IGCC燃气轮机二次风阀控制优化

侯兴鑫，李帅，佟宇轩，周广利，吴楠，张皓，赵剑

（华能（天津）煤气化发电有限公司，天津 300452）

0 引言

1972年在德国Liinen的斯蒂克电站投运了世界上第一个以增压锅炉型燃气-蒸汽联合循环为基础的IGCC电站，经过多年发展，世界上公认真正试运成功的IGCC是于1984年5月建成于美国加州Daggett的“冷水”（Cool water），它是以余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环为基础的[1]。

整体煤气化燃气-蒸汽联合循环（简称IGCC）是属于清洁煤发电技术，华能“绿色煤电”项目天津IGCC煤气化发电为中国第一座自主设计和建造的IGCC电厂[2]，它包括空分、煤气化、净化和动力岛4个部分，气化炉由上海锅炉厂制造，燃气轮机采用E级燃机，由上海电气集团与西门子联合制造，余热锅炉由杭州锅炉集团股份有限公司制造，蒸汽轮机发电机组由上海电气集团制造，空分装置由开封空分集团有限公司制造，压缩机由西安陕鼓动力股份有限公司和沈阳透平机械股份有限公司制造。

主要生产流程是：空分制备出的氧气与煤粉在气化炉里生成合成气（60%CO，25%H2），经过除尘和脱硫等净化过程，变为洁净的气体燃料驱动燃气轮机。在燃气轮机做功发电的同时，燃机排气经余热锅炉加热给水产生蒸汽驱动蒸汽轮机发电，形成高效率的燃气-蒸汽联合循环。

天津IGCC燃气轮机左、右燃烧室火焰内缸侧壁处均安装一台二次风阀，用来调节进入燃烧室的空气流量，其调节作用直接影响燃机燃烧效率和稳定性。在天津IGCC燃机运行过程中，出现过二次风阀反馈故障的情况，当机组处于运行状态时，二次风阀反馈故障会直接导致二次风阀退出自动调节，二次风阀无法参与控制，严重影响机组的稳定运行。本文将详细介绍二次风阀控制优化过程，以供其它电厂参考。

1 天津IGCC燃机介绍

燃气轮机是组成IGCC系统的核心[3]，世界上生产重型燃气轮机的主要公司有美国的GE公司、德国的SIEMENS公司、法国的ALSTOM公司和日本的三菱公司[4]。天津IGCC示范工程采用了西门子SGT5－2000E（LC）型低热值合成气燃气轮机。该型燃气轮机是在常规的SGT5－2000E型燃气轮机基础上改造的，重点对压气机和燃烧室进行了改造，以满足燃用低热值合成气燃料的要求[5]，压气机的改造是在常规燃气轮机的基础上增加一级，燃烧室的改造主要是燃料管路分布的改进和对燃烧器烧嘴出口的改进[6]。

如图1所示，此燃机是单轴单缸设计，无论是作为原动机还是带基本负荷在恒速下运行或高峰负荷下运行都适合。西门子2000E系列燃机可以应用于联合循环和区域供热。他们适用于气体和液体燃料的操作。一个单轴单缸燃气轮机的典型特征是压气机和透平同转子。转子被两个在有压区域外的轴承支撑。这样为确保良好的运行工况提供了基础，因此可以稳定运行。

图1 燃气轮机总览图（不反映机械设计细节）

如图2所示，西门子2000E系列燃气轮机采用桶形燃烧室，两个侧面燃烧室通过法兰连接到燃气轮机。从压气机来的压缩空气进入燃烧室，通过环形空间11并通过空间14和16（在承压部件4和内部部件6之间）到达燃烧器组件1。空气被对角旋流器3集中的成对角线喷出用来稳定火焰燃烧。可调二次风阀（空气稀释孔）5布置在每个火焰缸的下段。可打开或者关闭可旋转环12（调节二次风量）来调节透平出口温度。二次风阀电动执行机构10成切向地装在燃烧室壳体上，同时可以驱动调节环。

图2 燃烧室总览图（不反映机械设计细节）

2 燃机二次风阀动作原理和作用

为实现稳定和低污染物燃烧，燃机配备了混合燃烧器，大部分必需的燃烧空气量由压缩机提供。只有少量空气在启动和低负荷过程中需要。在负荷范围内提供越多的空气量，燃机的负荷越大（在燃料增加的基础上）。

