CN112596415A - 一种带前馈的燃机燃烧优化闭环控制方法 - Google Patents

一种带前馈的燃机燃烧优化闭环控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种带前馈的燃机燃烧优化闭环控制方法，该方法根据影响燃烧的边界条件的变化、实时的燃烧稳定性和排放水平情况，及时自动调整燃烧控制参数来实时调节扩散燃料量和IGV排气温度设定值；其中对扩散燃料量和IGV排气温度设定值采用带前馈的闭环控制。与现有技术相比，本发明具有以下优点：兼顾燃烧的稳定性、排放指标和经济性；减少人工燃烧调整的频次；在机组燃烧工况突变时及时进行干预，减少机组非停的概率等。

Description

一种带前馈的燃机燃烧优化闭环控制方法
技术领域
本发明涉及燃气轮机的燃烧调整领域，尤其是涉及一种带前馈的燃机燃烧优化闭环控制方法。
背景技术
对采用干式低氮燃烧技术的燃气轮机，燃烧调整是非常关键的控制技术。由于预混火焰对流场参数和化学当量比变化等非常敏感，容易在封闭的燃烧室内诱发热声耦合振荡，导致火焰发生燃烧动力学失稳，产生过大的燃烧脉动和燃烧室外壁振动，严重时会造成机组跳机停运等。因此需要通过燃烧调整保证燃烧的稳定性、并在此基础上提高燃烧效率，减少氮氧化物NOx和CO等污染物的排放。
采用干式低氮燃烧控制的燃机，一般由预混燃烧和扩散燃烧两种燃烧方式组合而成，预混燃烧火焰不太稳定但氮氧化物排放少，扩散燃烧火焰稳定但氮氧化物排放多。燃机分别由不同的控制阀调节两种燃烧的燃料量，总体原则是以预混燃料为主，扩散燃料为辅起稳燃作用。当机组并网带负荷运行时，预混燃烧采用功率闭环控制，根据功率设定值与实际功率的偏差计算总燃料量，扣除当前扩散燃烧燃料量后，实时调节预混燃料量，保证实发功率与设定值一致。而扩散燃烧燃料量的调节，主要目标是控制燃烧的稳定性和污染物排放水平，且大多采用开环的燃烧控制技术，控制系统中的燃烧控制参数相对固定，对燃烧适应性不强。一般主要采用天然气温度、天然气压力、固定的阀门流量特性曲线来修正扩散燃料量，同时根据环境温度和进口空气导叶IGV开度的函数进一步对扩散稳燃燃料量增减。燃烧控制除调节扩散燃烧燃料外，还通过改变IGV排气温度控制设定值，来调节进入燃机的空气量，该调节方式一般作为备用调节方式。
燃机扩散燃烧燃料量和IGV排气温度设定值开环控制的函数变量通过人工燃烧调整试验进行预设，且目前考虑的外界影响因素有限。在机组实际运行过程中，由于大气环境条件和天然气组分变化、阀门特性变化和机组老化等因素，机组的燃烧状况可能会偏离最初燃烧调整时的最佳运行工况，预设参数不能适应新的燃烧状况，会影响到电厂运行的安全性和经济性，出现燃烧不稳定、排放超标等问题，甚至引发甩负荷或跳机。因此需要经常重新进行人工燃烧调整优化。且燃烧调整时考虑边界因素的影响，往往留有较大的调节裕度，一定程度上为安全稳定舍弃部分排放指标和燃烧效率。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种带前馈的燃机燃烧优化闭环控制方法，可以兼顾燃烧的稳定性、排放指标和经济性；减少人工燃烧调整的频次；在机组燃烧工况突变时及时进行干预，减少机组非停的概率。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种带前馈的燃机燃烧优化闭环控制方法，该方法根据影响燃烧的边界条件的变化、实时的燃烧稳定性和排放水平情况，及时自动调整燃烧控制参数来实时调节扩散燃料量和IGV排气温度设定值；其中对扩散燃料量和IGV排气温度设定值采用带前馈的闭环控制。
优选地，该方法在燃机燃烧优化控制系统中新增输入变量，包括环境湿度、天然气低位热值、表征燃烧稳定性的燃烧室压力脉动和外壁振动、表征污染物排放水平的氮氧化物浓度。
