郭慶軍，朱世凱，曹立佳

(1.河南利源新能科技有限公司，河南 安陽 455141；2.北京康吉森自動化技術股份有限公司，北京 101318)

0 引言

燃氣輪機是一種將空氣增壓后與燃料充分反應，形成高溫高壓燃氣帶動透平高速旋轉，從而輸出機械功的動力機械，被譽為制造業(yè)“皇冠上的明珠”[1]。其主要結構包括壓氣機、燃燒室、燃氣透平三個部分。通常，燃機及配套控制系統(tǒng)的改造難度非常大，尤其是在現場需要更換燃機燃料和燃燒室火焰噴嘴的情況下。

本文針對河南省某公司采購引進的PG6581B型舊燃機進行研究，對燃機設備及控制系統(tǒng)改造后將其用于128萬噸/年焦化配套聯(lián)合發(fā)電。此燃機原燃料為輕柴油和煤制合成氣，用輕柴油點火啟機，開車成功后切換到合成煤氣燃料。

作為焦化配套聯(lián)合新能源發(fā)電項目的關鍵設備之一，改造后的燃機采用天然氣點火。點火成功后切焦爐氣燃料升速，達到正常運行轉速后再切除天然氣，用焦爐煤氣實現長期、穩(wěn)定發(fā)電運行。此燃料改造為國內6B系列燃機的創(chuàng)新節(jié)能應用。

1 系統(tǒng)配置和節(jié)能控制軟件功能

1.1 硬件配置

TS-3000通過下列模件控制燃氣輪機發(fā)電機組。

①模擬輸入模件。模擬輸入模件與模擬信號相連，如火焰強度、溫度、壓力、振動等。

②脈沖輸入模件。脈沖輸入模件與燃機轉速信號相連。

③數字輸入模件。數字輸入模件與開關量輸入相連，如壓力開關、液位開關和溫度開關量及閥門狀態(tài)反饋等。

④模擬輸出模件。模擬輸出模件用于燃料調節(jié)閥(gas control valve，GCV)、速比閥(speed ratio valve，SRV)和進氣導向葉片(inlet guide vane，IGV)的開度基準信號[2]。

⑤數字輸出模件。數字輸出模件用于控制開關量，如電磁閥、各種泵和風扇的啟停命令、發(fā)電機同期并網指令等。

⑥伺服控制模件。伺服控制模件激勵/接收并調制SRV和IGV的線性可變差動傳感器的反饋信號[3]；接收模擬輸出模件的控制基準信號，并輸出伺服閥的驅動信號。

1.2 軟件配置

①下位機軟件。下位機軟件包括TRISTATION 1131軟件VERSION 4.17、TRICON SOE軟件VERSION4.8和TRICON DDE軟件VERSION4.9。

②上位畫面軟件。上位畫面軟件采用INTOUCH人機界面(human machine interface,HMI)軟件，從而實現一體化燃機控制(integrated gas turbine control,IGTC)系統(tǒng)的監(jiān)控操作。工程師站則采用INTOUCH VERSION20.0.000.4300開發(fā)版、操作站采用INTOUCH VERSION20.0.000.4300運行版。在TS1131控制軟件與上位機軟件之間，通過動態(tài)數據交換軟件DDE SERVER相連。

1.3 節(jié)能控制軟件功能

在改造應用中，燃機控制系統(tǒng)采用基于TüV 認證SIL3級別TMR技術的 Triconex TS-3000控制系統(tǒng)，實現PG6581B 單軸燃氣輪機驅動發(fā)電機組運行。TS-3000提供以下功能。

①自動啟動和加載。

燃機自動啟動到全速空載模式。發(fā)電機同期并網期間，系統(tǒng)接收到發(fā)電機出口斷路器觸點閉合信號后，即可由操作人員按照工廠調度需求給燃機增加負荷，加載發(fā)電運行。

起機順控包括啟動燃料控制、燃料切換控制、加速控制、GCV控制、SRV控制、排氣溫度控制和IGV調節(jié)， 實現天然氣燃料點火、起機。焦爐煤氣帶負荷運行[4]。轉速/發(fā)電機負荷控制包括轉速有差和無差控制，以及發(fā)電機增減負荷控制等。

②渦輪和發(fā)電機保護功能包括燃燒監(jiān)視、軸系振動監(jiān)視、發(fā)電機運行監(jiān)視等。

③燃機輔助系統(tǒng)控制。

輔助系統(tǒng)包括潤滑油系統(tǒng)、控制油系統(tǒng)、燃料氣系統(tǒng)、氮氣吹掃系統(tǒng)、加熱通風系統(tǒng)、冷卻和密封氣系統(tǒng)、啟動設備和盤車機構等。

