三菱M701F燃機控制系統(tǒng)分析與研究

【摘 要】本文分析了Mitsubishi公司的三菱M701F型燃氣輪機主控制系統(tǒng)的原理、框架構(gòu)成及其設計思想，結(jié)合各子系統(tǒng)相關控制邏輯圖詳細研究了燃機負荷自動調(diào)節(jié)控制策略、轉(zhuǎn)速控制策略、溫度控制及燃機整個啟機過程控制策略，對類似電廠控制系統(tǒng)研究、分析和維護有一定的參考價值。

【關鍵詞】燃汽輪機；主控制系統(tǒng)；轉(zhuǎn)速控制; 負荷控制

Study and Analysis of Primary Control System in Mitsubishi M701F Gas Turbine

Sha yingying

Guangzhou Development Industry(Holdings) Co.，Ltd

Abstract: The control system principle， structure and design idea of Mitsubishi M701F gas turbine is analyzed in this paper. The load auto-modulation strategy， speed control strategy， temperature control strategy and the whole start-up process control strategy is studied in detail. It is valuable for the control system analysis and maintenance of similar plant.

Keywords: Gas turbine; Primary control system; Speed control; Load control

1.引言

三菱 M701F 燃氣輪機為采用帶進氣可調(diào)導葉（IGV）的17級高效率軸流式壓氣機。燃燒室由環(huán)繞機軸呈環(huán)狀布置的20只燃燒器組成。透平段包括4級反動式葉片。燃氣輪機的特點是高溫透平，而且沿用了許多三菱燃氣輪機系列發(fā)展過程中的特性，燃氣輪機葉片裝有先進的冷卻系統(tǒng)。葉片涂有涂層，以改進耐腐蝕和抗機械磨損的能力[1-4]。

本文詳細分析了三菱公司M701F型燃氣輪機控制系統(tǒng)的原理、框架構(gòu)成及其設計思想，結(jié)合各子系統(tǒng)相關控制邏輯圖詳細研究了燃機負荷自動調(diào)節(jié)控制策略、轉(zhuǎn)速控制策略、溫度控制及燃機整個啟機過程，對類似電廠控制系統(tǒng)的研究、分析和維護有一定參考價值。

2. 燃氣輪機控制基本原理

軸流式壓氣機從外部吸入經(jīng)過濾的空氣，壓縮后送入燃燒室，同時經(jīng)過熱值調(diào)整(高爐煤氣通過摻入焦爐煤氣提高熱值，或摻入氮氣降低熱值)的高爐煤氣經(jīng)煤氣壓縮機壓縮后也噴入燃燒室與壓縮空氣混合，在定壓下點火燃燒，生成高溫煙氣進入燃氣輪機膨脹做功，帶動發(fā)電機發(fā)電，廢氣排入余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽[1]。

Mitsubishi公司的M701F型燃機由壓氣機、燃燒室、燃氣透平等部分構(gòu)成，該機組采用干式低氮環(huán)型燃燒室，燃燒器個數(shù)為20個，啟動方式為靜態(tài)變頻器（SFC）啟動，17級壓氣機，4級透平葉片。控制系統(tǒng)采用Mitsubishi公司自身開發(fā)的Diasys Netmation，其控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

M701F型燃機主要采用轉(zhuǎn)速控制，負荷控制，溫度控制，燃料限制方式作為燃料分配的基準，通過小選門和高選門判斷得出適合機組正常運行的燃料輸出指令CSO。

啟動開始時，系統(tǒng)自動選擇FLCSO，升速至2880r/min多一點時，選擇GVCSO，并網(wǎng)后若選擇LOAD LIMIT方式則選擇LDCSO，當進入溫控制方式時，選擇BPCSO或EXCSO。并網(wǎng)后，除FLCSO為100%外，其它信號均跟蹤當前的CSO并加上一個+5%的偏置，是通過動態(tài)改變PID的高限值來實現(xiàn)。大選邏輯在MDO點火之前，為-5%；FIRE點火時，維持燃料流量以取得可靠點燃；WUP在加速期間，維持燃料流量，防止火焰熄滅，并足以預熱及加速達到額定速度；MIN加速后快達到額定速度時，維持最低的燃料流量以防止火焰在瞬變操作期間熄滅。

