GE9F燃氣輪機主要控制系統(tǒng)及I GV系統(tǒng)分析

宋黨科

（杭州華電半山發(fā)電有限公司，杭州 310015）

1 GE9F燃氣輪機概述

GE 9F燃氣輪機的燃機本體由進氣缸、壓氣機缸、透平缸等組成。在進氣缸中包括軸承與軸承座，軸承數(shù)量為2個，利用4個支撐連接機組底座與機組；壓氣機、燃氣透平分別為18級與3級。在燃氣輪機中，壓氣機是主要部件，空氣的吸入是通過進氣系統(tǒng)實現(xiàn)的，使高壓空氣可以連續(xù)不斷地提供給燃燒室。支撐設(shè)置在機組與底座之間，二者連接是由剛性聯(lián)軸器完成的，在軸承的中心線位置，汽輪機高壓缸前機箱固定在基礎(chǔ)板上，固定方式為軸向和橫向鍵錨，然后將其固定好，使用腳螺栓壓緊。燃機的前支撐在這種方式的應(yīng)用下會有微量的移動情況，因此，將復(fù)合導(dǎo)向鍵增加到壓氣機進氣缸下部，將軸向連接桿設(shè)置在燃機進氣缸和汽輪機的前機箱之間，保持軸向連接桿可以調(diào)整與自對。

機組前端是壓力機進氣缸，為喇叭口狀，主要材料為球墨鑄鐵。轉(zhuǎn)子由軸承支撐，并能為轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動提供承力部分。壓縮空氣裝置為壓氣機缸，材料為球磨鑄鐵。壓氣機與透平之間設(shè)置燃燒室，在壓氣機排氣缸上設(shè)置整個部件，將透平一級噴嘴連接在里側(cè)，在與壓氣機氣缸進行連接時要使用螺栓進行固定。貫穿螺栓結(jié)構(gòu)的是透平轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由透平前半軸、葉輪等組成[1]。透平轉(zhuǎn)子通過葉輪輪軸和級間輪盤上的配合止口控制各部件的同心度（見圖1），這些部件可以通過貫穿拉桿螺栓壓合在一起。螺栓壓緊各級輪盤間產(chǎn)生的摩擦力能克服一部分對扭矩。透平轉(zhuǎn)子的動葉片尺寸由第一級到第三級逐級增高，二者葉高分別為386.69 mm、519.6 mm，空氣壓力通過每一級的能量轉(zhuǎn)化逐漸減少，燃氣的流量接收可以通過環(huán)形面積增加得以實現(xiàn)，確保流量在各級相等，透平動葉在每級都為92片。

圖1 透平轉(zhuǎn)子

2 GE9F燃氣輪機主要控制系統(tǒng)特點

根據(jù)負荷指令、排氣溫度等基本同條件，燃氣輪機主要控制系統(tǒng)可以對燃料量進行調(diào)節(jié)。基于傳感器的假手運動模式識別及控制系統(tǒng)（FSR）由啟動控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)等8個子系統(tǒng)組成。燃料控制分量可以計算得出，對通迭代計算，控制輸出可以選擇最小值[2]。在控制裝置中，壓氣機進口導(dǎo)葉（IGV）發(fā)揮著重要作用，可以對燃機排氣溫度予以控制，防止壓氣機出現(xiàn)喘振問題，保證燃機安全。

2.1 轉(zhuǎn)速與功率調(diào)節(jié)特點

燃料量在啟動過程的主要特征是開環(huán)控制，不同階段的燃料設(shè)定值要按照啟動工況對應(yīng)的邏輯信號給出。燃機由變頻啟動系統(tǒng)（LCI）控制發(fā)電機，能及時完成清吹工作，使燃機具備點火條件。點火值與燃料量數(shù)值上相等，完成點火并成功后，燃機的燃料量會下降，在下降為暖機值時，燃料量會按照一定的速度增加到最大值，最終退出控制。帶負荷運作期間，轉(zhuǎn)速/功率控制和溫度控制兩個回路是燃機的重要內(nèi)容。燃料量的調(diào)節(jié)是轉(zhuǎn)速/功率調(diào)節(jié)回路的主要工作，保證燃機發(fā)動功率可以滿足預(yù)設(shè)值。

