二拖一燃气蒸汽联合循环机组协调控制

王雁军（中国神华能源股份有限公司国华电力分公司，北京 100025）

二拖一燃气蒸汽联合循环机组协调控制

王雁军（中国神华能源股份有限公司国华电力分公司，北京 100025）

二拖一机组协调控制是燃气轮机组高度自动化的一个重要组成部分。本文提供了一套优化的协调控制策略，在工程实践中达到了良好的预期。该策略很好地整合了联合循环机组能需平衡和物量平衡，并兼顾了设备之间的安全考虑，实现了机组高度的自动化，值得同类型机组自动化设计参考。

燃气蒸汽联合循环；协调控制； 负荷分配；控制策略

二拖一燃气蒸汽联合循环机组协调控制是燃气轮机组高度自动化的一个重要组成部分，其控制功能的主要任务有：实现燃机、余热炉、汽机的能量平衡；实现二拖一工况的总负荷闭环控制，提供AGC控制接口；实现二拖一工况的燃机之间的负荷平衡；实现受限于锅炉和汽轮机保护需求的燃机变负荷速率控制，调节幅值控制，保障机组安全。本文提供了一套优化的协调控制策略，并在工程实践中达到了良好的预期，为国内燃机自动化控制设计提供参考。

1 二拖一机组负荷分配回路

机组负荷分配回路的主要是任务是承担“二拖一”系统的两台燃机在多模式下的负荷出力分配问题。机组负荷分配回路主要功能有：燃机速率限制、双燃机负荷平衡、负荷分配计算、总负荷指令幅值速率限制、总负荷设定站、AGC接口等，如图1所示：

图1 二拖一机组负荷分配回路逻辑示意图

燃机负荷分配计算主要由燃机负荷理论分配量，余热汽机负荷理论分配量，汽机实际负荷，空气温度，分配负荷低限等参数和功能构成。燃机负荷理论分配量是机组总负荷控制的燃机实际负荷指令基准配量单元，实际燃机负荷指令再由实际汽机负荷进行校正和空气温度校正得出，经过两侧燃机负荷分配逻辑分发至两台燃机。需要关注的问题是无扰动切换，一次调频功能接口，单双侧燃机投入后的理论分配量切换等问题。

机组总负荷上限是生产过程中比较关注的问题，环境温度、燃机最大负荷上限、燃气品质、排烟温度都会影响到机组总负荷出力。本文提供的动态上限计算公式为：

机组计算最大负荷峰值=单侧运行负荷峰值或双侧燃机运行峰值×环境温度修正系数×一次调频冗余度。

燃机速率限制功能位于燃机负荷平衡分配之后，它由两部分计算构成，其结果共同承担调控燃机升降负荷速率，一部分来自燃机内部计算，体现燃机自身安全需要，另一部分来自远程计算的速率要求，体现的是余热锅炉和余热汽机的安全要求。该速率限制环节是机组安全的重要保障环节。具体内容计算包括余热炉汽包压力升速率、余热炉汽包内外壁温差、余热炉主蒸汽温度升温率、余热炉机侧大机主汽门和调门温差、以及燃机变负荷率手动设定。参与燃机速率限制体现的是子系统设备对于燃机燃烧强度的“容忍度”。

如图1所示，负荷分配逻辑还考虑了燃机快速减负荷功能、燃机OTC动作负荷指令闭锁功能，初始负荷功能、APS自动投切和一拖一模式与二拖一模式自动切换等功能的实现，在此不再赘述。需要指出的是，负荷分配是燃机机组协调控制中的重要一环，但负荷分配不是其协调控制的全部，燃机机组协调控制必须还要具备机组蒸汽压力控制，机组排气温度控制。

2 余热汽轮机蒸汽压力控制

余热蒸汽机压力控制体现的是燃机能量供给—余热锅炉—余热汽轮机能量需求的平衡关系，该控制通过主蒸汽压力这个中间量，实现机组系统能量平衡调节的过程。因此，蒸汽压力控制也是燃机机组大协调控制重要组成部分，是联合循环的中间变量，近年来将该项控制系统从燃机机组协调控制概念中独立出来是不正确的。余热汽机压力设定值计算回路包括高压、中压和低压蒸汽压力设定计算三部分，其主控系统包括余热炉旁路控制系统和余热汽轮机压力控制系统。逻辑框图如图2所示。