高選門的作用是防止CSO過分降低，而導致在過渡過程期間貧油熄火。例如在最極端的例子，機組突然甩全部負荷，燃氣輪機控制系統(tǒng)回路要把CSO信號迅速壓低，而高選門的最小CSO給定值則建立了避免熄火的最小燃料流量值。

2.自動負荷調(diào)節(jié)控制策略

燃機的自動負荷調(diào)節(jié)控制（AUTO LOAD REGULATION，ALR）有ALR ON 和 ALR OFF兩種方式選擇。

當處于ALR ON 方式下，轉(zhuǎn)速和負荷都為自動調(diào)節(jié)，即控制系統(tǒng)將自動調(diào)整調(diào)速器參照點SPREF或負荷控制器參照點LDREF，讓機組產(chǎn)生的實際負荷與ALR Set的負荷需求等同。此外ALR ON 下有兩種方式選擇：ALR MAN和 ALR AUTO。ALR MAN下可手動設定目標功率，ALR AUTO下可自動跟蹤中調(diào)目標指令。然后根據(jù)所選的運行方式（GOVERNOR或LOAD LIMIT）來自動調(diào)整調(diào)速器的參照點SPREF或負荷控制器的參照點LDREF。

在ALR ON 且GOVERNOR 方式下，機組接受ALR LOAD SET 的輸出，從而自動調(diào)整調(diào)速器參照點SPREF，此時機組是基于轉(zhuǎn)速控制，假如機組運行過程中轉(zhuǎn)速降得太快，功率調(diào)節(jié)將承擔起限制負荷過快增加的作用。在ALR ON 且LOAD LIMIT 方式下，機組接受ALR LOAD SET 的輸出，控制系統(tǒng)將自動調(diào)整負荷控制器的參照點LDREF，此時機組是基于負荷控制，假如機組運行過程中轉(zhuǎn)速升得太快，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)也將承擔起限制轉(zhuǎn)速過快增加的作用。

3.轉(zhuǎn)速/負荷控制策略

3.1 轉(zhuǎn)速控制

LOAD LIMIT方式是與GOVERNOR方式互斥的模式，系統(tǒng)控制方式不是GOVERNOR方式就是LOAD LIMIT方式。LOAD LIMIT的功率設定值加+5%的偏置，當電網(wǎng)頻率突然快速下降時，LOAD LIMIT會限制負荷的快速增加。

轉(zhuǎn)速控制的SPREF=(SPSET+100)*30，在LDON為零時，SPSET＝0.266，SPREF值約為3008r/min。SPSET加上100減去實際轉(zhuǎn)速得到偏差值INPUT，對該偏差進行比例調(diào)節(jié)。

GVCSO＝INPUT * GV GAIN + NO LOAD CSO ，全速空載時NO LOAD CSO 輸出值為35.1。GV GAIN 邏輯里為不等率4％與NO LOAD CSO運算關系所得到的結(jié)果。邏輯里GOVERNOR方式下具有一次調(diào)頻功能。并網(wǎng)后采用轉(zhuǎn)速控制來改變機組負荷，顯然，這時機組是在進行一次調(diào)頻。當電網(wǎng)頻率升高時，GVCSO變??；當電網(wǎng)頻率降得太快或頻率值過低，GVCSO的輸出急劇增大至大于LDCSO，負荷控制LDCSO則變?yōu)閷嶋H的CSO輸出，維持負荷恒定，不再參與調(diào)頻。直到頻率穩(wěn)定下來之后，機組再緩慢地調(diào)升負荷至調(diào)頻要求的負荷值。

