V94.3A燃?xì)廨啓C(jī)控制策略分析

曹 越,章偉杰,楊景祺

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院,上海200240)

V94.3A燃?xì)廨啓C(jī)控制策略分析

曹 越,章偉杰,楊景祺

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院,上海200240)

介紹了西門子V94.3A燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的劃分,依此對(duì)其控制邏輯進(jìn)行分析,并以主控制系統(tǒng)與IGV控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)作用得出用于燃燒的燃料空氣比,燃料控制系統(tǒng)用于切換燃燒室的燃燒方式,從而實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行階段的控制。

燃?xì)廨啓C(jī)；控制系統(tǒng)

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,具有低污染的燃?xì)廨啓C(jī)(簡(jiǎn)稱燃機(jī))發(fā)電技術(shù)與高效率的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)技術(shù)受到重視。V94.3 A型燃機(jī)的控制系統(tǒng)根據(jù)功能可以分為調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)、順序控制系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)和電源系統(tǒng)［1］。筆者主要對(duì)用于調(diào)節(jié)作用的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng),包括主控制系統(tǒng)、IGV控制系統(tǒng)和燃料控制系統(tǒng)做研究分析。

1 主控制系統(tǒng)分析

主控制系統(tǒng)是燃機(jī)控制系統(tǒng)的核心,承擔(dān)著燃機(jī)從點(diǎn)火到穩(wěn)定運(yùn)行階段的控制任務(wù),其使用最小值選擇邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)燃料量的單變量控制(見圖1)。當(dāng)起步升速控制器(HLG)被選擇時(shí),可以通過(guò)控制燃料量使機(jī)組轉(zhuǎn)速按一定的啟動(dòng)曲線上升；當(dāng)轉(zhuǎn)速負(fù)荷控制器(NPR)被選擇時(shí),通過(guò)轉(zhuǎn)速或負(fù)荷的反饋控制作用可以使機(jī)組維持在并網(wǎng)轉(zhuǎn)速或帶額定負(fù)荷；當(dāng)排氣溫度控制器被選擇時(shí),保證機(jī)組在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)透平溫度不超過(guò)允許值；負(fù)荷限制、壓氣機(jī)壓比限制、冷卻空氣限制則作為該控制系統(tǒng)的約束條件,來(lái)保證機(jī)組可以安全運(yùn)行。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)主控制系統(tǒng)示意圖

1.1 起步升速控制系統(tǒng)

起步升速控制系統(tǒng)不是在燃機(jī)啟動(dòng)后就直接啟動(dòng)。燃機(jī)的啟動(dòng)是依靠啟動(dòng)變頻器(SFC)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,在SFC的拖動(dòng)下,當(dāng)透平發(fā)出的功率可以滿足燃機(jī)系統(tǒng)耗功時(shí),SFC退出,燃機(jī)進(jìn)入獨(dú)自運(yùn)行狀態(tài)［2］。此時(shí)起步升速系統(tǒng)的信號(hào)被最小值選擇器所選擇,控制燃機(jī)轉(zhuǎn)速按一定的升速曲線上升,直到接近額定轉(zhuǎn)速時(shí),轉(zhuǎn)速負(fù)荷控制系統(tǒng)被最小值選擇邏輯選擇,起步升速控制系統(tǒng)退出作用。控制邏輯示意圖見圖2。

