DLN控制分析课件

9FA机组DLN2.0+控制算法分析刘尚明清华大学热能工程系清华大学燃气轮机研究中心liushm@.c要内容为国内燃气轮机应用所做工作的历史回顾围绕FA级机组控制系统的消化吸收所开展的工作简介燃气轮机低污染燃烧技术简介9FA机组DLN2.0控制算法简介结语历史回顾从70年代后期开始，消化吸收GE公司的MarkII控制系统。模拟式燃机控制系统——倪维斗院士、研究所大部分教师参与；改革开发后，80年代后期开始消化吸收GE公司的MarkIV控制系统。数字电子电路式燃机控制系统：中原油田首期燃气轮机培训班；大庆石油管理局合作：经典培训教材（5本），人员培训。1992年完成国内首套STAG106联合循环模拟培训装置。国家教委科技进步二等奖。新疆克拉玛依电厂首期培训班；深圳金岗电厂培训；历史回顾从90年代中期开始，消化吸收GE公司的MarkV控制系统：南汽合作，研制成功相应的模拟培训器。培训：南汽相关技术员、镇海(9E)、新疆克拉玛依电厂2期。703所无锡分部（舰用燃气轮机）编写针对MarkV控制系统的培训教材。其他燃机控制系统的消化与吸收，包括：Woodword的NETCON5000及模拟培训器西气东输的压气站的Solar机组控制系统及模拟培训器历史回顾2001年～2004年之间，中美合资仿真公司2004年以后，重新投入FA级燃气轮机机组的控制系统的消化吸收工作：GE公司的MarkVI控制系统；西门子的TelepermXP控制系统；培训：清华独立、与深圳南山合作。其他科研活动：国家攀登B计划：联合循环先进计算机控制系统研究；9.5攻关：国外IGCC控制系统关键技术分析S863计划：国产重型燃气轮机控制系统研究正在开展的工作依托清华大学燃气轮机研究中心、围绕“打捆招标”引进9FA机组的运行与控制，正在开展如下的工作：采用人工智能技术，进行109FA机组的变工况建模与特性分析；多台/套109FA机组的负荷优化分配与维护管理研究工作；重型燃气轮机机组的一次调频技术方面的研究工作；（联合循环）燃气轮机动态过程仿真研究工作；（联合循环）MarkVI、TelepermXP控制系统分析与比较工作。小结2001年以前，活跃于国内的燃机发电应用。现在，随时愿意为国内9FA机组的热控方面的同仁提供技术支持；竭力帮助解决国内9FA机组的热控方面的技术难题。GEMarkVI消化吸收随着机组运行时间的增加，热工控制系统的重要性更加重要。控制系统及运行方式的修改、完善与优化。控制系统的权限：0～4级别。ToolBox环境下使用。（.m6B文件）SAMA图表示MarkVI控制系统。分析MarkVI、MarkV、MarkVI的异同；MarkVIe新系统低污染燃烧技术

自20世纪80年代以来，随着环保要求的日益严格，重型燃气轮机燃烧室的发展主要围绕如何降低氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）和未燃碳氢化合物（UHC）等燃烧污染物排放的主题进行。近年来，其他一些污染物的控制，如可吸入颗粒物（IPM）、有害空气污染物（HAPs）等也逐渐提到研究日程上。燃烧产物的污染控制技术发展主要经历如下四个阶段：向燃烧室喷水/喷蒸汽、干式低NOx（DLN）燃烧、选择性催化还原（SCR）、催化燃烧喷水/喷蒸汽方法主要用于常规扩散燃烧的改进，其他方法则都对燃烧过程有相当大的改变。到目前为止，以DLN燃烧技术的发展最为成熟，应用最为广泛，并且取得了相当的业绩。不同低NOx控制技术和相应的投资费用

