燃气轮机NOx闭环控制方法、系统与流程

燃气轮机nox闭环控制方法、系统
技术领域
1.本发明涉及重型燃气轮机发电领域，具体涉及一种用于重型燃气轮机多变量前馈及串级反馈控制的no
x
闭环控制方法及系统。


背景技术：

2.当前国内投运的重型燃气轮机普遍采用适用天然气燃料的干式低氮燃烧器，燃机燃烧调整技术是燃机调试最为核心的关键控制技术。燃烧调整本质上是调整进入燃烧室的各路燃料量和空气量来实现燃机燃烧的稳定性和环保性，燃烧调整贯穿于机组从点火到满负荷运行的各个阶段。因此，燃烧调整质量的好坏，直接关系到机组的热效率、燃烧室部件和热通道部件的安全运行及污染物排放是否合格。
3.重型燃机制造商的燃烧控制策略一般采用开环的控制技术，控制系统内控制参数一般是固定值，对环境变化、燃料等各种扰动的适应性不强。在燃烧调整过程中一般采用对天然气温度、天然气压力来修正燃料量。在机组实际运行过程中，由于大气环境、天然气热值变化、机组老化、阀门特性变化等因素，预设控制参数不能满足新的燃烧状况，从而会进一步影响到电厂运行的安全性和经济性，会导致燃烧不稳定、排放超标的问题，因此需要定期做燃烧调整。
4.oem传统的燃烧调整的目标是把污染物控制在国家或者地区排放限值以下即可，且燃烧调整时对燃烧稳定性，往往留有较大的调节裕度，为了保证机组安全稳定运行牺牲了燃烧效率和部分排放指标，在实际运行中经常出现no
x
排放超标现象。随着国内日趋严格大气污染物排放控制要求，国内部分地区对燃气轮机的no
x
排放提出了更为严苛的要求，传统的燃烧调整方法无法已经应对新的挑战。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的就是为了克服目前燃烧调整技术中存在的固有不足而提出的一种带多变量前馈及串级反馈控制的燃气轮机no
x
闭环控制方法及系统，该方法和系统可以嵌入到已有的燃烧自动调整系统内，实现对燃机燃烧和排放的闭环控制，提高燃烧对边界条件扰动的适应性，在机组控制参数突变时能及时进行干预，从而达到动态最优燃烧控制。
6.技术方案：本发明所述的一种燃气轮机nox闭环控制方法，其特征在于：所述方法是通过多变量前馈结合串级反馈控制，并在兼顾燃烧稳定性的前提下，实现对燃气轮机的动态闭环控制，从而使得燃气轮机排出的no
x
浓度符合要求。
7.在一些实施方式中，所述多变量前馈的模型是基于燃机负荷、大气温度和湿度以及天然气热值的变量输入，实现燃烧的前馈动态控制。
8.在一些实施方式中，所述串级反馈控制包括主控制闭环反馈和副控制闭环反馈。
9.在一些实施方式中，所述主控制闭环反馈是通过控制天然气各支路的配比来调节no
x
的排放；通过测量反映燃烧脉动的humming值来计算燃烧稳定性裕度，在满足燃烧稳定
性裕度的前提下，实现no
x
排放的闭环控制。
10.在一些实施方式中，所述副控制闭环反馈是通过控制透平进口温度来间接动态控制no
x
排放恒定。
11.另一方面，在一些实施方式中，本发明还公开了一种燃气轮机no
x
闭环控制系统，包括主控制回路系统、副控制回路系统、前馈控制系统以及透平进口温度计算系统；所述主控制回路系统的输入为no
x
设定值和连续烟气排放监测系统测量的燃烧室实时no
x
值，所述主控制回路系统输出和透平进口温度计算系统的输出作为副控制回路系统的输入设定值和反馈值，前馈控制系统的输出介于燃机与天然气阀门之间。
12.在一些实施方式中，所述前馈控制系统是基于燃机负荷、大气温度和湿度以及天然气热值的变量输入，实现燃烧的前馈动态控制。
13.在一些实施方式中，所述主控制回路系统是通过控制天然气各支路的配比来调节no
x
