CN103277197A - 一种燃气轮机发电机组低热值燃烧控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气轮机发电机组低热值燃烧控制方法，其控制系统包括燃烧旁路阀、流量控制阀A和流量控制阀B，均为焦炉煤气的流量控制阀；其控制方法为：在低热值全高炉煤气工况下的燃烧旁路阀开度分别为：负荷为40MW时，燃烧旁路阀开度为69%～90%；负荷为77MW时，燃烧旁路阀开度为29%～55%；负荷为115MW时，燃烧旁路阀开度为3%～19%；负荷高于115MW时，燃烧旁路阀开度为0%。采用上述技术方案，极大地增强了机组运行的灵活性、稳定性和高效性，使得以煤气为主燃料的燃气轮机发电机组更好地适应钢铁生产工艺，同时也使富裕煤气得到最大限度的高效利用。

Description

一种燃气轮机发电机组低热值燃烧控制方法

技术领域

本发明属于燃气—蒸汽轮机发电的技术领域，涉及冶金工业生产中的富裕煤气发电中的燃烧控制技术，更具体地说，本发明涉及一种燃气轮机发电机组低热值燃烧控制方法。 

背景技术

燃气—蒸汽联合循环发电机组以其高效、环保、耗水量少等优点，成为具有很大发展潜力的动力装置。以富裕煤气为原燃料的燃气轮机发电机组近年来在冶金企业也得到越来越多的应用。实现了冶金工业生产副产品的高效综合利用。 

由于燃气轮机对原燃料热值的稳定性有较为苛刻的要求，必须配备一定量的焦炉煤气才能满足要求。比如，美国GE公司PG9171E型燃机和日本三菱M701DSA型燃机，均要求煤气热值控制在1050kcal/Nm³。现有技术中的燃气轮机发电机组过分依赖焦炉煤气。 

然而，焦炉煤气的产生及供应与钢铁生产的主产品工艺息息相关、相互影响，其波动性不可避免地对下游的燃气轮机发电机组产生影响。当焦炉煤气不足时，应该能补充高炉煤气，甚至全烧高炉煤气。但是，这给机组的高效、长周期运转带来制约，成为冶金生产企业联合循环发电技术进一步推广与应用的技术瓶颈。 

在焦炉煤气供应中断（如上游系统检修或焦炉煤气品质不合格）时，导致机组必须停机的被动局面。按每年一次停机、一次开停机操作，至少4小时计算，电量损失12.2万kWh×4h=48.8万kWh。 

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种燃气轮机发电机组低热值燃烧控制方法，其目的是发电机组在高焦炉混合煤气正常热值、机组负荷在40MW至153MW工况下，无干扰地自动进入低热值燃烧工况，维持正常运转，提高设备作业率。 

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为： 

本发明所提供的燃气轮机发电机组低热值燃烧控制方法，所述的燃气轮机发电机组的控制系统包括燃烧旁路阀、流量控制阀A和流量控制阀B，所述的流量控制阀A和流量控制阀B均为焦炉煤气的流量控制阀，所述的控制方法为： 

在低热值全高炉煤气工况下的燃烧旁路阀开度分别为： 

负荷为40MW时，燃烧旁路阀开度为69%～90%；负荷为77MW时，燃烧旁路阀开度为29%～55%；负荷为115MW时，燃烧旁路阀开度为3%～19%；负荷高于115MW时，燃烧旁路阀开度为0%。所述的流量控制阀A和流量控制阀B布置在高焦炉煤气混合器上游焦炉煤气管道上；所述的流量控制阀A和流量控制阀B的控制指令的逻辑程序为以下的表1所示： 

表1 

当燃烧压力比达到空气压缩机喘振极限后60秒时，“燃机空气压缩机喘振余量低”报警动作； 

报警信号发出120秒后，所述的燃气轮机发电机组将按正常速率快减负荷；或者操作人员在“燃机空气压缩机喘振余量低”报警发生时，通过降低发电机出力或提高热值设定值进行运行调整。 