尽管DLN方法的费用高于喷水/喷蒸汽方法，但完全满足目前将NOx控制在25ppm（15%O2）的排放要求。各种污染控制技术的综合情况

喷水喷蒸汽DLN燃烧催化燃烧最低NOx(ppm)25259-255对CO的影响＋（注）＋无无对机组容量的影响＋＋无无对燃料效率的影响－＋/－无无投资费用低中高高高注：+号表示不利影响。污染物生成机理

燃烧室燃烧排放的主要污染物是CO和NOx，还有少量的未燃碳氢化合物和可吸入颗粒物。CO的产生主要是燃烧不完全所致。NOx是一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）的统称，其中，NO占90%以上。此外，还有约1%的氧化二氮（N2O，俗称笑气）产生。NOx主要是通过热力型NOx、燃料型NOx和快速性NOx三种途径生成。燃用气体和液体燃料的燃气轮机燃烧室的排放主要是热力型NOx，基本上没有燃料型NOx。热力NOx的生成根据泽尔多维奇（Zeldovich）原理，热力型NOx的生成机理是空气中的氧分子O2先在高温下离解成氧原子，然后与空气N2发生反应所致。热力型NOx的生成量：主要受燃烧温度控制，并随之按指数规律增加，尤其在1770K（～1500℃）以上增加迅速，而低于1620K（～1350℃）时则很少。除燃烧温度外，氧浓度和在高温区的停留时间也是主要影响因素。CO的生成作为另一个需要控制的污染物，CO与温度的关系恰恰和NOx的情形相反。不同温度下热力NOx和CO的生成当温度低于1270K（1000℃）以后，CO排放量将大大增加，导致燃烧效率下降，并造成环境污染。不同燃烧方式下热力NOx和CO与过量空气系数的关系

干式低NOx(DLN)燃烧室介绍摒弃常规燃烧室中的扩散燃烧方式，改用均相预混方式的湍流火焰传播燃烧方法。不使用喷射水或者蒸汽的方式，可以将NOx的排放量降低到25ppmv，并且有可能达到5~9ppmv的水平。均相预混方式的湍流火焰传播燃烧方法：把燃料气与氧化剂(空气)预先混合成均相的、稀释的可燃混合物，然后使之以湍流火焰传播的方式通过火焰面进行燃烧。火焰面的燃烧温度与燃料/空气实时掺混比的数值相对应，不再只是余气系数=1的理论燃烧温度。通过对燃料/空气实时掺混比的控制，使火焰面的温度永远低于1650℃，这样就能控制“热NOx”的生成。干式低NOx(DLN)燃烧室介绍均相预混可燃混合物的可燃极限范围比较狭窄。在低温条件下火焰传播速度比较低，CO的排放量会增大。为防止燃烧室熄火，适应燃气轮机负荷变化范围很广的特点，设计DLN燃烧室时，必须采用下面的一系列措施。1、合理地选择均相预混可燃混合物的实时掺混比和火焰温度。Lefebvre教授建议：对于天然气来说，按火焰温度为1700~1800K这个标准来选择燃料和空气的混合比是比较合适的。这样才有可能使燃烧室的NOx和CO的排放量都比较低。干式低NOx(DLN)燃烧室介绍(续)2、适当增大燃烧室的直径或长度，以适应火焰温度较低时，火焰传播速度比较低的特点。3、必要时在低负荷工况下，包括启动点火工况，仍然保留一小股扩散燃烧火焰，以防止燃烧室熄火，并使其满足燃气轮机燃烧室负荷变化范围很宽的要求。4、合理地控制均相预混可燃混合物从调节阀门喷口到燃烧区之间的输运时间(即可燃混合物的喷射压比)，不使与燃烧室火焰管的共振周期重合，以防止燃烧室发生振荡燃烧现象。5、采用分级燃烧方式(串联式与并联式)以扩大负荷的变化范围。干式低NOx(DLN)燃烧室介绍(续)串联式的分级燃烧室中设置2~3个彼此串联的燃烧区，每个燃烧区中都分别供给一定数量的空气和燃料。