④燃機外圍設備控制包括焦爐煤氣進氣過濾、加熱控制以及冷卻循環(huán)介質監(jiān)控等。

TS-3000通過操作員站或工程師站的HMI操作畫面進行監(jiān)控和操作。HMI提供完善的監(jiān)視功能，以及便捷、友好的操作界面。

2 燃機自動起機順序控制

燃氣輪機驅動發(fā)電機組總是在13個運行模式中的1個模式下運行。每個順控模式的進入都是按預先設置好的程序進行的。這樣可以確保燃氣輪機、發(fā)電機和輔助設備的安全運行。當觸發(fā)1個起動命令后，TS-3000就會通過啟動順序模式自動運行起機程序[5-6]。

為了描述燃機的啟動過程，TRICON TS-3000根據機組的不同階段定義了模式號(Mode)，用相應方式變量來控制程序的進程。燃機啟動模式定義如表1所示。

表1 燃機啟動模式定義

起機過程為全自動，無需人工干預。啟動控制系統(tǒng)僅控制燃氣輪機從點火開始到啟動程序完成這個過程中的燃料分配。燃氣輪機啟動過程中燃料需要量變化范圍相當大。其最大值受壓氣機喘振和透平超溫所限，而最小值則受熄火極限或零功率所限。這個上下限隨著燃氣輪機轉速的大小變化。在脫扣轉速時，這個上下限之間的范圍最窄。沿上限控制燃料量可使啟動最快，但燃氣輪機溫度變化劇烈，會產生較大的熱應力，導致材料的熱疲勞而縮短使用壽命。啟動控制過程是開環(huán)的，根據程序系統(tǒng)輸入的一組邏輯信號分段輸出預先設置的燃機燃料行程參考基準(fuel stroke reference，FSR)。

起機過程中，燃機啟動FSR曲線如圖1所示。

圖1 燃機啟動FSR曲線

當燃氣輪機被啟動機帶到點火轉速并滿足點火條件時，點火變壓器觸點閉合。為了點燃火焰并提供燃燒室之間的聯(lián)焰，在火花塞打火時，點火FSR為17%，相對較大，在圖1中對應A點。當滿足下列條件之一時，點火成功：①至少2個火焰檢測器檢測到火焰，并且持續(xù)時間超過2 s; ②所有4個火焰檢測器均檢測到火焰。

如果點火成功，控制系統(tǒng)將13%賦給FSR，以建立暖機FSR值，在圖1中對應B點。FSR水平的降低是為了減少轉子的熱應力。在點火FSR到暖機FSR的轉變過程中，采用了1個一階濾波器，使得過渡過程變得緩和。燃氣輪機暖機過程中FSR值保持不變，轉速則在逐漸上升，實際燃料流量也隨之緩慢增加，使處于冷態(tài)的燃氣透平逐漸被加熱。暖機持續(xù)60 s結束，由啟動程序給出暖機完成指令，在圖1中對應C點。

暖機完成后，FSR按照0．08 %/s的斜升速率(對應圖1中CD段斜率)進入積分器的輸入端，使得FSR輸出在暖機值的基礎上逐漸增加。隨著燃料量的增加，燃氣輪機轉速逐步升高。當達到45%全速轉速(對應圖1中D點)時，控制系統(tǒng)FSR將按照0.2%/s的斜升速率(對應圖1中DE段斜率)繼續(xù)增大FSR，直至燃機達到90%全速轉速(對應圖1中E點)時，啟動控制系統(tǒng)FSR按照1.5%/s(對應圖1中FG段斜率)快速達到100%FSR。至此，啟動控制系統(tǒng)自動退出。

燃機轉速達到正常運行轉速5 133 rad/min時，現場確認天然氣具備退出條件，由操作員發(fā)出天然氣開始退出指令。此時，控制系統(tǒng)自動緩慢關閉天然氣燃料閥。當天然氣燃料閥全關后，天然氣切斷閥電磁閥自動失電，切斷閥關閉；同時，系統(tǒng)自動打開天然氣放散閥，燃料切換完成。在天然氣退出階段，燃機轉速保持不變。

3 燃燒排氣溫度節(jié)能控制和保護

燃氣輪機的透平葉輪和葉片在高溫、高速下工作，承受高溫和巨大的離心應力。對于燃氣輪機而言，這些受熱零部件的強度余量本來就不大，所以在運行中就必須使透平進氣溫度限制在一定范圍內。否則，超溫將會使透平受熱部件的壽命大大降低，甚至引起透平葉片燒毀、斷裂等嚴重事故。因此，燃機的燃燒溫度控制和保護非常重要。由于燃機透平前溫度直接測量與控制非常困難，通常通過測量燃氣輪機的排氣溫度間接反映透平前溫的大小。兩者的變化趨勢是相同的[7-8]。