3.2 負荷控制（LOAD CONTROL）

對于負荷控制，當信號LOAD HOLD=1時，LDREF＝ACTLD；LOAD HOLD為0時，LDREF＝LDSET。LDSET是一個過程量，是根據(jù)CRT上的LOAD LIMIT SET來決定的。當LDSET小于CRT上的設定值時，則增加；反之則減小。

LDON為0時（升速過程），LDSET＝20MW，LDCSO為60，所以其不可能通過最小選門。同步時LDSET為下限值20MW，等到GVCSO使機組并網(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，則控制機組繼續(xù)升負荷至操作員選定的LOAD LIMIT SET值。

機組進行調(diào)頻時，主要控制由速度控制執(zhí)行，即實際輸出CSO＝GVCSO，而此時LDCSO＝CSO＋5，一旦頻率降得太快或頻率值過低，GVCSO的輸出急劇增大至大于LDCSO，負荷控制LDCSO則變?yōu)閷嶋H的CSO輸出，維持負荷恒定，不再參與調(diào)頻。直到頻率穩(wěn)定下來之后，機組再緩慢地調(diào)升負荷至調(diào)頻要求的負荷值。

4.溫度控制策略

正常情況下，燃機透平進氣溫度T3越高，燃機的功率和效率越高，因此機組多希望在盡可能高的T3溫度下安全運行。但是如果T3超出了合理的范圍，將會對燃氣輪機的安全造成威脅，因此在燃機運行過程中必須嚴格監(jiān)控溫度變化，保證T3不超過規(guī)定的限定值。但T3溫度非常高，9F級燃機是1400攝氏度左右，要直接測量和控制都非常困難。而在大氣溫度不變的穩(wěn)態(tài)工況下，T3和排氣溫度T4的變化趨勢是相同的，而T4遠低于透平前溫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。因此可以通過測量燃氣輪機的排氣溫度T4來間接反映透平前溫T3的大小。

M701F采用壓氣機出口壓力（COMB.SHELL PRESS）作為修正參數(shù)，通過排氣溫度T4和壓氣機出口壓力之間的溫控基準線保證T3為常數(shù)。M701F溫度控制具體分為兩類，葉片通道溫度限制控制和排氣溫度限制控制。相應的溫度測點也分為兩類：葉片通道溫度測點和排氣溫度測點，為環(huán)型均勻布置。壓氣機出口壓力有三個測點，取中值后作為溫控基準函數(shù)的輸入，溫控基準函數(shù)的輸出則做為排氣溫度T4的參考基準值（EXREF）。EXREF加上一個偏差量（BLADE PATH BIAS）作為葉片通道溫度的參考基準值（BPREF）。溫度控制系統(tǒng)分別根據(jù)參考基準值（EXREF和BPREF）與相應測量值的實際偏差值x，輸入到有高低值限制的PI調(diào)節(jié)器，各自的輸出則分別為BPCSO和EXCSO。當偏差為正值時（BPT/EXT均值比參照點低），控制器的輸出為上限值：當前CSO加5，以跟蹤當前的實際控制CSO。

倘若出現(xiàn)負值的偏差（BPT/EXT均值比參照點高），控制器將削減自己的燃料控制信號CSO（BPCSO/EXCSO），直至達到正值的偏差為止。

5.燃機控制系統(tǒng)工作狀況分析

本文分五種情況對CSO進行分析，詳細結(jié)果如下。

5.1點火前

點火前（MDO時）FLCSO輸出被鉗制在－5％，所以最小選門輸出為－5％，高選門的限制值也是－5％，因此實際CSO＝－5％。

5.2點火時

點火時（FIRE），F(xiàn)LCSO應該小于0，所以最小選門輸出為FLCSO，但是在進入MIN狀態(tài)前，高選門的輸入限制值為16或18.5（根據(jù)FUEL GAS HEATER OUTLET TEMP HI的狀態(tài)），因此實際CSO為16或18.5，維持燃料流量以取得可靠點燃。。

