常少輝 劉永旺 張 楠 肖黎明

（1.華電（北京）熱電有限公司 2.中國(guó)華電集團(tuán)發(fā)電運(yùn)營(yíng)有限公司）

0 引言

華電（北京）熱電廠西門(mén)子SGT5-2000E型（V94.2）燃機(jī)燃燒模式主要分為擴(kuò)散模式、預(yù)混模式兩種模式，燃機(jī)正常運(yùn)行時(shí)在預(yù)混模式，但由于預(yù)混模式穩(wěn)定性較差，為防止燃機(jī)機(jī)組實(shí)際功率突降造成燃機(jī)貧燃熄火停機(jī)，在燃機(jī)控制系統(tǒng)中設(shè)置了當(dāng)機(jī)組功率信號(hào)發(fā)生大于32MW變化的情況下，燃機(jī)進(jìn)入“小甩功率”控制模式，此時(shí)燃機(jī)的燃燒模式由“預(yù)混模式”切換為燃燒更穩(wěn)定的“擴(kuò)散模式”。

然而，由于連接的外側(cè)電網(wǎng)（以下簡(jiǎn)稱“外網(wǎng)”）會(huì)發(fā)生短路故障，導(dǎo)致機(jī)組功率信號(hào)的快速上下波動(dòng)，但原有燃機(jī)控制邏輯無(wú)法有效識(shí)別這一情況，只要機(jī)組功率信號(hào)出現(xiàn)大于32MW的快速下降時(shí)，燃機(jī)即進(jìn)入“小甩功率”控制模式，導(dǎo)致燃機(jī)錯(cuò)誤地由“預(yù)混模式”切換為“擴(kuò)散模式”?！皵U(kuò)散模式”由于燃燒溫度較高，促使大量“NOX”的生成，引發(fā)機(jī)組污染物排放超標(biāo)。

在近年來(lái)環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)的背景下，外網(wǎng)沖擊導(dǎo)致燃機(jī)燃燒模式的錯(cuò)誤切換，嚴(yán)重影響燃?xì)怆姀S的污染物排放水平。以華電（北京）熱電公司（以下簡(jiǎn)稱“電廠”）西門(mén)子SGT5-2000E型（V94.2）燃機(jī)為例，2018年因外網(wǎng)沖擊導(dǎo)致的燃燒模式切換造成的氮氧化物超標(biāo)次數(shù)就有11次，2019年有6次，嚴(yán)重影響的企業(yè)為解決以上問(wèn)題，本文提出一種基于燃機(jī)機(jī)組功率信號(hào)特征攔截與分析的燃機(jī)控制邏輯優(yōu)化方法。通過(guò)對(duì)外網(wǎng)沖擊參數(shù)的分析，優(yōu)化燃?xì)廨啓C(jī)的控制邏輯，采用基于特征曲線的識(shí)別方法，對(duì)外側(cè)電網(wǎng)沖擊導(dǎo)致的燃?xì)廨啓C(jī)功率信號(hào)波動(dòng)進(jìn)行甄別以及攔截。優(yōu)化邏輯投入后，2021年9月15日在電廠實(shí)際燃機(jī)機(jī)組上成功攔截一次，證明了邏輯優(yōu)化的有效性。

1 研究背景

1.1 燃機(jī)氮氧化物的生成機(jī)理

氮氧化物（NOX）是指含氮的氧化物的總稱，環(huán)境監(jiān)測(cè)廢氣中的氮氧化物一般包括NO和NO2。研究表明，NOX的生成途徑有三種：①熱力型NOX，指空氣中的氮?dú)庠诟邷叵卵趸蒒OX；②燃料型NOX，指燃料中含氮化合物在燃燒過(guò)程中進(jìn)行熱分解，繼而進(jìn)一步氧化而生成NOX；③快速型NOX，指燃燒時(shí)空氣中的氮和燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)如CH等反應(yīng)，然后快速與氧氣反應(yīng)生成NOX。

快速型NOX通常所占比例不到5%；西門(mén)子SGT5-2000E型（V94.2）燃機(jī)天然氣氣源中含氮化合物的含量非常低，所占體積不超過(guò)0.1%，因此燃料型NOX的比例也很低；在溫度低于1500℃時(shí)，熱力型NOX的生成率很低，但是在1500℃以上時(shí)，熱力型NOX生成速度迅速增長(zhǎng)，尤其是1650℃以上時(shí)，熱力型NOX的生成率將大幅提高，且溫度越高，生成率就越高。故燃?xì)廨啓C(jī)NOX的排放量主要來(lái)自熱力型。

