西门子重型燃气轮机排气温度控制策略解析

许 淼，张立颖，吴尚泽，周长德

(1.辽宁东科电力有限公司，辽宁 沈阳 110179;2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

孟加拉国古拉绍电厂7号机组燃气—蒸汽联合循环365 MW工程采用多轴联合循环机组，其中包括1台燃气轮机，1台余热锅炉，1台蒸汽轮机。燃机既可单循环运行，也可联合循环运行。燃机主燃料是天然气，备用燃料是轻柴油，采用西门子SGT5-4000F型重型燃气轮机，余热锅炉由韩国斗山(DOOSAN)锅炉厂生产，蒸汽轮机为东方汽轮机厂有限责任公司生产的LN126.9-11.11/565/565型(合缸)三压、一次中间再热、双缸双排汽、双抽凝汽式联合循环用汽轮机。燃气轮机操作所需的控制、监控、保护、诊断和报警功能由过程控制系统SPPA-T3000提供。

1 燃气轮机排气温度控制

受制造工艺及高温限制，燃烧室内的温度不能直接被测量，所以要通过修正后的排气温度(OTC)来间接控制燃烧室内温度。燃气轮机排气温度控制是燃气轮机自动控制系统的核心部分，由OTC控制器和进口可转导叶(IGV)控制器两部分组成，OTC控制器调节燃料量，IGV控制器调节空气进气流量[1]。

OTC控制器和IGV控制器的控制目标都是修正后排气温度，IGV控制器是在IGV未全关且未全开时起作用，通过调节空气进气量来控制排气温度。而OTC控制器是在IGV全关或全开时起作用，用于限制额定负荷下排气温度不超温[2]。

2 控制策略解析

2.1 OTC补偿

由于压气机入口温度、燃机转速和大气环境露点温度等因素会影响燃机透平的膨胀比，所以在控制透平出口排气温度时，必须考虑这些因素，需要对透平排气出口的24个双支热电偶测得的平均温度值进行修正补偿，平均温度值加上温度补偿值(TC)就是修正补偿后的排气温度，即OTC控制器和IGV控制器的过程值(PV)。温度补偿值计算公式见式(1)—(10)。

(1)

(2)

S1=T×(-0.288)+T2×(-0.005 88)

(3)

S2=T2×Z0×(-0.058 5)+Z0×(-103)

(4)

(5)

S4=T3×(-0.000 087)

(6)

S5=T×Z0×(-4.16)

(7)

S6=(T+10)3×0.000 11

(8)

S7=S0×(T+10)2×Z0×0.037 9

(9)

TC=S1+S2+S3+S4+S5+S6+S7

(10)

式中：Z0，S0，S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7为中间变量；Z为燃机转速；T为压气机入口温度；T0为大气环境露点温度；TC为温度补偿值。

2.2 排气温度控制策略

2.2.1 排气温度设定值

排气温度设定值控制逻辑简图如图1所示。

由图1可知，排气温度设定值分为排气温度OTC设定值和排气温度IGV设定值两部分，当IGV全开或全关时，2个回路的设定值相同；当IGV在中间开度时，排气温度OTC设定值会加上一个10 ℃的偏置值，避免2个回路在调节排气温度时相互干扰。设定值回路都经过了最大值和最小值的限制，最大值为642 ℃加上温度补偿值，而最小值的限制回路与协调投入相关，若协调设定的最高温度比较低时，此回路会在燃机未到满负荷的情况下提前被激活，从而影响燃机效率和负荷，所以协调设定的最高温度通常应该设定高一些，尽量不能让此回路提前被激活[3]。

排气温度的设定值受相对负荷、压气机入口温度修正和HCO(液压间隙优化)修正3个主要因素影响。

图1 排气温度设定值控制逻辑简图

压气机入口温度修正的作用是避免环境温度低时燃机的NOx排放量增加，所以在环境温度低时提高排气温度的设定值。HCO修正是在HCO投入时燃机的排气温度会增加，所以在HCO投入时降低排气温度的设定值。

2.2.2 IGV控制器

IGV控制器逻辑简图如图2所示。

图2中，切换条件1为频率大于47 Hz且防喘放气阀全关。

图2 IGV控制器逻辑简图

切换条件2为燃机跳闸30 s脉冲或切换条件1的10 s脉冲。

由图2可知，IGV控制器分为两部分，一是频率小于47 Hz时，由转速的函数曲线开环控制；二是频率大于47 Hz时，由IGV温度控制器控制，当燃机未在OTC控制模式时，IGV温度控制器由YMIN(燃料量控制指令)修正值作为前馈和排气温度的PID输出值组成。YMIN的修正值是经过压气机入口压力、压气机入口温度和燃机转速修正后的值。当燃机切换到OTC控制模式时，IGV控制器的前馈值保持当前值。YMIN修正值计算公式见式(11)。

(11)

式中：P为压气机入口压力；T为压气机入口温度；ZS为燃机转速；MAX(a,b)为a、b中取大值。

图3 OTC控制器逻辑简图

2.2.3 OTC控制器

当排气温度达到温控值时，燃机的控制模式会切换至OTC模式，这时燃机控制对象为排气温度，避免燃机超温。OTC控制为修正后排气温度的闭环控制，逻辑简图如图3所示。

图3中，切换条件1是燃机并网协调投入且IGV阀在最小开度，在燃机—汽轮机联合循环冷态启动，余热锅炉和汽轮机升温升压时，为保证锅炉压力、温度在制造厂允许范围内，控制温升曲线、排气温度的设定值，协调给出温度设定值。由于该设定值较低，小选功能块作用下此回路被激活，从而限制了燃气轮机的排气温度[4-5]。

3 结束语

通过对西门子SGT5-4000F型燃气轮机排气温度控制策略解析，对此类型机组的进一步优化提供依据，为相关人员对控制逻辑的理解和判断事故原因提供参考。