9FB型与9FA型燃气轮机控制分析比较

2023-01-13曹伟平肖艳藏贡文明宋顺利

燃气轮机技术 2022年4期

熊超，王勇，曹伟平，肖艳藏，贡文明，宋顺利

(1. 国电南京自动化股份公司，南京 210032；2. 江苏华电戚墅堰发电有限公司，江苏常州 213011)

GE公司9FA型燃气轮机是我国最早引进的9F燃气轮机，早期压气机、燃烧器设计不合理，导致电厂燃气轮机问题多发[1]，后期经过升级后逐渐稳定。2012年中国首次引进9FB型燃气轮机，该型燃气轮机采用先进热通道、DLN2.6+燃烧器，机组效率、出力更高，稳定性好，电厂反响较好。本文以两个电厂正在运行的9FA与9FB机组为基础，从控制角度分析比较9FA、9FB型燃气轮机。需要注意的是国内大多数9FA燃气轮机已经实现升级改造，采用了9FB燃气轮机的部分技术。

1 技术概述

本文介绍的机型主要技术参数如下。9FA型机组：透平入口温度1 327 ℃，联合循环最大功率390 MW，采用DLN2.0+燃烧器。9FB型机组：透平入口温度1 371 ℃，联合循环最大功率450 MW，采用标准DLN2.6+燃烧器。9FA采用传统基于时序逻辑控制(SBC)算法。9FB采用基于模型控制(MBC)算法，相较于9FA，这种控制方式可以实现在线、实时地自适应燃气轮机仿真。9FB引入直接边界控制，从而可以对环境条件、燃气轮机老化、燃料等变化进行自动适应调整。9FB具体控制结构如图1所示，主要包括三块模型：自适应实时燃气轮机仿真模型、自动燃烧调整模型、燃气轮机边界控制模型。

图1 9FB燃气轮机控制结构图

1.1 自适应实时燃气轮机仿真模型

此模型是高保真模型，可实时连续调谐，以匹配燃气轮机实际的性能。该模型由燃气轮机性能模型推导而出。利用燃气轮机测量参数推导出一些无法测量的虚拟循环参数(比如燃烧温度TFIRE、燃烧基准温度CA_CRT)，这些参数直接用于控制回路。此外，随着燃气轮机运行，燃气轮机部件性能发生老化，ARES可实时调整模型，确保模型的准确性。此处要说明9FB燃气轮机燃烧基准温度采用的是CA_CRT，是基于以ARES模型推算出的，较9FA燃气轮机采用经验拟合出的燃烧基准温度TTRF更加精准。

1.2 自动燃烧调整模型

9FB安装有自动燃烧调整系统，主要包括了4个模型，分别计算了燃烧调整的4要素，燃烧脉动、NOx排放、CO排放、燃烧稳定性裕度。

1) 脉动模型：脉动模型根据测量参数计算燃烧脉动，同时用脉动测量(CDM)系统实时调整脉动模型，当CDM 系统发生传感器故障时，可以继续利用模型计算的脉动进行燃烧调整。

2) 排放模型：排放模型通过相关测量值和实际反应的物理特性计算出理论排放的NOx和CO。

3) 燃料系统模型和乏气熄火裕度模型：这两个模型互相作用，从燃料喷嘴流量和燃烧稳定性两个方面来防止燃气轮机突然熄火。

1.3 燃气轮机边界控制模型

边界控制模型是基于物理边界的模型，利用测量参数推导出机组运行的边界裕度，可以定义任何时间点的操作边界条件。不管环境条件、负载、燃料特性或部件恶化，燃气轮机控制系统尽可能接近边界运行，可以提高燃气轮机的系统性能。9FB燃气轮机运行边界包括以下9个边界限制：1)排气温度限制，限制FSR和IGV开度；2)氮氧化合物NOx排放限制，限制燃料阀开度；3)最大、最小燃烧温度TFIRE限制，限制FSR和IGV开度；4)燃烧基准温度CA_CRT限制，限制IGV、IBH、W9(9级抽气冷却阀)、W13(13级抽气冷却阀)；5) 燃料阀压比VPR限制，限制燃料阀开度；6) 防止压气机入口结冰，限制IBH开度；7)燃料阀燃烧稳定性限制，限制燃料阀开度；8)最大脉动限制，限制燃料阀开度；9)冷却抽气流量裕度限制，限制W9(9级抽气冷却阀)、W13(13级抽气冷却阀)开度。