的排放；通过测量反应燃烧脉动的humming值来计算燃烧稳定性裕度，在满足燃烧稳定性裕度的前提下，实现no
x
排放的闭环控制。
14.在一些实施方式中，所述副控制回路系统是通过控制透平进口温度来间接动态控制no
x
排放恒定。
15.在一些实施方式中，所述透平进口温度的测量具体为：通过燃机透平排气段出口温度、转速、大气湿度、排气压损和透平压降，进入燃烧室的冷却空气量与透平出口压力和igv开度的关系，通过质量和能量守恒公式来计算透平进口温度。
16.有益效果：本发明的有益效果如下：（1）本发明结合串级控制基本原理，串级控制有主控制回路和副控制回路，主控制回路的输出是副控制回路的设定值，串级控制的优点是快速消除扰动对被调量的影响；（2）本发明把透平进口温度控制作为串级控制的副回路，通过副变量（透平进口温度）的偏差去控制igv的开度，cems测量的no
x
值作为主控制回路的变量，通过调节燃空比和各天然气支路的配比来调节no
x
值；（3）本发明通过燃机已有测点（透平排气段出口温度，转速，大气湿度，排气压损和透平压降等）、进入燃烧室的冷却空气量与透平出口压力和igv开度的关系，通过质量和能量守恒公式来计算透平进口温度，通过控制透平进口温度来间接控制no
x
排放恒定；通过副回路直接、快速的响应，能把燃烧温度控制在一个合理区间内，达到有效抑制no
x
的大幅波动的目的；（4）本发明通过测量反应燃烧脉动的humming值来计算燃烧稳定性裕度，在满足燃烧稳定性裕度的前提下，实现no
x
排放的闭环控制；（5）本发明建立了环境温度、空气湿度和天然气成分对燃机的燃烧稳定性和no
x
排放影响模型，并通过机组的运行数据对模型结果进行修正；当环境温度、空气湿度或天然气成分发生改变时，模型能够提前计算出燃烧控制参数的修正量，在这些边界条件对燃烧产生影响时，能立刻把燃烧控制参数调整到位，进而实现no
x
排放的前馈控制；（6）本发明建立了负荷的前馈控制模型，本发明通过试验获得了不同负荷下no
x
排放合格的参数配置组合作为前馈控制的输出值，结合其它前馈值，作为总的前馈输出；no
x 闭环控制在前馈控制粗调的基础上再进行精调，实现了no
x
的快速精准控制。
附图说明
17.图1为本发明一个实施例的串级闭环控制系统示意图；图2为本发明一个实施例的前馈控制系统示意图。
具体实施方式
18.下面将结合附图对本发明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一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
20.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
21.下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
22.实施例1一种燃气轮机nox闭环控制方法，该方法是通过多变量前馈结合串级反馈控制，并在兼顾燃烧稳定性的前提下，实现对燃气轮机的动态闭环控制，从而使得燃气轮机排出的no
x
浓度符合要求。该方法可以嵌入到已有的燃烧自动调整系统内，实现对燃机燃烧和排放的闭环控制，提高燃烧对边界条件扰动的适应性，在机组控制参数突变时能及时进行干预，从而达到动态最优燃烧控制。
23.本实施例中，多变量前馈建立与验证：对燃烧有直接影响的外界干扰因素很多，但是不是所有因素能持续有效识别。本发明建立了多变量对燃机的燃烧稳定性和no
x
排放影响模型，并通过机组的运行数据对模型结果进行修正。当多变量发生改变时，模型能够提前计算出燃烧控制参数的修正量，在这些边界条件对燃烧产生影响时，能立刻把燃烧控制参数调整到位，进而实现no
