燃烧模式切换（到扩散模式），由于燃烧的恶化是渐变的过程，是累计效果，延时200ms对燃烧的影响微乎其微。

为了确保控制逻辑优化达到预期效果，采取以下安全措施：

1）控制逻辑设置“投／切”功能块，可根据测试需要或新增逻辑实际工作效果随时投切。

2）逻辑离线下载并激活后，在停机状态进行仿真测试，确保设计功能完整有效实现。

3）控制参数的设置坚持“从弱到强”的原则，从小或者保守的值开始，在实际运行中测试效果如有必要进行相应调整。

4）为便于记录、分析外网电压波动期间相关逻辑信号动作情况（如功率瞬态信号变化最大幅值，衰减周期），在上述逻辑相应地方将信号引出至飞行记录仪。

3 效果验证

优化后的控制逻辑于2021年1月投入运行，在2021年9月15日发生一次外网冲击造成＃1燃机功率信号波动，功率修正信号波动下降达到35.6MW，＃1燃机优化后负荷控制逻辑激活并进行拦截，避免了因功率修正信号发生大于32MW的快速下降时引起燃烧模式切换，证明了优化后控制逻辑满足既定目标，此次成功拦截证明了负荷小甩逻辑优化程序取得的成功。以下是当时具体情况：

2021年9月15日18点20分39秒，由于外网原因，＃1燃机功率信号出现异常波动，形成“虚假小甩功率”，并且功率修正信号最大值35.6MW，达到负荷异常波动大于32MW的小甩设定值。优化后的逻辑对异常功率型号进行及时识别和拦截，闭锁了机组触发功率小甩，避免了一次由于负荷波动达到小甩值而引发的燃烧方式误切换（见图3）。

图3 负荷波动截图（最大值35.6MW）

由于在两台燃机的负荷控制优化后的逻辑投入运行后外网相对比较稳定，发生功率信号波动达到32MW的次数少，此控制逻辑投入运行时间也比较短，还要继续积累检验效果，以便进行后续持续对逻辑的优化。

4 结束语

本文提出基于信号特征拦截与分析的燃机控制逻辑优化方法。通过对外网冲击参数的分析，采用基于特征拦截的方法捕捉机组功率测量信号的快速且短暂波动，优化燃气轮机相关控制逻辑，并在西门子SGT5-2000E型（V94.2）燃机上进行拦截验证。证明优化的逻辑能够对外网冲击引发的“虚假小甩功率”进行及时识别和拦截，避免由于负荷波动达到小甩值而引发燃烧方式误切换，进而引发机组环保排放超标问题。

本次燃机控制逻辑优化在同型号燃机具备一定的通用性，此次对西门子SGT5-2000E（V94.2）型燃机控制逻辑的优化为同类型燃机解决此类问题提供了可行、可借鉴的方案。