优选地，所述的对扩散燃料量采用带前馈的闭环控制包括将取自天然气成分分析仪的天然气低位热值作为扩散燃料量闭环控制的前馈量，采用设计低位热值与实测低位热值的比值乘以扩散燃料量计算设定值，根据实测天然气成分提前修正扩散燃料量。
优选地，所述的对扩散燃料量采用带前馈的闭环控制包括将环境空气湿度百分比作为扩散燃料量闭环控制的前馈量，采用函数对扩散燃料量进行修正。
优选地，所述的对扩散燃料量采用带前馈的闭环控制包括将燃烧室压力脉动和燃烧室外壁振动用于扩散燃料量的闭环控制。
优选地，将燃烧室压力脉动和燃烧室外壁振动用于扩散燃料量的闭环控制包括以下步骤：
步骤1、将探头采集的燃烧室压力脉动和燃烧室外壁振动时域信号，用快速傅里叶变化计算出低、中、高关键特征频段下的FFT幅值；
步骤2、当某频段实测FFT幅值高于各档定值且持续时间超过延时定值后，根据该频段表征的燃烧不稳定原因，相应增加或减少设定的扩散燃料量偏置；
步骤3、待闭环调整的扩散燃料量起效燃烧趋于稳定设定延时后，再逐步缓慢把动态增或减的扩散燃料量偏置取消。
优选地，所述的方法将烟气的氮氧化物浓度作为闭环控制中减少扩散燃料量的使能条件，当实测氮氧化物浓度低于浓度使能设定值，且燃烧室压力脉动和外壁振动各频段幅值均在正常范围内时，闭锁扩散燃料量进一步减少。
优选地，所述的IGV排气温度设定值采用带前馈的闭环控制包括将燃烧室压力脉动和燃烧室外壁振动用于IGV排气温度设定值的闭环控制。
优选地，将燃烧室压力脉动和燃烧室外壁振动用于IGV排气温度设定值的闭环控制包括以下步骤：
步骤1、将探头采集的燃烧室压力脉动和燃烧室外壁振动时域信号，用快速傅里叶变化计算出低、中、高关键特征频段下的FFT幅值；
步骤2、当某频段实测FFT幅值高于各档定值且持续时间超过延时定值后，根据该频段表征的燃烧不稳定原因，增加IGV温度设定值的偏置，同时IGV温度设置最高限制保证燃机运行安全；
步骤3、待闭环调整的空气量起效燃烧趋于稳定，燃烧室压力脉动幅值或燃烧室外壁振动幅值恢复到低档幅值定值范围以下后，再逐步缓慢把动态增或减的温度设定值偏置取消。
优选地，该方法将烟气氮氧化物浓度用于IGV排气温度设定值的闭环控制，当实测氮氧化物浓度高于浓度设定值且燃烧室压力脉动和外壁振动各频段幅值正常，同时扩散燃料量闭环控制效果不佳时，适当减少IGV排气温度设定值，使IGV开度增大进入燃机空气量增大，降低污染物排放浓度。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、采用空气湿度和天然气低位热值对扩散燃料量进行前馈控制，在上述两因素影响燃烧稳定性和氮氧化物排放浓度之前，提前干预和调节；
2、将氮氧化物排放浓度、燃烧室压力脉动和外壁振动作为燃烧优化闭环控制的被调量，采取不同的控制策略分别对扩散燃料量和IGV排烟温度设定值进行动态调节，可使机组日常运行的燃烧稳定性和氮氧化物浓度得到更好的控制；
3、采用带前馈的闭环控制对燃机燃烧控制进行优化后，提高机组对外界条件变化的适应性，可有效减少燃烧调整试验的频次，以及减少机组运行过程中甩负荷和跳机的概率。
附图说明
图1为本发明的燃机燃烧优化控制系统原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明能在燃机控制系统中采用自动燃烧优化控制方法，根据影响燃烧的边界条件的变化，以及实时的燃烧稳定性和排放水平情况，及时自动调整燃烧控制参数来实时调节扩散燃料量和IGV排气温度设定值，则可以兼顾燃烧的稳定性、排放指标和经济性；减少人工燃烧调整的频次；在机组燃烧工况突变时及时进行干预，减少机组非停的概率。
如图1所示，一种带前馈的燃机燃烧优化闭环控制方法，具体过程如下：
(1)数据采集过程。
(1.1)在燃机燃烧优化控制中新增环境湿度、天然气低位热值、表征燃烧稳定性的燃烧室压力脉动和外壁振动、表征污染物排放水平的氮氧化物NOx浓度等输入变量。
(1.2)将探头采集的燃烧室压力脉动和燃烧室外壁振动时域信号，用快速傅里叶变化计算出低、中、高关键特征频段下的FFT幅值。