不论机组的负荷如何变化，流经每个燃烧区的空气量几乎是恒定的，但是供入各燃烧区地燃料量却是根据机组的负荷量的变化而不断变化的。在机组的启动与低负荷工况下，只向第1级燃烧区供给燃料，一般它仍然维持扩散燃烧火焰状态，以此来保证低负荷工况下燃烧火焰稳定性随着负荷的增加，逐渐向第2级和第3级燃烧区供给燃料。那时，第1级燃烧区将维持恒温运行状态，第2级和第3级燃烧区内则将维持变温度的均相预混可燃混合物的火焰传播燃烧方式。所有级的燃烧过程都是一级紧随着前一级的燃烧区进行的，因而每一级内的可燃物质都能获得充分的预热，这样就能改善均相预混可燃混合物的火焰传播速度和贫油熄火极限。干式低NOx(DLN)燃烧室介绍(续)串联式这种燃烧方式可以提高低负荷工况下一级燃烧区内的燃烧温度，并且使气流的速度减小，有利于改善这些工况下CO的燃尽程度和燃烧火焰的稳定性。当然，在高负荷工况下，由于把均相预混可燃混合物的燃烧温度控制在1800K以下，就能达到控制NOx排放量的目的。GE公司的DLN燃烧室两级串联式的预混稀释态的DLN燃烧室每个燃烧室中有5个燃烧筒，每个燃烧筒有两级喷嘴，燃烧室喷嘴布置如图所示。其中，D5为位于燃烧筒后端的扩散喷嘴，PM1和PM4是位于前端的预混喷嘴。DLN燃烧控制系统的作用就是根据运行工况，调节D5、PM1和PM4的燃气量，使燃烧系统的热效率和排放量达到最佳，在任意负荷下都能稳定运行。GE公司的DLN燃烧室燃气系统的结构如图所示，由：燃气截止阀ASV，燃气速比阀SRV和3个燃气控制阀GCV1、GCV2、GCV3组成。都是液压伺服阀。其中燃气速比阀采用PI调节来控制阀后燃气压力P2，3个燃气控制阀分别控制进入18个燃烧室的D5、PM1和PM4的流量。9FA燃烧室的运行模式D扩散火焰燃烧模式；次-准预混SPPM燃烧模式；准预混PPM燃烧模式；预混PM燃烧模式。表2燃烧模式与燃料控制阀运行9FA机组DLN2.0+控制算法分析DLN2pComRef模块：根据燃烧室基准温度TTRF1的大小，来确定燃烧室的燃烧模式。DLN2pFlwSplt模块：通过流量分配计算，得到控制阀的冲程基准值。DLN2pMode模块：是通过合理的逻辑判断与安排，得到合适的燃烧模式控制命令信号。DLN2pSpltSch模块：计算各模式下的燃料分配计划。DLN2pCtrlVlv模块：对3个控制阀G1、G2、G3进行故障失效判断，并给出相应的故障变量状态。DLN2pTmrCntr模块：对燃烧室各种运行模式的实际运行时间进行累计和计数。DLN2pRemTune模块：对SPPMG1、PPMG1、PPMG2、PMG2进行远程调试，从而得到对应的调试偏置量DLN2pComRef模块DLN2pComRef模块当燃烧基准温度TTRF1大于切换到SPPM模式的基准温度FXKTL＝800F时，SPPM模式投入运行，即变量L26FXL1＝1。同时使变量L26FXLY＝0，L26FXLX＝1，比较器的偏置由0变为FXKTLDB＝－50F，即退出SPPM燃烧模式的基准降低，以保证切换过程的稳定性。当SPPM燃烧模式退出后，通过一个延迟环节来防止频繁的切换进入SPPM燃烧模式。即L26FXL＝0，并且延迟K26FXLY1＝30s后，变量L26FXLY1才变为1。仅在L26FXLY1＝1时，才有可能切换到SPPM燃烧模式，即L26FXL＝1。并且只要L26FXL1＝1，就保持在SPPM燃烧模式。同理，当燃烧基准温度TTRF1大于FXKTH＝1750时，PPM模式投入运行，即L26FXH1＝1。