圖2 起步升速控制系統(tǒng)示意圖

起步升速系統(tǒng)由HLG、TRIPG和NT模塊組成。在NT模塊中,實(shí)際轉(zhuǎn)速測(cè)量值經(jīng)過(guò)信號(hào)處理和三選一邏輯后輸出NT。HLG模塊中設(shè)置了啟動(dòng)不同階段與不同條件下的轉(zhuǎn)速上升梯度,當(dāng)HLG工作時(shí),通過(guò)YS的值來(lái)控制燃燒速率。在HLG中設(shè)置最小值模塊是為了調(diào)節(jié)燃料供應(yīng),避免與實(shí)際轉(zhuǎn)速不合適的過(guò)大燃料量。當(dāng)發(fā)生跳機(jī)時(shí),TRIPG模塊給出跳機(jī)信號(hào),此時(shí)HLG則根據(jù)最小燃燒負(fù)荷確定出相應(yīng)的控制信號(hào)。在并網(wǎng)轉(zhuǎn)速附近,當(dāng)轉(zhuǎn)速負(fù)荷控制系統(tǒng)被最小值選擇器選擇時(shí),將YHLG置為120%,從而退出控制。

1.2 轉(zhuǎn)速/負(fù)荷控制系統(tǒng)

燃機(jī)的轉(zhuǎn)速/負(fù)荷控制系統(tǒng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)速或負(fù)荷控制信號(hào)用于燃料量的控制,NPR為雙變量控制器。當(dāng)發(fā)電機(jī)和主回路斷路器斷開時(shí),該控制器為轉(zhuǎn)速控制器；同期并網(wǎng)以后,它變?yōu)樨?fù)荷控制器。

V94.3A燃機(jī)的轉(zhuǎn)速負(fù)荷控制系統(tǒng)由NT模塊、轉(zhuǎn)速設(shè)定NS模塊、負(fù)荷設(shè)定PS模塊、實(shí)際負(fù)荷測(cè)量PEL模塊、甩負(fù)荷判斷LAW模塊和NPR組成,見圖3。

圖3 轉(zhuǎn)速/負(fù)荷控制系統(tǒng)示意圖

在NT模塊中,6個(gè)轉(zhuǎn)速測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波和選擇之后輸出NT給NPR。NSV作為NPR的輸入,NS在不同的運(yùn)行階段具有不同的值。PSV在發(fā)電機(jī)和主回路斷路器閉合時(shí),作為NPR的輸入。實(shí)際負(fù)荷的兩個(gè)測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)幅值轉(zhuǎn)換和最大值選擇之后得出PEL,進(jìn)入NPR進(jìn)行調(diào)節(jié)作用。在LAW中給出甩負(fù)荷指令。以上信號(hào)與GSE/LSE共同輸入NPR,經(jīng)過(guò)NPR中具有PI功能的控制器以及前饋?zhàn)饔煤蟮贸鯵NPR,進(jìn)入最小值選擇器參與燃機(jī)調(diào)節(jié)。

1.3 排氣溫度控制系統(tǒng)

排氣溫度控制系統(tǒng)作用在燃機(jī)帶負(fù)荷運(yùn)行階段,通過(guò)調(diào)節(jié)燃料量將燃?xì)獬鯗乇３衷谠试S的范圍內(nèi)。V94.3A燃機(jī)的透平入口溫度會(huì)達(dá)到1 300℃以上,并且溫度場(chǎng)分布不均勻,難以直接測(cè)量,所以采用燃機(jī)的排氣溫度為測(cè)量對(duì)象。

燃機(jī)排氣溫度控制系統(tǒng)主要由排氣溫度設(shè)定TS模塊、燃機(jī)排氣溫度修正邏輯ATK和排氣溫度修正控制器ATKR組成,見圖4。

圖4 排氣溫度控制系統(tǒng)示意圖

排氣溫度控制系統(tǒng)的核心為經(jīng)過(guò)處理的溫度測(cè)量信號(hào)ATK與不同運(yùn)行階段的溫度設(shè)定值TS進(jìn)行比較,將差值作為排氣溫度PI控制器的輸入,從而得出不同時(shí)刻的控制量。在ATK模塊中,TA經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后進(jìn)行平均值計(jì)算得出AT。使用TV和NT對(duì)AT進(jìn)行修正,再與ATK24計(jì)算后得出用于控制作用的ATK。

1.4 負(fù)荷限制控制系統(tǒng)