2 主要控制对比分析

2.1 可变进口导叶(IGV)系统控制

图2 9FA的IGV温度控制基准图

9FB的IGV控制相对9FA复杂不少，9FB增加了空燃协调控制(CAF)，保证到燃烧室的空气-燃料混合物在一个可控范围内。使用该控制可以使IGV快速响应FSR的变化，而不是像9FA那样等到排气温度变化之后才开始介入控制，具体逻辑如图3所示。CSRGVSS0是根据空燃协调设计标准得出的燃料FSR对应的IGV开度，CSRGV是IGV最终控制指令，IGV_CAF_H、IGV_CAF_L就是空燃协调控制的IGV高、低限制值。机组带负荷平稳运行期间，IGV_CAF_H、IGV_CAF_L不会限制IGV开度。当遇特殊工况，FSR快速变化时，对应CSRGVSS0也会快速变化，IGV_CAF_H、IGV_CAF_L会瞬间介入IGV的控制，使IGV快速达到CSRGVSSO要求开度。

图3 空燃协调控制逻辑图

图4 9FB机型IGV控制图

2.2 进气加热(IBH)系统控制

9FA型机组进气加热系统具体计算公式如式(1)：

CRISHOUT=max(CSRDLN,CSRPRX)

(1)

式中:CRISHOUT是IBH指令输出；CSRPRX是IBH压比极限控制基准；CSRDLN是扩展预混DLN燃烧基准。整个运行过程是随着负荷增加，IGV开度增加，IBH开度逐渐减小最终全关。

9FB机组的IBH运行过程与9FA一样，但是控制方式有差别。具体公式如式(2)：

CRISHOUT=max(min(IBH_CRT,IBH_TDBD),IBH_OLL,IBH_ICE)

(2)

式中:CRISHOUT是IBH指令输出；IBH_CRT是最小燃烧基准温度控制输出，是根据边界模型给出的最小目标燃烧基准温度CRT进行PI运算得出的值；IBH_TDBD是配合IGV温匹控制的IBH输出，默认不参与控制，当投入温匹控制的时候，一旦IGV开度大于58°，IBH_TDBD变成0，并且只有退出温匹才能恢复；IBH_OLL是压比极限IBH输出，用于压比保护；IBH_ICE是防结冰IBH输出，目标值是边界模型根据压气机进气蜗壳温度和IGV开度推算得出。

IBH一个重要功能是拓展DLN的预混下限，9FA是根据与IGV开度的线性函数来实现的，当IGV开到一定角度时，IBH开始跟随IGV打开，从而通过提高透平排气温度来实现提高燃烧基准温度。9FB则通过IBH_CRT直接控制燃烧基准温度CA_CRT，控制上更加精准。

2.3 燃烧模式控制及清吹系统控制

燃烧模式控制是燃气轮机控制的核心部分，清吹系统则是保证燃烧器安全运行的重要部分。

9FA机组采用的是DLN2.0+燃烧器，每个燃烧器有5只燃料喷嘴，每只喷嘴各有一个扩散燃料通道(D5)和一个预混燃料通道(PM1或PM4)，D5和PM4各配有空气侧、燃气侧两个清吹阀和中间的通风阀，PM1无清吹阀，具体喷嘴图如图5(a)所示。DLN2.0+燃烧切换是以经验公式拟合出的燃烧基准温度TTRF作为切换基准。DLN2.0+燃烧模式切换如图6(a)所示，切换过程如下：

1) 9FA点火时是扩散模式(D5模式)，D5燃料占总燃料FSR比为100%，按照10 %/s变化。默认PM4清吹打开。

2) 当经验公式拟合出的燃烧基准温度>426.7 ℃，燃气轮机转速大概到95%，切换成亚先导预混模式(SPPM模式)，此模式下D5通道占大概70%的FSR，PM1打开，占30%的FSR。

3) 当经验公式拟合出的燃烧基准温度>954 ℃，燃气轮机大概带10%负荷，切换成先导预混模式(PPM模式)，PM4清吹关闭，PM4通道打开。

4) 当经验公式拟合出的燃烧基准温度>1 232 ℃，燃气轮机大概带50%负荷，切换成预混模式(PM模式)，此模式下D5通道关到0后，D5通道开始清吹，PM1占比15%的FSR，PM4占85%的FSR。

