M 701F重型雙燃料燃氣輪機控制模式分析

王 銳，孫永斌

(東北電力科學(xué)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110006)

白俄羅斯明斯克5號熱電站一期改建工程聯(lián)合循環(huán)機組采用“1+1+1+1”單軸配置方式，即安裝1臺燃氣輪機、1臺余熱鍋爐、1臺蒸汽輪機和1臺發(fā)電機。燃氣輪機型號為M701F重型，與蒸汽輪機、發(fā)電機布置在同一軸上。與國內(nèi)以往的純?nèi)細鈾C組不同，本機組主燃料采用天然氣，備用燃料采用輕柴油，當主燃料或備用燃料供應(yīng)異常時，可以通過燃料切換，自動投入到另一種燃料運行，也可以2種燃料混合燃燒，以保證機組長期穩(wěn)定運行。因此控制模式較常規(guī)的燃氣機組有所不同，設(shè)計更加復(fù)雜，以下就機組控制模式［1］進行簡要分析。

1 轉(zhuǎn)速控制模式

轉(zhuǎn)速控制模式［2］主要是應(yīng)用在空負荷模式下的自動同步轉(zhuǎn)速及帶負荷模式下的閥位控制操作，控制模式框圖如圖1所示。

在空負荷模式下，燃機轉(zhuǎn)速可以通過自動同期請求發(fā)出的同步信號或手動操作按鈕 (GOVERNOR RAISE/GOVERNOR LOWER)來改變。

圖1 轉(zhuǎn)速控制模式邏輯框圖

在自動負荷調(diào)節(jié)投入 (ALR ON)且轉(zhuǎn)速控制方式下，自動負荷調(diào)節(jié)設(shè)定值 (ALR SET)與實際功率相比較，再進行比例調(diào)節(jié)P后，如果差值大于0.15，則發(fā)出SPSET UP(轉(zhuǎn)速設(shè)定值增)指令;如果差值小于－0.15，則發(fā)出轉(zhuǎn)速設(shè)定值減(SPSET DOWN)指令，來改變轉(zhuǎn)速設(shè)定值 (SPSET)，相當于機組負荷根據(jù)ALR SET進行閉環(huán)調(diào)節(jié)，保持機組實際功率與ALR SET相等。

在自動負荷調(diào)節(jié)退出 (ALR OFF)且轉(zhuǎn)速控制方式下，燃機的轉(zhuǎn)速可以通過手動操作按鈕來改變，相當于手動改變機組負荷。

在負荷控制模式下，主控制系統(tǒng)指令輸出(CSO)加上5%的偏置后與轉(zhuǎn)速控制模式指令輸出 (GVCSO)相比較，如果差值大于0.15，則發(fā)出SPSET UP指令;如果差值小于－0.15，則發(fā)出SPSET DOWN指令，改變SPSET的轉(zhuǎn)速設(shè)定值。

SPREF(轉(zhuǎn)速參考值)=(SPSET+100)*30，在點火升速階段 (LDON)為0時，SPSET=0.266，SPSET加上100后為100.266，減去E(實際轉(zhuǎn)速得到偏差值)，對該偏差進行增益調(diào)節(jié)。

GVCSO=E*GV GAIN(轉(zhuǎn)速模式下的增益)+NO LOAD CSO(空負荷主控制指令輸出);

燃氣工況下GV GAIN=60/4=15，燃油工況下GV GAIN=50.5/4=12.625;

燃氣工況下NO LOAD CSO=20.2，燃油工況下NO LOAD CSO=20.4。

MD2(燃機定速且未并網(wǎng))時，Ts(跟蹤信號)為0，此時投入自動同期裝置，它會根據(jù)同步并網(wǎng)的要求分別產(chǎn)生SPEED UP和SPEED DOWN的信號，使SPSET以一定的斜率增減，從而實現(xiàn)發(fā)電機頻率與電網(wǎng)頻率的匹配。

MD3(發(fā)電機出口斷路器GCB閉合)時，Ts(跟蹤信號)為1，并保持一個運算周期 (50 ms)后，Tr(跟蹤值)為6.2，但SPSET的上下限分別為+6%和－4%，因此SPSET實際輸出應(yīng)為上限值6%，根據(jù)以上公式，此時SPREF=(100+6)*30=3 180，相當于初負荷時的燃機轉(zhuǎn)速。

2 負荷控制模式

負荷控制模式的功能是通過調(diào)節(jié)輸出功率來維持負荷和頻率之間的相互匹配，控制模式框圖如圖2所示。

在ALR ON且負荷控制方式下，ALR SET與負荷設(shè)定值 (LDSET)相比較，如果差值大于0.2，則發(fā)出負荷設(shè)定值增 (LDSET UP)指令;如果差值小于 －0.2，則發(fā)出負荷設(shè)定值減 (LDSET DOWN)指令來改變負荷設(shè)定值 (LDSET)，相當于機組負荷根據(jù)ALR SET進行閉環(huán)調(diào)節(jié)，保持機組實際功率與ALR SET相等。

在ALR OFF且負荷控制方式下，燃機的負荷可以通過手動操作按鈕 (LOAD RAISE/LOAD LOWER)來改變。

在負荷控制方式下，當負荷保持信號 (LOAD HOLD)=1時，負荷參考值 (LDREF)=實際負荷 (ACTLD);當LOAD HOLD為0時，LDREF=LDSET。LDSET是一個過程量，主要是根據(jù)CRT上的負荷限制設(shè)定 (LOAD LIMIT SET)來設(shè)定的。當LDSET小于CRT上的設(shè)定值時，則增加;反之則減小。

