燃气轮机自动化性能优化——设计要素和经验

燃气轮机发电技术
第 14 卷
燃机的性能，实时地通知任何超出规格的参数。 此外，监控诊断中心的人员会整理运行数据并向
客户发送月度报告。这些报告记录了燃机调整、每次 调整事件的信息、性能结果。到目前为止，这个监控 诊断中心已经监控了超过 107 000 h 的燃机运行。
图 １１ 位于科罗拉多州洛弗兰德的监控诊断中心
操作者界面有三个棒形开关，允许操作者实时 优化燃机的性能。例如，当电价很高的时候，就优 先考虑产能而不是燃烧系统脉动问题。相反，在运 营的中间期，燃烧系统脉动应该是主要关注的问题。 然而，在任何情况下，自动调整系统都会调整燃烧 系统脉动 ；切换最优脉动的开关就可以轻松地改变 脉动调整的设定值。
该自动调整 / 优化系统可以配置成一个独立的 可 编 程 逻 辑 控 制 系 统（PLC）， 它 既 可 以 与 电 厂 现 有 的 设 备 接 合（ 最 好 是 电 厂 的 集 散 控 制 系 统， 即 DCS），也可以直接和燃气轮机控制系统对接。此外， 代码可以直接嵌入燃机的控制系统。图 5 展示了典 型的通讯设置。关键的输入数据有实时的燃机运行 参数、燃机控制设置、现场排放数据以及燃烧脉动 信息。燃气轮机控制系统（Mark V/VI）为自动调整 系统（一般通过 DCS）提供透平的所有相关信息。 排放持续监控系统（CEMS）提供了近乎实时的燃气
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坐落在美国西南部的沙漠地带，环境温度变化极大。 每天都能出现 35 ～ 50 °F 这样极端的温差，冬夏温 差在 80 ～ 100 °F 之间。由于如此极端的环境状况 变化，因此每季节，甚至每天都必须进行调整。温 度属性是自动调整系统的最理想的数据基础，它可 以使自动调整系统在任何环境条件下都能把燃气轮 机燃烧系统维持在可接受的操作空间内。
图 ４ 典型的 ＥＣＯＭＡＸＴＭ 操作者界面
由于优化燃气轮机燃烧系统的必要性，操作人 员一直面临着这样一个问题 ：既要使燃机保持最佳 出力和效率，也要维持对燃烧系统适当的调整。因此， 找到一个可以同时优化燃烧室和燃气轮机整体性能 的方案有很大好处。
图 3 展示了一个自动调整 / 性能优化的方案， 这一方案结合了操作指令（由燃气轮机操作者实时 规定）和燃气轮机燃烧室的操作窗。
MW。图 10 显示燃机性能增长的详细情况。
图 １０ 单循环燃机优化程序—功率提高
检修之后自动调整 —— 无需现场的干式低氮 调整工程师
图 ９ 联合循环燃气轮机机组优化程序—功率提高
2 号案例分析
电厂安装自动调整 / 优化系统后性能提升，单 循环 1 台机组的结构。
本案例是关于一台位于高原的简单循环燃气轮 机。如同沙漠气候有着显著的环境温差一样，多山地 区在燃机运行中也存在着极端的环境温差。由于处在 高海拔地区，燃烧系统的稳定性成了首要关注点。
图 ８ 燃气轮机脉动调整事件
1 号案例分析
电厂安装自动调整 / 优化系统后性能提升，联 合循环 2:1 结构
自动调整程序的一个额外好处就是可以改善燃 气轮机的性能（出力和热耗率）。图 9 展示的就是这 种改善的例子之一。在本案例中，一家联合循环发 电厂的燃气轮机安装了自动调整系统。这家发电厂
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轮机排气含氧浓度，NOx 和 CO 排放量。脉动持续监 控系统（CDMS）提供了实时的燃烧系统脉动运行数 据。
第 14 卷
图 ７ 标准的每周涡轮脉动性能
图 ５ 典型的自动调整 ／ 优化系统通信原理图
图 6 是一个每周的现场调整计划表。蓝色钻石 方块表示 O2 修正过的 NOx，中间的红线表示上限。 上方的红线代表燃气轮机的负荷。红色圆圈表示燃 机调整。位于下方的圆圈组代表火焰稳定性调整， 上方的圆圈组（在红色实线之上）代表高 NOx 调整。 此图说明了系统每天的自动调整大约为 2 ～ 3 次， 每月一般有 50 ～ 150 次性能调整。