5) 预混模式下甩负荷，进入PM1模式，所有FSR集中在PM1，且动作过程无速率限制，此过程延续15 s。15 s后，D5关闭清吹，PM4开启清吹，进入亚先导预混模式。

6) 先导预混模式下甩负荷，直接进入亚先导预混模式。

图5 DLN2.0+和DLN2.6+燃烧器喷嘴示意图

DLN2.0+清吹系统控制比较复杂，文献[2]对此解析非常完整，本文由于篇幅不再叙述。模式切换对清吹阀开关时间有严格要求，表1是DLN2.0+清吹阀开关要求时间表。在实际机组运行调试过程中，经常出现因为清吹阀问题造成切换预混模式失败，甚至跳机。

(a) DLN2.0+燃烧模式切换

表1 DLN2.0+清吹阀开关要求时间

9FB机组采用的是标准DLN2.6+燃烧器，每个燃烧器有6只燃料喷嘴，PM1喷嘴是全预混燃料通道，其他每只喷嘴各有一个扩散燃料通道(D5)和一个预混燃料通道(PM2或PM3)，D5、PM2、PM3各配有空气侧、燃气侧两个清吹阀和中间的通风阀，PM1无清吹阀，具体喷嘴图如图5(b)所示。DLN2.6+燃烧切换是以ARES模型推算出的CA_CRT作为燃烧基准。根据文献[3]描述，利用传统经验公式拟合出的燃烧基准TTRF存在误差大的缺陷。DLN2.6+燃烧模式切换如图6(b)所示，切换过程如下：

1) 机组点火时是扩散模式(D5模式)，只有D5参与燃烧，D5是扩散燃烧方式，没有预混，但是能保证燃烧的稳定性。

2) 当转速到95%左右，燃烧基准温度CA_CRT>3.57%时，进入亚先导预混模式(1D),PM1打开，此时PM3和PM2清吹阀打开开始清吹。

3) 当继续加负荷到大概10%，CA_CRT>63.21%,进入亚预混模式(3模式)，PM2关闭清吹，开始打开进入燃烧，D5关闭，D5打开清吹。

4) 当继续加负荷到大概25%，CA_CRT>71%,进入了预混C模式(6.2模式)，PM3关闭清吹后打开参与燃烧，此时PM2的燃料量要大于PM3的燃料量，机组NOx排放还没达到DLN2.6+能达到的最低值。

5) 继续加负荷到大概40%，CA_CRT>86.7%,进入预混B模式(6.3模式)，此时依旧是PM1、PM3、PM2参与燃烧，但是PM3的燃料比例要高于PM2，此时NOx排放可达DLN2.6+最低水平。

6) 当在亚先导预混模式(1D模式)下向亚预混模式(3模式)切换时，因为故障(比如D5清吹阀故障)，D5没有切除燃料，依然参与燃烧。当继续增加负荷到CA_CRT>64.8%时，机组进入先导预混模式(3D模式),PM2开始打开参与燃烧。继续增加负荷到CA_CRT>92.6%时，机组进入扩展先导预混模式(6D模式),PM3开始打开参与燃烧。这是一个故障的模式，非常类似于DLN1.0的L-L模式，此模式下排放高，损害燃烧器寿命。

7) 当在预混模式(预混C模式或预混B模式)下甩负荷时，60%的FSR燃料量全部集中于PM1,此过程维持15 s，15 s后，进入亚先导预混模式(1D模式)。

8) 当在故障模式先导预混模式(3D模式)或扩展先导预混模式(6D模式)下甩负荷则直接进入亚先导预混模式(1D模式)。

9FB燃气轮机清吹阀组控制设有扩散测试投入按钮、预混测试投入按钮和取消按钮。每次燃气轮机启动之前，必须做清吹系统测试，测试通过后，燃气轮机启动条件才满足。点击投入按钮依次使D5、PM3和PM2空气侧吹扫阀和燃气侧吹扫阀得电，并对吹扫阀开关时间进行判断。如果满足要求则通过，不满足要求则要求检修人员调节开关时间，直到满足要求才能准备开机。9FA燃气轮机无此项功能，每次开机都需手动检修并做相关实验。表2是DLN2.6+清吹阀开关要求时间表。