1.2 燃機(jī)燃燒模式介紹

西門(mén)子SGT5-2000E型（V94.2）燃機(jī)設(shè)計(jì)有兩種燃燒模式，分別為擴(kuò)散模式、預(yù)混模式。

1）擴(kuò)散模式用于點(diǎn)火、升速、低功率階段，用以保證點(diǎn)火成功率與較高的燃燒溫度，使燃?xì)廨啓C(jī)快速升速。燃料和空氣分別送入燃燒室，依靠擴(kuò)散與湍流交換的作用，使它們彼此相互摻混，形成一個(gè)接近理論燃燒溫度的火焰。擴(kuò)散模式燃燒穩(wěn)定，不易熄火，燃燒效率幾乎不受功率降低影響，但是在著火前需要依靠紊流擾動(dòng)與空氣混合，混合過(guò)程比燃燒過(guò)程緩慢得多，因此它的火焰要比預(yù)混燃燒的長(zhǎng)；火焰面上的理論燃燒溫度，總是高于1650℃，因此會(huì)引發(fā)大量熱力型“NOX”的生成。

2）預(yù)混模式主要用于在機(jī)組穩(wěn)定高功率運(yùn)行階段，在燃機(jī)啟動(dòng)后達(dá)到，使機(jī)組控制“NOX”排放，達(dá)到環(huán)保排放的目的。預(yù)混模式采用的湍流燃燒方法是把燃料與空氣預(yù)先混合成為均相、稀釋的可燃混合物，然后使之以湍流火焰?zhèn)鞑サ姆绞酵ㄟ^(guò)火焰面進(jìn)行燃燒，火焰面的燃燒溫度與燃料和空氣實(shí)時(shí)當(dāng)量比的數(shù)值相對(duì)應(yīng)。預(yù)混燃燒模式下高溫燃燒區(qū)范圍將大大縮小，大部分區(qū)域?yàn)榈蜏厝紵齾^(qū)，有利于減少“NOX”的生成。通過(guò)對(duì)燃料與空氣實(shí)時(shí)摻混比的控制，使火焰面的溫度低于1650℃，這樣就能控制熱力型“NOX”的生成，但預(yù)混燃燒穩(wěn)定性比較差，需由值班氣噴嘴來(lái)穩(wěn)定燃燒，因此主要用于機(jī)組穩(wěn)定高功率運(yùn)行階段。

1.3 存在問(wèn)題

在環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)格的背景下，電廠燃機(jī)機(jī)組一旦由于外網(wǎng)沖擊而錯(cuò)誤進(jìn)入“小甩功率”控制模式，燃燒方式切換至“擴(kuò)散模式”后，NOX排放濃度瞬時(shí)值可達(dá)500mg／m3，即使是3～5min的時(shí)間，也會(huì)造成該時(shí)段的NOX小時(shí)均值排放超標(biāo)，而違反《中華人民共和國(guó)大氣污染物防治法》，有被屬地生態(tài)環(huán)境主管部門(mén)立案調(diào)查甚至直接處罰的可能。電廠類似情況在2018年、2019年分別發(fā)生11次、6次，給電廠帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失以及社會(huì)負(fù)面影響風(fēng)險(xiǎn)，此問(wèn)題亟待解決。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 基于特征曲線的信號(hào)攔截與分析

