王雁軍（中國神華能源股份有限公司國華電力分公司，北京 100025）

二拖一燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組協(xié)調(diào)控制

王雁軍（中國神華能源股份有限公司國華電力分公司，北京 100025）

二拖一機組協(xié)調(diào)控制是燃氣輪機組高度自動化的一個重要組成部分。本文提供了一套優(yōu)化的協(xié)調(diào)控制策略，在工程實踐中達到了良好的預期。該策略很好地整合了聯(lián)合循環(huán)機組能需平衡和物量平衡，并兼顧了設備之間的安全考慮，實現(xiàn)了機組高度的自動化，值得同類型機組自動化設計參考。

燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)；協(xié)調(diào)控制； 負荷分配；控制策略

二拖一燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組協(xié)調(diào)控制是燃氣輪機組高度自動化的一個重要組成部分，其控制功能的主要任務有：實現(xiàn)燃機、余熱爐、汽機的能量平衡；實現(xiàn)二拖一工況的總負荷閉環(huán)控制，提供AGC控制接口；實現(xiàn)二拖一工況的燃機之間的負荷平衡；實現(xiàn)受限于鍋爐和汽輪機保護需求的燃機變負荷速率控制，調(diào)節(jié)幅值控制，保障機組安全。本文提供了一套優(yōu)化的協(xié)調(diào)控制策略，并在工程實踐中達到了良好的預期，為國內(nèi)燃機自動化控制設計提供參考。

1 二拖一機組負荷分配回路

機組負荷分配回路的主要是任務是承擔“二拖一”系統(tǒng)的兩臺燃機在多模式下的負荷出力分配問題。機組負荷分配回路主要功能有：燃機速率限制、雙燃機負荷平衡、負荷分配計算、總負荷指令幅值速率限制、總負荷設定站、AGC接口等，如圖1所示：

圖1 二拖一機組負荷分配回路邏輯示意圖

燃機負荷分配計算主要由燃機負荷理論分配量，余熱汽機負荷理論分配量，汽機實際負荷，空氣溫度，分配負荷低限等參數(shù)和功能構成。燃機負荷理論分配量是機組總負荷控制的燃機實際負荷指令基準配量單元，實際燃機負荷指令再由實際汽機負荷進行校正和空氣溫度校正得出，經(jīng)過兩側燃機負荷分配邏輯分發(fā)至兩臺燃機。需要關注的問題是無擾動切換，一次調(diào)頻功能接口，單雙側燃機投入后的理論分配量切換等問題。

機組總負荷上限是生產(chǎn)過程中比較關注的問題，環(huán)境溫度、燃機最大負荷上限、燃氣品質(zhì)、排煙溫度都會影響到機組總負荷出力。本文提供的動態(tài)上限計算公式為：

機組計算最大負荷峰值=單側運行負荷峰值或雙側燃機運行峰值×環(huán)境溫度修正系數(shù)×一次調(diào)頻冗余度。

燃機速率限制功能位于燃機負荷平衡分配之后，它由兩部分計算構成，其結果共同承擔調(diào)控燃機升降負荷速率，一部分來自燃機內(nèi)部計算，體現(xiàn)燃機自身安全需要，另一部分來自遠程計算的速率要求，體現(xiàn)的是余熱鍋爐和余熱汽機的安全要求。該速率限制環(huán)節(jié)是機組安全的重要保障環(huán)節(jié)。具體內(nèi)容計算包括余熱爐汽包壓力升速率、余熱爐汽包內(nèi)外壁溫差、余熱爐主蒸汽溫度升溫率、余熱爐機側大機主汽門和調(diào)門溫差、以及燃機變負荷率手動設定。參與燃機速率限制體現(xiàn)的是子系統(tǒng)設備對于燃機燃燒強度的“容忍度”。

