西門子SGT5-8000H 級燃氣輪機排氣溫度的控制

李建偉，蘇 燁，毛志偉，陳 凱

（1.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310012；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

巴基斯坦吉航1 263 MW“二拖一”聯(lián)合循環(huán)機組是亞洲首家采用西門子SGT5-8000H 級燃汽輪機并最早調(diào)試的機組，包括2 套SGT5-8000H燃氣輪發(fā)電機組、2 套本生型三壓再熱無補燃自然循環(huán)臥式余熱鍋爐和1 套純凝式蒸汽輪發(fā)電機組。機組主燃料為RLNG（再氣化液化天然氣），備用燃料為HSD Oil（高速柴油機油）。發(fā)電廠出線經(jīng)過220 kV 升壓站接入系統(tǒng)。整套機組既可單循環(huán)運行，也可聯(lián)合循環(huán)運行。在天然氣性能保證工況下，聯(lián)合循環(huán)全廠出力約為1 263 MW。

西門子H 級燃氣輪機是西門子綜合了原V94.3A 系列和原西屋W 系列燃氣輪機的成熟技術(shù)而創(chuàng)新研發(fā)的系列產(chǎn)品。單循環(huán)發(fā)電效率高于40%，聯(lián)合循環(huán)燃機效率更是高于60%[1]。相對于F 級燃氣輪機，H 級燃氣輪機在結(jié)構(gòu)上最大的區(qū)別是采用了環(huán)管型燃燒室，以及壓氣機增加了3 級可調(diào)靜葉VGV1，VGV2 和VGV3[2]，其空氣流量調(diào)節(jié)范圍增大為50%～100%，而F 級燃氣輪機的流量調(diào)節(jié)范圍約為70%～100%[3]，因此H 級燃氣輪機中間部分負荷性能較F 級燃氣輪機有所提高，有助于AGC（自動發(fā)電控制）和一次調(diào)頻能力提升。

本文結(jié)合在吉航基建現(xiàn)場調(diào)試過程中學習和掌握的知識，詳細介紹了SGT5-8000H 燃氣輪機排氣溫度控制的原理、控制作用以及影響排氣溫度控制的各種因素，并對IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 的現(xiàn)場調(diào)試和注意事項進行了總結(jié)，可以為后續(xù)H 級燃機的調(diào)試提供經(jīng)驗借鑒。

1 燃氣輪機排氣溫度控制

燃氣輪機排氣溫度控制是燃氣輪機自動控制系統(tǒng)的核心部分，由進口IGV/VGV（可調(diào)導(dǎo)向?qū)~）開度控制器和燃機OTC（出口排氣溫度）控制器兩部分組成，兩者都采用排氣溫度的修正值作為被調(diào)量，但二者又有不同之處[4-6]：開度控制是在IGV/VGV 處于全關(guān)和全開狀態(tài)之間，可以自由調(diào)節(jié)開度時啟作用，通過改變IGV/VGV 的開度來控制部分負荷下的燃機排汽溫度[13]；OTC 控制是在IGV/VGV 在全關(guān)或者全開情況下啟作用，在IGV 和VGV 全開時用于限制燃機在額定負荷下不超溫，在IGV/VGV 全關(guān)時可以限制燃機排煙溫度保證預(yù)熱鍋爐不超溫，減少熱應(yīng)力，有利于汽輪機的沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)和穩(wěn)定運行[6]；OTC 控制器調(diào)節(jié)的是燃料閥開度，用于控制燃料量。為防止兩者之間相互干擾，當處于IGV/VGV 開度控制時，OTC 控制器的設(shè)定值在IGV 溫控設(shè)定值的基礎(chǔ)上自動增加10°，保證在部分負荷下OTC 控制器不動作；同樣，在OTC 控制模式下，為防止IGV/VGV 在全開位置波動，將在溫控設(shè)定值的基礎(chǔ)上自動減去TR（2°～5°），保證IGV/VGV 留在全開位置，便于OTC 進行排氣溫度控制。同時為了提高IGV/VGV 開度控制的響應(yīng)速度，在開度控制的溫度調(diào)節(jié)回路引入了前饋量YMincal，當YMincal超過0.323 時，IGV（VGV）便會逐漸開啟，其中：