通過(guò)對(duì)歷次導(dǎo)致燃機(jī)燃燒模式切換的外網(wǎng)沖擊參數(shù)的收集與整理，對(duì)參數(shù)突變特性的分析，總結(jié)出當(dāng)發(fā)生外網(wǎng)故障誤引起的燃機(jī)功率波動(dòng)（定義為“虛假小甩功率”）曲線有如下特征。首先，外網(wǎng)故障大多由各種電氣短路故障引發(fā)，短路故障的暫態(tài)特性可能引發(fā)電網(wǎng)系統(tǒng)振蕩，振蕩傳遞到電廠側(cè)表現(xiàn)為機(jī)組負(fù)荷在一個(gè)基準(zhǔn)面上發(fā)生上下波動(dòng)的特征（見(jiàn)圖1），這與燃機(jī)出現(xiàn)甩負(fù)荷（定義為“真實(shí)小甩功率”）時(shí)，負(fù)荷曲線只發(fā)生單向下降的特征曲線有明顯區(qū)別。鑒于分析出的信號(hào)特征，對(duì)現(xiàn)有控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，使控制系統(tǒng)具備對(duì)功率信號(hào)快速識(shí)別的能力，當(dāng)發(fā)生由于外網(wǎng)沖擊引起的瞬態(tài)功率波動(dòng)時(shí)，可以進(jìn)行有效“攔截”，不觸發(fā)燃機(jī)甩負(fù)荷控制狀態(tài)，從而防止燃機(jī)燃燒方式誤切換，避免燃機(jī)環(huán)保排放超標(biāo)。

圖1 外網(wǎng)沖擊時(shí)的功率信號(hào)特征圖

2.2 控制邏輯優(yōu)化

依據(jù)以上分析，可以通過(guò)提取外網(wǎng)沖擊信號(hào)特征參數(shù)，來(lái)確定采用濾波邏輯改造方案（見(jiàn)圖2）：機(jī)組發(fā)生真實(shí)功率突降時(shí)（即“真實(shí)小甩功率”），機(jī)組功率信號(hào)呈單向下降趨勢(shì)；而發(fā)生外網(wǎng)引起的功率波動(dòng)時(shí)（即“虛假小甩功率”），功率信號(hào)是在當(dāng)前功率基礎(chǔ)上下波動(dòng)變化并快速衰減。在燃機(jī)負(fù)荷控制邏輯中增加外網(wǎng)功率信號(hào)的特征判斷邏輯，對(duì)機(jī)組功率信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣分析。通過(guò)調(diào)研以及數(shù)據(jù)收集，發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)正常振蕩波動(dòng)幅值均小于15MW，因此首次確定閾值15MW作為波動(dòng)幅值判別條件；其次，對(duì)功率波動(dòng)信號(hào)曲線進(jìn)行識(shí)別，如果呈現(xiàn)上下波動(dòng)下降即為外網(wǎng)沖擊信號(hào)。此外，為防止振蕩形成的波谷誤觸發(fā)閉鎖造成對(duì)機(jī)組需要燃燒穩(wěn)定性時(shí)無(wú)法切換，在確保不影響機(jī)組燃燒的前提下設(shè)置了1s延時(shí)，對(duì)波動(dòng)進(jìn)行多次判斷。綜上所述，此閉鎖控制邏輯的總體思路是：在1s內(nèi)，①是否存在機(jī)組功率信號(hào)大于15MW幅度的波動(dòng)；②信號(hào)曲線是否呈波動(dòng)式下降。如滿足要求，則判斷為外網(wǎng)沖擊，閉鎖機(jī)組觸發(fā)功率小甩（LAW），燃機(jī)不進(jìn)行燃燒模式切換；如不滿足要求，則判斷機(jī)組為“真實(shí)小甩功率”，開(kāi)放機(jī)組功率小甩（LAW）。此外，在機(jī)組控制邏輯檢測(cè)到大于32MW的功率信號(hào)快速下降時(shí)，燃機(jī)啟動(dòng)功率小甩邏輯判斷，延時(shí)200ms燃燒模式進(jìn)行切換，保障機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖2 邏輯設(shè)計(jì)框圖

2.3 安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與分析

濾波方案對(duì)燃燒穩(wěn)定性影響分析：如果是“虛假小甩功率”，在符合波動(dòng)期間其真實(shí)燃燒熱功率并沒(méi)有發(fā)生變化，因此濾波不會(huì)對(duì)燃機(jī)燃燒造成影響。如果是“真實(shí)小甩功率”，意味著降低后的燃燒熱功率在預(yù)混模式下延時(shí)200ms才會(huì)進(jìn)行燃燒模式切換（到擴(kuò)散模式），由于燃燒的惡化是漸變的過(guò)程，是累計(jì)效果，延時(shí)200ms對(duì)燃燒的影響微乎其微。

