燃氣輪機控制系統(tǒng)培訓2009

1、哈爾濱第703研究所 34室 調(diào)節(jié)組中海油湛江分公司燃氣輪機培訓班中海油湛江分公司燃氣輪機培訓班|簡介 |燃氣輪機控制系統(tǒng)的結構|燃氣輪機的主控系統(tǒng)z啟動控制系統(tǒng)z轉速控制系統(tǒng)z加速控制系統(tǒng)z溫度控制系統(tǒng)z停機控制系統(tǒng)z手動FSR控制系統(tǒng)|燃氣輪機的順序控制系統(tǒng)z轉速級邏輯z燃氣輪機啟動控制|燃氣輪機的IGV控制系統(tǒng)|燃氣輪機的燃料控制系統(tǒng)|GT6000燃氣輪機監(jiān)控系統(tǒng)結構|GT6000燃氣輪機監(jiān)控系統(tǒng)人機界面燃氣輪機控制系統(tǒng)使機組盤車把機組帶動到清吹轉速、點火，暖機、再把機組轉速提升到額定工作轉速，還要控制同期并網(wǎng)，然后把燃氣輪機加負荷到適當?shù)墓ぷ鼽c。這一系列過程必須自動發(fā)生和完成，同時要減

2、小燃氣輪機熱通道部件和輔助部件中的熱應力。燃氣輪機控制系統(tǒng)包括4個功能子系統(tǒng)，即：主控制系統(tǒng)；順序(程序)控制系統(tǒng)；保護系統(tǒng)；電源系統(tǒng)。在上述各功能系統(tǒng)中主控制系統(tǒng)是主要的，它必須完成4項基本控制：設定啟動和正常的燃料極限；控制燃氣輪機轉子的加速；控制燃氣輪機轉子的轉速；限制燃氣輪機的透平進口溫度。每個時刻只有一個控制功能或系統(tǒng)能控制送到燃氣輪機的燃料流量。這幾個控制系統(tǒng)都輸入到“最小值選擇門”，該選擇門的輸出作為燃料控制系統(tǒng)的輸入。采用最小值可給燃氣輪機提供最安全的運行。順序(程序)控制系統(tǒng)提供了在啟動、運行、停機和冷機期間輪機、發(fā)電機、啟動裝置和輔機的順序控制。順序控制系統(tǒng)監(jiān)測保護系統(tǒng)和其

3、他主要系統(tǒng)，如燃料系統(tǒng)、液壓油系統(tǒng)，并發(fā)出燃氣輪機按預定方式啟停的邏輯信號。這些邏輯信號包括轉速級信號、轉速設定點控制、負荷能力選擇、啟動設備控制和計時器信號等。 v保護系統(tǒng)和電源系統(tǒng)由另外老師主講。v本章介紹對象為GE公司的SPEEDTRONICTM Mark-V數(shù)字控制系統(tǒng) 。 啟動控制系統(tǒng)（Start Up Control）啟動控制燃料行程基準 FSRSU轉速控制系統(tǒng)（Speed Control）轉速控制燃料行程基準 FSRN溫度控制系統(tǒng)（Temperature Control）溫度控制燃料行程基準 FSRT加速控制系統(tǒng)（Acceleration Control）加速控制燃料行程基準 F

4、SRACC停機控制系統(tǒng)（Shut down Control）停機控制燃料行程基準 FSRSD手動控制系統(tǒng)（Man Control）手 動 控 制 燃 料 行 程 基 準 FSRMAN 表表1 1 主控系統(tǒng)燃料行程基準主控系統(tǒng)燃料行程基準 圖1 主控系統(tǒng)控制原理圖|啟動控制系統(tǒng) z啟動控制系統(tǒng)僅控制燃氣輪機從點火開始直到啟動程序完成這一過程中燃料量Gf(在Mark-V系統(tǒng)中通過啟動控制系統(tǒng)輸出FSRSU)。燃氣輪機啟動過程中燃料需要量變化范圍相當大。其最大值受壓氣機喘振(有時還受透平超溫)所限，最小值則受熄火極限或零功率所限。這個上下限隨著燃氣輪機轉速大小而變，在脫扣轉速時這個上下限之間的范圍最