燃機在并入電網(wǎng)之后，系統(tǒng)頻率會對其轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響，將頻率擾動忽略，轉(zhuǎn)速可以認為是恒定值。將單向控制調(diào)節(jié)器作為轉(zhuǎn)速控制回路，在有差調(diào)節(jié)時，要以外回路輸出的轉(zhuǎn)速作為基準進行調(diào)節(jié)，燃料基準是輸出值與經(jīng)實功率和燃料量修正的空載燃料量之和。要求使用數(shù)字積分的方式對轉(zhuǎn)速基準進行改變，數(shù)字積分的對象為大于死區(qū)（又稱儀表的不靈敏區(qū)）設(shè)定值的功率偏差。

2.2 負荷調(diào)節(jié)特點

并網(wǎng)成功之后，熱備用負荷可以由燃機自帶，約為8%，對逆功率動作予以防止。同時系統(tǒng)還有預(yù)設(shè)負荷、遠方DCS負荷等，通過這些不同的負荷可以對負荷設(shè)定值進行改變。模擬量負荷指令是預(yù)設(shè)負荷與遠方DSC負荷采取的控制方法。在基本負荷模式的選擇下，設(shè)施會使功率控制回路設(shè)定值發(fā)生改變，變?yōu)闃O限值，輸出的轉(zhuǎn)速控制的燃料量（FSRN）會在轉(zhuǎn)速基準上升下出現(xiàn)增加，也會讓燃機負荷增加，排氣溫度也會跟著升高。為對排氣溫度進行控制，壓氣機進口導(dǎo)葉角度會增加。進口導(dǎo)葉角度在開到最大之后，溫度基準要小于排氣溫度。投入溫度控制回路之后，燃料的增加與負荷的增加得以有效抑制，透氣進氣溫度得到有效控制，能確保其在允許范圍內(nèi)，透平葉片不會受到溫度過高的影響而發(fā)生損害。

2.3 溫度控制系統(tǒng)的特點

在未投入燃料前，溫度控制系統(tǒng)屬于開環(huán)狀態(tài)，是一階慣性環(huán)節(jié)，能跟蹤燃料基準。當溫控系統(tǒng)輸出小于轉(zhuǎn)速/功率控制系統(tǒng)輸出被選中后，溫控系統(tǒng)會形成閉環(huán)PI調(diào)節(jié)回路[3]。透平的排氣溫度是溫度系統(tǒng)的被調(diào)量，但透平的工作溫度是溫控的最終目的。一級噴嘴處是透平溫度最高的位置，但在對溫度進行測量時現(xiàn)有技術(shù)難以完成，工作溫度也可以由排氣溫度間接反映，進氣溫度的控制可以通過排氣溫度的控制完成。所以，溫度控制基準的計算是溫度控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。

2.4 啟動工作狀態(tài)

啟動控制系統(tǒng)運行同時，還會在燃機暖機的升速過程發(fā)揮作用，在暖機速度控制過程中FSRSU（啟動控制系統(tǒng)信號）繼續(xù)以預(yù)定速率上升到燃機加速控制燃料量的最大值，能避免在熱應(yīng)力的作用下對燃機產(chǎn)生沖擊。轉(zhuǎn)速控制回路在轉(zhuǎn)速達到修正轉(zhuǎn)速的90%時也會介入，燃機實際轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速基準燃機轉(zhuǎn)速基準升高，這時轉(zhuǎn)速控制與加速控制共同控制轉(zhuǎn)速。

IGV在啟動時在全關(guān)位置為28.5°（全速角），IGV打開到（最小全速角45.5°），要求燃機為85%～89%修正轉(zhuǎn)速。負荷要在并網(wǎng)后增加，為使IGV保持最小全速角45.5°，要對IGV的溫控方式進行合理選擇；然后對負荷進行增加，排氣溫度、氣壓機壓比會上升，IGV會在排氣溫度與壓比在IGV溫控基準時打開，角度為88°。

3 GE9F燃氣輪機主要控制系統(tǒng)及I GV系統(tǒng)分析

3.1 GE9F燃氣輪機主要控制系統(tǒng)

3.1.1 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

在對燃料量進行控制時，可以利用轉(zhuǎn)速控制，通過式（1）進行計算。為確保機組并網(wǎng)不會發(fā)生逆功率跳機問題，要求轉(zhuǎn)速略高于額定轉(zhuǎn)速。在全速空載條件下，確定轉(zhuǎn)速為3 006 r/min。