為了確?？刂七壿媰?yōu)化達(dá)到預(yù)期效果，采取以下安全措施：

1）控制邏輯設(shè)置“投／切”功能塊，可根據(jù)測(cè)試需要或新增邏輯實(shí)際工作效果隨時(shí)投切。

2）邏輯離線下載并激活后，在停機(jī)狀態(tài)進(jìn)行仿真測(cè)試，確保設(shè)計(jì)功能完整有效實(shí)現(xiàn)。

3）控制參數(shù)的設(shè)置堅(jiān)持“從弱到強(qiáng)”的原則，從小或者保守的值開(kāi)始，在實(shí)際運(yùn)行中測(cè)試效果如有必要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

4）為便于記錄、分析外網(wǎng)電壓波動(dòng)期間相關(guān)邏輯信號(hào)動(dòng)作情況（如功率瞬態(tài)信號(hào)變化最大幅值，衰減周期），在上述邏輯相應(yīng)地方將信號(hào)引出至飛行記錄儀。

3 效果驗(yàn)證

優(yōu)化后的控制邏輯于2021年1月投入運(yùn)行，在2021年9月15日發(fā)生一次外網(wǎng)沖擊造成＃1燃機(jī)功率信號(hào)波動(dòng)，功率修正信號(hào)波動(dòng)下降達(dá)到35.6MW，＃1燃機(jī)優(yōu)化后負(fù)荷控制邏輯激活并進(jìn)行攔截，避免了因功率修正信號(hào)發(fā)生大于32MW的快速下降時(shí)引起燃燒模式切換，證明了優(yōu)化后控制邏輯滿足既定目標(biāo)，此次成功攔截證明了負(fù)荷小甩邏輯優(yōu)化程序取得的成功。以下是當(dāng)時(shí)具體情況：

2021年9月15日18點(diǎn)20分39秒，由于外網(wǎng)原因，＃1燃機(jī)功率信號(hào)出現(xiàn)異常波動(dòng)，形成“虛假小甩功率”，并且功率修正信號(hào)最大值35.6MW，達(dá)到負(fù)荷異常波動(dòng)大于32MW的小甩設(shè)定值。優(yōu)化后的邏輯對(duì)異常功率型號(hào)進(jìn)行及時(shí)識(shí)別和攔截，閉鎖了機(jī)組觸發(fā)功率小甩，避免了一次由于負(fù)荷波動(dòng)達(dá)到小甩值而引發(fā)的燃燒方式誤切換（見(jiàn)圖3）。

圖3 負(fù)荷波動(dòng)截圖（最大值35.6MW）

由于在兩臺(tái)燃機(jī)的負(fù)荷控制優(yōu)化后的邏輯投入運(yùn)行后外網(wǎng)相對(duì)比較穩(wěn)定，發(fā)生功率信號(hào)波動(dòng)達(dá)到32MW的次數(shù)少，此控制邏輯投入運(yùn)行時(shí)間也比較短，還要繼續(xù)積累檢驗(yàn)效果，以便進(jìn)行后續(xù)持續(xù)對(duì)邏輯的優(yōu)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出基于信號(hào)特征攔截與分析的燃機(jī)控制邏輯優(yōu)化方法。通過(guò)對(duì)外網(wǎng)沖擊參數(shù)的分析，采用基于特征攔截的方法捕捉機(jī)組功率測(cè)量信號(hào)的快速且短暫波動(dòng)，優(yōu)化燃?xì)廨啓C(jī)相關(guān)控制邏輯，并在西門(mén)子SGT5-2000E型（V94.2）燃機(jī)上進(jìn)行攔截驗(yàn)證。證明優(yōu)化的邏輯能夠?qū)ν饩W(wǎng)沖擊引發(fā)的“虛假小甩功率”進(jìn)行及時(shí)識(shí)別和攔截，避免由于負(fù)荷波動(dòng)達(dá)到小甩值而引發(fā)燃燒方式誤切換，進(jìn)而引發(fā)機(jī)組環(huán)保排放超標(biāo)問(wèn)題。

本次燃機(jī)控制邏輯優(yōu)化在同型號(hào)燃機(jī)具備一定的通用性，此次對(duì)西門(mén)子SGT5-2000E（V94.2）型燃機(jī)控制邏輯的優(yōu)化為同類型燃機(jī)解決此類問(wèn)題提供了可行、可借鑒的方案。