基于燃烧模式切换的联合循环机组协调控制策略研究与应用

张 剑

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司 华东分公司, 合肥 230000)

燃气-蒸汽联合循环模式下燃气轮机(简称燃机)承担主要的能量输出，汽轮机起跟随作用，因此负荷变化首先作用在燃机上，随着燃机出力提高，余热锅炉蒸发量增大，从而汽轮机负荷跟随增加[1]。协调控制一般采取将总负荷指令减去蒸汽轮机的实际负荷然后分配至燃机，实现总负荷指令的平衡。在燃机负荷变化过程中可能会出现其特有燃烧模式的切换，而燃烧模式与燃机排放和稳定燃烧密切相关。

笔者以GE 9E型燃机为例，引入燃烧基准温度至联合循环机组协调控制中，解决联合循环过程燃机在负荷变动过程中易出现的燃烧模式切换、负荷调节范围小的问题，实现燃机负荷和汽轮机负荷的智能分配。

1 常规联合循环协调控制策略

对于燃气-蒸汽联合循环机组，机组负荷控制系统的控制目标为：通过改变燃机侧和汽轮机侧的负荷，控制联合循环机组总负荷为期望目标值[2]。以GE 9E型燃气-蒸汽联合循环机组为例，为充分保证燃机侧负荷快速响应和减少汽轮机阀门节流损失，燃机侧接受机组协调控制中负荷分配算法计算的燃机负荷指令，汽轮机侧保持调门全开滑压运行。其负荷分配算法为：

(1)

式中：FRTU为通信单元；ADS为中调负荷指令；NLD为机组负荷目标；NLDMD为机组实际负荷指令；GNLD为燃机负荷指令；TNE为汽轮机实际负荷；GNE为燃机实际负荷；RFSR为燃机燃料指令；LC为燃机负荷控制器；FX为限幅/限速单元。

由式(1)可知，常规燃气-蒸汽联合循环协调控制策略主要控制思想是：燃气-蒸汽联合循环发电机组在投入自动发电控制(AGC)的情况下，通过对电网侧负荷指令进行适当的量值限制和变化速率限制处理后，得出NLDMD。汽轮机侧为调门全开的开环跟随控制，汽轮机侧将当前热负荷最大限度转换为电功率。因此，为了保证联合循环机组总目标负荷，GNLD由目标负荷和汽轮机实际负荷差值得出。常规燃气-蒸汽联合循环机组协调控制的控制框图见图1。

图1 常规燃气-蒸汽联合循环协调控制框图

该燃气-蒸汽联合循环协调控制策略满足联合循环机组整体的能量平衡，控制策略简单实用；但作为燃机和汽轮机的上层负荷分配单元，这种控制策略并未考虑到燃机自身在其特有的燃烧模式切换过程下，如何根据其燃烧模式进行优化设计上层负荷分配单元，保证联合循环机组运行的安全性和经济性。

2 DLN1.0燃烧模式切换对协调控制的影响

燃机作为联合循环机组的能量输入，其燃烧的稳定性和经济环保性是机组至关重要的。为了保证燃机在各个工况下的安全经济运行，燃机在燃烧过程设计了多种燃烧模式及切换过程，部分燃烧模式的切换点也会出现在协调控制的负荷范围内。因此，协调控制策略需要针对燃烧模式切换进行相应控制策略设计。

以GE 9E型燃机200 MW等级的联合循环机组为例，其燃机DLN1.0的燃烧模式中正常启动模式5种，正常停机模式4种，另外有2种特殊燃烧模式代表燃烧异常[3]。燃烧模式的切换点由燃烧基准温度(TTRF)决定，其具体燃烧模式和切换过程见表1。

表1 DLN1.0燃烧模式种类及切换表

由表1可知：在联合循环机组带负荷过程中主要运行在预混燃烧模式，随着不同的负荷变化，燃机的燃烧基准温度随之发生变化，运行过程中可能会出现燃机的燃烧模式发生切换。而燃机燃烧模式的切换是遵循在启动或停机过程固定设计的程序，若联合循环机组在燃机不同燃烧模式下机组负荷指令发生升降变化，则有可能导致燃机进入异常燃烧模式，威胁机组运行安全(见图2)。