負(fù)荷限制控制系統(tǒng)用于在運(yùn)行期間防止燃機(jī)超過(guò)允許的最大負(fù)荷值。當(dāng)燃機(jī)的負(fù)荷超過(guò)允許的最大負(fù)荷值時(shí),燃機(jī)中工質(zhì)的溫度、流量會(huì)超出額定值,燃?xì)鉁囟鹊纳仙龑?duì)透平入口葉片的安全構(gòu)成了威脅。負(fù)荷超出允許值可能會(huì)出現(xiàn)在如下幾種情況中：負(fù)荷設(shè)定值很高,外界溫度下降,注水方式運(yùn)行［3］。

負(fù)荷限制控制系統(tǒng)包括燃機(jī)功率計(jì)算模塊PGT和負(fù)荷限制控制器PGR?？刂圃硪妶D5。

圖5 負(fù)荷限制控制系統(tǒng)示意圖

ATK、PV2MAX和TV輸入該模塊經(jīng)過(guò)計(jì)算后,得出該條件下的燃機(jī)的PGT1。如果目前運(yùn)行大于計(jì)算的最大出力,應(yīng)減小燃機(jī)的實(shí)際負(fù)荷指令。汽輪機(jī)離合器閉合信號(hào)KUPE在該模塊中控制燃機(jī)功率在測(cè)量值與計(jì)算值之間進(jìn)行切換。當(dāng)KUPE=0時(shí),PGT=PEL；當(dāng)KUPE= 1時(shí),PGT=PGT1。PGR使用PI控制器,PGT與PGR的設(shè)定值的偏差作為控制器的輸入,得出限制負(fù)荷的控制量,用于限制機(jī)組的功率。

1.5 壓氣機(jī)壓比限制控制系統(tǒng)

壓氣機(jī)壓比限制控制系統(tǒng)使用壓氣機(jī)壓比限制器VPVR把壓氣機(jī)的壓比限制在允許范圍內(nèi)。壓氣機(jī)壓比限制器也具有比例積分PI形式,見圖6。

圖6 壓氣機(jī)壓比限制系統(tǒng)示意圖

TV和NT通過(guò)計(jì)算得到NSTERN；HVL經(jīng)過(guò)計(jì)算得出LSV；NSTERN和LSV經(jīng)過(guò)分段線性函數(shù)關(guān)系得出PIVMAX。PV2MAX除以壓氣機(jī)進(jìn)口壓力PVI得到當(dāng)前的PIV。PIV信號(hào)有兩個(gè)作用：一是輸出至冷卻空氣限制器KLGR參與調(diào)節(jié)作用；二是與PIVMAX作差,得出XDPIV。XDPIV分別作用于PI控制器和參與IGV控制,當(dāng)偏差信號(hào)以較慢的速度接近喘振極限時(shí),通過(guò)改變IGV角度進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)以較快的速度接近喘振極限時(shí),燃料量作為IGV調(diào)節(jié)的前饋控制信號(hào),通過(guò)減小燃料量來(lái)降低壓氣機(jī)出口壓力。XDPIV信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算得出XDVPVR作為PI控制器的輸入,PI控制器輸出經(jīng)過(guò)0～106%的限制得到Y(jié)VPVR輸入最小值選擇器。XDPIV信號(hào)還經(jīng)過(guò)比例運(yùn)算得到XDVP,作用于IGV控制。

1.6 冷卻空氣限制控制系統(tǒng)

在冷卻空氣限制控制系統(tǒng)中,冷卻空氣限制器KLGR的作用是使機(jī)組不進(jìn)入透平葉片冷卻空氣供應(yīng)不足的運(yùn)行狀態(tài)。