5、窄。沿上限控制燃料量可使啟動最快，但燃氣輪機溫度變化劇烈，會產(chǎn)生較大的熱應力，導致材料的熱疲勞而縮短使用壽命。 z啟動控制過程是開環(huán)的，根據(jù)程序系統(tǒng)來的一組邏輯信號來分段輸出預先設置的FSRSU，整個啟動控制的過程用圖2曲線表示。圖3則給出了FSRSU的控制算法。 (圖中有誤處：將第一個比較器的A、B間連線斷開;將FSKSU_AR橫線段延伸至右側縱線處,并以常閉觸點形式受控于比較器輸出。）圖2 啟動控制曲線 圖 3 啟動控制算法 |轉速控制系統(tǒng)z轉速控制是燃氣輪機最基本的控制系統(tǒng)，Mark-V系統(tǒng)有“有差控制”(Droop Speed)與“無差控制”(Isoch Speed)兩種控制方式。當發(fā)

6、電機并網(wǎng)運行時應選用“有差”控制方式，當發(fā)電機單機運行時可選用“無差”控制方式。這里僅介紹“有差”控制。z有差轉速控制算法根據(jù)要求的轉速基準信號(speed Reference)TNR與實際轉速TNH之差，正比例地改變FSR z有差轉速控制算法公式：FSRN- FSRN0 =(TNR-TNH)KDroop 式中：FSRN有差轉速控制的輸出FSR； FSRN0燃氣輪機在額定轉速下空載的FSR值(在這里作為控制常數(shù)存入存儲元) KDroop決定有差轉速控制不等率的控制常數(shù)(調(diào)峰的燃氣輪機一般取4%) 圖 4 有差轉速控制系統(tǒng)原理圖（a：轉速控制 b：轉速基準） |加速控制系統(tǒng) z加速控制系統(tǒng)將轉子

7、實際轉速信號TNH對時間求導，計算出轉子角加速度TNHA，若角加速度實測值超過了給定值TNHAR，則減小加速控制FSR值FSRACC，以減小角加速度，直到該值不大于給定值為止。若角加速度值小于給定值，則不斷增大FSRACC，迫使加速控制系統(tǒng)自動退出控制，角加速度為正值時就是轉速增加的動態(tài)過程，加速控制系統(tǒng)僅限制轉速增加的動態(tài)過程的加速度，對穩(wěn)態(tài)(靜態(tài))不起作用，對減速過程也不起作用。由此可見加速控制系統(tǒng)其實質(zhì)是角加速度限制系統(tǒng)。加速控制系統(tǒng)主要在兩種加速過程發(fā)揮作用。在燃氣輪機突然甩去負荷后幫助抑制動態(tài)超速。燃氣輪機甩去負荷后的過渡過程中，初期轉速還未上升多少，F(xiàn)SRN下降也不多，但此時加速度

8、卻很大，使FSRACC降得很小，其介入主控系統(tǒng)后就能在此期間快速地降低FSR，減小轉子動態(tài)超速。在啟動過程中限制輪機的加速率，以減小熱部件的熱沖擊。 圖5 加速控制的算法 圖6 加速控制的TAKNn 表表2 TNHAR2 TNHAR的典型控制常數(shù)的典型控制常數(shù) n 1 2 3 4 5 TAKNn（%） 40.0 50.0 75.0 95.0100.0TAKHn（%/ s） 0.11 0.11 0.31 0.31 0.10|溫度控制系統(tǒng) z燃氣輪機的透平葉輪和葉片在高溫、高速下工作，它們不僅承受高溫，而且還承受巨大的離心應力。葉片、葉輪的材料的強度隨著溫度的上升顯著降低，對于燃氣輪機來說，這些受

9、熱零部件的強度余量本來就不大，所以在運行中必須使透平進氣溫度限制在一定范圍內(nèi)。否則，將會使透平受熱部件的壽命大大降低，甚至就會引起透平葉片燒毀、斷裂等嚴重事故。所以，溫度控制是燃氣輪機調(diào)節(jié)的主要任務之一。z溫度控制系統(tǒng)的作用 在燃氣溫度超過允許值時，發(fā)出信號去減少燃料量，使燃氣溫度不超過允許值。 在必要時(尖峰運行和尖峰超載運行)可以提高溫度的限制值。運行中這個限制值是逐漸提高的，使機組的受熱部件承受較小的熱應力。 和超溫保護系統(tǒng)一起，在各通道所測的溫度值的差額超過某一定值時發(fā)出警報。機組不論用何種方式加載，一旦機組進入溫度控制便會自動切斷加載回路，停止加載。 圖7 溫度控制的簡化原理圖 圖8