图2 负荷变化过程中的燃烧模式切换

由图2可知：当机组在升降负荷过程中，如果燃机由预混稳定的燃烧模式进行降负荷，一旦降负荷范围过大，使得燃机进入贫贫(负)模式，则燃机需要继续进行降负荷至贫贫(正)模式，才能进入升负荷的燃烧模式切换程序，否则燃机有可能进入扩展贫贫的异常燃烧模式。燃机在扩展贫贫燃烧模式下运行，将严重降低火焰筒和过渡段高温部件的使用寿命，大大影响机组安全运行。

因此，联合循环机组在其负荷变化过程中必须考虑燃烧模式切换下协调控制中负荷分配的控制策略设计，在确保机组安全运行的前提下，完成总体负荷分配。

3 基于燃烧模式切换的新型协调控制策略

GE 9E型联合循环机组在正常运行过程中，燃机一般均处于燃烧较稳定且排放较低的预混稳定燃烧模式。通过前述分析，协调控制的负荷分配在联合循环机组运行过程中需要解决2个问题：

(1)如何在负荷升降变化过程中，避免负荷下降至燃烧模式切换至贫贫(负)模式。常规方法是通过设置负荷下限来解决该问题，但由于燃烧模式切换的主线并不是负荷，而且由于对象特性的变化，会导致不同工况下相同的负荷对应燃烧模式也存在差别，因此负荷下限并不能安全保障燃机燃烧模式切换。

(2)如何在燃机预混稳定燃烧模式范围内，通过调整汽轮机负荷大大拓宽联合循环机组的负荷调节范围。因为燃机预混稳定燃烧模式范围有限，为了防止燃烧模式切换，常规协调控制策略的负荷下限经常设置过高，导致大部分联合循环机组整体负荷调整范围过小，受到电网AGC考核严重。

为了解决上述2个问题，设计一种基于燃烧模式切换的智能负荷分配的协调控制策略，其数学表达式为：

(2)

式中：TNLD为汽轮机负荷指令；GNE为燃机实际功率；LD为闭锁减单元;TOUT为汽轮机控制输出；PPID为调节器。

比较式(1)和式(2)，优化设计的智能负荷分配的协调控制思想为：(1)引入燃机的燃烧基准温度TTRF至协调控制中，当TTRF接近燃烧模式切换点且机组继续降负荷，则执行燃机负荷指令下降速率自动减小和闭锁燃机负荷指令减小的程序，确保燃机燃烧模式不进行切换；(2)在燃机处于燃烧模式切换点时，若机组继续进行降负荷，负荷分配控制策略自动投入汽轮机调整负荷控制。为满足整体能量平衡，汽轮机负荷指令设计为机组负荷指令减去燃机实际负荷，确保最大范围挖掘机组负荷调整范围。具体控制框图见图3。

T—选择器；K—乘法系数；F—控制前馈。图3 基于燃烧模式切换的联合循环机组协调控制框图

4 基于燃烧模式切换的协调控制策略应用

某GE 9E型燃气-蒸汽联合循环机组初始协调控制策略设计为常规的燃机调整负荷，汽轮机调门全开跟随控制。在实际运行过程中经常出现燃烧模式切换，降负荷工况下燃机从预混燃烧模式切换至贫贫(负)模式。随着AGC指令又要求升负荷，使得燃机进入扩展贫贫的异常燃烧模式，威胁机组安全运行。此种异常工况下运行人员只能通过提高负荷下限，减小机组负荷调节范围，导致机组受到电网细则考核，影响机组运行经济性。

经采用基于燃烧模式切换的智能负荷分配协调控制后，当运行工况接近燃烧模式切换点时，自动触发降低燃机降负荷速率和闭锁负荷指令减小的程序，避免燃机进入燃烧模式切换(见图4)。另外，当运行工况接近燃烧模式切换点不再有向下调节裕度时，智能负荷分配的协调控制策略自动转为汽轮机调整负荷，保证联合循环机组整体调节负荷范围，减小机组受到电网细则考核，提高机组运行经济性(见图5)。

图4 燃烧模式自动判断，避免燃烧模式切换

图5 因燃烧模式无调节裕度，自动转为汽轮机调整负荷

5 结语

通过对GE 9E型燃机燃烧模式切换机理分析，引入燃烧基准温度至联合循环机组协调控制中，实现燃机负荷和汽轮机负荷的智能分配。在保证燃机燃烧安全的前提下，通过汽轮机调整负荷拓宽联合循环机组负荷调整范围，大大提高联合循环机组运行安全性和经济性。