之内，维持贫油预混燃烧系统稳定性的方法对这个 行业来说是非常有价值且有益处的。有一种系统， 通过透平传感器获得近乎实时数据，从而对燃料分 配、气体燃料的进气温度和机组整体的燃料与空气 的比率进行调整，这是非常有价值的。
影响透平性能的变量
如图 1 所示，影响燃气轮机性能的主要参数有 ： 气候（环境温度，湿度，压力），燃料成分，仪表偏 差（LDVT drift），部件老化。
有些用户可能不习惯不用亲力亲为的自动调整 / 优化方式。为减轻这种顾虑，同时也为了确保自动 调整系统能恰当地发挥功能，操作者可以使用一个 实时的监控诊断（M&D）中心。图 11 展示了在佛 罗里达州奥兰多市的一个监控诊断中心，通过卫星 观察在德克萨斯州奥斯丁市和纽约州特洛伊市的电 站。这个监控诊断中心持续地接收相关联的燃机运 行参数，并且每当有参数超出标准时、以及每当系 统被调整时，中心就会实时地发出警报。
图 3 描绘了 ECOMAXTM 燃气轮机自动调整 / 优 化系统的运作原理。本质上，这一方案提供了一段 接近在可允许燃烧室运行工况边缘的缓冲区。缓冲 区的范围是由操作者和优化控制工程师共同决定的。 当燃烧系统的性能，即实时运行参数与这一缓冲区 交集时（如橙色区域所示），自动调整系统就会将燃 气轮机调整到可接受的性能。此外，黄色、绿色和 蓝色三个大区域表示可允许的操作空间，这由操作 人员根据自己的操作特点进行设置。操作者可以使 用一个图像的使用界面，如图 4 所示。
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图 ２ 典型的燃气轮机运行工况
色实线内的灰色区域表示。中间蓝色的区域代表最 近一次手动调整后的燃气轮机日常操作空间。该操 作空间周围的三个橙色区域表示当条件改变时经常 出现状况，即环境温度变化，硬件损坏和 / 或老化。 每当橙色区域与黑色实线（燃烧室运行条件）交叉 重叠时，表示燃烧室的运行参数超出允许范围（即 过量的排放、过度的脉动和 / 或爆燃的风险）。很显 然，这些状况应当避免，因此有必要再做一次“调整”。 自动调整系统可以做到实时地修复这些状况。
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燃气轮机发电技术
2012 年 10 月
燃气轮机自动化性能优化——设计要素和经验
Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ Ｎ． Ｃｈａｎｄｌｅｒ， 燃机优化技术副总裁，Ｗｏｏｄ Ｇｒｏｕｐ
摘要：贫油预混燃烧系统常用于地面固定式的燃气轮机，目的是为了减少 ＮＯｘ 和 ＣＯ 等的排放。这类系统使用 以来一直很成功。在某些情况下，燃机的排放水平处于测量标准的下限范围，ＮＯｘ 和 ＣＯ 的排放大约为（１￣３） ×１０－６。尽管从减少排放的角度来看，这类系统的使用非常有益，但是某些变量（如系统的运行边界条件、燃料成 分的变化）都会影响到机组的效率。
所谓的运行边界条件包括对燃料的状况、分配 及注入燃烧区的控制。在贫油预混燃烧系统中，这 已成为一个关键的运行参数，当温度、湿度、压强 等环境条件改变的时侯，这一运行参数就需要频繁 的 调 整。 对 燃 料 状 况、 分 配、 注 入 量 的 重 新 调 整， 称之为“调整（tuning）”。
燃料成分的变化足以引发贫油预混燃烧系统热 量释放的变化。这种的变化可能导致排放偏移、燃 烧过程不稳定，甚至是燃烧系统爆燃。
图 ６ 燃机典型的每周排放性能
图 7 是典型的燃气轮机脉动数据。空心蓝色钻 石方块表示较低频率的脉动，空心深红色钻石方块 表示较高频率的脉动。黑色实线表示脉动调整限度。 与图 6 一样，上方的红线代表燃气轮机的负荷。图 7 说明了所有的燃烧脉动操作都在调整限度之下，因 此没有脉动调整出现。
在常规操作中，大约 90% 的调整事件都与排放
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图 ３ 使用 ＥＣＯＭＡＸＴＭ 燃机自动调整 ／ 优化系统的燃气轮机的运行工况