10、 排氣溫度信號處理方框圖 |溫度控制基準 z用燃氣輪機排氣溫度間接控制燃氣輪機工作溫度時，溫控基準隨環(huán)境溫度而變化，因而應用溫控基準隨壓氣機出口壓力而變的溫控線和隨燃料量而變的溫控線以達到同樣的效果。等排氣溫度溫控線為 ：TTKnI=常數(shù) 壓氣機排氣壓力CPD偏置(修正)的溫控線為 TTRXP=TTKnI - CPDTTKnCTTKnS 式中 TTKnS溫控線“CPD偏置”的斜率； TTKnC溫控線“CPD偏置”和“等排氣溫度溫控線”交點的橫坐標值。 FSR或DWATT偏置(修正)的溫控線為TTRXS=TTKnI - FSR-TTKnK TTKnM 或或 TTRXS= TTKnI - DWAT

11、T - TTKnLD TTKnLG 式中TTKnM溫控線“FSR偏置”的斜率； TTKnLG溫控線“DWATT偏置”的斜率； TTKnK溫控線“FSR偏置”和“等排氣溫度溫控線”交點的橫坐標值； TTKnLD溫控線“DWATT偏置”和“等排氣溫度溫控線”交點的橫坐標值。 圖9 溫度控制曲線 圖10 CPD故障時的溫度控制簡化原理圖 |停機控制系統(tǒng)z正常停機從操作員選擇STOP指令、控制系統(tǒng)給出停機信號L94X開始。如果發(fā)電機斷路器是閉合的，數(shù)字給定點開始以正常速率下降以減少FSR和負荷，直到逆功率繼電器動作使發(fā)電機斷路器開路，此后FSR將逐步下降、減速。猶如其啟動過程一樣，升溫和降溫速度過快同

12、樣會影響機組部件的使用壽命，停機控制中就是通過控制系統(tǒng)控制停機過程中FSRSD的遞減速率來合理控制熱應力的大小。圖11 停機控制的算法 圖12 停機FSR曲線 表表3 FSRMIN3 FSRMIN的典型控制常數(shù)的典型控制常數(shù) n1234FSKMINNn(%)5.040.082.085.0FSKMINDn(%/s)5.8417.2578.67310.0|手動FSR控制系統(tǒng) z操作員可以手動控制FSR，但一般僅在控制器故障或調(diào)試時才用。手動控制燃料行程基準FSRMAN也將作為最小值選擇門MIN SEL的諸項輸入之一。 圖13 FSRMAN控制算法 |FSR最小選擇門 z啟動控制、轉速控制、溫度控制

13、、加速控制、停機控制、手動控制等6個燃料行程基準輸送到FSR最小值選擇門，選出其中最小值賦給FSR作為選用的燃料行程基準。任何時刻僅有一個系統(tǒng)的燃料行程基準通過最小值選擇門，進入控制。z需特別說明，上述FSR的輸出有賴于主保護邏輯L4為“真”。一旦燃氣輪機出現(xiàn)任何原因的遮斷，則L4為“假”，最小值選擇門的輸出被遮斷，這時FSR立刻被箝位到零，以此確保切斷燃料，保證機組的安全。 圖14 燃氣輪機主控系統(tǒng)總貌 |順序控制系統(tǒng)與主控系統(tǒng)和保護系統(tǒng)是緊密配合相互聯(lián)系的，其作用是燃氣輪機在接到啟動命令后，能夠按照規(guī)定的啟動程序發(fā)出程序信號，自動地將啟動機啟動，帶動燃氣輪轉子轉動、燃氣輪機點火、轉子加速直