冷卻空氣限制器具有比例積分PI結(jié)構(gòu),見圖7。

圖7 冷卻空氣限制控制系統(tǒng)示意圖

NSTERN和LSV經(jīng)計(jì)算后得出PIVMXL,它與VPVR模塊中得到的PIV的偏差作為PI控制器的輸入值,經(jīng)過(guò)PI和0～106%限制作用后得到Y(jié)KLGR輸入最小值選擇器。偏差取負(fù)值后作為XDKL進(jìn)入LTR模塊,參與IGV角度的控制。當(dāng)IGV沒有全開時(shí),通過(guò)KLGR對(duì)導(dǎo)葉的作用信號(hào)來(lái)增大空氣質(zhì)量流量以保證冷卻；當(dāng)IGV全開時(shí),則通過(guò)最小值選擇器減小燃料供給量來(lái)減小透平葉片的熱負(fù)荷,從而改善冷卻。

1.7 最小值選擇門

最小值選擇門的邏輯示意圖見圖8。

圖8 最小值選擇門邏輯示意圖

中央最小值選擇邏輯從YNPR、YHLG、YPG、YATK、YVPVR、YKLGR和105%中選擇最低的信號(hào)值作為輸出,當(dāng)相應(yīng)的信號(hào)被選中時(shí),在相對(duì)應(yīng)的位輸出信號(hào)1表示該控制器動(dòng)作。YMIN減去來(lái)自燃料控制系統(tǒng)的JEGMIM和JPG后,得出JVAR,它作為燃機(jī)控制系統(tǒng)的控制變量來(lái)控制燃料量的變化,從而達(dá)到控制燃機(jī)機(jī)組的目的。YMIN同時(shí)輸入進(jìn)口導(dǎo)葉溫度控制器LTR,作為前饋控制信號(hào)來(lái)參與IGV控制。

2 IGV控制系統(tǒng)分析

壓氣機(jī)進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉IGV控制系統(tǒng)通過(guò)IGV葉片轉(zhuǎn)角的變化限制進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣流量,用于啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中防止喘振,以及維持排氣溫度在燃機(jī)運(yùn)行的需求值,從而確保透平進(jìn)口溫度不超溫。在聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中,為了保證整個(gè)聯(lián)合循環(huán)的高效率,可以調(diào)整IGV的角度,使得燃機(jī)工作在非額定負(fù)荷工況,以降低壓氣機(jī)入口流量來(lái)維持高的燃機(jī)排氣溫度,從而匹配余熱鍋爐的設(shè)計(jì)工況。

V94.3A型燃機(jī)的IGV控制系統(tǒng)由LTR和進(jìn)口導(dǎo)葉位置控制模塊LSRS組成,見圖9。

圖9 IGV控制系統(tǒng)示意圖

在LTR中,GLT計(jì)算得出GLTDVL,作為IGV控制的排氣溫度設(shè)定值。選擇XDVP和XDKL中的較大值,經(jīng)過(guò)帶有0～10%限幅的積分模塊,得到DWLTR。LTR采用比例積分PI結(jié)構(gòu),輸入偏差信號(hào)為ATK、GLTDVL和DWLTR的差值,經(jīng)過(guò)控制器的作用將溫度偏差信號(hào)轉(zhuǎn)化為壓氣機(jī)質(zhì)量流量信號(hào)。為了避免動(dòng)態(tài)負(fù)荷變化時(shí)的顯著溫度控制偏差,在進(jìn)口導(dǎo)葉溫度控制中加入了前饋控制環(huán)節(jié),JGES(即YMIN的輸出)經(jīng)過(guò)分段線性函數(shù)計(jì)算得出相對(duì)應(yīng)的壓氣機(jī)質(zhì)量流量前饋控制信號(hào),它與PI控制器的輸出的壓氣機(jī)質(zhì)量流量相加,得到相應(yīng)輸入情況下的壓氣機(jī)質(zhì)量流量。最后通過(guò)LTR中分段線性函數(shù)的計(jì)算得出一定壓氣機(jī)質(zhì)量流量下的YLTR,作為壓氣機(jī)LSRS的設(shè)定值。

