SGT5-4000F型联合循环机组烟温控制浅析

Analysis of Flue Gas Temperature Control for SGT5-4000F CCPP

林士兵　戴云飞　唐珠珠

(上海申能临港燃机发电有限公司，上海　201306)

SGT5-4000F型联合循环机组烟温控制浅析

Analysis of Flue Gas Temperature Control for SGT5-4000F CCPP

林士兵戴云飞唐珠珠

(上海申能临港燃机发电有限公司，上海201306)

摘要：以西门子SGT5-4000F型燃气-蒸汽联合循环发电机组为例，对联合循环的核心设备——燃气轮机的排烟温度控制进行了研究，剖析了燃气轮机排烟温度控制的作用、控制原理，以及影响排烟温度控制的各种因素(包括汽轮机、余热锅炉、燃气轮机自身等影响因素)。在此基础上，为降低环保排放,提出了通过优化排烟温度控制策略来进一步提高机组运行稳定性、经济性和机组最大出力等设想，为同类型机组提供参考。

第一作者林士兵(1983-)，男，2006年毕业于上海交通大学控制理论与控制工程专业，获硕士学位，工程师；主要从事发电厂热控检修、技术管理和机组方面的筹建工作。

关键词：联合循环SGT5-4000F协调控制燃气OTC

Abstract：Taking Siemens SGT5-4000F fuel gas-steam combined cycle power plant(CCPP)as example, the flue gas temperature control of the core equipment, i.e., gas turbine is studied, the flue gas temperature control function, the control principle, and various factors affecting the temperature control, including turbine, heat recovery boiler, and gas turbine itself are dissected. On this basis, several ideas for improving the operation stability, economic benefit and maximum output of the unit, reducing environmental emissions of CCPP by optimizing the flue gas temperature control strategy are proposed to provide reference to similar power units.

Keywords：Combined cycleSGT5-4000FCoordinated controlFlue gasOutlet temperature calculated

0引言

燃气-蒸汽联合循环发电机组因其高效、环保、自动化程度高而得到大力发展。作为联合循环发电机组的核心设备——燃气轮机的三大国际品牌之一的西门子燃机，因其高效、高可靠性和先进的设计而得到越来越多的应用。

西门子SGT5-4000F型燃气-蒸汽联合循环发电机组是目前被广泛应用的F级机组，其机组级协调控制主要由负荷控制、温度控制和压力控制三部分组成。协调控制根据机组的不同运行工况，给出相应的负荷、温度、压力设定值指令，协调燃机、余热锅炉和汽机的启停及不同负荷的运行。其中,温度控制分为燃机排烟温度控制和余热锅炉蒸汽温度控制，前者由燃机调节燃料量和空气进气量实现，后者通过锅炉减温水系统完成。

本文对机组启停及运行具有重要影响的燃机排烟温度控制进行分析，介绍了排烟温度控制的作用、原理以及各种影响因素，并提出优化排烟温度控制的一些设想。

1排烟温度控制作用和原理

SGT5-4000F型燃机的排烟温度控制是由燃机控制系统中的排烟温度控制器来完成的。排烟温度控制器包括进口可调导叶(IGV)温度控制器和经过修正的透平出口温度(outlet temperature calculated,OTC)控制器，它是燃机控制系统的核心环节，主要通过调节燃料量和空气进气量，使燃机透平入口温度在不高于设计值下稳定运行。排烟温度控制的主要目标是控制透平入口温度，其主要作用如下[1-4]。