(2)对扩散燃料量采用带前馈的闭环控制过程。
(2.1)将取自天然气成分分析仪的天然气低位热值作为扩散燃料量闭环控制的前馈量，采用设计低位热值与实测低位热值的比值乘以扩散燃料量计算设定值，低位热值下降时增加扩散燃料量，低位热值上升时减少扩散燃料量，根据实测天然气成分提前修正扩散燃料量，在热值对燃烧稳定性发生影响前即进行调节干预。
(2.2)将环境空气湿度百分比作为扩散燃料量闭环控制的前馈量，采用函数对扩散燃料量进行修正，根据空气湿度与氮氧化物排放浓度成反比的物理特性，在空气湿度百分比上升时适当增加扩散燃料量，在空气湿度百分比下降时则减少扩散燃料量。通过空气湿度对扩散燃料量的修正，减少空气湿度低工况下排放超标的概率。
(2.3)将燃烧室压力脉动用于扩散燃料量的闭环控制，先对各不同特征频段下的FFT幅值设置从低到高设置几档不同的定值以及与之对应的延时定值，当某频段实测FFT幅值高于各档定值且持续时间超过延时定值后，根据该频段表征的燃烧不稳定原因，在原扩散燃料量基础上相应增加/减少一定的扩散燃料量偏置。扩散燃料量增减量以及变化速率与实测FFT幅值的大小成正比。待闭环调整的扩散燃料量起效燃烧趋于稳定，燃烧室压力脉动幅值恢复到低档幅值定值范围以内一定延时后，再逐步缓慢把动态增/减的扩散燃料量偏置取消。判断稳定的延时与幅值正相关，幅值越高稳定时间越长。
(2.4)将燃烧室外壁振动用于扩散燃料量的闭环控制，先对各不同特征频段下的FFT幅值设置从低到高设置几档不同的定值以及与之对应的延时定值，当某频段实测FFT幅值高于各档定值且持续时间超过延时定值后，根据该频段表征的燃烧不稳定原因，在原扩散燃料量基础上相应增加/减少一定的扩散燃料量偏置。扩散燃料量增减量以及变化速率与实测FFT幅值的大小成正比。待闭环调整的扩散燃料量起效燃烧趋于稳定一定延时后，燃烧室外壁振动幅值恢复到低档幅值定值范围以下后，再逐步缓慢把动态增/减的扩散燃料量偏置取消。判断稳定的延时与幅值正相关，幅值越高稳定时间越长。
(2.5)将烟气氮氧化物浓度用于闭环控制减扩散燃料量的使能条件，当实测氮氧化物浓度低于浓度使能设定值，且燃烧室压力脉动和外壁振动各频段幅值均在正常范围内时，闭锁扩散燃料量进一步减少。
(3)对IGV排气温度设定值采用带前馈的闭环控制过程。
(3.1)将燃烧室压力脉动用于IGV排烟温度设定值的闭环控制，先对各不同特征频段下的FFT幅值设置从低到高设置几档不同的定值以及与之对应的延时定值，当某频段实测FFT幅值高于各档定值且持续时间超过延时定值后，根据该频段表征的燃烧不稳定原因，增加IGV温度设定值的偏置，提高燃空比，通过IGV开度减小使进入燃机空气量减少。设定值偏置增减量以及变化速率与实测FFT幅值的大小成正比，同时IGV温度设置最高限制保证燃机运行安全。待闭环调整的空气量起效燃烧趋于稳定，燃烧室压力脉动幅值恢复到低档幅值定值范围以下后，再逐步缓慢把动态调增的温度设定值偏置取消。
(3.2)将燃烧室外壁振动用于IGV排烟温度设定值的闭环控制，先对各不同特征频段下的FFT幅值设置从低到高设置几档不同的定值以及与之对应的延时定值，当某频段实测FFT幅值高于各档定值且持续时间超过延时定值后，根据该频段表征的燃烧不稳定原因，增加IGV温度设定值的偏置，提高燃空比，通过IGV开度减小使进入燃机空气量减少。设定值偏置增减量以及变化速率与实测FFT幅值的大小成正比，同时IGV温度设置最高限制保证燃机运行安全。待闭环调整的空气量起效燃烧趋于稳定，燃烧室压力脉动幅值恢复到低档幅值定值范围以下后，再逐步缓慢把动态增/减的温度设定值偏置取消。
