PG5361燃机改烧焦炉煤气时控制系统改造介绍

摘 要：焦炉煤气是制取焦炭时产生的副产品，是煤焦化过程得到的可燃气体，直接利用焦炉煤气作为燃料生产高品位的电能，是焦炉煤气利用的主导方向，是焦炉煤气开发利用最经济、最简便的方式，前景非常广阔。燃气蒸汽联合循环发电（combined cycle power plant，简称CCPP）方式是焦炉煤气发电的最优方式，其具有热效率高（发电效率一般能到40%-55%）、污染少、启动快、占地少、用水量少等优点。但是，由于焦炉煤气是一种含氢量很高的有毒易燃易爆气体，在空气中的爆炸极限范围宽，燃烧时火焰传播速度快，存在容易引起回火等问题。对于通常按标准燃料（天然气和柴油）设计的燃气轮机，必须对其燃烧系统和控制保护系统进行适当改造设计后才能用于焦炉煤气燃料发电。

关键词：焦炉煤气；控制系统改造；研究分析

我公司PG5361燃气轮机改烧焦炉煤气已取得成功，在国内外属首创。现就改烧焦炉煤气时控制系统改造做一简单介绍。

1 原控制系统功能简介

该机组的控制系统是1997年由MARK II 改造升级为MARK V 单通道的系统，使用的是DOS操作系统的人机接口-----机。控制范围分为三部分：协调控制、顺控控制和保护。协调控制主要完成：起动、转速/负荷、温度、液体燃料的控制。顺控主要完成：启动和停机过程中控制及监视各种辅机设备。保护功能主要完成：超速、超温、振动、熄火、燃烧监视、CO2灭火保护、低润滑油压、高润滑油温等。

单通道MARK V 使用在燃气轮机控制国内机组仅此一台。由于原机组仅燃用轻柴油，程序很简单，主要保护功能，采用直接接入保护模块的方式。机组有12根排气测量热电偶即接入控制器又并入通讯器以增强保护能力。相对于三冗余系统，单通道系统的可靠性较差，但较经济。由于要改造成烧焦炉煤气机组，此系统并不是一理想系统，一是可靠性较差，二是程序需大量增加之外要考虑如何兼顾安全可靠，三是操作系统古老操作不便。出于对经济性和时间要求的考虑，控制系统仍采用单通道MARK V。这样至少节约了400万左右的人民币投资。

2 改造后控制系统新增功能

2.1 基本工作要求

焦炉煤气属高氢燃料，直接点火燃烧不安全，需由轻油点火运行并带有一定负荷时，经氮气驱氧后才切入燃烧。另外当燃用焦炉煤气时如果气体条件不满足，机组将切回轻油保证机组连续运行，并对气体燃料管线进行氮气清吹和封堵，以保证机组安全。下图为煤气和氮气系统主要构成原理图。

可总结为五种工况，这时气体燃料阀站各阀门的状态如下：

（1）燃机处在轻柴油运行，气体燃料未被作为选择模式，在轮控盘控制下，气体燃料阀站各阀门的开/闭配置如下。

气体燃料阀VS4-11、VSR-11、VGC-11关闭，通气阀VA13-20打开，VA13-22关闭。使VS4-11和 VSR-11阀间腔室通大气；氮气清吹控制阀VAH1-1打开，VAH1-2关闭。使VSR-11和VGC-11阀间腔室充氮气。

（2）燃机处在轻柴油运行，负荷带到20%以上，选择切换到气体燃料指令（假设气体燃料已送到VS4-11上游）。在轮控盘程序控制下，气体燃料阀站各阀门的开/闭配置如下。

气体燃料阀VS4-11、VSR-11、VGC-11关闭；

通气阀VA13-20打开，VA13-22打开；

氮气清吹控制阀VAH1-2打开，氮气清吹VGC-11下游气体燃料母管，氮气清吹VSR-11和VGC-11阀间腔室，保持清吹时间>试验确定了的值。

（3）燃机由轻柴油切换到气体燃料，进入气体燃料模式运行。在轮控盘程序控制下，气体燃料阀站各阀门的开/闭配置如下。

VA13-20、VA13-22、VAH1-1、VAH1-2关闭，；

VS4-11、VSR-11打开，VGC-11受控打开给气体燃料母管预充燃料，预充完后VGC-11进入正常运行控制状态。

（4）机组正常停机或气体燃料故障，需要从气体燃料切换到液体燃料。在轮控盘程序控制下，气体燃料阀站各阀门的开/闭配置如下。

VS4-11、VSR-11、VGC-11关闭，使气体燃料供给关断；

VAH1-2打开，使氮气清吹气体燃料母管大于试验确定了的值；

VA13-22、VAH1-1打开，使氮气清吹VSR-11和VGC-11阀间腔室； 就此完成气体燃料到液体燃料的切换。

（5）机组遮断。在轮控盘程序控制，气体燃料阀站各阀门的开/闭配置如下。

VS4-11、VSR-11、VGC-11关闭，关断气体燃料供给；

VA13-20、VA13-22、VAH1-1、VAH1-2打开，使氮气清吹VSR-11和VGC-11阀间腔室、氮气清吹气体燃料母管；清吹完成后，VAH1-2、VA13-22关闭，使VSR-11和VGC-11阀间腔室充氮气。

2.2 新增功能

为完成上述功能，对MARK V控制系统的控制程序进行了大量增加，主要包括：（1）在烧油时，打开相应的阀门，实行氮气封堵功能，保证机组安全运行。（2）判别允许切换气体的条件，如气体燃料压力、机组负荷、氮气压力、检测系统状况等等。（3）施行氮气清吹气体管线，并保证氮气量和清吹时间达到试验所要求的值。（4）进行油-气平稳切换，切换速率兼顾煤气压缩机的调节要求。（5）具有油-气混合燃烧功能。混合区域与功率大小有关。（6）当燃气条件，氮气条件等不满足时，自动进行气——油切换并根据不同原因自动选择切换速率，保证机组连续运行。（7）在出现不当条件时，区别不同原因采取自动停机和遮断机组。（8）对煤气泄漏进行多种手段监视，如可燃气体、一氧化碳、紫外光。确保人身设备安全。（9）增加气体燃料监视画面，直观形象观察运行参数及阀位状况。（10）增加通风机控制，满足危险区域的通风可靠。

3 结束语

通过这次改造工程的顺利完成，从控制系统的改造来说，关键的工作是编写的程序如何满足焦炉煤气这种中热值、高氢燃料的特殊要求：安全、稳定、可靠。为此新增了3个自动停机信号、9个自动跳机信号、4个允许起动信号、7个气体燃料选择允许信号、12个自动切油信号、77条报警信息。整个改造程序增加的梯级数大于200条。增加的I/O点多于67点。

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