式中：KN為燃料指令；Ka和Kp分別為壓氣機入口壓力、入口溫度修正系數(shù)。

1.1 IGV/VGV 的開度控制

IGV/VGV 的開度控制主要包含了溫度控制器和角度控制器，溫度控制器的輸出值疊加上燃料前饋形成的最小值，經(jīng)過函數(shù)轉(zhuǎn)換，最終得到角度輸出指令。IGV 的角度輸出指令加上角度修正值，經(jīng)過最大最小限幅塊后，做角度指令到百分比指令的函數(shù)轉(zhuǎn)換，最后的閥位指令送到快速響應(yīng)AddFEM Poco+卡，進行IGV 閥的控制。

VGV1，VGV2 和VGV3 閥位指令生成原理同上。IGV/VGV 的開度控制邏輯回路如圖1 所示。

圖1 IGV/VGV 開度控制邏輯

通過圖1 可以看出，IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 控制之間的關(guān)聯(lián)主要在于角度輸出指令的分配比例關(guān)系上，從表1 可見，VGV1，VGV2 和VGV3 開度與IGV 都成比例關(guān)系。同樣，VGV1，VGV2 和VGV3 的開度指令也可以簡化成IGV 開度指令乘以相應(yīng)的系數(shù)，如圖2 所示。

1.2 排氣溫度OTC 控制

表1 IGV（VGV）的開啟范圍

圖2 IGV/VGV 開度指令

由于透平入口溫度很高，無法實現(xiàn)長期直接測量，而透平出口擴散段溫度相對較低，便可以通過修正后的擴散段溫度來間接控制燃機透平入口溫度，經(jīng)過修正后的出口溫度稱為OTC[7]。燃氣輪機透平入口溫度是限制燃機功率的主要因素，在燃機運行時，必須控制透平入口溫度不超過設(shè)定值，通過對燃機進氣量和排氣溫度進行適當控制，以保證透平部件的熱應(yīng)力在允許范圍之內(nèi)[8-11]。目前H 級燃機的出口溫度采用的是擴散段的溫度取平均值，而F 級燃機的出口溫度采用的是透平排氣出口的溫度測點取平均值，溫度測點選取位置的不同，其修正公式也不同，西門子SGT5-8000H 型燃機的OTC 計算公式如下：

式中：TOP 由安裝在燃機排氣擴散段的6 對熱電偶溫度測量后取得，12 個溫度測點取平均；K1—K11，a，b，c 都是常數(shù)；DNN=1-NT/50，NT 為燃機轉(zhuǎn)速；TV1 為壓氣機入口的6 對熱電偶溫度測量，12 個測點取平均值；DEW 為進氣露點溫度計算值。

通過對排氣溫度計算公式進行分析，壓氣機入口溫度、燃機轉(zhuǎn)速和空氣相對濕度等因素都會影響燃機透平的膨脹比，繼而影響透平的焓降及透平出口溫度。通過公式修正后，透平出口溫度同透平入口溫度形成相對固定的對應(yīng)關(guān)系，可以通過控制修正過后的透平出口溫度OTC，間接控制透平入口溫度，實現(xiàn)排氣溫度控制目標[12]。

排氣溫度OTC 的控制邏輯回路如圖3 所示。

圖3 排氣溫度OTC 控制邏輯

通過圖3 可以看出：排氣溫度控制回路的設(shè)定值由三部分組成，分別是TSXW（過程溫度控制回路）溫度、TSMAXW（最大限制）溫度、TS（壓氣機入口溫度函數(shù)設(shè)定值），三部分定值在機組正常運行期間以三者取小的關(guān)系共同運行，排氣溫度設(shè)定值主要受相對負荷、壓氣機入口溫度修正和HCO（液壓間隙優(yōu)化）修正因素影響[13]。作為排氣溫度調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，實時控制燃氣輪機排氣溫度數(shù)值，保障機組安全運行。

（1）TSXW 溫度設(shè)定在汽輪機啟動、升速、并網(wǎng)帶初始負荷階段，為保證汽輪機進汽壓力、溫度、流量各參數(shù)在合理范圍之內(nèi)，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)過程溫度控制回路計算出溫度數(shù)值作為燃機輪機排氣溫度控制器的設(shè)定值。