x
排放的前馈控制。
24.本实施例中，把传统串级控制理论应用于在复杂的燃机燃烧控制no
x
排放控制中。由于连续烟气排放监测系统（cems）的响应时间比较慢，时间常数通常为2~3分钟，因此严重影响了no
x
调节的精度和响应时间。本发明借鉴串级控制基本原理，串级控制的优点是快速消除扰动对被调量的影响。
25.实施例2一种燃气轮机nox闭环控制方法，该方法是通过多变量前馈结合串级反馈控制，并在兼顾燃烧稳定性的前提下，实现对燃气轮机的动态闭环控制，从而使得燃气轮机排出的no
x
浓度符合要求。该方法可以嵌入到已有的燃烧自动调整系统内，实现对燃机燃烧和排放的闭环控制，提高燃烧对边界条件扰动的适应性，在机组控制参数突变时能及时进行干预，从而达到动态最优燃烧控制。
26.本实施例中，多变量前馈建立与验证的具体表现为：对燃烧有直接影响的外界干扰因素很多，但是不是所有因素能持续有效识别。本实施例中建立了环境温度、空气湿度和天然气成分对燃机的燃烧稳定性和no
x
排放影响模型，并通过机组的运行数据对模型结果进行修正。当环境温度、空气湿度或天然气成分发生改变时，模型能够提前计算出燃烧控制参数的修正量，在这些边界条件对燃烧产生影响时，能立刻把燃烧控制参数调整到位，进而实现no
x
排放的前馈控制。
27.燃机负荷的前馈控制：运行记录显示当燃机快速变负荷时，易导致no
x
有较大波动。由于燃机的原始控制逻辑中，当机组处于快速变负荷阶段，透平排气温度控制的以前馈为主，反馈为辅。此时本串级控制对no
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的调节效果有限，因此本发明建立了负荷的前馈控制模型，通过试验获得了不同负荷下no
x
排放合格的参数配置组合作为前馈控制的输出值，结合上文中的其它前馈值，作为总的前馈输出。no
x
闭环控制在前馈控制粗调的基础上再进行精调，实现了no
x
的快速精准控制。
28.本实施例中，具体的，把传统串级控制理论应用于在复杂的燃机燃烧控制no
x
排放控制中。由于连续烟气排放监测系统（cems）的响应时间比较慢，时间常数通常为2~3分钟，因此严重影响了no
x
调节的精度和响应时间。本实施例中借鉴串级控制基本原理，串级反馈控制包括主控制闭环反馈和副控制闭环反馈，主控制闭环反馈的输出是副控制回路的设定值。串级控制的优点是快速消除扰动对被调量的影响。同时把透平进口温度控制作为串级控制的副回路，通过副变量（透平进口温度）的偏差去控制igv的开度。cems测量的no
x
值作为主控制回路的变量，通过调节燃空比和各天然气子路的配比调节no
x
值。
29.副控制闭环反馈透平进口温度的确定：考虑到天然气燃料中氮元素较少，燃机燃烧过程中产生的no
x
大多为热力型no
x
，而火焰中心温度是影响热力型no
x
产生的主要因素。只要能控制好燃烧火焰温度就能基本控制no
x
排放稳定，由于火焰中心温度大于1300℃, 无法直接测得，本实施例中通过燃机已有测点（透平排气段出口温度，转速，大气湿度，排气压损和透平压降等）、进入燃烧室的冷却空气量与透平出口压力和igv开度的关系，通过质量和能量守恒公式来计算透平进口温度（具体的透平进口温度由燃机控制程序自动计算得出），通过控制透平进口温度来间接控制no
x
排放恒定。
30.考虑到igv控制精度和负荷变化等扰动，允许透平进口温度有
±
5k的死区，通过副回路直接、快速的响应，能把燃烧温度控制在一个合理区间内，达到有效抑制no
x
的大幅波动的目的。
31.主控制闭环反馈具体表现为：主控制闭环反馈是通过控制天然气各支路的配比来调节no
x