在4200kJ/Nm³及以下热值运行时，燃烧室压力波动监视系统加速连锁保护，采用下以下的表2所示的保护措施： 

表2 

在表2中： 

频率：是指燃烧室压力波动频率； 

报警：是指发出光子牌报警信号； 

快减负荷：是指按3.1MW/min速率自动减少发电出力； 

跳机：是指跳机停止运行。 

当控制系统监测到的数据高于上表中所列某项数值时，根据严重程度，机组分别自动发出上述的报警、快减负荷和跳机的保护措施。 

本发明采用上述技术方案，克服了在焦炉煤气供应中断时，机组必须停机的被动局面；实现了在煤气热值剧烈变化（比如焦炉煤气鼓风机跳机等情况出现）时，机组自动快速减负荷，维持发电运行，而不会使主机跳机停产；焦炉煤气供应量减少时，可以在低热值燃烧控制模型下进行较高发电负荷运行；总之，低热值燃烧控制模型的开发与运用，极大地增强了机组运行的灵活性、稳定性和高效性，使得以煤气为主燃料的燃气轮机发电机组更好地适应钢铁生产工艺，同时也使富裕煤气得到最大限度的高效利用。 

附图说明

下面对本说明书各幅附图所表达的内容作简要说明： 

图1为焦炉煤气流量控制阀A和B动作状态图； 

图2为本发明的燃机空气压缩机喘振限制示意图； 

图3为本发明的运行工况与热值调整的关系示意图； 

图4为本发明的热值调整过程示意图。 

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。 

本发明为一种燃气轮机发电机组低热值燃烧控制方法。为了克服现有技术的缺陷，实现发电机组在全烧高炉煤气的条件下能自动进入低热值燃烧工况、维持正常运转、提高设备作业率的发明目的，本发明采取的技术方案为： 

一、燃烧控制模型进行优化： 

本发明所提供的燃气轮机发电机组低热值燃烧控制方法，所述的燃气轮机发电机组的控制系统包括燃烧旁路阀、流量控制阀A和流量控制阀B，所述的 流量控制阀A和流量控制阀B均为焦炉煤气的流量控制阀，所述的控制方法为： 

对现有技术中的燃烧控制模型进行优化，同时开发低热值燃烧控制模块，包括：调整低热值全高炉煤气工况下（LHV：3850kJ/Nm³）的燃烧旁路阀开度，分别为： 

负荷为0MW时，燃烧旁路阀开度为89%～100%； 

负荷为40MW时，燃烧旁路阀开度为69%～90%； 

负荷为77MW时，燃烧旁路阀开度为29%～55%； 

负荷为115MW时，燃烧旁路阀开度为3%～19%； 

负荷高于115MW时，燃烧旁路阀开度为0%。 

在燃机空气压缩机容量一定，即空气进气量一定的情况下，燃烧室的设计既要实现燃烧区域的最佳燃料空气配比，又要保证非燃烧区域有足够的冷却空气供应，保证燃烧室金属不超温损坏。因此，通过优化燃烧室旁路阀开度设定点，可以在0～满负荷发电范围内，将煤气燃料与空气的比例控制在最佳配比，实现低热值高炉煤气的稳定燃烧。 

二、优化焦炉煤气流量控制阀A和B的控制指令的逻辑程序。其具体技术方案是： 

所述的流量控制阀A和流量控制阀B布置在高焦炉煤气混合器上游焦炉煤气管道上； 

如图1所示，所述的流量控制阀A和流量控制阀B的控制指令的逻辑程序为以上的表1所示。 

由于控制阀在极限开度附近（全开或全关）存在一定的调整“死区”，即流量与阀门开度之间的对应关系具有不确定性和紊乱性，若单阀控制不可避免在此区域会导致系统对焦炉煤气的调整与控制，精度与灵敏度缺失，带来热值波 动，引起机组跳机保护动作，尤其是正常运行工况下焦炉煤气的突然中断。因此，通过对双阀的精细设定，实现焦炉煤气流量的精细和平稳变化，实现燃料热值的稳定性。 