图2 主蒸汽压力控制

以高压蒸汽压力设定计算为例，其压力控制在余热汽轮机并网带入初负荷后即刻激活投入运行。压力值分为暖机压力设定，定压模式，滑压模式三种，构成了全程压力控制三阶段。汽机启动模式时暖机压力设定是由计算缸温对应的饱和压力再和机侧主汽压选大作为启动压力设定。定压力设定则由缸温判断极热态、温态和冷态，从而确定定压参数。进入滑压模式下，则由两台余热锅炉取大的主汽流量变送器信号→对应的冷温热态函数曲线→“二拖一”和“一拖一”模式选择→再加上实际压力修正回路→设定值送至DEH进行压力闭环调节。经上述五个环节完成整个高压蒸汽压力控制设计，即通过余热炉旁路全程控制炉侧主汽压力，保障余热系统蒸汽品质，通过余热汽轮机调门控制汽轮机进汽压力，保障汽轮机安全。

中压蒸汽压力控制类似高压蒸汽压力控制，低压蒸汽压力由于参数变化小，则采用定压控制。实际工程中，由于蒸汽流量是锅炉流量喷嘴实测参数，受到两侧余热炉管道阻力、换热系数和并退汽等因素的影响，反应比较灵敏，应该增加二阶惯性，仿真蒸汽实际进入余热汽机的惯性时间，防止由于蒸汽流量摆动引起余热汽机调节振荡问题。

3 燃机排气温度控制

燃机排气温度是燃机负荷控制中重要的参控要素，排气温度稳定同样关系机组参数稳定，同样是机组协调控制的重要环节。燃机排气是余热锅炉的热源，控制好燃机排气温度，有助于余热锅炉的换热交换，更有利于余热汽轮机的蒸汽压力控制。排气温度控制稳定与否关系燃机、余热炉和汽机之间的能量交换是否协调匹配。

燃机排气温度设定值计算如图3所示，四种参数取小，最终设定燃机的排气温度。其中余热炉温度需求与主汽温度，主汽流量和减温水调节余量有关，若减温水处于满开位置，意味着炉侧升温过快或是排烟温度过高，必要时排气温度控制将限制燃机负荷加载；排气温度均值加上10度作为温控设定值之一，是用以防止升降温过快，保证温度设定在实际温度10度之内。燃机OTC动作前温度加10度和燃机OTC控制器温度设定值则限定了燃机排气温度设定的高限值。排气温度控制温升率设定则来自余热炉汽包压力变化率、机侧主汽门温度和缸温差的温变率函数等参数。

图3 排气温度控制

4 燃气蒸汽二拖一机组协调优化设计小结

图4 燃气蒸汽二拖一协调控制示意图

二拖一燃气—蒸汽机组协调设计的核心是为保证机组设备之间的能量平衡和物量平衡，保证机组总负荷和电网调峰的厂网平衡。上述需求就要求对燃机负荷、燃机排气温度、余热汽机压力实现精度控制，所谓的精度控制包括幅值、过程速率、调节精度等要素。也就是说要综合考虑燃机升降负荷率，余热汽轮机升降压率和余热锅炉升降温率的安全需求，在此安全范围内，实现燃机、余热锅炉和余热汽轮机之间的参数协调，升降负荷匹配同步。

需要指出的是，燃机作为锅炉热源，不能只考虑自身负荷调节。通过协调控制系统，把余热锅炉的安全需求和余热汽机的蒸汽品质需求综合考虑，实现互为闭锁的安全控制设计，这也是燃机机组信息化控制即协调设计的重点。

5 结语

对于二拖一燃机蒸汽联合循环机组，具有子组多、控制难等特点，其高度的自动化水平和优异的调节性能是机组安全、优质、经济运行的保证。本文提出的协调控制方案经历现场试验考验，如图5所示，该方案很好地整合了联合循环控制难点，其重点是将机组关注参数作为整体进行了一体化控制，兼顾了设备之间安全和调节同步，真正做到了“二拖一”机组的高度自动化，并为机组一键启停预备好了接口，为后期该机组实现机组级的一键启动功能做好了准备，值得国内燃气轮机组设计参考。

图5 二拖一协调控制趋势图

[1] 宋兆星, 李卫华, 王立. 双轴燃气—蒸汽联合循环机组协调控制策略[J].中国电力. 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.

Gas - steam combined cycle; Cooperative control; Load distribution; Control strategy

B

1003-0492(2016)01-0102-03

TP273

王雁军（1972-），男，黑龙江双鸭山人，高级工程师，硕士，现任中国神华能源股份有限公司国华电力分公司安健环部业务经理，主要研究方向为DCS故障诊断处理、协调控制优化等。