的排放，本实施例中具体应用于西门子某型燃机，值班气流量对于该型燃机的燃烧稳定性和no
x
排放影响很大。因此，通过测量反应燃烧脉动的humming值来计算燃烧稳定性裕度，在满足燃烧稳定性裕度的前提下，实现no
x
排放的闭环控制。由于no
x
的测量回路的响应时间比较慢，通常为2~3分钟，因此主回路是大延迟闭环控制。
32.实施例3如图1所示，本发明的燃气轮机no
x
闭环控制系统，包括主控制回路系统、副控制回路系统、前馈控制系统以及透平进口温度计算系统；所述主控制回路系统包括主控制器、天然气阀门、燃烧室以及cems，主控制回路系统的输入为no
x
设定值和连续烟气排放监测系统（cems）测量的燃烧室实时no
x
值，其中主控制器和透平进口温度计算系统的输出作为副控
制回路系统的输入设定值，副控制回路系统包括副控制器、igv以及燃机；前馈控制系统的输出介于燃机与天然气阀门之间。
33.本实施例中，主控制器和副控制器的结构相同，都是含输入值（设定值和反馈值的偏差），被调对象和输出值，输出值去控制被调对象，直到设定值和反馈值的偏差满足要求。
34.如图1所示，本系统把传统串级控制理论应用于在复杂的燃机燃烧控制no
x
排放控制中。连续烟气排放监测系统（cems）的响应时间比较慢，时间常数通常为2~3分钟，因此严重影响了no
x
调节的精度和响应时间。本系统借鉴串级控制基本原理，串级控制有主控制回路和副控制回路，主控制回路的输出是副控制回路的设定值。串级控制的优点是快速消除扰动对被调量的影响。本系统把透平进口温度控制作为串级控制的副回路（见图1），通过副变量（透平进口温度）的偏差去控制igv的开度。cems测量的no
x
值作为主控制回路的变量，通过调节燃空比和各天然气子路的配比还调节no
x
值。
35.副控制回路中透平进口温度的确定：考虑到天然气燃料中氮元素较少，燃机燃烧过程中产生的no
x
大多为热力型no
x
，而火焰中心温度是影响热力型no
x
产生的主要因素。只要能控制好燃烧火焰温度就能基本控制no
x
排放稳定，由于火焰中心温度大于1300℃, 无法直接测得，本系统通过燃机已有测点（透平排气段出口温度，转速，大气湿度，排气压损和透平压降等）、进入燃烧室的冷却空气量与透平出口压力和igv开度的关系，通过质量和能量守恒公式来计算透平进口温度，通过控制透平进口温度来间接控制no
x
排放恒定。
36.考虑到igv控制精度和负荷变化等扰动，允许透平进口温度有
±
5k的死区，通过副回路直接、快速的响应，能把燃烧温度控制在一个合理区间内，达到有效抑制no
x
的大幅波动的目的。
37.串级控制的主回路：串级控制的主回路是通过控制天然气各支路的配比来调节no
x
的排放，本实施例中，系统具体应用于西门子某型燃机，值班气流量对于该型燃机的燃烧稳定性和no
x
排放影响很大。因此，本系统通过测量反应燃烧脉动的humming值来计算燃烧稳定性裕度，在满足燃烧稳定性裕度的前提下，实现no
x
排放的闭环控制。由于no
x
的测量回路的响应时间比较慢，通常为2~3分钟，因此主回路的是大滞后的闭环控制。
38.前馈控制模型的建立与验证：对燃烧有直接影响的外界干扰因素很多，但是不是所有因素能持续有效识别。本系统建立了环境温度、空气湿度和天然气成分对西门子某型燃机的燃烧稳定性和no
x
排放影响模型，并通过机组的运行数据对模型结果进行修正，如图2所示。当环境温度、空气湿度或天然气成分发生改变时，模型能够提前计算出燃烧控制参数的修正量，在这些边界条件对燃烧产生影响时，能立刻把燃烧控制参数调整到位，进而实现no
x
排放的前馈控制。
39.前馈控制模型中负荷前馈控制：运行记录显示当燃机快速变负荷时，易导致no
x