退出PPM模式运行的基准温度为1720F。当燃烧基准温度TTRF1大于FXKTM＝2325F时，预混PM模式投入运行，即L26FXM1＝1。退出预混PM模式运行的基准温度为2275F。DLN2pComRef模块如果TTRF1大于K26FXPH＝1650F，即L26FXPH＝1；机组仍然处于扩散D模式，即L83FXP＝1；则持续K83FXP_ALM=5s后，变量L83FXP_ALM=1，系统给出报警信息：排放过高的扩散燃烧。如果TTRF1大于K26FXHH＝2300F，即L26FXHH＝1；机组仍然处于PPM模式，即L83FXH＝1；则持续K83FXH_ALM=5s后，变量L83FXH_ALM=1，系统给出报警信息：排放过高的PPM模式。DLN2pFlwSplt模块以G1控制阀D5的流量分配为例说明：扩散燃烧流量基准FXSG1选择按照如图所示的逻辑条件确定：如果D模式选择信号L83FXP＝1；则FXSG1＝FXK100＝100%；如果SPPM模式选择信号L83FXL＝1；则FXSG1＝SPPM模式下的扩散流量基准FXSG1_LC；如果PPM模式选择信号L83FXH=1；则FXSG1＝PPM位置下的扩散流量基准FXSG1_HCDLN2pFlwSplt模块通过如图示的变化率限制环节，使选定的扩散燃烧流量基准FXSG1按照预先设定的速度，缓慢变化到扩散燃烧燃料流量控制基准FXSG1C：允许应用SPPM模式分流到G2信号L3G2FXL；SPPM流量基准变化率FXKSG1R1；扩散燃烧流量基准变化率FXKSG1R；G1流量基准变化率旁通信号L3FQRG1RBDLN2pFlwSplt模块最后按照如图示算法，计算得到实际的扩散燃烧的燃料流量FQRG1和FQRG1X、G1的CG基准FQRG1CG、气体燃料1的燃料冲程基准FSRG1和扩散气体控制阀D5伺服命令FSRG1OUT。DLN2pFlwSplt模块同理，可以分析得到与G2控制阀PM1的流量分配相关的变量：G2的流量基准FXSG2、总百分数中的G2燃料FXSG2C、PPM中的流量分配已经完成信号L3G2H_RC、实际的G2燃料流量FQRG2和FQRG2X、G2的CG基准FQRG2CG、气体燃料2的燃料冲程基准FSRG2和PM1控制阀的伺服命令FSRG2OUT。同理，可以分析得到与G3控制阀PM1的流量分配相关的变量：G3的流量基准FXSG3、实际的G3燃料流量FQRG3和FQRG3X、G3的CG基准FQRG3CG、气体燃料3的燃料冲程基准FSRG3和PM4控制阀的伺服命令FSRG3OUT。DLN2pSpltSch模块计算各模式下的燃料分配计划。如图示，首先根据燃烧室基准温度TTRF1，线性插值得到SPPM时的扩散燃烧流量基准FXSG1_L，加上L1_RT_BA后得到带调试偏置的SPPM时的G1流量基准FXSG1_LBA，经过幅值限制处理（上限值为FXKSG1_LMX=80%、下限值为FXKSG1_LMN=68%）后得到SPPM限幅后的扩散燃烧流量基准FXSG1_LC。这里，线性插值函数使用的自变量数组为FXKTG1_L_n，因变量数组为FXKSG1_L_n。DLN2pRemTune模块主要实现对SPPMG1、PPMG1、PPMG2、PMG2进行远程调试，从而得到对应的调试偏置量L1_RT_BA、H1_RT_BA、H2_RT_BA、M2_RT_BA。当远程调试偏置关闭L83RT_OFF＝1时，SPPMG1的调试偏置量L1_RT_BA跳变到0。当L83RT_OFF