（2）TSMAXW 溫度在聯(lián)合循環(huán)工況下，為保證鍋爐高、中壓主蒸汽溫度不超過限值，協(xié)調(diào)溫度控制回路計算出溫度數(shù)值作為燃機輪機排氣溫度控制器的設(shè)定值，以保證燃氣輪機排氣溫度不超過鍋爐所能承受溫度的最大值。

（3）壓氣機入口溫度函數(shù)設(shè)定值TS 根據(jù)燃氣輪機性能曲線，由壓氣機入口溫度、燃氣輪機負荷、壓氣機入口壓力、HCO 系統(tǒng)修正、NOX排放修正等經(jīng)過一系列運算轉(zhuǎn)換生成。設(shè)定值主要通過燃機相對負荷Pe/Pg對應(yīng)的負荷溫度函數(shù)取得，其中Pe為經(jīng)過慣性處理的燃機實際負荷，Pg為修正過后燃機最大負荷能力：

式中：TV1 為壓氣機入口的6 對熱電偶溫度測量，12 個測點取平均值；Pin 壓氣機入口壓力；K12 為HCO 修正系數(shù)，K13 和K14 為常數(shù)；F（Ttabnox）NOX低溫修正函數(shù)。

在ISO 工況下，H 級燃機燃氣模式下基本負荷為435 MW,對應(yīng)的排汽溫度設(shè)定值為625.59°（聯(lián)合循環(huán)增加2°），燃油模式下基本負荷為393 MW，對應(yīng)的排汽溫度設(shè)定值為566.8°（聯(lián)合循環(huán)增加2°）。

1.3 排氣溫度控制的作用

燃氣輪機排氣溫度通過IGV/VGV 的開度控制來調(diào)節(jié)空氣進氣量，通過OTC 控制來調(diào)節(jié)燃料量，使透平入口溫度控制在安全范圍內(nèi)，保障燃機安全穩(wěn)定運行，其作用主要體現(xiàn)在：

（1）通過對透平出口溫度的控制，盡可能保持穩(wěn)定的透平入口溫度。

（2）在保證燃氣輪機室及透平安全的情況下，限制燃機透平入口溫度在允許條件下的一個最大值，盡可能提高效率[14]。

（3）在聯(lián)合循環(huán)模式下，使燃機的排煙溫度保持在較高水平，以提高聯(lián)合循環(huán)裝置的總體熱效率；同時也可以滿足啟動階段燃機同余熱鍋爐、汽機的溫度匹配[15-16]。

（4）在緊急工況下，通過減少進氣量和燃料量，可以快速的降低透平出口溫度，保護設(shè)備。

2 IGV/VGV 調(diào)試

西門子H 級燃氣輪機的壓氣機采用進口導(dǎo)葉加前三級靜葉可調(diào)設(shè)計，相比于F 級增加了3級可調(diào)靜葉VGV1，VGV2 和VGV3，其空氣流量調(diào)節(jié)范圍增大為50%～100%，主要包括液壓執(zhí)行機構(gòu)、過濾器、止回閥、伺服閥、位移傳感器、進油、回油管線等，通過電液執(zhí)行機構(gòu)調(diào)整進氣導(dǎo)葉的角度，來保證燃機在不同的工況條件下有適當?shù)目諝饬髁?，保證燃機的安全運行。

2.1 傳感器測量裝置調(diào)試

西門子H 級燃氣輪機IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 開度位置反饋采用2 個角度傳感器以及1個LVDT 線性位移傳感器2 種方式測量，就地角度傳感器信號先傳送到SSI 智能儀表，通過儀表轉(zhuǎn)化輸出4-20 mA 信號到AddFEM Poco+卡件，線性傳感器信號直接傳送到AddFEM Poco+卡件。在IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 調(diào)試前，首先對SSI 智能儀表進行參數(shù)設(shè)置，保證角度輸出值正確，計算公式為SSI（digits）=杠桿角×（8 192/360）+1 024，對IGV 來說全開時SSI 顯示1 593，全關(guān)時SSI 時顯示546。IGV 有40 個葉片，2 個角度傳感器安裝于18 號和38 號導(dǎo)葉下部；VGV1有34 個葉片，2 個角度傳感器安裝于15 號和32號導(dǎo)葉下部；VGV2 有46 個葉片，2 個角度傳感器安裝于21 號和44 號導(dǎo)葉下部；VGV3 有54 個葉片，2 個角度傳感器安裝于25 號和52 號導(dǎo)葉下部。角度傳感器來測量葉片實際角度變化，LVDT 線性位移傳感器安裝于執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)部，直接測量液動執(zhí)行機構(gòu)的行程，輸出電流信號送到TCS 控制系統(tǒng)，通過函數(shù)換算成角度，屬于間接測量。IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 的初始角度（最小開度）是不一樣的，如表1 所示。