有较大波动。由于燃机的原始控制逻辑中，当机组处于快速变负荷阶段，透平排气温度控制的以前馈为主，反馈为辅。此时本串级控制对no
x
的调节效果有限，因此本系统建立了负荷的前馈控制模型。通过试验获得了不同负荷下no
x
排放合格的参数配置组合作为前馈控制的输出值，结合上文中的其它前馈值，作为总的前馈输出（如图2所示）。no
x
闭环控制在前馈控制粗调的基础上再进行精调，实现了no
x
的快速精准控制。
40.综上，本发明的系统可以嵌入到已有的燃烧自动调整系统内，实现对燃机燃烧和排放的闭环控制，提高燃烧对边界条件扰动的适应性，在机组控制参数突变时能及时进行
干预，从而达到动态最优燃烧控制。
41.另外，本发明采用前馈控制和闭环控制相结合的方法，包括前期准备和在线运行调整两个阶段，具体包括：（1）前期准备阶段包括以下步骤：1.首先确定对燃烧产生扰动的影响因素，包括大气温度、湿度，天然气热值，负荷变化幅度和变化率，机组老化，阀门特性改变等因素。根据扰动因素的可识别和可计量等特性，本发明选取大气温度和湿度，天然气热值和燃机负荷变化量作为前馈控制的输入量；2.建立已选取前馈变量对no
x
影响的物理机理模型；3.提取特定机组一年的历史运行数据，解析单个前馈变量对no
x
产生的影响量。例如，在保持其它变量基本不变的前提下，找出不同热值和温度的天然气与no
x
产生之间的关系曲线；4.通过机组历史运行数据对前馈物理型在特定机组的应用进行修正；5.建立透平进口温度计算模型；（2）在线运行调整阶段包括以下步骤：1.定时采集透平排气温度、预热锅炉进口温度、压气机压比、humming、燃烧室差压等数据；2.确定串级控制副回路的调节变量为透平进口温度，通过透平进口温度模型计算出的估算值扰动试验来整定副控制器调节参数，确保透平进口温度计算值控制在
±
5k范围内；3.确定串级控制主调节回路调节变量为no
x
值，通过no
x
设定值扰动试验来整定主控制器调节参数；4.单独投用串级控制回路，优化主、副控制器的参数；5.单独投用前馈控制回路，测试在不同负荷段，各输入变量前馈控制器输出对no
x
的影响，并对控制器参数进行校正；6.投用前馈控制和串级控制回路，测试调节性能，确保在各种扰动下no
x
的实际值在设定值
±
1.5mg/nm3的范围内波动；7.进行变负荷扰动试验，测试负荷前馈控制响应特性和串级控制精度特性。
42.本发明能够嵌入到自动燃调系统里，作为自动燃调系统的子功能块。该自动燃调系统设计有燃烧稳定性控制模块、no
x
减排控制模块和性能优化模块。自动燃调系统实时采集机组运行信号、cems信号和cdms燃烧脉动信号。该系统实根据燃烧脉动信号，实时计算燃烧稳定性裕量和no
x
实时排放值，自动燃调系统每150秒进行一回路的no
x
测量和调整，并计算燃烧稳定性裕量的变化；如果no
x
调整到位，则会继续计算燃烧稳定性裕量；如果no
x
没有调整到位，则会根据稳定性裕量的多少决定是否进行下一个回路的调整，直到no
x
调整到位或者稳定性裕量到达最小下限值。如果在no
x
减排控制模式未起作用的前提下，no
x
排放稳定在排放限值以下5分钟以上，性能优化控制模块可参与性能优化调整，当no
x
逐渐升高到一定值时，性能优化控制逐步退出调节，如果no
x
继续升高no
x
减排控制模式参与控制。本自动燃烧调整系统的投用实现了燃机燃烧稳定性、经济性和环保性能的动态最优控制。
43.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人
员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。