GE 9F燃氣輪機主要控制系統(tǒng)及IGV系統(tǒng)分析

熊 超，劉震華 ，張 英，高 任

(1.國電南京自動化股份公司， 南京 100000；2.國家能源集團吉林龍華白城熱電廠，吉林 白城 137000)

在中國越來越重視清潔能源的情況下，為了吸納新能源，燃氣輪機作為調(diào)峰機組的能力越來越受重視，自動控制系統(tǒng)是燃氣輪機控制核心。GE9F燃氣輪機主控系統(tǒng)用MARK 6E系統(tǒng)實現(xiàn)，本文以某電廠美國GE公司的9F燃氣-蒸汽雙軸聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組為參照，主要介紹燃機燃料控制基準(FSR)控制系統(tǒng)以及壓氣機可變進口導葉(IGV)控制系統(tǒng)，對一些重要控制部分給出詳細解析并提供控制邏輯圖和詳細算法。

1 燃氣輪機的主要功能控制系統(tǒng)

FSR一共分為8個子系統(tǒng)：啟動控制系統(tǒng)；轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)；溫度控制系統(tǒng)；加速控制系統(tǒng)；停機控制系統(tǒng)；壓氣機壓比控制系統(tǒng)；負荷控制系統(tǒng)；手動FSR控制系統(tǒng)[1]。8個子系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)算法計算出相應的燃料控制分量，然后進行比小，選出最小值作為控制輸出。IGV控制也是非常重要的控制裝置，主要用來控制燃機排氣溫度，而且能夠防止壓氣機喘振，這對燃機的安全非常重要。燃機主控系統(tǒng)控制功能見圖1。下面選取典型的系統(tǒng)進行介紹。

1.1 啟動控制

圖1 燃機主控系統(tǒng)控制功能

主控系統(tǒng)的啟動控制，在點火的時候開始到啟動程序完成，不參與并網(wǎng)后負荷控制，輸出信號一般叫FSRSU，整個控制屬于開環(huán)控制，燃機以變頻啟動系統(tǒng)(LCI)啟動[2]，當燃機被啟動機帶到額定轉(zhuǎn)速16%的時候，開始清吹，當點火的所有條件滿足后，F(xiàn)SRSU的輸出值為FSRSU_FI，一般是17.5%FSR乘以一個壓氣機氣流溫度系數(shù)CQTC，這個值就是點火FSR值。如果點火成功，此時將FSRSU_WU賦予FSR以建立暖機值(14.4%FSR)，此時燃機開始暖機，暖機持續(xù)60 s。暖機結(jié)束后，F(xiàn)SRSU繼續(xù)以預定速率上升到燃機加速控制燃料量的最大值FSRSU_AR。當機組并網(wǎng)后，F(xiàn)SRSU按照更大的預定速率上升到最大值FSRMAX,這種快速上升是為了退出對FSR的控制權(quán)。

1.2 轉(zhuǎn)速控制以及加速度控制

轉(zhuǎn)速控制的燃料量的公式為：nFSR=(nTNR-nTNH)×K+n0FSR，其中n0FSR為燃機額定轉(zhuǎn)速下的(空載)定值，K為轉(zhuǎn)速不等率(常數(shù))，nTNH為實際轉(zhuǎn)速，nTNR為轉(zhuǎn)速基準，轉(zhuǎn)速基準不同情況下(啟機、停機、運行、超速實驗)會設(shè)置不同的上下限。全速空載時轉(zhuǎn)速為3 009 r/min，稍高于額定轉(zhuǎn)速是為了確保機組并網(wǎng)不會逆功率跳機。并網(wǎng)后此回路變成功率控制回路。

加速度控制是將轉(zhuǎn)子角加速度與給定值進行比較控制，是限制燃機加速度的。主要有兩個作用：甩負荷時抑制動態(tài)超速啟動過程中限制燃機的加速度，以減少燃機的熱應力沖擊，保護機組安全。

圖3 溫度控制系統(tǒng)算法

加速度控制算法見圖2，F(xiàn)SRACC為加速度控制算法計算出來的FSR，其中FSRMAX為最大極限100%FSR；FSRMIN是一個不斷變化的FSR最小值，是根據(jù)一條限制曲線經(jīng)壓氣機進汽溫度修正后得到的值，目的是防止燃料量過小導致燃機熄火；TNHAR為加速度基準；TNHA為實際加速度；FSKACC為系數(shù)常數(shù)，當燃機加速度超過基準時，燃機加速度基準與實際加速度的差值變成負數(shù)，F(xiàn)SRACC小于FSR，加速控制起作用，降低了FSR值。

圖2 加速度控制算法

1.3 溫度控制

燃機運行時必須控制好燃燒室的出口溫度以保證透平部件在熱應力允許范圍內(nèi)，溫控系統(tǒng)輸出FSR用FSRT來表示。溫控系統(tǒng)控制原理見圖3，其中TTXM為經(jīng)算法處理之后的排氣溫度，TTRX為溫控基準，CPR為壓氣機壓比，TTKI為常數(shù)溫度。設(shè)TTRX的值為t1，TTXM的值為t2，溫差Δt=t1-t2，當排氣溫度超過溫控基準的時候，Δt<0，F(xiàn)SRT會作為主控輸出，F(xiàn)SR就會減小，排氣溫度會不斷降低，直到達到溫控基準。實際運行過程中，一般不會出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，正常Δt>0。

