張 龍,李衛(wèi)團,熊永功中海油湛江分公司生產(chǎn)部,廣東湛江 524057
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SGT-100燃氣輪機控制系統(tǒng)國產(chǎn)化升級改造
張龍,李衛(wèi)團,熊永功
中海油湛江分公司生產(chǎn)部,廣東湛江524057
摘要利用國內(nèi)燃氣輪機控制技術(shù)改造SIEMENS公司成撬供貨SGT-100機型燃機控制系統(tǒng),擺脫國外技術(shù)壟斷,提高國產(chǎn)化技術(shù)水平,大幅降低維護運行成本。
關(guān)鍵詞國產(chǎn)化;燃機;燃料閥
中海油潿洲島終端處理廠有4臺西門子SGT-100燃氣輪發(fā)電機組。該燃機采用西門子“STAR燃料控制系統(tǒng)”一旦控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題,需要停止該機組運行并直接和廠家聯(lián)系,等待廠家解決問題,造成機組運行維護成本昂貴,且故障排查的反應(yīng)速度無法滿足現(xiàn)場生產(chǎn)要求。近年國內(nèi)燃氣輪發(fā)電機組控制技術(shù)已日趨成熟,為終端處理廠燃機控制系統(tǒng)國產(chǎn)化升級改造提供技術(shù)保障。
STAR燃料控制及驅(qū)動制動器電子裝置(FDAE)系統(tǒng)用于透平的精確模擬量控制,系統(tǒng)包括燃料控制器(ECU)和模擬定位器裝置(APU)。
ECU微處理器是摩托羅拉公司的68332裝置,運行頻率為12MHz,帶有閃存隨機存儲器,提供一個串行通信口RS232,9600波特率,用來調(diào)整參數(shù)、標定信號和更新程序,處理器設(shè)置有校準參數(shù)和制動器閉環(huán)定位算法。如應(yīng)用程序具有用于特定氣體燃料、液體燃料算法以及VGV定位算法。軟件在ALSTOM公司出廠前進行了預(yù)先配置設(shè)定,用于匹配客戶的特定應(yīng)用,由于該軟件是用一種高級編程語言書寫的,因此不可以在現(xiàn)場調(diào)整。
ECU的PWM驅(qū)動電路用于把位置給定值輸送到APU卡上,APU卡直接輸出閥門開度。模擬定位器(APU)只是一個模擬定位裝置,不包含軟件參數(shù)。主要有3個作用:一是用于校準制動器的反饋;二是用于校準來自ECU的PWM指令信號;三是增益調(diào)整器,可以調(diào)整比例增益。
啟動時,ECU中提前設(shè)置好固定的點火燃料量和兩級燃料爬升率,啟動過程中根據(jù)此設(shè)定開環(huán)爬升。根據(jù)不同工況和燃料組分變化,在停機狀態(tài)下,可以通過專用的通訊軟件或超級終端命令行的方式對內(nèi)部參數(shù)進行調(diào)整,由工程人員校對IGV開度、閥門零點滿度、啟動運行相關(guān)的燃料參數(shù)。運行中,燃機轉(zhuǎn)速和功率測量信號通過進入控制室的PLC后,再通過DeviceNet總線傳送到燃機箱體的ECU中,在ECU中做轉(zhuǎn)速或功率閉環(huán)控制,ECU自閉環(huán)調(diào)節(jié)器根據(jù)轉(zhuǎn)速或功率需求的熱量,按照每種燃料的熱值來計算通過每個閥門所需燃料流量。再將燃料流量輸入到氣體燃料和液體燃料的標準截流算法中計算。
2.1系統(tǒng)工藝改造
2.1.1燃氣系統(tǒng)改造