DLN2.6+清吹系统保护主要可以分为两大类：清吹失去(LOP)保护和隔离失去(LOB)保护。

清吹失去(LOP)保护包括以下4条：1) 吹扫指令发出14 s后，三个阀间压力任意两个报低；2) 吹扫条件满足后，未发出吹扫指令(燃料阀反馈故障)；3) 吹扫指令发出后，一个阀门关限位故障且开限位故障(关限位未按规定时间脱开，开限位未按规定时间到)；4) 吹扫指令发出后，任意一个阀门关限位或开限位故障且三个清吹阀间压力有一个故障。如发生以上任意一条清吹失去保护，则闭锁进入DLN模式切换，闭锁条件还包括吹扫空气温度>399 ℃。

表2 DLN2.6+清吹阀开关要求时间

隔离失去(LOB)保护包括以下4条：1) 吹扫关闭指令发出后，一个阀门开限位故障且关限位故障(开限位未按规定时间脱开，关限位未按规定时间到)；2) 吹扫关闭指令发出后，任意一个阀门开限位或关限位故障且三个清吹阀间压力有一个故障；3) 吹扫关闭指令发出后，空气侧清吹阀开或关限位开关故障且任意一个阀间压力开关故障且燃气侧清吹阀开或关限位开关故障；4) 吹扫关闭指令发出8 s后，三个阀间压力任意两个报高。发生以上所述隔离失去保护条件3或4会触发跳机保护，隔离失去保护条件1或2会触发自动停机。自动停机还包括清吹冷却系统冷却水水位高于跳机值。跳机保护还包括机组并网前吹扫空气温度>399 ℃。

2.4 抽气流量冷却优化控制

9FB型机组通过调节阀来实现抽气流量冷却优化控制，以最优的冷却空气量对2级透平S2N(压气机13级抽气冷却)和3级透平S3N(压气机9级抽气冷却)冷却，从而提高机组效率。本文以冷却2级透平S2N的压气机13级抽气控制为例展开分析。从文献[4]得知，此优化算法模型参数是基于大量实验数据分析和金属部件寿命分析得出。此优化控制在机组并网后自动投入，具体控制如图7所示，共分了7个控制输出：

1) 抽气流量裕度控制:2级喷嘴腔压力TS2P_ABS是PI计算测量值，设定是边界模型给出的常数，经过PI计算得出S2N_BFMX。

2) 燃烧基准温度控制：燃烧基准温度CA_CRT是PI计算测量值，设定是边界模型给出的燃烧器最低燃烧温度目标值，经过PI计算得出S2N_CRT。

3) 金属温度裕度控制：设定值是边界模型根据转速折算的裕度，测量值是2级喷嘴腔压力TS2P_ABS，经过PI计算得出金属温度裕度控制输出S2N_BMTX。此控制是为了保护2级喷嘴的热应力安全。

4) 压比极限限制控制：设定值是常数偏置值，测量值是压比极限与实际压比偏差，经过PI计算得出S2N_OLL。此控制是防止抽气流量过大或过小，导致压比变化量超过极限，发生喘振等危险。

5) 最大抽气流量控制：设定值是设计常数，测量值是两侧抽气流量占总压气机流量的比值，经过PI计算得出S2N_WMAX。

6) 温度匹配投入限制控制：当投入温度匹配时，温度匹配限制输出值是最小值48.5，退出温匹后温度匹配限制输出值是100，关闭边界限制，温度匹配限制输出用S2N_TDBD表示。

7) 抽气流量边界限制控制：根据转速TNH和IGV开度折算出抽气流量边界限制值S2N_NCBE，在达到额定转速后，此控制起保护作用，压比极限限制S2N_OLL和最大抽气流量控制S2N_WMAX失效。

图7 抽气流量冷却优化控制图

此外，当2级喷嘴腔压力TS2P_ABS过低时，流量阀将强制开到100%，同时燃气轮机会自动减负荷保证燃气轮机透平安全。如果发生单侧抽气流量阀关闭，则将一侧的控制开度补偿到另一侧。