LSRS用于控制導(dǎo)葉的位置。LTR的輸出YLTR與測(cè)量得到的HVL的偏差為XD,經(jīng)過(guò)增益為20的比例作用和-100%～100%的限幅環(huán)節(jié)后輸出YLSRS,用于帶動(dòng)伺服馬達(dá)來(lái)給IGV定位。

3 燃料控制系統(tǒng)分析

控制燃機(jī)的運(yùn)行參數(shù)就是控制燃燒室的燃燒情況,V94.3A機(jī)組采用環(huán)形燃燒室,燃料流量通過(guò)先導(dǎo)氣閥門、擴(kuò)散燃燒閥門和預(yù)混燃燒閥門來(lái)控制［4］。燃料流量控制中,先導(dǎo)氣流量為根據(jù)所測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)確定的一個(gè)流量值；分別用于擴(kuò)散燃燒和預(yù)混燃燒的燃料流量由天然氣分配器根據(jù)主控制系統(tǒng)輸出的總?cè)剂峡勺冇昧縼?lái)確定。

在燃料系統(tǒng)中,先導(dǎo)氣閥門、擴(kuò)散燃燒閥門和預(yù)混燃燒閥門的控制系統(tǒng)都是由閥門升程計(jì)算模塊、閥門升程控制模塊以及伺服和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的。在升程計(jì)算模塊中,通過(guò)流量與閥門位置的函數(shù)關(guān)系來(lái)得出升程控制器的控制信號(hào)。閥門升程控制器是比例控制器,輸入為閥位設(shè)定值與閥位反饋值之差,輸出為閥門控制信號(hào)。經(jīng)過(guò)伺服之后,控制信號(hào)作用于積分形式的執(zhí)行機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)燃料閥門的無(wú)差控制。天然氣分配器內(nèi)部有一個(gè)順序邏輯,隨著條件的改變,輸出用于燃機(jī)啟動(dòng)不同階段的預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒的比例。

4 結(jié)語(yǔ)

西門子V94.3A燃機(jī)的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)燃料量和空氣量的配比,完成燃機(jī)機(jī)組的控制。主控制系統(tǒng)通過(guò)最小值選擇邏輯給出燃料值,保證機(jī)組的輸出功率,不同運(yùn)行階段最小值選擇器會(huì)選擇不同的控制信號(hào)作為其輸出。燃料控制系統(tǒng)使用主控制系統(tǒng)給出的燃料量,計(jì)算出先導(dǎo)氣燃燒、擴(kuò)散燃燒和預(yù)混燃燒的配比來(lái)組織燃燒室的燃燒。

［1］中國(guó)華電集團(tuán)公司.大型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)叢書：控制系統(tǒng)分冊(cè)［M］.北京：中國(guó)電力出版社,2009.

［2］姚秀平.燃?xì)廨啓C(jī)與聯(lián)合循環(huán)［M］.北京：中國(guó)電力出版社,2010.

［3］黃瑜,崔紅星.西門子V94.3A燃?xì)廨啓C(jī)控制器作用機(jī)理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)［J］.河南電力,2007(1)：62-64.

［4］王鑫.V94.3A型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒控制分析［J］.發(fā)電設(shè)備, 2010,24(6)：453-456.

Study on Control Strategies of V94.3A Gas Turbine

Cao Yue,Zhang Weijie,Yang Jingqi
(Shanghai Power Equipment Research Institute,Shanghai 200240,China)

An introduction is being presented to the control system classification of Siemens V94.3A gas turbine,according to which an analysis was carried out to the control logic.The master control system cooperates with the IGV control system to determine the ratio of fuel and air,and the fuel control system can switch the combustion method.Above control systems help to realize control over different operation stages.

gas turbine；control system

TP273

A

1671-086X(2015)03-0176-04

2014-08-14

曹 越(1989-),男,在讀碩士研究生,研究方向?yàn)殡娬局鳌⑤o機(jī)控制。

E-mail：caoyue174@163.com