燃氣系統(tǒng)改造中拆卸原有的ECU、APU、步進電機、閥門等及其附件設(shè)備,替換為WoodWard·GS系列調(diào)節(jié)閥。GS系列為一體化智能燃料調(diào)節(jié)閥,閥門不需要清洗和校驗,可適應(yīng)高達200°F的環(huán)境溫度。閥門直接接收4mA~20mA控制信號,反饋4mA~20mA位置信號,狀態(tài)反饋,急停復(fù)位,使用24VDC直流電源作為動力電源。
燃油系統(tǒng)改造中拆卸原有的ECU、APU、步進電機、閥門等及其附件設(shè)備,替代為WoodWard·LQ系列調(diào)節(jié)閥。LQ系列為一體化智能燃料調(diào)節(jié)閥,閥門不需要清洗和校驗。閥門直接接收4mA~20mA控制信號,反饋4mA~20mA位置信號,狀態(tài)反饋,急停復(fù)位,使用24VDC直流電源作為動力電源。
VGV的伺服控制及位置反饋的改造。原ATOS伺服閥替換成MOOG伺服閥,VGV執(zhí)行機構(gòu)不變,新設(shè)計液壓回路轉(zhuǎn)接模塊控制原來的執(zhí)行機構(gòu),并且保證原有功能不變。MOOG伺服閥是一種接受模擬電信號后,相應(yīng)輸出調(diào)節(jié)的流量和壓力的液壓控制閥,具有動態(tài)響應(yīng)快、控制精度高、使用壽命長等優(yōu)點。VGV位置反饋改造是將原來的滑性變阻測量方式改為現(xiàn)在LVDT測量方式,相對于滑性變阻,LVDT有以下優(yōu)勢:1)無摩擦測量;2)無限的機械壽命;3)無限的分辨率;4)零位可重復(fù)性;5)環(huán)境適應(yīng)性。
2.2控制系統(tǒng)優(yōu)化
2.2.1順序控制算法
采用流程步進模式控制邏輯,將一個復(fù)雜的系統(tǒng)分成若干獨立的步序模式。這些模式涵蓋燃機發(fā)電機組的所有狀態(tài),每個設(shè)備的控制都通過模式來表述。對于一個獨立的設(shè)備只需要分析:有哪些條件進入該模式;進入該需要做些什么;以及該模式可能會跳轉(zhuǎn)到哪些模式。
2.2.2溫度控制算法
在原系統(tǒng)中對于溫度沒有閉環(huán)控制,只有跳機保護。尤其在燃機啟動過程中,由于采用了燃料的開環(huán)爬坡,在壓氣機進氣溫度、燃料熱值等工況不同時,會造成燃機升速超扭矩、溫度迅速升溫、熱懸掛等不利工況。燃機的排氣TOP溫度最大值為540℃的機組,在啟動過程中溫度有時上升到590℃以上。為了避免上述問題,我們在機組中加入TOP溫度限制閉環(huán)控制,排氣溫度上升到溫控限時,開始由溫度閉環(huán)控制燃料,保證機組不會出現(xiàn)超溫的狀況。排氣溫度控制的引入,使得機組在聯(lián)合循環(huán)工況下調(diào)節(jié)排氣溫度以便于提高聯(lián)合循環(huán)效率成為可能。
2.2.3啟動燃料控制
原機組控制程序的點火燃料量為固定值,然而在不同的進氣溫度的情況下,進入燃燒室的空氣量不同,這也就造成的空燃比不同,從而會出現(xiàn)在不同工況下點火成功率不同。在新系統(tǒng)中對點火燃料需求功率加入了進氣溫度的修正。CQTC=SQRT(288/CTIM)。修正后會根據(jù)壓氣機進氣溫度的不同來改變點火燃料的功率需求量。有效的提高了點火成功率。在原系統(tǒng)中對點火成功后,在此燃料基礎(chǔ)上進行爬坡。通常點火需要的燃料量多余實際需求功率的燃料量,因此會造成迅速升溫,或點火失敗的情況。因此,在點火后加速了點火成功后的燃料向下階躍,然后進入閉環(huán)控制,而不是開環(huán)控制,此算法有效的改善了點火成功率。尤其在液體燃料下,有連續(xù)3天點火失敗的情況,算法修正后,多次實驗的結(jié)果是,點火成功率100%。且點火燃料量由原來的2300kW,改為了1 800kW,依然是點火成功率100%。