(3.3)将烟气氮氧化物浓度用于IGV排烟温度设定值的闭环控制，当实测氮氧化物浓度高于浓度设定值且燃烧室压力脉动和外壁振动各频段幅值正常，同时扩散燃料量闭环控制效果不佳时，适当减少IGV排烟温度设定值，降低燃空比，通过IGV开度增大使进入燃机空气量增大，降低污染物排放浓度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种带前馈的燃机燃烧优化闭环控制方法，其特征在于，该方法根据影响燃烧的边界条件的变化、实时的燃烧稳定性和排放水平情况，及时自动调整燃烧控制参数来实时调节扩散燃料量和IGV排气温度设定值；其中对扩散燃料量和IGV排气温度设定值采用带前馈的闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一种带前馈的燃机燃烧优化闭环控制方法，其特征在于，该方法在燃机燃烧优化控制系统中新增输入变量，包括环境湿度、天然气低位热值、表征燃烧稳定性的燃烧室压力脉动和外壁振动、表征污染物排放水平的氮氧化物浓度。
3.根据权利要求1所述的一种带前馈的燃机燃烧优化闭环控制方法，其特征在于，所述的对扩散燃料量采用带前馈的闭环控制包括将取自天然气成分分析仪的天然气低位热值作为扩散燃料量闭环控制的前馈量，采用设计低位热值与实测低位热值的比值乘以扩散燃料量计算设定值，根据实测天然气成分提前修正扩散燃料量。
4.根据权利要求1所述的一种带前馈的燃机燃烧优化闭环控制方法，其特征在于，所述的对扩散燃料量采用带前馈的闭环控制包括将环境空气湿度百分比作为扩散燃料量闭环控制的前馈量，采用函数对扩散燃料量进行修正。
5.根据权利要求1所述的一种带前馈的燃机燃烧优化闭环控制方法，其特征在于，所述的对扩散燃料量采用带前馈的闭环控制包括将燃烧室压力脉动和燃烧室外壁振动用于扩散燃料量的闭环控制。
6.根据权利要求5所述的一种带前馈的燃机燃烧优化闭环控制方法，其特征在于，将燃烧室压力脉动和燃烧室外壁振动用于扩散燃料量的闭环控制包括以下步骤：
步骤1、将探头采集的燃烧室压力脉动和燃烧室外壁振动时域信号，用快速傅里叶变化计算出低、中、高关键特征频段下的FFT幅值；
步骤2、当某频段实测FFT幅值高于各档定值且持续时间超过延时定值后，根据该频段表征的燃烧不稳定原因，相应增加或减少设定的扩散燃料量偏置；
步骤3、待闭环调整的扩散燃料量起效燃烧趋于稳定设定延时后，再逐步缓慢把动态增或减的扩散燃料量偏置取消。
7.根据权利要求1所述的一种带前馈的燃机燃烧优化闭环控制方法，其特征在于，所述的方法将烟气的氮氧化物浓度作为闭环控制中减少扩散燃料量的使能条件，当实测氮氧化物浓度低于浓度使能设定值，且燃烧室压力脉动和外壁振动各频段幅值均在正常范围内时，闭锁扩散燃料量进一步减少。
8.根据权利要求1所述的一种带前馈的燃机燃烧优化闭环控制方法，其特征在于，所述的IGV排气温度设定值采用带前馈的闭环控制包括将燃烧室压力脉动和燃烧室外壁振动用于IGV排气温度设定值的闭环控制。
9.根据权利要求8所述的一种带前馈的燃机燃烧优化闭环控制方法，其特征在于，将燃烧室压力脉动和燃烧室外壁振动用于IGV排气温度设定值的闭环控制包括以下步骤：
步骤1、将探头采集的燃烧室压力脉动和燃烧室外壁振动时域信号，用快速傅里叶变化计算出低、中、高关键特征频段下的FFT幅值；
步骤2、当某频段实测FFT幅值高于各档定值且持续时间超过延时定值后，根据该频段表征的燃烧不稳定原因，增加IGV温度设定值的偏置，同时IGV温度设置最高限制保证燃机运行安全；
步骤3、待闭环调整的空气量起效燃烧趋于稳定，燃烧室压力脉动幅值或燃烧室外壁振动幅值恢复到低档幅值定值范围以下后，再逐步缓慢把动态增或减的温度设定值偏置取消。
10.根据权利要求1所述的一种带前馈的燃机燃烧优化闭环控制方法，其特征在于，该方法将烟气氮氧化物浓度用于IGV排气温度设定值的闭环控制，当实测氮氧化物浓度高于浓度设定值且燃烧室压力脉动和外壁振动各频段幅值正常，同时扩散燃料量闭环控制效果不佳时，适当减少IGV排气温度设定值，使IGV开度增大进入燃机空气量增大，降低污染物排放浓度。
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