5.3點火后的升速階段（WUP）

1）EXREF為602度，BPREF為612度，而實際值都比較低，所以偏差量很大，因此通過相應PIQ模塊的輸出BPCSO和EXCSO很大，應該為其高限值RCSO（CSO＋bias）。

2）當LDON為0時(LDON信號＝MD2 or MD3)，LDCSO的輸出為60和CSO＋5之間的較小值，在點火及升速時，實際輸出值應該為CSO＋5。

3）對于GVCSO，LDON為0時，SPSET處于被跟蹤狀態(tài)，SPSET＝0.266(%)，加上100后為100.266，減去實際轉(zhuǎn)速得到偏差值INPUT。

GVCSO＝INPUT * GV GAIN + NO LOAD CSO

4）對于FLCSO，在580r/min－2500r/min，F(xiàn)LCSO隨著轉(zhuǎn)速的增加線性地增大（1/76.8r/min）。因此可以分別計算升速階段GVCSO和FLCSO的輸出以進行比較。

當轉(zhuǎn)速為1600r/min時，GVCSO>FLCSO＝33.3，所以最小選輸出仍然為FLCSO。

轉(zhuǎn)速為2500r/min時，GVCSO>FLCSO＝38.5，此時最小選輸出仍然為FLCSO。

在額定轉(zhuǎn)速左右，GVCSO＝36.4，F(xiàn)LCSO＝45（由函數(shù)決定），此時由速度控制接替燃料限制控制作為實際的CSO輸出，控制燃機轉(zhuǎn)速在3008r/min附近。

5.4同期并網(wǎng)

并網(wǎng)操作可由APS自動實現(xiàn)，也可以在同步斷點時由操作員確認后手動投入使 ASS AUTO REQUEST為1，控制系統(tǒng)則將 ASS AUTO REQUEST轉(zhuǎn)換為GEN.SYN AUTO SELECT并送至GCP（GENERATOR CONTROL PANEL），由其自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速設定值SPSET，實現(xiàn)與電網(wǎng)的同步，閉合發(fā)電機出口斷路器GCB，從而實現(xiàn)并網(wǎng)。發(fā)電機出口斷路器的閉合信號（52G CLOSE）由就地測點三選二進入控制系統(tǒng)，作為MD3成立的邏輯判斷條件。

在以上過程中，正常情況應該尚未進入溫度控制（葉片通道溫度或排氣溫度尚未達到或超過相應溫度基準）。此時BPCSO和EXCSO的輸出都被限定為RCSO（RCSO＝CSO＋bias），對當前的實際控制輸出CSO進行跟蹤。一旦進入溫控模式，則由相應的BPCSO或EXCSO作為最小選門的輸出，自動接管控制功能。

5.5帶負荷過程

帶上負荷后，F(xiàn)LCSO變成略小于100，即最大，不可能通過最小選。并網(wǎng)后的一段時間內(nèi)，GVCSO的轉(zhuǎn)速設定值增加了一個5％的MD3偏置，因此轉(zhuǎn)而由負荷控制接替，使燃機繼續(xù)升負荷至負荷設定值。此后的控制模式則根據(jù)選定的ALR模式選擇、以及GOVENOR CONTROL 或LOAD CONTROL的模式，由GVCSO和LDCSO交替發(fā)揮作用。如果機組帶額定負荷運行或負荷高于一定程度時，溫度控制模式則會自動投入，使燃機T3溫度控制在溫控基準線上。

6.結(jié) 語

本文詳細分析了三菱公司M701F型燃氣輪機控制系統(tǒng)的原理、框架構(gòu)成及其設計思想，結(jié)合各子系統(tǒng)相關控制邏輯圖詳細研究了燃機負荷自動調(diào)節(jié)控制策略、轉(zhuǎn)速控制策略、溫度控制及燃機整個啟機過程的控制策略，對其他電廠深入了解和分析燃機控制系統(tǒng)策略有一定參考價值。

參考文獻

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