溫控基準有3個：常數(shù)溫度TTKI；排氣壓比計算出的溫控基準TTRXP1，其值TTTRXP1=ITTKn-(CPR-CTTKn)×STTKn+CT_BIAS+WQJC；FSR計算出的溫控基準TTRXS1，其值TTTRXS1=ITTKn-(FSR-KTTKn)×MTTKn+CT_BIAS+WQJC，F(xiàn)SR為燃料量值，CPR為壓氣機壓比值，CT_BIAS為壓氣機進口溫度修正值，WQJC為水(或蒸汽)噴注的溫度控制補償量，其他控制量為常數(shù)，取決于不同燃料、不同負荷等等。實際應用過程中TTRXS1一般用不到，其算出的值要高于TTRXP1。溫控基準變化受速率控制，以此確保變化盡可能小。

1.4 壓氣機排氣壓力控制

排氣壓力控制主要是用來控制壓比，排氣壓力控制輸出的FSR用FSRCPR來表示。排氣壓力的控制很重要，一是用來防止超溫，同時有防止壓氣機喘振的保護。CPR是根據(jù)壓氣機排氣壓力、大氣壓、進氣壓降和一些控制常數(shù)得出的。壓比偏差CPRERR1的公式為：CPRERR1=CPRLIM-CPR-CPKERRO，其中CPRERR1為壓比偏差值，CPRLIM是壓比極限值，CPKERRO是壓比偏差的偏置數(shù)(常數(shù))，F(xiàn)SRCPR=(CPRERR1+CPKFSRO)×k+FSRtc，其中FSRCPR為排氣壓力控制輸出的FSR值，CPKFSRO是壓比極限的FSR偏置常數(shù)，k為增益常數(shù)，F(xiàn)SRtc是時間漸變的函數(shù)。如果出現(xiàn)排氣壓力升高，CPERR1將變小，那么FSRCPR將下降，從而限制燃料。

1.5 壓氣機進口導葉(IGV)控制

IGV控制主要目的有3個：一是防止壓氣機喘振；二是實現(xiàn)對燃氣輪機排氣溫度的控制，在燃氣輪機運行在部分負荷下就要投溫控；三是溫度匹配，聯(lián)合循環(huán)機組，在汽輪機沖轉(zhuǎn)前，需要對燃氣輪機的排氣溫度進行限制，讓排氣溫度與汽輪機金屬溫度匹配，滿足汽輪機進汽需求。IGV控制原理見圖4，其主要有2個控制基準：溫度控制基準和修正轉(zhuǎn)速控制基準。

圖4 IGV控制原理圖

轉(zhuǎn)速控制基準主要根據(jù)修正轉(zhuǎn)速推算出IGV的值nCSRGVPS=(nTNHCOR-78.9%)×6.67%，其中nTNHCOR為修正轉(zhuǎn)速，修正轉(zhuǎn)速IGV值nCSRGVPS最小為28.5°。溫度控制有IGV溫度控制基準和排氣溫控基準，排氣溫控基準就是1.3節(jié)中的CPR溫控基準。IGV溫控基準和排氣溫控基準算法基本一樣，只是要減去一個1 ℃的死區(qū)帶，IGV基準溫控點一般比基本溫控點大約低6 ℃。

2 啟機動作過程

點火時，F(xiàn)SR等于FSRSU，F(xiàn)SR選取的是啟動控制系統(tǒng)的FSRSU，暖機過程中，還是啟動控制系統(tǒng)起作用。暖機后的升速過程依然是啟動控制系統(tǒng)起作用，但是加速度速率也會介入控制，防止升速過快，熱應力沖擊過大。在轉(zhuǎn)速達到90%左右，轉(zhuǎn)速控制回路就開始介入，實際轉(zhuǎn)速TNH隨轉(zhuǎn)速基準TNR升高，此時是轉(zhuǎn)速控制和加速控制共同作用。機組并網(wǎng)后，在機組負荷不高的時候，排氣溫度不高時還是轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)起作用，通過增減轉(zhuǎn)速/負荷基準，可以增減負荷。如果排氣溫度過高，可能溫度控制器FSRT介入控制，此時就不能再增加負荷了。

啟機時，IGV在全關(guān)位置28.5°，當燃機達到85%至89%修正轉(zhuǎn)速中間的時候，IGV打開至最小全速角49°，并網(wǎng)后加負荷，選擇IGV溫控方式，IGV保持最小全速角49°，此時增加負荷，排氣溫度上升，壓氣機壓比上升，待排氣溫度和壓比達到IGV溫控基準時，IGV開始打開，最大打開至89.5°，停機過程相反。

3 結(jié)論

本文重點分析了燃氣輪機主控系統(tǒng)和IGV控制系統(tǒng)的原理和邏輯實現(xiàn)，包括燃氣輪機的啟動控制、轉(zhuǎn)速控制以及加速度控制、排氣溫度控制、壓氣機排氣壓力控制、壓氣機進口導葉IGV控制等機組主要系統(tǒng)，分析了整個燃機從啟動、暖機、并網(wǎng)到聯(lián)合循環(huán)的過程。

GE燃機控制系統(tǒng)控制設(shè)計復雜而且耦合性

強，研究燃機的控制系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試經(jīng)驗，不但有助于現(xiàn)有9F機組的穩(wěn)定運行，而且對于自主開發(fā)燃氣輪機控制系統(tǒng)有很大的啟迪[3]。