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重型燃机控制自主可控技术研究与应用

张方 华电电力科学研究院有限公司技术主管我来自华电电力科学研究院有限公司，我今天的题目是《重型燃机控制自主可控技术研究与应用》。 一、背景与意义燃气轮机具有高效、造价低、灵活性高、建设周期短等优点，在全球发电领域都得到了重视和发展，随着空气动力学、材料学、信息学等学科的发展，燃气轮机发电技术不断提高。燃气轮机在发电领域具有众多优点，也是纵观高端设计、材料、制造等技术集成的重大动力设备。燃气轮机技术已成为国家科技水平、军事实力，甚至综合国力的重要标志。其中重型燃机更是能源发展的重大恒兴装备。 燃气轮机控制系统（TCS）对于燃气轮机机组长期安全运行具有关键性作用，国外长期对其关键核心技术严密封锁；TCS均为OEM厂商配套供货，有三大系统：GEMark系列、三菱DIASYS、西门子T3000；在燃机领域，没有控制系统逻辑设计、组态、调试、优化的概念，只有“拿来主义”；由于TCS的“卡脖子”，燃烧调整、运行优化、检测实验等工作都受制于人。 个别机组在2014年新环保标准发布前，随着燃烧室的低氮改造，由国外第三方非OEM厂商做了控制系统改造：武汉汉能、深圳蓝天GE 9E机组的Mark V控制系统改造为艾默生的Ovation系统。国内TCS相关技术研发，由于缺乏试验验证平台，不能上机运行验证， 获取相关数据和运行业绩，无法发现差距、改进提高。当前形势，需要由政府支持和引导，支持并提供条件让国内企业和科研院所研发制造的燃机核心部件能够进行试验验证，提高国产部件的质量水平。 从2002年至今，完成华电集团30多台燃机（除本体外）的调试工作，涵盖各类机型和 控制系统。掌握GE公司F级燃机燃烧调整技术，并成功示范应用于集团公司半山电厂GE 9FA机组、下沙热电GE 6FA机组；成功自主研发GE E级燃机燃烧调整技术，完成吴江热电GE 9E机组燃烧调整。 燃机控制的难点、痛点是控制策略、燃烧调整和调试。燃机控制策略严密地封锁，捆绑控制系统，燃机燃烧调整需求大，但技术难度大且封锁，燃机调试受限，遭“清场”方式，存在信息安全隐患，仿真平台精度不高，应用受限，运维成本高、燃机运行优化受限。 燃气控制痛难点的技术解决方向是自主开展控制策略开发、燃烧调整和调试。控制策略开发方包含分散度计算、压比极限计算等，燃烧调整方面包含燃烧状态诊断、燃烧压力脉动监测等，自主调控方面主要包含虚实融合技术、自主调试、灵活运行等，仿真平台包含高精度模型、精细化模型等。 需要突破燃机核心控制策略的封锁开发自动保护策略、顺序控制策略、自动调节策略和自动检测策略，实现控制策略自主化开发。研制燃烧压力脉动监测系统、燃烧状态诊断等创新产品和技术，推进燃机燃烧调整试验的开展。研究虚实融合技术和燃机本体调试技术，推进燃机的自主调试的开展， 确保机组运行安全和网络安全。研究燃机灵活运行技术，深度挖掘燃机调频和调峰的能力。研制燃机高精度仿真平台，推进燃机调试、控制策略开发、优化的数字化进程。 二、燃机控制关键技术燃机控制关键技术包含四部分内容，第一是高精度燃机方针建模及平台开发，包含部件特性自适应技术研究、精细化燃机本体模型开发以及模块化燃机辅助系统建模开发。第二是燃机控制策略模块化开发及优化研究，包括燃机、燃气核心控制模块研究、软硬融合的转速保护技术研究、燃机控制策略模块化和通用性研究、PI控制参数寻优及先进控制算法。第三是燃烧压力脉动检测系统及燃烧状态诊断与燃烧调整技术研究，包括压力脉动监测装置的研究、燃烧理论研究及燃烧调整技术研究。第四是自主调控研究，包括燃机本体自主调试技术研究、虚实融合调试技术研究、燃机实时负荷动态上限计算研究及深度挖掘燃机调频与调峰技术的研究。 