2.5 透平冷却风机(88BT)控制

相对于9FA两台88BT控制，9FB采用3台88BT，并且使用变频风机。88BT的作用除了在9FA防止透平间温度过高，还有一个重要作用是在9FB时实现对透平缸体温度的控制。9FB的88BT控制共有5个模式，包括稀释模式、透平间排气温度控制模式、间隙控制模式、浮力控制模式和冷却/停机模式。具体控制图如图8所示。

图8 9FB透平冷却风机(88BT)控制图

1) 稀释模式：当SRV开度>1%(开始进天然气) 或火焰建立或点火开始或启动开始自动投入，风机指令自动给50%。此模式主要是稀释透平间的热空气或者泄漏的天然气。

2) 透平间排气温度控制模式：从点火成功到熄火且排气温度小于52 ℃并超过20 min则自动投入，此模式是将透平间温度控制在不高于116 ℃。

3) 间隙控制模式：此模式在进入稀释模式或冷却模式后自动投入，将第1级透平缸体8只热电偶的平均值控制在给定目标值内(由环境温度ATID推算出)。间隙控制可以通过控制缸体膨胀来减少第1级动静叶片之间的漏气量，从而提高机组效率。9FB型机组在第1级透平护环处安装了8个缸体热电偶，如图9所示。

图9 第1级透平缸体热电偶安装布置图

4) 浮力控制模式：此模式在进入稀释模式或冷却模式后自动投入，此控制目标是将缸体8个热电偶对角的热电偶温度差值(热电偶1与热电偶5、热电偶2与热电偶6、热电偶3与热电偶7、热电偶4与热电偶8之间的最大差值)控制在55 ℃内。此模式主要是防止缸体受热不均匀，降低缸体椭圆度，严防叶片刮缸。

5) 冷却/停机模式：

当停机至熄火后风机仍在运行时且排气温度>46 ℃自动投入，自动给出风机指令为35%。

此外，当燃烧基准CA_CRT>88.63%时触发故障输出，将风机指令调整到67%。当3台88BT只剩一台运行时，风机指令将达到最大100%，防止透平间温度超温。当透平间排气温度>149 ℃时，燃气轮机将自动停机。

2.6 自动燃烧调整控制

燃烧调整是燃气轮机检修服务中的重点工作之一，对机组的安全运行、污染物排放减少、机组延寿都有重要意义。9FB型机组安装了脉动测量(CDM)系统。在此基础上，GE公司开发了自动燃烧调整控制技术。自动燃烧调整需要在预混B模式(6.3模式)才能投入，此模式下PM1、PM2、PM3参与控制燃料，自动燃烧调整对PM1和PM3进行调节。PM1和PM3控制思路一致，下面以PM1为例进行分析，PM1共有5个控制部分：

1) PK2代表18个燃烧器的中频测量值(取大)，但是GE采用的是脉动模型计算的PK2参与燃烧调整。根据实际测量脉动值不断调整脉动模型，所以脉动模型计算出的PK2与实际测量脉动PK2几乎没有任何偏差。这样做还有一个优势是，当脉动测量装置故障时，依旧可以根据模型计算的PK2进行燃烧调整。PK2的设定值是常数，理论上不超过报警值(0.42 kg/cm2)都可以，最终通过PI计算得出PM1_PK2。

2) 参与自动燃烧调整的是15%含氧量下NOx值也是排放模型计算的NOx值。实际NOx值从燃烧调整到生成有一个反应时间，而用理论NOx来参与燃烧调整，调节更快更精准。NOx设定值是依据当地环保政策设定的常数，最终通过PI计算得出PM1_NOx。

3) 此外对NOx还有一个最大设定值，进行PI计算后得出最大NOx排放限制PM1_NOx。

4) PM1燃料管道压比控制输出PM1_VPR实际是对燃料流量的控制，测量值是根据喷嘴和歧管之间的差压与速比燃料阀后压力P2之间的压比，设定值是边界模型给出的设计常数。通过PI计算得出PM1_VPR。

5) PM1燃料阀稳定燃烧裕度控制输出PM1_SBL：测量值是根据乏气裕度模型计算出的PM1喷嘴燃烧裕度，设定值是边界模型给出的设计常数。通过PI计算得出PM1_SBL。

最终经过上述5个控制部分运算得出的PM1指令开度(PM1_MBC)，如图10所示。