① 保持稳定的燃机透平入口温度；

② 限制燃机透平入口温度在允许条件下的一个最高值，在确保安全的情况下尽可能提高效率；

③ 联合循环模式下，满足启动阶段燃机同余热锅炉、汽机的温度匹配；

④ 特定工况下，快速减少燃机透平出口温度，保护设备。

对于SGT5-4000F型燃机而言，由于透平入口温度很高(约1 350 ℃)，无法实现长期直接测量，而透平出口温度相对较低(约600 ℃)，易被精确测得。因此，作为替代的解决方案，西门子燃机的排烟温度控制器正是通过控制透平出口温度(经修正后)来间接控制燃机透平入口温度的[5-6]。OTC是一个虚拟的被控变量，通过它可间接表征透平入口温度的状况。因为对于燃机而言，压气机入口温度、燃机转速和空气相对湿度等因素会影响燃机透平的膨胀比，继而影响透平的焓降及透平出口温度，若将容易测得的透平出口温度进行压气机入口温度。燃机转速和空气相对湿度等因素的修正，则经过修正的燃机透平出口温度同透平入口温度将形成相对固定的对应关系。因此，通过控制经修正的透平出口温度(OTC)，可间接控制燃机透平入口温度，实现排烟温度控制目标[7-8]。

西门子SGT5-4000F型燃机的OTC修正计算公式如下：

OTC=TOT+[TVI×k11+TVI2×k12+TVI3×k13+TVI2×DNN×k18+TVI×DNN×k16+DNN×k14+TVI×DNN2×k17+DNN2×k15]+{[DNN×(TVI+a)2×k1+(TVI+a)3×k2]×(TVI×k3-b-DEW)/(TVI-DEW+c)}

以上公式涉及的变量含义如下。

① 透平出口温度(TOT)由安装在燃机排气扩散段的24支热电偶测量后取均值得到。

②k11、k12、k13、k14、k15、k16、k17、k18，k1、k2、k3、a、b、c均为常数系数。

③DNN=1-NT/50S-1，燃机未并网时DNN取0。

④TVI为压气机入口温度。

⑤NT为燃机转速。

⑥DEW为进气露点温度。

由此看出，当环境温、湿度一定时，控制OTC也将控制燃机排向余热锅炉的烟温(TOT)，对余热锅炉、汽机产生影响。

由于IGV温度控制器和OTC控制器均用于控制燃机排烟温度，因此二者均采用上述OTC修正计算值作为被调量。但二者又有不同之处：IGV温度控制器是在IGV介于全关和全开状态之间，可以在自由调节开度时起作用，用于控制部分负荷下的燃机排烟温度，其调节量是IGV开度(空气进气量)；OTC控制器是在IGV全开或全关情况下起作用，用于限制燃机在额定负荷下不超温，或在启动暖机阶段通过限制燃机排烟温度来保证余热锅炉不超温，以减少热应力，OTC控制器的调节量是燃料阀开度(燃料量)。

为了提高IGV温度控制的动态响应速度，在IGV温控回路中引入了前馈环节，将燃料量综合输出(Ymin)作为前馈，来提前调节IGV开度，再通过PID闭环调节来实现排烟温度的稳态控制。

2排烟温度设定值的形成

西门子SGT5-4000F型燃气-蒸汽联合循环发电机组排烟温度定值形成回路如图1所示。

图1　发电机组排烟温度定值形成回路

燃机排烟温度控制主要通过调节燃料量和空气进气量，使燃气轮机在最优的透平入口温度下运行，其控制过程要同时兼顾燃机效率、出力、透平初温、环保排放、燃烧稳定性等多个因素；联合循环模式下，还要兼顾余热锅炉、汽机的热应力要求[9-10]。因此，燃机排烟温度设定值可分为单循环和联合循环两种模式。