我们基于启动曲线启动模块开发，根据燃机带负荷瞬态机理模块开发、基于机理的启动瞬态模块研发了燃气轮机全工况仿真模型，经过接口设计、软硬件结构设计以及系统架构设计的调试验证，该模型可以进行带负荷控制系统的验证，可以启动控制系统验证，可以根据环境扰动控制系统验证。 我们通过高精度重型燃气轮机的高压比压气机与透平自适应修正建模方法，建立了机理模型与实际运行数据的混合启发式优化算法，有效解决特性线精度不足与人工修正的问题。燃气轮机的仿真中，压气机与透平特性线的准确程度决定了最后仿真结果的精度，出于厂商的保密，特性线通常无法直接从厂家处获取，并且随着运行时间以及复杂工况的变化，为解决特性部件变化的问题，提出了压气机与透平特性自适应修正的方法。 我们通过工质热物性计算、本体部件以及辅助系统三大类燃机精细化模型库，构建了半物理仿真平台，满足燃气轮机变工况特性分析和控制逻辑验证与优化。 我们自主开发了压气机压比限值计算、燃烧参考温度基准值、排气温度分散度等关键算法，开发了集自动检测、顺序控制、自动调节、自动保护为一体的通用性、模块化燃机控制策略，解决了国外控制逻辑封锁的问题。核心控制模块包括分散度计算模块、燃烧温度基准值计算模块、燃烧分配模块、压气机压比极限计算模块、阀门流量特性计算模块、计应力计算模块、温匹计算模块、升速上限计算模块等。通用性模块化包含转速/负荷控制模块、排气温度控制模块、加速度控制、启动控制模块、停机控制模块、主控模块、燃烧模式模块以及保护模块等等。 我们采用燃气转速/负荷自适应控制的方法，解决了燃气机性能退化的非线性问题，提升了控制品质。比如控制参数寻优的方法。 采用燃机燃烧运行状态诊断技术，提出燃烧诊断技术和燃烧调整技术，实现了DLN1.0的燃烧自主调整技术，解决重型燃机燃烧过程中污染物排放与燃烧稳定性之间相互矛盾的问题。 我们还研制了燃机燃烧脉动监视系统，系统包括压力脉动探头、前置放大器、机柜及显示器、监视画面等等。 燃机控制自主调控技术内容的研究包括燃机本体自主调试技术研究、燃机本体调试与半物理仿真平台融合技术的研究、联合循环机组的快速启动技术研究、燃机实时负荷动态上限计算方法研究、深度挖掘燃机调峰、调频技术研究、燃机灵活运行技术体系研究等。 燃机控制关键技术采用了重型燃机虚实融合测试技术，打通了理论建模、仿真分析和现场调试数据和应用壁垒，实现了燃机本体调试自主可控；实现了燃机快速启停、动态负荷上限计算、网源协调技术，深度挖掘了燃机机组灵活运行能力，有效支撑新型电力系统建设。 通过对重型燃机联合循环机组实时动态负荷上限计算，当大气温度升高时，即使机组的转速和燃气透平前的燃气初温保持恒定，压气机的压比会有所下降，燃气透平做功量减少；气压力的变化会影响空气的比容，影响压气机的效率，从而影响燃气轮机的出力；增大了进气的阻力，降低了燃气轮机的出力；低温空气中，相对湿度为100%的大气中所含的水蒸气数量仍然很少，可以忽略不计。 我们的网源协调技术的快速启停技术，实现了燃机快速启停、动态负荷上限计算、网源协调技术，深度挖掘了燃机机组灵活运行能力，有效支撑新型电力系统建设。可提前介入调压和调频，定速3000快速并网。可调整加速度调节品质，更加快速启动燃机。可以调整控制回路稳定性，燃机更快带至基本负荷。具备深度挖掘燃机调频能力与深度挖掘燃机调峰能力。 三、应用情况我们的燃机控制系统主要在戚墅堰电厂、半山电厂和龙源电厂进行了推广应用。改造好之后，我们对比了P2调节性能、负荷调节性能、转速调节性能等性能都明显优于改造前的运行情况，它的可靠性、稳定性、精度等都有改善和提升。 注：文字实录未经专家整理核实，仅作参考使用，具体解释权归本次会议主办方所有。 未经授权，请勿转载