2.2.4加速度控制算法
對于開環(huán)爬坡的方式啟動燃機,存在著眾多的缺陷。因此引入加速度閉環(huán)控制,而不是原來的開環(huán)燃料爬升單獨控制,在進入閉環(huán)之后不再需要進行燃料功率開度的換算,也就是不再需要調(diào)節(jié)閥前后的溫度、壓力測量點,在很大程度上避免了控制失誤概率。同時,加速度表征的是燃機機械應(yīng)力,加速度閉環(huán)控制保證了在啟動過程中不會出現(xiàn)因為工況不同燃料超量帶來的機組超應(yīng)力啟動。同時加速度控制自動修正燃料流量,也保證了啟動的成功率,有效的降低了啟動溫度。在原系統(tǒng)中啟動機組溫度在590℃以上,改造后的系統(tǒng)啟動溫度一直保持在560℃以下。
2.2.5燃料控制算法
燃料控制算法由原來單一的控制算法改為多種控制算法的最優(yōu)化選擇,更適應(yīng)于不同的工況,對甩負荷等超速超溫抑制更優(yōu)。在電網(wǎng)出口斷路器跳閘時,多機組超頻的情況下,有效的抑制了機組超頻。四臺機組中,未進行改造的機組均超頻到55Hz以上,而改造后的機組超頻在50.35Hz以下。主燃料控制包括:1)停機燃料控制;2)功率控制和最大功率限制;3)排氣溫度控制;4)啟動開環(huán)燃料量限制;5)加速度控制;6)轉(zhuǎn)速控制;7)壓比CRP控制;8)最小燃料和最大燃料限制。加速度控制算法的引入,有效的控制了在運行過程中,由于電網(wǎng)甩負荷造成的機組超頻。
2.2.6IGV控制
加入環(huán)境溫度修正,根據(jù)原機組容易喘振和機組損害的履歷,對IGV的控制算法進行了修正。在老的IGV控制閉環(huán)中,完全根據(jù)轉(zhuǎn)速來計算IGV的開度,函數(shù)關(guān)系為:IGV開度=f(燃機轉(zhuǎn)速);這種單一的計算方式忽略了進入溫度對壓氣機進氣量的影響,從而在溫度較高時容易發(fā)生喘振和熱懸掛。新的IGV控制算法更正為:IGV開度=f(燃機轉(zhuǎn)速,進入溫度)更加合理。
2.2.7雙燃料切換控制算法的優(yōu)化
在燃料的切換過程中不是簡單的根據(jù)總功率計算氣體燃料和液體燃料的閥門開度,加入了閥門線性化的算法,有效的減小了切換過程中閥門的大幅度波動和功率的大幅度波動。在小于10s的快速切換過程中,實際功率波動小于250kW,轉(zhuǎn)換平穩(wěn)。
通過該國產(chǎn)化改造,大大降低了透平發(fā)電機組的操作運行維護成本。采用硬件部分為當今業(yè)界最高水平,軟件部分具有自主知識產(chǎn)權(quán),非標產(chǎn)品越來越少;改造解決了燃油啟動成功率低、ECU通訊故障、備件停產(chǎn)老化等一系列老大難問題,系統(tǒng)功能全面超越原系統(tǒng)水平。
更為重要的是打破了SIEMENS廠家對應(yīng)用程序文件和相關(guān)驅(qū)動程序的技術(shù)封鎖和限制,大大提升了軟件的開放程度,為國內(nèi)其他進口燃機的國產(chǎn)化改造提供了良好借鑒。
參考文獻
[1]閻維平.ASME·PTC22-2005燃氣輪機性能試驗規(guī)程[M].北京:中國電力出版社,2012,12.
中圖分類號TE9
文獻標識碼A
文章編號1674-6708(2016)165-0197-02
作者簡介:張龍,中海油湛江分公司生產(chǎn)部。李衛(wèi)團,中海油湛江分公司生產(chǎn)部。熊永功,中海油湛江分公司生產(chǎn)部。