點火升速階段 (LDON)為0時，LDSET=20 MW，負荷控制模式指令輸出 (LDCSO)為45，機組并網(wǎng)帶負荷至該初始負荷后，則轉(zhuǎn)由LDCSO進行控制，此時LDSET根據(jù)一定的升速率不斷增加，控制機組繼續(xù)升負荷至選定的LOAD LIMIT SET值。

圖2 負荷控制模式邏輯框圖

3 溫度控制模式

溫度控制模式［3］的主要作用是限制最大燃料輸出，以保證在啟動階段和帶負荷階段時燃機葉片入口煙氣溫度在安全值，防止溫度過高損壞葉片。

M701F的溫度控制分為2種情況:葉片通道溫度控制和排氣溫度控制。相應(yīng)的溫度測點為葉片通道溫度測點 (20個)和排氣溫度測點 (6個)，都是環(huán)型均勻布置。

一般情況下，燃機透平進氣溫度 (T3)越高，其功率和效率越高，因此希望在盡可能高的T3下安全運行。但如果T3超出了合理的范圍，將會對燃機的安全造成威脅，因此在燃機運行的過程中必須監(jiān)控溫度的變化，以保證T3不超過規(guī)定的限定值。T3溫度都非常高，M701F級燃機為1 400℃左右，直接測量和控制非常困難。在大氣溫度不變的穩(wěn)態(tài)工況下，T3和EXT TEMP(排氣溫度T4)的變化趨勢是相同的，而T4遠低于透平前溫度T3，且T4的溫度場也因燃氣經(jīng)過透平做功時有所混合而比較均勻，所以T4便于測量和控制，可以通過測量燃機的排氣溫度T4來間接反映透平前溫度T3的大小。為了反映變化的大氣溫度，還需要用大氣溫度 (COMP INLETAIR TEMP)［4］或壓氣機出口壓力 (COMB SHELL PRESS)等參數(shù)來修正T4。當大氣溫度升高時，壓氣機出口壓力降低，為保證T3為常數(shù)，則T4增高;相反當大氣溫度降低時，壓氣機出口壓力升高，則T4降低。排氣溫度T4和壓氣機出口壓力之間有一條關(guān)系曲線，這就是溫控基準線，溫控基準函數(shù)的輸出則作為排氣溫度T4的參考基準值 (EXREF)。

T4=T3* (P4/P3)(n－1)/n

式中:T3為燃機透平進氣溫度，T4為排氣溫度，P3為進氣壓力，P4為排氣壓力，n為多方常數(shù)。溫度控制就是基于此曲線來進行的。

因為葉片通道溫度 (BPT TEMP)在排氣溫度的上游，因此葉片溫度參考基準 (BPREF)應(yīng)該比EXREF高，所以EXREF加上BPT BIAS(BPT偏差)即作為BPREF，BPT偏置邏輯控制框圖如圖3所示。

溫度控制系統(tǒng)分別根據(jù)參考基準值EXREF和BPREF與相應(yīng)測量的實際偏差值做比較，輸入到有高低值限制的PIQ調(diào)節(jié)器中，各自的輸出則分別為BPCSO和EXCSO。溫度控制模式框圖如圖4、圖5所示。

4 燃料限制控制模式

根據(jù)燃機轉(zhuǎn)速和壓氣機出口壓力的實測值進行FX函數(shù)運算，并通過高選作為燃料限制模式控制指令 (FLCSO)的輸出，燃料限制控制模式框圖如圖6所示。

當MDO－INV(燃料投入)為0時，F(xiàn)LCSO輸出為－5%。

ACC(加速狀態(tài))為1時 (在500～2 500 r/min)，F(xiàn)LCSO輸出隨著轉(zhuǎn)速的增大線性增大。當達到額定轉(zhuǎn)速后，F(xiàn)LCSO輸出為30，并網(wǎng)帶負荷后，F(xiàn)LCSO輸出逐漸增大，不可能通過最小選，從而退出實際控制。

圖6 燃料限制模式控制框圖

所以燃料限制控制［5］只用于啟動升速過程中的燃料開環(huán)控制。

5 結(jié)束語

通過5種控制模式分析可知，在初始點火階段，通過燃料限制控制模式來控制升速過程;在空載定速時，通過轉(zhuǎn)速控制模式來調(diào)整燃氣輪機和電網(wǎng)頻率的匹配;在帶初負荷及升負荷的過程中，通過負荷控制模式來達到預(yù)期的負荷功率;在接近滿負荷的過程中，切換到溫度控制模式，防止燃氣輪機超溫運行。機組在調(diào)試運行的過程中，5種控制模式按照工況的變化進行自動切換，滿足了機組根據(jù)環(huán)境的變化進行自身調(diào)節(jié)，對今后雙燃料機組的調(diào)試提供借鑒。

［1］ 王 榮．燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站中的汽輪機控制系統(tǒng)分析 ［J］．燃氣輪機技術(shù)，1998，11(2):22－26．

［2］ 焦樹建．燃氣輪機與燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置 ［M］．北京:中國電力出版社，2007．

［3］ 楊瑜文．燃氣輪機發(fā)電機組功率與排氣溫度控制［J］．燃氣輪機技術(shù)，1998，11(2):27－31．

［4］ 郭 磊，崔玉峰，林飛宇，等．某型燃氣輪機燃燒中低熱值燃料隨環(huán)境溫度變化的控制規(guī)律分析［J］．工程熱物理學(xué)報，2009，30(4):577－580．

［5］ 毛 丹，諸粵珊．三菱 M701F燃氣輪機控制系統(tǒng)簡析［J］．湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，22(6):76－79．