2.1　单循环模式下的温度定值

在燃机单循环模式下，排烟温度设定值的形成主要考虑燃机效率、最大出力、透平初温、环保排放、燃烧稳定性等因素。

部分负荷下，由IGV温度控制器调节排烟温度，此时烟温定值主要根据燃机相对负荷(PNORM)进行设定[如图1(a)所示]。由于燃机升、降负荷过程经过同一负荷点的动态稳定性不完全一致，因此IGV温控定值曲线[图1(a)中y=f1(x)]分为升负荷和降负荷两条曲线设定，如图2所示。定值的差异要根据燃烧动态特性决定，但差值不宜过大，以免在负荷稳定时由于测量等因素出现负荷小幅波动，发生两条曲线来回切换而导致IGV波动甚至造成燃烧不稳定现象。此外，为避免在环境温度降低情况下，燃机的环保排放增加甚至超标，对排烟温度定值进行了NOx排放修正[图1(a)中y=f2(x)]，即恒NOx控制，其修正作用在环境温度低于一定值后起作用，具体修正曲线如图3所示。另外，对于配有液压间隙优化系统(HCO)的机组[如SGT5-4000F(4)型及以后的机组]，当HCO投用时燃机透平的焓降及做功增加，若将排烟温度维持在HCO投用前不变，则燃机透平入口会超温，因此，在HCO投用后通过适度降低排烟温度设定值来维持透平入口温度稳定，如图1(a)中的HCO修正，即为实现该作用。

图2　IGV温控定值曲线

在额定负荷下，由OTC控制器来调节排烟温度，此时烟温定值主要考虑透平允许的最大入口温度、环保排放及燃烧稳定性等因素而设定。图1(b)中的GLTNOX即为此时的温度定值，其同样有NOx排放修正、HCO投用修正等。

图3　NOx修正曲线

2.2　联合循环模式下温度定值

在联合循环模式下，排烟温度设定值不仅要考虑上述单循环模式下的影响因素，还要兼顾对余热锅炉、汽机的影响，尤其是机组启动阶段的影响。

在图1中，TSX和TSMAX为机组协调控制回路送至OTC控制器和IGV温度控制器的温度定值和允许的最高排烟温度定值。TSX和TSMAX的形成回路如图4所示。

(1) 该地堆积体主要由粗、巨颗粒占优势，其占比约95%，细粒占比不到5%，堆积体密实度高。根据Shepard三角沉积分类，其样品点2 mm以下颗粒以粗颗粒砂占优势。

图4　TSX和TSMAX的形成回路

由图4(a)可以看出，在联合循环模式下，协调控制送至排烟温度控制器的温度定值TSX由汽机温度限值和锅炉温度限值共同决定。

就锅炉温度限值而言，为避免燃机启动过程排烟温度变化剧烈导致余热锅炉产生热应力，协调控制记录燃机启动瞬间余热锅炉的初始温度，并将其作为燃机排烟温度的初始定值。当燃机并网升负荷至排烟温度大于该初始定值时，进入OTC控制器限温模式，机组升负荷暂停，等待锅炉暖管。当余热锅炉有稳定的蒸发量且主蒸汽温度接近燃机排烟温度时，锅炉温度限值切换为主蒸汽温度叠加一定正偏值，燃机随之升温、升负荷，锅炉继续升温、升压。在主蒸汽温度升至一定值后，锅炉对燃机排烟温度的限制逐渐消失，切换为汽机暖机对燃机排烟温度的限制起作用。

图4(a)中，在汽机暖机未完成(START LOAD LIMIT ON未消失)之前，来自汽机的温度限值始终保持在IGV初始温控定值(如570 ℃)，这个限值直接决定了汽机暖机阶段的燃机负荷和排烟温度。当IGV零位角度一定时，这个限值还决定了暖机阶段的主蒸汽温度和流量，即汽机暖机的能量。同时，由于汽机暖机阶段燃机的实际排烟温度始终比IGV初始温控定值低ΔT，IGV将一直保持全关状态而不会打开。汽机暖机完成后(START LOAD LIMIT ON消失)，汽机温度限值切为Tmax，对燃机排烟温度的限制解除，燃机随之继续升温、升负荷，IGV随后逐渐开启，进入真正意义的联合循环状态，与此同时，整个协调控制对启动低负荷阶段的燃机排烟温度限制解除。需要说明的是，在汽机中速暖机结束冲转并网期间，协调控制自动将汽机温度限值保持在冲转并网前的定值，这样可避免在汽机啮合瞬间造成燃机负荷的波动；之后，再进行高速暖汽机，直至暖机结束后温度限值才逐步放开。