燃机提供了用于控制空气量两种方法：1）调节压气机的进口导叶（此文略）；2）压缩空气一部分进入烧嘴，另一部分从二次风阀走（燃烧室空气流量控制）。

燃烧空气控制（也称为调整/控制二次风阀的空气量）通过改变进入燃烧室的空气量，把一部分压缩空气从旁路送到燃烧室下游末端（火焰缸）。该空气冷却燃烧室产生的热气流。进入燃烧室的空气质量流量根据透平出口温度自动调节。稀释空气的进口（二次风阀）位于燃烧室内火焰缸，它们的横截面可以通过旋转调整环来增加或减小。矩形段（每个稀释空气孔一段）布置在调整环周围。随着环的旋转，可以调节进入稀释空气孔（二次风阀）的流量。在几何方面，每个稀释空气孔（二次风阀）径相当于一个滑动窗口相应的帧。段边缘有密封面相当于框架。进入燃烧器的压缩空气有固定的横截面。当稀释空气孔（二次风阀）关闭时，进入燃烧器的空气就增加了，稀释空气相应地减少了。当稀释空气孔（二次风阀）打开时，进入燃烧器的空气就减少了，而稀释空气相应地增加了。

燃烧空气控制系统的主要目的是根据透平出口温度来调节调整环。1）通过开环控制信号进行二次风阀定位；2）通过闭环控制信号进行二次风阀定位。二次风阀定位由电动执行机构执行。这两个二次风阀必须同步进行定位，在严格的公差范围内，以防止非正常流动和透平上游的热气流。在跳闸时，二次风阀设置为打开位置，以防止由于二次风阀和套管的热膨胀而导致二次风阀卡住。监视透平出口温度的模拟信号在允许范围内，如果在允许范围外，开环控制切换为手动操作。

3 燃机二次风阀硬件改造

3.1 二次风阀存在的隐患

目前天津IGCC燃机二次风阀只有一个模拟量反馈信号，反馈直接参与二次风阀动作逻辑，在天津IGCC机组正常运行期间，左侧二次风阀反馈出现过故障现象，具体现象为模拟量反馈故障为坏值，当模拟量反馈坏值时，燃机二次风阀自动退出闭环控制，且无法远程手动操作，彻底失去对二次风阀的控制，机组退出AGC。因无法对二次风阀进行在线定位，无法在机组运行期间进行维修或者更换。

为解决此重大设备隐患，设备负责班组提出多种解决思路，包括更换二次风阀电动执行机构，更换反馈设备等等。通过深入了解二次风阀反馈装置，发现可以在原反馈装置基础上增加一套模拟量反馈装置，此方法可有效避免二次风阀在一个反馈故障后无法在线检修的事故发生，同时此方法操作简单且费用较低。

3.2 硬件改造

二次风阀动作电动机品牌为德国EUBA，型号C4，设备编号50912-01,推力为15 000 N,拉力为15 000 N，行程为250 mm，速度为8 mm/s。

二次风阀反馈装置由力矩开关、行程开关、电位器、位置变送器组成。电位器是将阀门位置转换为电阻信号的仪器，位置变送器是将电位器的电阻信号转换为4～20 mA的仪器，电位器和位置变送器是组成模拟量反馈的重要装置。当力矩开关动作时，电动执行机构将无法动作。通过深入了解反馈装置，发现图5所示电位器具有堆叠使用的功能，可在图4所示反馈传动装置右侧新增一个电位器，同时在反馈盒内新增一个图6所示位置变送器，构成了新增模拟量反馈的重要设备，再敷设一根信号电缆，完成二次风阀反馈改造的硬件部分。

图3 反馈装置总览图

图4 反馈传动装置

图5 电位器

图6 位置变送器

4 控制优化

为达到最好的控制效果，控制逻辑将选择反馈与指令偏差小的反馈信号作为控制信号。当一侧二次风阀反馈1和2中任一个有故障时，将自动选择非故障信号作为控制信号，当反馈1、2均故障时，二次风阀退出闭环，投入开环控制。

新增左右侧二次风阀反馈接线图如图7、图8所示；新增测点供电回路图如图9所示；控制逻辑框图如图10所示。

图7 左侧二次风阀反馈逻辑图

图8 右侧二次风阀反馈逻辑图

图9 左、右侧二次风阀反馈供电图

图10 二次风阀反馈控制逻辑图

1）此控制逻辑将选择反馈与指令偏差小的反馈信号作为控制信号。

2）当反馈1、2均出故障时，二次风阀退出闭环，投入开环控制。

5 结语

作为国内第一座整体煤气化联合循环电站，天津IGCC机组在运行中逐步克服了诸多前所未有的问题[7]。

通过对二次风阀反馈装置现有设备分析及研判，成功完成二次风阀反馈改造和控制优化，实现了二次风阀位置测量及控制可靠性的倍增。本文仅通过测量元件及信号处理过程的改变，实现了冗余测量的功能（一点测量，输出两个信号）；而对于实际二次风阀位置的真实位移量测量方面，并未涉及，下一步的研究可在此方向上进行拓展。以期可以实现两个或更多个反馈真实位移量的测量及输出（2点或更多点测量，输出多个 信号）。