基于模型控制的9FB燃气轮机燃烧调整技术探讨

陈颖

摘要：燃烧调整是燃气轮机关键技术之一，对抑制燃烧脉动、保证稳定运行、降低排放有着重要的意义。本文主要介绍9FB燃气轮机燃烧脉动监测系统，基于模型控制的基本原理及其在燃烧调整中的应用，燃料阀分量计算方法，以及在实际工程中案例分析及解决过程。

Abstract： Combustion adjustment is one of the key technologies of gas turbine， which is of great significance to suppress combustion dynamic， ensure stable operation and reduce emissions. This paper introduces 9FB gas turbine combustion dynamic monitoring system， the basic principle of based-model control and application in combustion adjustment， the calculation method of fuel valve split and the case analysis and solution process in practical engineering application.

关键词：9FB燃气轮机;模型控制;燃烧调整;CDM系统;燃料阀分量

Key words： 9FB gas turbine;model-based control;combustion tuning;CDM system;fuel valve split

中图分类号：TK471                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）01-0193-02

0  引言

近年来为适应能源结构调整、满足环保指标，我国燃气轮机装机容量大幅增长。但是由于技术、材料等条件限制，我国大部分燃机设备均从国外进口。燃烧调整是燃气轮机调整机制非常重要的一环，大多数燃烧调整技术目前仍实行技术封锁。本文针对某电厂实际工程，对GE公司9FB燃气轮机燃烧调整技术进行探讨。

1  燃烧脉动监测系统（CDM）

随着环保需求日益提升，干式低氮燃烧（Dry Low Noxious，简称DLN）被广泛应用。由于DLN2.0+系统中火焰筒常在靠近喷嘴处损坏，GE公司用DLN2.6+替换DLN2.0+[1]。DLN可以有效降低NOX排放，但会造成燃烧压力波动，因此，CDM系统应运而生。

燃烧脉动监测系统（Combustion Dynamic Monitoring System，简称CDM系统），是GE公司为9FB燃气轮机配备的监测系统，帮助用户更直观地观察燃烧脉动、及时发现燃烧系统问题并采取应对措施。CDM系统架构如图1，由脉动探头测量实时数据，通过JB1000接线盒（内有电荷放大器，即PCB模块），送到Mark VIe机柜卡件PAMC模块计算分析数据。

燃烧脉动是指不稳定燃烧及燃烧室本身特性造成的燃烧系统内的压力波动。Mark VIe逻辑中将燃烧脉动分为六个频段[2]，见表1。低频、中频、高频、极高频达表中报警值时，均会触发机组甩负荷，直到脉动正常为止。

2  模型控制

基于模型控制（Model-basded Control，简称MBC）使用物理边界模型，利用实时建模技术，计算并维持机组运行时必要的边界裕度。模型控制替代传统控制，不管燃料特性、运行工况、负荷等条件如何变化，均使燃气轮机尽可能靠近边界运行，以提高机组性能和操作灵活性。典型燃气轮机运行边界有NOX排放、CO排放、燃烧脉动、阀门压比、压气机结冰、压气机喘振、压气机排气温度等。GE公司9FB级燃气轮机的燃烧模型控制包括ARES、脉动模型、排放模型、乏气熄火模型（LBO）等。

①ARES（Adaptive real-time Engine Simulation）：自适应实时引擎仿真模型。它是一种高保真模型，采用虚拟传感器[3]，实时连续调节，性能稳定。ARES可以解决传感器系统滞后、高精度参数无法获取、过分依赖排放或CDM系统等问题。

②排放模型：重建燃烧室发生的实际反应的物理特性，包含NOX和CO排放模型。排放算法不开放，实现了单位转换，该模型可以达到与工业排放传感器相同的精度。

③脉动模型：根据测量参数和ARES計算燃烧脉动，利用CDM系统输入连续调整脉动模型，但并不依赖于CDM系统，因此当CDM系统部分传感器故障时，可以剔除故障传感器正常计算。

④乏气熄火模型（Lean Blow Out，简称LBO）：利用测量参数绘制LBO边界，保证燃料阀分量在边界内运行，有两个独立的控制回路以防燃烧LBO。

3  燃烧调整

燃烧调整目的是控制燃烧脉动保证运行稳定、防止燃烧部件局部高温、减少天然气组分变化对机组运行的影响等。GE公司自动燃烧调整系统（OpFlex Auto Tuning系统）能够实时地进行燃料分配调整，使用该系统有提高燃料灵活性、减少季节性重新燃调频率、降低燃烧脉动、实时调整排放目标、瞬时调节快速响应等[3][4]优势。