14、至達到額定轉速。啟動程序安全地控制燃氣輪機從零轉速加速到額定運行轉速，在這個過程中要求燃氣輪機熱通道部件的低周疲勞為最小，既保證較迅速的啟動又不能產(chǎn)生太大的熱應力。啟動程序還涉及到一系列輔機、啟動機和燃料控制系統(tǒng)的順序控制命令。因為安全、迅速的啟動還取決于燃氣輪機各有關設備的適時運作，所以程序又必須根據(jù)送來的信號進行判斷，及時地查驗各有關設備所處的狀態(tài)。這些程序的順序邏輯不僅與實施控制的設備有關，還要和保護電路有關。|停機程序同樣也是自動完成的。 |轉速級邏輯表表4 4 燃氣輪機控制系統(tǒng)的轉速級燃氣輪機控制系統(tǒng)的轉速級 名稱代號轉速信號對應的燃機轉速（%n0）主要功能動作返回零轉速14HRTN

15、K14HR1/20.060.5停轉信號冷拖轉速14HTTNK14HT1/28.43.2冷拖最小點火轉速14HMTNK14HM1/210.09.5進入清吹階段清吹轉速14HPTNK14HP1/217.016.0完成清吹，準備點火升速轉速14HATNK14HA1/25046機組加速自持轉速14HCTNK14HC1/26050啟動電機脫扣啟勵轉速14HFTNK14HF1/29591發(fā)電機磁場啟動運行轉速14HSTNK14HS1/29594啟動完成|燃氣輪機的啟動控制z燃氣輪機的啟動過程是由啟動程序控制和主控制系統(tǒng)中啟動控制共同作用完成的,前者從啟動開始給出順序控制邏輯信號，后者從燃氣輪機點火開始控制

16、燃料命令信號FSR值。圖15給出兩者之間的關系。 圖15 燃氣輪機典型的啟動程序方框圖 圖16 GE公司燃氣輪機典型的啟動曲線 |IGV控制功能 z壓氣機進口導葉IGV(Inlet Guide Vane)控制是通過，IGV葉片轉角的變化限制進壓氣機的空氣流量?？刂艻GV的目的有以下幾個：在燃氣輪機啟動或停機過程中，當轉子以部分轉速旋轉時，為避免壓氣機出現(xiàn)喘振而關小IGV角度，擴大了壓氣機的穩(wěn)定工作范圍。 IGV溫控。在燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)中，為保證余熱鍋爐的正常工作和最理想的效率，往往要求燃氣輪機排氣溫度處于恒定的比較高的溫度值。因此燃氣輪機在部分負荷運行時要適當關小IGV，相應減少空氣流量而維持

17、較高的排氣溫度。其結果是燃氣輪機的效率基本不變而提高了余熱鍋爐一汽輪機的效率，使聯(lián)合循環(huán)的總效率得到提高。 機組啟動時關閉IGV，壓氣機空氣流量減小，使機組的啟動阻力矩變小，減小啟動過程中壓氣機的功耗，有利于減小啟動裝置的配置功率。在啟動功率不變的情況下，可以縮短啟動加速時間。 |IGV控制原理 圖17 IGV控制基準的算法方框圖TTRXGV-IGV溫度控制基準；CSRGVMAN_CMD-IGV手動控制指令；CSRGVX-IGV溫度和手動控制基準；CSKGVMN-IGV最小全速角（57）；CSRGVPS-部分轉速IGV控制基準； CSKGVMAX-IGV全開（84）；CSRGVOUT-IGV的

18、伺服輸出基準 。|IGV控制基準的算法 z校正轉速TNHCOR z部分轉速IGV基準CSRGVPS zI G V 溫 度 控 制 和 手 動 控 制 基 準CSRGVX和IGV溫控基準TTRXGV 圖18 IGV部分轉速控制基準CTIM-壓氣機進氣溫度；CQKTC_RT壓氣機升溫率（540 ）；CSKGVPS1-IGV的開啟起始點理論值（典型值為78.9%）；CSKGVPS2-IGV的開啟速率（典型值6.67/%） 圖19 IGV溫度控制基準 CPD-壓氣機排氣壓力；TTKGVC-IGV溫控CPD基準拐點（134.5psi)；TTKGVI-IGV溫控排氣溫度基準等溫線（1045F）；TTKGV

