天然气增压机在燃气轮机甩负荷时的控制逻辑优化

温文忠

(深圳南山热电股份有限公司，广东 深圳 518052)

某联合循环电厂总装机容量为230 MW，采用燃气-蒸汽联合循环发电技术，配置有两台6FA级燃气轮机发电机组、两台双压余热锅炉及一台纯凝式汽轮发电机组。由于燃气轮机入口天然气压力要求为2.5～5 MPa, 而业主方提供的天然气管网输入的天然气压力为0.6～1.6 MPa,所以该厂天然气供应系统采用天然气压缩机增压系统，在燃气轮机的燃料系统上游设置天然气增压站。

1 天然气增压调压站工艺流程

用于增压的天然气调压站是由紧急切断、过滤、计量、增压、冷却、集中放散、安全监测、电气及仪表控制等设备和管道组成的，具备使天然气符合燃气轮机进气要求的功能[1]。该电厂采用的“一拖二”和“一主一备”的方式设计了两套阿特拉斯·科普柯天然气增压机用于天然气增压,即电厂正常运行时，一台天然气增压机可以满足两台燃气轮机满载运行所需天然气流量和压力。图1所示是天然气调压站处理系统及工艺流程。

图1 天然气调压站处理系统及工艺流程

2 阿特拉斯·科普柯天然气增压机工作原理

离心式压缩机是透平式压缩机的一种，是借助高速旋转的叶轮所产生的离心力将气体介质压缩并输送的一种动力设备[2]。

阿特拉斯·科普柯天然气增压机采用两级离心式压缩机，示意图如图2。它的入口与天然气调压站处理系统中的计量单元出口相连接，天然气经过入口关断阀、压力调节阀、过滤单元，通过一级和二级压缩机压缩，升压至燃气轮机入口所需的压力2.8～3.2 MPa，并通过冷却系统将压缩后的天然气温度保持在燃气轮机所设定的最高限值(110 ℃)内。一级和二级离心式压缩机是由同一台6.6 kV电动机提供动力，分别通过增速齿轮驱动压缩机叶轮高速旋转而产生离心力使流体获得能量，将天然气稳定连续吸入到压缩机中去，逐级完成对其压缩过程，从而实现动能转化为压力能，最终使压缩机出口的天然气压力升高。

图2 增压机系统示意图

正常运行时，天然气增压机通过自动控制系统调整压力调节阀、进口导叶角度或再循环阀开度来维持天然气增压机出口压力和改变进入燃气轮机天然气流量。当燃气轮机需要的天然气量减少时，通过开大再循环阀旁通阀、关小压力调节阀和进口导叶来实现。同时，通过控制再循环阀开度确保天然气增压机最小流量不小于喘振流量，以防止天然气增压机喘振发生。

3 天然气增压机在燃气轮机甩负荷时的控制逻辑优化

3.1 燃气轮机对天然气压力保护设计

单台GE 6FA 燃气轮机的天然气设计压力值为2.48～3.45 MPa , 因此燃气轮机控制系统对天然气压力大小进行限制保护。如果天然气压力低于2.5 MPa 时，燃气轮机控制系统启动快速减负荷程序，降负荷速率约64 MW/min，燃气轮机从满载降至5 MW只需1 min。天然气压力低减负荷逻辑示意图如图3。天然气压力三个测点96FG-1A、96FG-1B、96FG-1C位于燃气轮机天然气管道入口，通过中选(选择中值)逻辑判断后得到天然气压力FPG1与低限比较后，触发快速减负荷程序。

图3 天然气压力低减负荷逻辑示意图

3.2 单台燃气轮机甩负荷时出现故障及原因分析

3.2.1 故障现象

该电厂在某次全厂满载情况下进行#1燃气轮机甩负荷试验过程中，由于机组天然气需求量瞬间由24 388 m3/h 降至15 390 m3/h, 单台天然气增压机的负荷由100%快速降至约60%负荷，造成天然气压力波动，压力下降至2.3 MPa引起带满载的#2燃气轮机快速减负荷程序启动，负荷降至5 MW，机组甩负荷试验失败。#1燃气轮机甩负荷时部分参数变化如图4。