式中，nOFSR為燃機額定轉(zhuǎn)速下的空載定值；K為轉(zhuǎn)速不等率；nTNR為轉(zhuǎn)速基準；nTNH為實際轉(zhuǎn)速。

同轉(zhuǎn)子角速度與給定值進行比較控制實現(xiàn)加速度控制，可以對燃機加速度進行限制。加速度控制可以對動態(tài)超速啟動期間燃機的加速度進行控制，熱效應(yīng)力會減少對燃機的沖擊，能讓機組的安全性得到保證。通過加速度控制算法確定FSR，計算公式為：

式中，F(xiàn)SRN為有差轉(zhuǎn)速控制的輸出FSR；FSRN0為額定轉(zhuǎn)速空載的FSR；KDroop為決定有差轉(zhuǎn)速控制不等率的控制常數(shù)；TNR為燃機轉(zhuǎn)速基準；TNH為燃機實際轉(zhuǎn)速。

有差轉(zhuǎn)速控制不等率δ（轉(zhuǎn)速變化量為額定負荷條件）由式（3）計算：

式中，F(xiàn)SRNB為額定負荷增加值。

3.1.2 溫度控制系統(tǒng)

用FSRT表示溫控系統(tǒng)輸出的FSR，其溫度控制原理如圖2所示。

圖2溫度控制系統(tǒng)原理

圖2 中，TTXM、TTRX、CPR、TTKI分別為經(jīng)算法處理后的排氣溫度、溫控基準、壓氣機壓比、常數(shù)溫度?？梢允褂檬剑?）對溫差Δt進行計算：

式中，t1為TTRX的值；t2為TTXM的值。

TTKI、排氣壓計算出的溫控基準TTRXP1、FSR計算出的溫控基準TTRXS1是溫控的3個基準。速率控制會影響溫控基準，所以，速率要盡可能控制小。

3.1.3 排氣壓力控制系統(tǒng)

控制壓比是空氣壓力控制的主要來源。用FSRCPR表示排氣壓力控制輸出的FSE，壓氣機為防止由于高溫而發(fā)生的喘振，要通過排氣壓力控制。氣壓機排氣壓力、大氣壓等共同決定CPR，在對壓比偏差進行計算時，可以使用式（5）計算：

式中，CFSRCPR1為壓比偏差；CPRLIM為壓比極限值；CPR為壓氣機壓比值；CPKERRO為壓比偏差的偏置數(shù)。

在對排氣壓力控制輸出的FSR值進行計算時，可以使用式（6）計算：

式中，COKFSRO為壓比極限的FSR偏置常數(shù)；k為增益常數(shù)；FSRtc為時間漸變函數(shù)。

排比壓比與CPERR1、FSRCRP成反比，這樣就可以對燃料進行限制。

3.2 I GV系統(tǒng)

避免壓氣機喘振、控制好燃氣機輪排氣溫度與溫度匹配是IGV系統(tǒng)的作用。燃氣輪機在汽輪機沖轉(zhuǎn)前要與循環(huán)機組聯(lián)合，限制好排氣溫度，確保排氣溫度與汽輪機金屬溫度相匹配，讓汽輪機進氣工作能正常運行。溫度控制基準與修正轉(zhuǎn)速控制基準是其兩個控制基準。IGV的值可以通過轉(zhuǎn)速控制計算而出：

式中，nCSRGVPS為轉(zhuǎn)速控制基準；nTNHCOR為修正轉(zhuǎn)速。

在對IGV溫控基準進行計算時，計算方法與排氣溫控基準相同，燃機的排氣溫度必須控制在溫控線所限制區(qū)域內(nèi)，相比于基本溫控點，IGV基準溫控點要低6℃。

4 結(jié)語

綜上所述，通過對GE9F燃氣輪機主要控制系統(tǒng)及IGV系統(tǒng)的分析，發(fā)現(xiàn)主要控制系統(tǒng)及IGV系統(tǒng)在設(shè)計時需注意諸多要點，需合理確定荷載，對溫差、壓比偏差及轉(zhuǎn)速等進行有效控制，確保GE9F燃氣輪機的穩(wěn)定可靠運行。