為了監(jiān)測燃機高溫部件工作是否正常，TS-3000系統(tǒng)實時測量均勻分配安裝在排氣通道上的18只熱電偶測溫元件。控制系統(tǒng)將采集的排溫數據送至專門的溫度保護程序參與運算。 TS-3000系統(tǒng)排氣溫度保護任務如下。

①透平平均排氣溫度高保護。燃機在進入點火模式后，如透平排氣溫度平均值高于設定值649 ℃或高于基準溫控溫度5 ℃，機組將保護停機。

②透平排氣溫度熱電偶故障保護。燃機轉速大于2 567 rad/min后，如果平均排氣溫度低于121.1 ℃，則表明燃機燃燒存在異常，或者在燃機啟動后有超過8只排氣測溫熱電偶故障。這2種異常工況下，控制系統(tǒng)都會自動遮斷機組。

③透平排氣溫度分散度高保護。燃機穩(wěn)定燃燒時，透平排氣溫度數據并非完全相同，總存在一些偏差。這個偏差通常被稱為燃機排氣溫度分散度。當燃燒室內火焰筒、導流襯套或過渡段等部件出現堵塞、破裂等異常工況時，均會引起燃機進口流場和排氣溫度流場的嚴重不均勻。對于燃機排氣溫度而言，排氣溫度不均勻的程度超過限定值，即為排氣分散度的異常。為了確定機組在穩(wěn)定負荷下允許各排氣熱電偶測量結果的偏差量，PG6581B燃氣輪機均規(guī)定了一個允許分散度(設為X)。當實際分散度超出X并滿足一定條件時，機組將立即停機以確保燃機的安全[9]。機組在穩(wěn)態(tài)時，X是一個常數。發(fā)電機在增減負荷時，X會疊加上一個值，從而在機組燃燒變換時防止因實際分散度增大而誤保護停機。

穩(wěn)定運行時，燃機排氣溫度測量數據如圖2所示。

圖2 燃機排氣溫度測量數據

排氣溫度分散度保護的方法如下。TS-3000系統(tǒng)會實時計算實際排氣分散度的大小。排氣溫度的最高點與最低點的差值稱為排氣分散度X1。排氣溫度的最高點與次低點的差值稱為排氣分散度X2。排氣溫度的最高點與第三低點的差值稱為排氣分散度X3。這3個實際分散度的值與X進行比較，并輔以這3個低點的元件是否存在相鄰關系的條件，從而產生以下3種遮斷跳機的保護。

①均勻分配安裝在排氣通道上的熱電偶測溫元件。如果測量到的排氣溫度最低點與次低點是相鄰的，且所計算的X1和X2又超出了相應的允許值，說明在此區(qū)域內排氣溫度明顯低于正常值。而這種現象極有可能是由于某個燃燒器或過渡段破損造成的。因此，機組應立即跳機以避免故障擴大。燃機排氣分散度停機保護邏輯1如圖3所示。

圖3 燃機排氣分散度停機保護邏輯1

②當X1是X的5倍以上時，程序認為這個排氣溫度最低點的熱電偶元件出現了故障。在這種情況下，如果排氣分散度次低點與第三低點仍然處于相鄰位置，同時排氣分散度次低點超出了允許值[10-11]，即認為排氣溫度次低點與第三低點熱電偶元件所處的位置是不正常的低溫區(qū)。同時，考慮到有1個熱電偶元件出現故障，為了保護設備的安全，系統(tǒng)發(fā)出跳機指令。燃機排氣分散度停機保護邏輯2如圖4所示。

圖4 燃機排氣分散度停機保護邏輯2

③當X3超出X之后，就出現了均勻分配安裝在排氣通道上的熱電偶測溫元件測量到了3個不相鄰的非正常低溫區(qū)。在這種情況下，無論是排氣溫度元件本身故障還是其他原因造成的故障，均對機組安全運行造成重大威脅。因此，系統(tǒng)需立即發(fā)出跳機指令，燃機排氣分散度停機保護邏輯3如圖5所示。

圖5 燃機排氣分散度停機保護邏輯3

4 結論

本文研究的128萬噸/年焦化配套聯(lián)合發(fā)電項目1#燃機已于2022年2月一次點火開車成功。改造后的燃機控制系統(tǒng)經過現場多次試車、燃料切換、并網發(fā)電運行及開車檢驗，已安全連續(xù)運行超過3 000 h。目前，燃機運行平穩(wěn)、可靠。改造后的控制系統(tǒng)在燃機啟停、控制監(jiān)測、系統(tǒng)通信等方面性能良好，減少了維護成本，具有在同類燃機項目進行推廣應用的價值。