三、低热值运行工况下的保护措施： 

低热值运行工况下，为了最大限度提高发电机出力，会增加煤气流量，较之原设计工况燃烧室筒壁压力会增加，因而会导致燃机空气压缩机喘振余量降低。 

为避免过度的热值降低造成空气压缩机喘振，增加了快减负荷的保护。如图2所示： 

当燃烧压力比达到空气压缩机喘振极限后60秒时，“燃机空气压缩机喘振余量低”报警动作； 

报警信号发出120秒后，所述的燃气轮机发电机组将按正常速率快减负荷； 

或者，操作人员在“燃机空气压缩机喘振余量低”报警发生时，通过降低发电机出力或提高热值设定值进行运行调整。 

四、低热值运行时的CPFM加速连锁保护： 

低热值运行工况下，由于没有焦炉煤气对热值进行实时配比与稳定，高炉煤气热值对机组燃烧压力波动的影响会有所增加，需要加强监测和预防。燃气轮机发电机组的核心保护即为对机组燃烧压力波动的监测及保护。在有焦炉煤气作为实时配比的高热值煤气发电的燃烧控制模型中，只对燃烧压力波动进行监测以及“4取2”的跳机逻辑保护；而在全高炉煤气低热值运行工况下，为保护燃烧器必须要增加相应的监测与保护，所以，对现有技术中有关压力波动的连锁保护进行了优化，增加了4200kJ/Nm³及以下热值运行时的CPFM加速连锁保护（mm/s）。CPFM即“燃烧压力波动加速（单位：毫米/秒，mm/s）”。 

通过4只传感器对不同波段频率下燃烧紫外光的监测，实现“8取2”的跳机逻辑保护，增加了机组在低热值工况下运行的安全性。 

在4200kJ/Nm³及以下热值运行时，燃烧室压力波动监视系统加速连锁保护，采用以上的表2所示的保护措施。 

在表2中： 

频率：是指燃烧室压力波动频率； 

报警：是指发出光子牌报警信号； 

快减负荷：是指按3.1MW/min速率自动减少发电出力； 

跳机：是指跳机停止运行。 

当控制系统监测到的数据高于上表中所列某项数值时，根据严重程度，机组分别自动发出上述的报警、快减负荷和跳机的保护措施。 

五、相关试验： 

低热值全高炉煤气工况下机组出力122MW时的跳机试验：煤气冷却器出口瞬间压力为25.5kPa，低于水封设计压力；以及相应的甩负荷试验，机组最高转速达3114rpm；安全合格。 

低热值全高炉煤气工况下负荷波动试验：机组出力在不同负荷点波动时，燃烧稳定可控，“燃烧压力波动值”和“燃烧压力加速值”均在报警值范围内。 

1050kcal/Nm³正常热值工况下，机组153MW满负荷运行，焦炉煤气停止供应、机组原燃料仅为高炉煤气，热值突降，焦炉煤气隔离阀关闭，燃机30秒内快速减负荷至90MW、燃烧稳定，机组维持运行。 

六、可进行热值调整的工况范围： 

机组启动完成后，负荷达40MW方可开始焦炉煤气消耗量减少的操作，进行热值调整。 

如图3所示，即为燃机转速、机组负荷及热值调整之间的关系。 

七、热值调整过程： 

操作控制面板上“①热值设定点调整按钮”，当“②热值设定值”变化时，“③运行热值”的控制目标值”以40kJ/Nm³/分钟向上、或以20kJ/Nm³/分钟向下开始变化，实际运行的煤气热值开始发生变化。 

热值调整过程参见图4。 

八、低热值燃烧操作的具体步骤如下： 

针对低热值燃烧控制模型研发要求及现场设备状况，低热值燃烧操作步骤如下： 

1、管网焦炉煤气不足、必须降低焦炉煤气使用量时，先保持混合煤气热值设定值不变，采用降负荷方式，将负荷降低至120MW。 

2、如果焦炉煤气耗用量仍不能满足管网要求，则维持负荷不变，采用降热值方式，先将热值调整至4100KJ/Nm³（避开4300KJ/Nm³和4200KJ/Nm³控制区域及焦炉煤气流量控制阀A和阀B的切换区间）。 

3、如果需要，可以继续按每次100KJ/ Nm³间隔降低热值设定点，直至设计最低点3350KJ/Nm³。 

4、在调整焦炉煤气使用量的过程中，为确保焦炉煤气鼓风机运转安全，建议焦炉煤气最少维持5000m³/h流量，并在维持最低流量过程中，保持与管网调度的联系，及时核对焦炉煤气流量，条件许可即可恢复正常热值燃烧控制模块。 

5、焦炉煤气调整过程中，运行人员必须加强对焦炉煤气鼓风机各参数的监视，包括就地温度计，控制煤气回流温度不超过80℃。如果温度过高，及时手动调整焦炉煤气鼓风机入口门开度，减少回流量。 