如圖1所示，負荷分配邏輯還考慮了燃機快速減負荷功能、燃機OTC動作負荷指令閉鎖功能，初始負荷功能、APS自動投切和一拖一模式與二拖一模式自動切換等功能的實現(xiàn)，在此不再贅述。需要指出的是，負荷分配是燃機機組協(xié)調(diào)控制中的重要一環(huán)，但負荷分配不是其協(xié)調(diào)控制的全部，燃機機組協(xié)調(diào)控制必須還要具備機組蒸汽壓力控制，機組排氣溫度控制。

2 余熱汽輪機蒸汽壓力控制

余熱蒸汽機壓力控制體現(xiàn)的是燃機能量供給—余熱鍋爐—余熱汽輪機能量需求的平衡關系，該控制通過主蒸汽壓力這個中間量，實現(xiàn)機組系統(tǒng)能量平衡調(diào)節(jié)的過程。因此，蒸汽壓力控制也是燃機機組大協(xié)調(diào)控制重要組成部分，是聯(lián)合循環(huán)的中間變量，近年來將該項控制系統(tǒng)從燃機機組協(xié)調(diào)控制概念中獨立出來是不正確的。余熱汽機壓力設定值計算回路包括高壓、中壓和低壓蒸汽壓力設定計算三部分，其主控系統(tǒng)包括余熱爐旁路控制系統(tǒng)和余熱汽輪機壓力控制系統(tǒng)。邏輯框圖如圖2所示。

圖2 主蒸汽壓力控制

以高壓蒸汽壓力設定計算為例，其壓力控制在余熱汽輪機并網(wǎng)帶入初負荷后即刻激活投入運行。壓力值分為暖機壓力設定，定壓模式，滑壓模式三種，構成了全程壓力控制三階段。汽機啟動模式時暖機壓力設定是由計算缸溫對應的飽和壓力再和機側主汽壓選大作為啟動壓力設定。定壓力設定則由缸溫判斷極熱態(tài)、溫態(tài)和冷態(tài)，從而確定定壓參數(shù)。進入滑壓模式下，則由兩臺余熱鍋爐取大的主汽流量變送器信號→對應的冷溫熱態(tài)函數(shù)曲線→“二拖一”和“一拖一”模式選擇→再加上實際壓力修正回路→設定值送至DEH進行壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)。經(jīng)上述五個環(huán)節(jié)完成整個高壓蒸汽壓力控制設計，即通過余熱爐旁路全程控制爐側主汽壓力，保障余熱系統(tǒng)蒸汽品質(zhì)，通過余熱汽輪機調(diào)門控制汽輪機進汽壓力，保障汽輪機安全。

中壓蒸汽壓力控制類似高壓蒸汽壓力控制，低壓蒸汽壓力由于參數(shù)變化小，則采用定壓控制。實際工程中，由于蒸汽流量是鍋爐流量噴嘴實測參數(shù)，受到兩側余熱爐管道阻力、換熱系數(shù)和并退汽等因素的影響，反應比較靈敏，應該增加二階慣性，仿真蒸汽實際進入余熱汽機的慣性時間，防止由于蒸汽流量擺動引起余熱汽機調(diào)節(jié)振蕩問題。

3 燃機排氣溫度控制

燃機排氣溫度是燃機負荷控制中重要的參控要素，排氣溫度穩(wěn)定同樣關系機組參數(shù)穩(wěn)定，同樣是機組協(xié)調(diào)控制的重要環(huán)節(jié)。燃機排氣是余熱鍋爐的熱源，控制好燃機排氣溫度，有助于余熱鍋爐的換熱交換，更有利于余熱汽輪機的蒸汽壓力控制。排氣溫度控制穩(wěn)定與否關系燃機、余熱爐和汽機之間的能量交換是否協(xié)調(diào)匹配。