3.1 燃烧调整四要素

燃烧调整四要素是脉动、NOX排放、CO排放、稳定性，目的是调整燃烧系统参数，满足四要素要求。四要素关系如图2所示，该菱形面积固定不变，意味着当某个因素变化时，另外三个因素随之变化。燃烧调整就是通过调节燃料的分配比例及流量，来找到最优四要素。

3.2 燃料阀分量

在6.3燃烧模式下，PM1、PM2、PM3（燃料阀）分量总和为100%。燃烧调整过程中，主要是燃料阀分配比例调节，其中PM1（GVC2）和PM3（GCV3）分量调节是关键。PM1和PM3控制回路不尽相同，但其算法思路基本一致，本文主要针对PM1分量算法进行简单探讨。

燃烧调整时，PM1除最大最小值限值回路外，还有五种控制回路：PM1_NOX（NOX目标值控制）、PM1_NOX2（最大NOX限值控制）、PM1_PK2（PK2脉动边界控制）、PM1_VPR（燃料阀压比目标值控制）、PM1_SBL（PM1稳定性控制）。

PM1燃料阀配比参数为PM1_MBC，其控制回路选取方法如下：

PM1_NOX是6.3模式下PM1正常工作的控制回路。该回路根据NOX目标值调整PM1燃料阀配比及开度，以保证NOX排放控制在目标值，符合机组运行及环保参数要求。PM1_NOX控制回路采用PI调节，其计算公式为：

K为比例系数，NOX实际计算值通过边界模型获得。FXP1BC为6.3燃烧模式下PM1分量（由一阶惯性环节计算所得），有两种模式输出，一种是MBC控制模式，一种是自动燃调退出时运行模式。当MBC模式退出后，PM1分量根据既定模型，利用插值法计算得：

PM1_REF是PM1基准（分量FXP1BC），Y为X的折线函数，表述PM1_REF与燃烧基准CA_CRT的关系。

3.3 燃烧脉动波动案例分析

2019年3月，某电厂#1燃机燃烧脉动出现晃动，#10燃烧筒M频高达10.5psi，且晃动频繁。由表1可知，M频脉动高且持续时间长会导致机组减负荷，甚至可能造成设备损坏。分析燃烧脉动原因，当时环境温度较低（15℃），NOX计算值为17～19ppm，PM1控制回路在最小值和NOX来回切换。此时NOX目标值在15ppm，为达目标值，PM1分量减小，处于最小值控制回路。分析四要素，NOX减小会造成PK2（中频）脉动增大。

针对这一矛盾，采取了折中的办法——适当提高NOX排放目标值。因为有脱硝系统，适当提高NOX对环保数据影响较小，符合国家环保排放标准。该方法是通过牺牲部分NOX排放，使PM1跳出最小值控制回路，来保证PK2脉动正常。

GE公司自动燃烧调整系统，为用户提供了实时调整NOX排放目标值的功能。用户可修改NOX偏置，其偏置输入有速率限制，保证NOX目标值不会瞬间变化。最终NOX偏置设置为5ppm，将NOX目标值抬高至20ppm左右，使PM1在PM1_NOX控制回路运行，燃烧脉动幅度减小，机组运行正常。

4  结束语

本文针对某电厂实际工程应用，介绍9FB燃气轮機燃烧系统基本架构、模型控制基本概念、燃烧调整原理功能及实际案例，在实际工程应用中积累燃烧系统异常的处理思路及方法，对同类型机组有一定参考价值。燃烧调整对机组安全稳定运行、防止设备损坏、降低排放满足环保要求有着重要意义，是燃气轮机技术关键课题之一，大部分9FB燃气轮机的燃烧调整技术仍被封锁，因此需要更深入的学习和钻研。

参考文献：

[1]章素华.燃气轮机发电机组控制系[M].北京：中国电力出版社，2012.

[2]赖晓华.燃烧监测系统（CDM）在晋江气电的实际工程运用 [J].燃气轮机技术，2013，26（2）：62-66.

[3]甄家麟.9FA燃气轮机DLN2.6+燃烧系统环保经济效益分析[J].低碳世界，2018，6（2）：375.

[4]李忠义，崔耀欣，虎煜.燃气轮机燃烧调整和自动燃烧调整技术探讨[J].热力透平，2015，9（3）：183-187.