九、实施效果： 

低热值全烧高炉煤气燃烧控制模型的开发与运用，克服了焦炉煤气供应中断（上游系统检修或焦炉煤气品质不合格）时机组必须停机的被动局面。按每年一次停机、一次开停机操作至少4小时计算，电量损失12.2万kWh×4h=48.8万kWh； 

本发明实现了煤气热值剧烈变化，比如焦炉煤气鼓风机跳机等情况出现时，机组自动快速减负荷维持发电运行，而不是低热值燃烧控制模型实施之前的主机跳机停产； 

在焦炉煤气供应量减少时，可以在低热值燃烧控制模型下进行较高发电负荷运行，根据2009年5月至2010年4月的统计数据，由于焦炉煤气不足、在高炉煤气充足的情况下不得不减负荷运行，损失电量4692万kWh。 

总之，低热值燃烧控制模型的开发与运用极大地增强了机组运行的灵活性、稳定性和高效性，使得以煤气为主燃料的燃气轮机发电机组对钢铁冶金工艺特点的适应性更加广泛，同时也实现了富裕煤气最大限度的高效利用。 

十、具体应用实例： 

下面以在马鞍山钢铁公司内部应用本发明的技术进行试验的实例进行分析： 

2010年7月27日，因上游焦炉煤气管道检修，焦炉煤气供应中断，焦炉煤气鼓风机停止运行。在完成焦炉煤气隔绝工作后，机组成功实施了一次焦炉煤气全停46小时、全高炉煤气低热值燃烧控制模型的在线运行，期间未使用焦炉煤气，只使用高炉煤气运行。 

操作程序如下： 

7月27日17:00开始降负荷至70MW，维持5分钟，降热值至4300KJ/Nm³； 

调整焦炉煤气鼓风机入口门开度，同时逐步降热值设定点至3746KJ/Nm³； 

焦炉煤气流量低于2000m³/h后停焦炉煤气鼓风机； 

稳定后升负荷至108MW，并将焦炉煤气鼓风机及相关阀门切换为手动状态； 

7月29日9:37管网焦炉煤气供应恢复后，启动焦炉煤气鼓风机，机组恢复正常热值控制点，逐步满负荷运行。 

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。 

Claims (4)

1.一种燃气轮机发电机组低热值燃烧控制方法，所述的燃气轮机发电机组的控制系统包括燃烧旁路阀、流量控制阀A和流量控制阀B，所述的流量控制阀A和流量控制阀B均为焦炉煤气的流量控制阀，其特征在于：所述的控制方法为：

在低热值全高炉煤气工况下的燃烧旁路阀开度分别为：

负荷为40MW时，燃烧旁路阀开度为69%～90%；

负荷为77MW时，燃烧旁路阀开度为29%～55%；

负荷为115MW时，燃烧旁路阀开度为3%～19%；

负荷高于115MW时，燃烧旁路阀开度为0%。

2.按照权利要求1所述的燃气轮机发电机组低热值燃烧控制方法，其特征在于：

所述的流量控制阀A和流量控制阀B布置在高焦炉煤气混合器上游焦炉煤气管道上；

所述的流量控制阀A和流量控制阀B的控制指令的逻辑程序为：

。

3.按照权利要求1所述的燃气轮机发电机组低热值燃烧控制方法，其特征在于： 

当燃烧压力比达到空气压缩机喘振极限后60秒时，“燃机空气压缩机喘振余量低”报警动作；

报警信号发出120秒后，所述的燃气轮机发电机组将按正常速率快减负荷；或者操作人员在“燃机空气压缩机喘振余量低”报警发生时，通过降低发电机出力或提高热值设定值进行运行调整。

4.按照权利要求1所述的燃气轮机发电机组低热值燃烧控制方法，其特征在于：

在4200kJ/Nm³及以下热值运行时，燃烧室压力波动监视系统加速连锁保护，采用下表所示的保护措施：

在上表中：

频率：是指燃烧室压力波动频率；

报警：是指发出光子牌报警信号；

快减负荷：是指按3.1MW/min速率自动减少发电出力；

跳机：是指跳机停止运行；

当控制系统监测到的数据高于上表中所列某项数值时，根据严重程度，机 组分别自动发出上述的报警、快减负荷和跳机的保护措施。 

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