燃機排氣溫度設定值計算如圖3所示，四種參數(shù)取小，最終設定燃機的排氣溫度。其中余熱爐溫度需求與主汽溫度，主汽流量和減溫水調(diào)節(jié)余量有關，若減溫水處于滿開位置，意味著爐側升溫過快或是排煙溫度過高，必要時排氣溫度控制將限制燃機負荷加載；排氣溫度均值加上10度作為溫控設定值之一，是用以防止升降溫過快，保證溫度設定在實際溫度10度之內(nèi)。燃機OTC動作前溫度加10度和燃機OTC控制器溫度設定值則限定了燃機排氣溫度設定的高限值。排氣溫度控制溫升率設定則來自余熱爐汽包壓力變化率、機側主汽門溫度和缸溫差的溫變率函數(shù)等參數(shù)。

圖3 排氣溫度控制

4 燃氣蒸汽二拖一機組協(xié)調(diào)優(yōu)化設計小結

圖4 燃氣蒸汽二拖一協(xié)調(diào)控制示意圖

二拖一燃氣—蒸汽機組協(xié)調(diào)設計的核心是為保證機組設備之間的能量平衡和物量平衡，保證機組總負荷和電網(wǎng)調(diào)峰的廠網(wǎng)平衡。上述需求就要求對燃機負荷、燃機排氣溫度、余熱汽機壓力實現(xiàn)精度控制，所謂的精度控制包括幅值、過程速率、調(diào)節(jié)精度等要素。也就是說要綜合考慮燃機升降負荷率，余熱汽輪機升降壓率和余熱鍋爐升降溫率的安全需求，在此安全范圍內(nèi)，實現(xiàn)燃機、余熱鍋爐和余熱汽輪機之間的參數(shù)協(xié)調(diào)，升降負荷匹配同步。

需要指出的是，燃機作為鍋爐熱源，不能只考慮自身負荷調(diào)節(jié)。通過協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，把余熱鍋爐的安全需求和余熱汽機的蒸汽品質(zhì)需求綜合考慮，實現(xiàn)互為閉鎖的安全控制設計，這也是燃機機組信息化控制即協(xié)調(diào)設計的重點。

5 結語

對于二拖一燃機蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，具有子組多、控制難等特點，其高度的自動化水平和優(yōu)異的調(diào)節(jié)性能是機組安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟運行的保證。本文提出的協(xié)調(diào)控制方案經(jīng)歷現(xiàn)場試驗考驗，如圖5所示，該方案很好地整合了聯(lián)合循環(huán)控制難點，其重點是將機組關注參數(shù)作為整體進行了一體化控制，兼顧了設備之間安全和調(diào)節(jié)同步，真正做到了“二拖一”機組的高度自動化，并為機組一鍵啟停預備好了接口，為后期該機組實現(xiàn)機組級的一鍵啟動功能做好了準備，值得國內(nèi)燃氣輪機組設計參考。

圖5 二拖一協(xié)調(diào)控制趨勢圖

[1] 宋兆星, 李衛(wèi)華, 王立. 雙軸燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組協(xié)調(diào)控制策略[J].中國電力. 2009 (42) 7 : 64 - 67.

[2] Siemens AG. Description of the unit coordination program for Shanghai Shidongkou Combined Cycle Project[Z]. 2005

The Cooperative Control of Multi-Shafts Gas- Steam Combined Cycle Units

Multi-shafts Gas-steam Combined Cycle Units Cooperative Control is an important component of gas turbine with high degree of automation. This paper provides a set of optimal coordinated control strategies, which have achieved good prospection in engineering practice. The strategy is very good integration of the combined cycle unit of energy balance and volume balance, and considers the security requirement of equipment. The unit of high degree of automation is therefore achieved. It is worth reference for the same type unit automation design.

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B

1003-0492(2016)01-0102-03

TP273

王雁軍（1972-），男，黑龍江雙鴨山人，高級工程師，碩士，現(xiàn)任中國神華能源股份有限公司國華電力分公司安健環(huán)部業(yè)務經(jīng)理，主要研究方向為DCS故障診斷處理、協(xié)調(diào)控制優(yōu)化等。