2.2 行程整定

液壓油泵啟動后待液壓油壓力正常后（大于160 MPa），在T3000 的IGV/VGV 系統(tǒng)操作畫面上對IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 的傳感器進行復(fù)位，使IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 處于可調(diào)節(jié)狀態(tài)。IGV 在全開和全關(guān)位置分別用角度尺對40 個控制桿角度進行測量，取平均值與設(shè)計角度進行校對；VGV1，VGV2 和VGV3 在全開和全關(guān)位置分別用角度尺對其中12 個控制桿角度進行測量，取平均值與設(shè)計角度進行校對。根據(jù)測量結(jié)果現(xiàn)場進行連桿調(diào)整并對TCS 系統(tǒng)內(nèi)的參數(shù)進行重新設(shè)定，同時調(diào)整AddFEM Poco+卡內(nèi)部參數(shù)，使收到百分比反饋信號與就地實際角度一一對應(yīng)。在完成了就地連桿調(diào)整和系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)調(diào)整后，對IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 進行線性試驗，確保導(dǎo)葉各項指標滿足設(shè)計要求。

調(diào)試過程中要合理設(shè)置角度傳感器和線性位移傳感器的參數(shù)，對相關(guān)的聯(lián)鎖保護也要了解：

（1）滿足下列任一條件，觸發(fā)燃機自動降負荷：當IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 的角度設(shè)定值與測量值偏差大于4°；當IGV，VGV1，VGV2和VGV3 的閥位開度指令與線性測量值偏差大于4%；當IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 的2 個角度傳感器之間偏差大于4°；當IGV，VGV1，VGV2和VGV3 的2 個角度PID 修正值大于2.5°；當IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 的2 個角度傳感器都故障。

（2）滿足下列任一條件，觸發(fā)燃機保護跳閘：當IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 的角度設(shè)定值與測量值偏差大于8°；當IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 的閥位開度指令與線性測量值偏差大于8%；當IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 的伺服閥線圈故障；當IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 的線性位移傳感器故障時（反饋大于105%或小于-5%，探頭故障）。

圖4 IGV 葉片位置及角度描述示意

2.3 調(diào)試注意事項

（1）調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)VGV1 和VGV3 的SSI 智能儀表顯示值在開或關(guān)的過程中沒有變化，經(jīng)西門子調(diào)試工代拆開儀表外殼發(fā)現(xiàn)控制板有燒焦痕跡，可能有強電串入導(dǎo)致儀表損壞，所以設(shè)備送電前必須做好查線工作并有相應(yīng)的記錄，確認完畢后再送電。

（2）在就地進行葉片全開全關(guān)位置角度測量前，首先要檢查每個葉片連桿端部的螺紋是否有松動，在確保緊固的情況下進行，否則計算出的平均值與參考值偏差可能就比較大。

（3）對于導(dǎo)葉葉片角度西門子有3 個不同慣例的描述，現(xiàn)場測量要選擇杠桿角，如圖4 所示（以IGV 為例）。在測量葉片角度時注意測量葉片的右側(cè)，角度尺的正方向指向燃機內(nèi)部。

3 結(jié)語

通過巴基斯坦吉航1263 MW“二拖一”聯(lián)合循環(huán)機組的調(diào)試，對西門子SGT5-8000H 燃氣輪機排氣溫度控制策略進行解析，對IGV/VGV 調(diào)試及相關(guān)注意事項進行歸納，介紹了排氣溫度控制的原理與控制作用，同時對IGV/VGV 開度控制和OTC 控制的協(xié)調(diào)及切換進行了說明，為相關(guān)人員對控制邏輯的理解和事故原因分析提供參考，同時希望通過本文讓國內(nèi)更多的相關(guān)人員進一步了解西門子SGT5-8000H 燃氣輪機的結(jié)構(gòu)特點及相關(guān)控制。