19、S-IGV溫控排氣溫度斜率（1.624 F/psi)|IGV的運作 z正常啟動時。IGV保持在全關位置(34)一直持續(xù)到達到校正轉速，這時IGV開始開啟。在全速空載或帶20%以下負荷時，IGV開啟到最小全速位置(57)。與壓氣機防喘放氣閥配合動作以維持壓氣機的喘振裕度。z在不選擇IGV溫控方式運行時，IGV保持在最小全速角，直到排氣溫度達到簡單循環(huán)的IGV溫控給定點為止。這個IGV溫控給定點一般比基本溫控點低167。另一種控制方式，以恒定的控制常數(shù)SCKGVSSR(典型值7000F)作為排氣溫度控制值，以此調(diào)整IGV開度。z當選擇了IGV溫控方式，在達到聯(lián)合循環(huán)的IGV溫控給定點之前，IGV保

20、持在最小全速角57位置。IGV溫控點比與此相同的CPD偏置點相對應的基本溫控點低大約5.6。當輸出功率繼續(xù)增加時，IGV必須增加開度以維持給定點的排氣溫度 。圖20 IGV排氣溫度控制 圖21校正轉速、負荷和IGV角度的關系 |IGV控制故障保護z機組啟動前IGV位置反饋開度大于35或小于32時，則產(chǎn)生“IGV位置故障”報警，機組啟動閉鎖。z在部分轉速運行時，VIGV位置反饋與基準信號CSKGV之間的差值超過LK86GVAl (典型值為7.5) ，且持續(xù)LK86GVA2(典型值為5s)時間，則發(fā)出報警信號L86GVA“IGV不跟隨CSKGV”，見圖22。z如果VIGV位置開度反饋超出轉速基準C

21、SKGV達LK86GVTl(典型值為7.5)值范圍，并持續(xù)LK86GVT2時間(典型值為5s)，為防止IGV過開導致壓氣機喘振，則產(chǎn)生遮斷信號L86GVT。遮斷信號L86GVT將使20TV失電，遮斷透平并給出報警。z在全速運行中，如果VIGV反饋CSGV低于最小允許的全速值LK4IGVTX(典型值為52)，則遮斷邏輯L4GVTX將報警并遮斷燃氣輪機。 |燃料控制系統(tǒng)是指使用雙燃料的燃氣輪機對液體和氣體兩種不同燃料的選擇、轉換控制以及混合比例的計算和流量的控制。 |燃料控制系統(tǒng)z在Mark-V主控系統(tǒng)中最終確定的是燃料行程基準FSR輸出量。而燃料控制系統(tǒng)則是根據(jù)FSR確定進入燃燒室的各種燃料的總

22、量。燃料總消耗率應為 GfFSRTNHz燃氣輪機運行時可以采用其中一種燃料也可以采用氣/液混合燃料，因而燃料控制系統(tǒng)還應包括把總燃料消耗率分解為兩種燃料的適當比例。 |燃料分解器(Fuel splitter) 為適應液/氣混合燃料運行，計算機 控 制 算 法 把 F S R 分 解 為FSR1(液體燃料行程基準)和FSR2(氣體燃料行程基準)兩部分，并保持FSRl+FSR2=FSR。圖23為燃料分解器算法示意圖。 圖23 燃料分解器的算法示意圖 |燃料的切換 圖24 雙燃料切換分解曲線(a)從液體燃料切換到氣體燃料；(b)從氣體燃料切換到液體燃料；(c)從全液體燃料切換到混合燃料 |液體燃料控

23、制 液體燃料行程基準FSRl在算法中與TNH相乘后作為液體燃料流量基準，即：FQROUT=FSRlTNH 該基準作為控制系統(tǒng)的輸出指令，經(jīng)D/A轉換后進入液體燃料系統(tǒng)的硬設備。設備根據(jù)FQROUT調(diào)整液體燃料流量GfL，使代表液體燃料流量的燃料分配器轉速信號FQLl(液體燃料流量)等于FQROUT。 |液體燃料控制系統(tǒng) z燃氣輪機液體燃料控制系統(tǒng)見圖25。進入燃氣輪機燃燒室的燃料通過改變旁通燃料來調(diào)節(jié)，旁通調(diào)節(jié)閥開大，則進入燃燒室的燃料減小。旁通調(diào)節(jié)閥由電液伺服閥65FP控制的液壓執(zhí)行器(油動機)驅動。電液伺服閥、液壓執(zhí)行器和旁通調(diào)節(jié)閥組成旁通閥組件。電液伺服閥根據(jù)來自TCQC伺服放大驅動的電流信號改變旁通調(diào)節(jié)閥