自动调整和性能优化方案
人为操控的燃烧系统通常是通过手动设置运行 的参数，这些手动设置的参数都是基于平均运行条 件。这些设定值在设定时是满足要求的，但是状况 可能在大约数小时或数日之内发生变化并引起无法 接受的状况。因此必须重新调整这些条件。常规的 调整方法是使用一个基于燃机运行参数的公式来预 测排放量。这种方法只为燃料分配以及整台机组的 燃料与空气比率选取了一个设定值，但没有修改其 他参数，如燃气温度。这种方法不允许及时的变动， 也没有利用实时的动态和排放数据，没有改善燃料 分配、燃料温度或燃机的其他运行参数。
对燃烧系统的操作不当的结果表现为压力脉动 扩张或燃烧脉动增加。压力脉动具备足够的力量可 以毁坏整个燃烧系统，大幅缩短燃烧硬件的寿命。 此外，对燃烧系统不当的调整会导致排放偏差，超 出排放标准。燃烧脉动和排放控制导致的另一个后 果是电厂对出力降低和热耗提高水平低估的可能性。 因此，通过定期或者周期的调整，在适当运行条件
气候
燃料
变量
偏差
老化 图 １ 影响透平性能的变量
当这些参数的改变时，燃烧室的运行情况也随 之改变。图 2 显示这些参数通常是如何影响透平的 运行情况的。
图 2 描述的是燃烧室运行可允许的条件，以黑
பைடு நூலகம் 3/4 期
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另外，这个发电厂的运行方式是 F7FA+e 燃机 设计条件下的基本负荷运行。除了安装自动调整平 台，这家电厂还安装了燃机性能优化程序（在这里 称为 Tru-CurveTM），确保机组的出力和效率安全可靠 地提升。这一优化程序还包含了机组基本负荷控制 曲线根据设计条件提升。
这家联合循环发电厂（2:1 结构）三个电站的出力 提升了 8.0 ~ 11.0 MW，热耗率改善了 0.20% ~ 0.25%。
监控和诊断
这个监控诊断中心监控着所有装有 ECOMAX 系统的机组的性能。系统可以实时监测到任何异常 情况，监测方法包括扫描式检查、比照算法、设备 性能方程式等的方法。每当有运行参数超出规格， 实时的警报就会产生，同时监控诊断中心会自动地 通知所有相关人员和部门。这样就可以实时地监控
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总结与结论
科技已经发展到一个新时代，使用贫油预混燃 烧系统的重型工业燃气轮机可以进行自动调整。这 种调整法则可以作为一个独立的可编程逻辑控制系
统（PLC），因此无需大范围地升级燃机控制系统来 存储额外要求的代码。该方法已经在许多不同的燃 机控制系统和电厂控制平台上验证过。
ECOMAX 自动调整方案已经在美国许多地区安 装使用，适用于各种各样的温度、压力、湿度等环 境条件。迄今为止，该方案已在 6 个不同地点的 18 台装置上持续运行，已经有 100 700 h 运行记录。燃 机优化可以与自动调整相结合，以进一步优化发电 厂的运营绩效。以上两个案例已经证实了这种方法 可以带来的巨大绩效提升。
或稳定性问题有关。图 8 展示了这类脉动调整事件 中的一个例子。蓝色实心方块表示实际的燃烧系统 脉动，黑色实线表示脉动调整限度。暗红色实心方 块表示调整参数，在这个例子中的调整参数指燃烧 系统的燃料分离。红色线表示燃烧系统脉动的“平 滑的”体现。在这个例子当中，燃烧系统脉动在限 度之上移动，燃料分离被调整，随后脉动水平就继 续处于调整临界值之下。
如同 1 号案例，刚开始这家电厂也是 F7FA+e 燃机设计的点火温度条件下基本负荷运行参数。在 2009 年秋天，这家电厂安装了燃气轮机自动调整 / 优化系统。
修正环境温度和环境压力之后的功率提升了 4.5
自动调整系统在热通道检查（HGPI）之后成功 地自动调整了燃气轮机的成功案例已经有很多。在 每次硬件更换后，再也不需要操作人员在现场进行 干式低氮调整。自动调整系统在燃烧检查（CI）后 成功地自动调整燃烧系统也有很多成功的案例，也 不需要操作者的介入。