图4 #1燃气轮机甩负荷时部分参数变化

3.2.2 故障分析

天然气增压机工作在天然气危险场所，其再循环阀、压力调节阀等采用安全防爆的气动执行机构。因气动执行机构较电动执行机构响应速度慢，加之增压机控制盘与监测、执行元件距离较远，从气动执行机构检测到信号到输出控制信号去控制气动阀门，执行完毕大约需25 s。燃气轮机燃料控制阀采用电液控制，有较快的响应速度，其动作时间仅需0.5 s[3]。当燃气轮机流量发生较大扰动时,天然气增压机通过再循环阀调节流量,调整压力调节阀、进口导叶来维持天然气增压机出口压力。当#1燃气轮机在甩负荷过程中,燃气轮机燃料控制阀快速响应关小,而天然气增压机的压力调节阀、再循环阀控制系统不能快速响应，造成控制失调，引起天然气增压机出口压力大幅波动，造成#2燃气轮机天然气管道入口压力低于2.5 MPa，触发了#2燃气轮机快速减负荷程序，负荷降至5 MW。

3.3 解决方法

3.3.1 基本思路

正常情况下，天然气增压机控制系统根据天然气压力设定值与增压机出口天然气压力的差值来调整压力调节阀、进口导叶和再循环阀开度；在双燃气轮机运行期间，当有一台燃气轮机快速减负荷而快速截断天然气燃料流量，增压机的气动执行机构响应不及时，容易造成增压机出口母管压力大幅波动而引起另一正常运行的机组因天然气压力下降而减载。

通过增加两台燃气轮机实时负荷信号并通过硬接线接入天然气增压机控制系统，根据燃气轮机天然气的需求量变化，作为天然气增压机气动调节执行机构内部调节器前馈量，提高控制系统的响应速度，减缓天然气增压机出口波动幅度。

3.3.2 实施方法

天然气增压机控制系统根据负荷变化情况预先计算出天然气流量需求量的变化，使再循环阀和压力调节阀的内部设定输入信号同步快速斜降至一定变化量，经过数秒钟后自动斜升至正常的额定压力设定值，从而大大减少了增压机出口母管压力迅速变化而引起的进入燃气轮机天然气压力波动，减缓由于自动控制系统的动作滞后而产生大幅扰动。

在天然气增压机控制系统增加以下计算程序，并在压力调节阀和再循环阀内部调节器上增加前馈调节功能。

(1)

式中：D为天然气流量需求量；W1为#1燃气轮机功率；W2为#2燃气轮机功率；W为单台燃气轮机额定功率。

ΔV=(D1-D2)×K

(2)

式中：ΔV为再循环阀开度变化量；D1为天然气需求量前一个周期值；D2为天然气需求量当前值；K为常数。

天然气流量需求量D表示燃气轮机对天然气的需求，须要加强天然气增压机对天然气需求量的应变能力。如果D的值等于零或接近零且天然气增压机出口压力上涨，天然气增压机自动控制系统可以判断燃气轮机机组当前无天然气的需求，就会关闭入口关断阀，反之自动打开入口关断阀。

在燃气轮机进行减载时，天然气需求量也随着减少，天然气增压机自动控制系统根据天然气需求量前后运算周期的值计算出减小差值ΔV，利用这个差值折算出压力调节阀和再循环阀内部调节器前馈变化量，通过改变式(2)K值可将天然气增压机出口压力波动减至最小，使压力调节阀和再循环阀在发生扰动之前提前动作，及时消除了它们对天然气压力调整的滞后。

按照上述方法改造后，在#1燃气轮机甩负荷时，天然气压力FPG1 最高上升到3.2 MPa,最低下降到了2.73 MPa; #2燃气轮机维持满载运行。#1燃气轮机甩负荷时天然气压力变化见图5。

图5 #1燃气轮机甩负荷时天然气压力变化

4 效果及意义

通过上述方法改造，天然气增压机在单台6FA级燃气轮机和两台6FA级燃气轮机甩负荷试验时天然气压力能够稳定维持2.7～3.2 MPa，确保了机组安全可靠运行。天然气增压机在以天然气为燃料的联合循环电厂中,是一个至关重要的设备,它的运行状况直接关系到燃气轮机的运行安全,并影响着整个电厂的运行和经济效益。本文介绍的方法为同类型的电厂提供了借鉴。