图4(b)表示协调控制所允许的燃机最高排烟温度，其中TOT为前文所述的燃机透平出口温度测量值，REDHP、REDIP分别表示高压主蒸汽和热再蒸汽管路所允许的排烟温升，主要用于保护锅炉管道不超温。当高压主蒸汽或热再蒸汽温度超过一定值时(如高压主蒸汽温度>569 ℃)，REDHP或REDIP将由正值变为负值，燃机排烟温度将快速下调，直至蒸汽不再超温。

此外，在联合循环模式下，来自协调控制的排烟温度定值TSX的变化速率还受锅炉、汽机应力的限制，即：根据汽机本体、高压主汽门和调门的应力(本条在汽机并网后生效)，高压汽包壁温差和二级减温器进口汽温变化率，高压汽包压力的变化率计算出TSX的最终允许变化速率。

3排烟温度的控制模式

由上文可知，控制燃机排烟温度有两种模式：IGV控温模式和OTC限温模式。两种模式的温度设定值已在上一节中进行阐述，两种控制模式之间是相对独立但又彼此关联的。

在部分负荷运行阶段(IGV未全开)，由IGV温度控制器通过调节IGV开度来控制燃机排烟温度，此时处于IGV控温模式。在这种情况下，IGV温度控制器和OTC控制器可能会接收同一温度设定值，这将导致两者间相互干扰。为避免这种情况，当IGV温度控制器在激活状态时(IGV未全开)，OTC控制器的设定值在IGV温控设定值的基础上自动增加一个偏置D01[如图1(b)所示]，保证在部分负荷下OTC控制器不动作，避免了两个温控回路相互干扰。

同样，当IGV全开后，燃机达到额定负荷，进入OTC限温模式。此时，OTC控制器的温度设定值切回额定负荷OTC设定值GLTW[如图1(b)所示]，OTC控制器被激活，燃机排烟温度由OTC控制器通过控制燃料量来进行限制。此时，为避免IGV在全开位置波动，导致两个温控回路频繁切换，将IGV温控设定值在原有基础上自动减去一个偏置(≥2 K，如图1(a)所示)，保证IGV停留在全开位置，由OTC控制器进行排烟温度控制。

在联合循环机组启动初期，需进行锅炉暖管和暖汽机，IGV处于关闭状态，此时的燃机排烟温度受余热锅炉和汽机的限制，处于较低值，排烟温度控制处于OTC限温模式。待暖管、暖汽机结束后，OTC限温消除，允许燃机排烟继续升温。当升至IGV温控设定起始值后，IGV逐渐打开，进入部分负荷下的IGV控温模式。

4优化设想

通过上文的分析，希望能为进一步优化西门子SGT5-4000F型联合循环发电机组控制逻辑和运行方式提供参考。

① 通过调整汽机暖机时的燃机排烟温度值来改变暖机阶段燃机的负荷和暖机能量，探索经济性最佳的暖机负荷；

② 在确保燃烧稳定前提下，通过动态调整排烟温度定值来降低机组NOx排放；

③ 通过关小IGV来提高燃机燃料阀切换时的燃烧室温度，提高启动阶段燃机燃烧稳定性和均衡性；

④ 通过增大IGV最大开度，来增加最大空气进气量，在燃机透平入口不超温情况下提高机组的最大出力；

⑤ 适度调整余热锅炉、汽机对燃机排烟温度变化的限制速率，缩短联合循环机组启停时间等。

5结束语

通过对西门子SGT5-4000F型联合循环发电机组排烟温度控制进行分析，了解了排烟温度控制的作用与控制原理。同时，对两种排烟温度控制器(IGV温度控制器和OTC控制器)的协调与切换进行了说明，并分析了单循环及联合循环模式下影响排烟温度控制的各种因素。在此基础上，提出一些优化设想。

希望文中的分析能为相关人员理解控制逻辑、判

断事故原因等提供参考与帮助。

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中图分类号：TP273

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501012

修改稿收到日期：2014-07-30。