張　龍，李衛(wèi)團，熊永功中海油湛江分公司生產(chǎn)部，廣東湛江　524057

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SGT-100燃氣輪機控制系統(tǒng)國產(chǎn)化升級改造

張龍，李衛(wèi)團，熊永功
中海油湛江分公司生產(chǎn)部，廣東湛江524057

摘要利用國內(nèi)燃氣輪機控制技術(shù)改造SIEMENS公司成撬供貨SGT-100機型燃機控制系統(tǒng)，擺脫國外技術(shù)壟斷，提高國產(chǎn)化技術(shù)水平，大幅降低維護運行成本。

關(guān)鍵詞國產(chǎn)化；燃機；燃料閥

中海油潿洲島終端處理廠有4臺西門子SGT-100燃氣輪發(fā)電機組。該燃機采用西門子“STAR燃料控制系統(tǒng)”一旦控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題，需要停止該機組運行并直接和廠家聯(lián)系，等待廠家解決問題，造成機組運行維護成本昂貴，且故障排查的反應(yīng)速度無法滿足現(xiàn)場生產(chǎn)要求。近年國內(nèi)燃氣輪發(fā)電機組控制技術(shù)已日趨成熟，為終端處理廠燃機控制系統(tǒng)國產(chǎn)化升級改造提供技術(shù)保障。

1　STAR燃料控制系統(tǒng)

STAR燃料控制及驅(qū)動制動器電子裝置（FDAE）系統(tǒng)用于透平的精確模擬量控制，系統(tǒng)包括燃料控制器（ECU）和模擬定位器裝置（APU）。

ECU微處理器是摩托羅拉公司的68332裝置，運行頻率為12MHz，帶有閃存隨機存儲器，提供一個串行通信口RS232，9600波特率，用來調(diào)整參數(shù)、標定信號和更新程序，處理器設(shè)置有校準參數(shù)和制動器閉環(huán)定位算法。如應(yīng)用程序具有用于特定氣體燃料、液體燃料算法以及VGV定位算法。軟件在ALSTOM公司出廠前進行了預(yù)先配置設(shè)定，用于匹配客戶的特定應(yīng)用，由于該軟件是用一種高級編程語言書寫的，因此不可以在現(xiàn)場調(diào)整。

ECU的PWM驅(qū)動電路用于把位置給定值輸送到APU卡上，APU卡直接輸出閥門開度。模擬定位器（APU）只是一個模擬定位裝置，不包含軟件參數(shù)。主要有3個作用：一是用于校準制動器的反饋；二是用于校準來自ECU的PWM指令信號；三是增益調(diào)整器，可以調(diào)整比例增益。

啟動時，ECU中提前設(shè)置好固定的點火燃料量和兩級燃料爬升率，啟動過程中根據(jù)此設(shè)定開環(huán)爬升。根據(jù)不同工況和燃料組分變化，在停機狀態(tài)下，可以通過專用的通訊軟件或超級終端命令行的方式對內(nèi)部參數(shù)進行調(diào)整，由工程人員校對IGV開度、閥門零點滿度、啟動運行相關(guān)的燃料參數(shù)。運行中，燃機轉(zhuǎn)速和功率測量信號通過進入控制室的PLC后，再通過DeviceNet總線傳送到燃機箱體的ECU中，在ECU中做轉(zhuǎn)速或功率閉環(huán)控制，ECU自閉環(huán)調(diào)節(jié)器根據(jù)轉(zhuǎn)速或功率需求的熱量，按照每種燃料的熱值來計算通過每個閥門所需燃料流量。再將燃料流量輸入到氣體燃料和液體燃料的標準截流算法中計算。

2　國產(chǎn)化改造方案

2.1系統(tǒng)工藝改造

2.1.1燃氣系統(tǒng)改造

燃氣系統(tǒng)改造中拆卸原有的ECU、APU、步進電機、閥門等及其附件設(shè)備，替換為WoodWard·GS系列調(diào)節(jié)閥。GS系列為一體化智能燃料調(diào)節(jié)閥，閥門不需要清洗和校驗，可適應(yīng)高達200°F的環(huán)境溫度。閥門直接接收4mA～20mA控制信號，反饋4mA～20mA位置信號，狀態(tài)反饋，急停復(fù)位，使用24VDC直流電源作為動力電源。

燃油系統(tǒng)改造中拆卸原有的ECU、APU、步進電機、閥門等及其附件設(shè)備，替代為WoodWard·LQ系列調(diào)節(jié)閥。LQ系列為一體化智能燃料調(diào)節(jié)閥，閥門不需要清洗和校驗。閥門直接接收4mA～20mA控制信號，反饋4mA～20mA位置信號，狀態(tài)反饋，急停復(fù)位，使用24VDC直流電源作為動力電源。

VGV的伺服控制及位置反饋的改造。原ATOS伺服閥替換成MOOG伺服閥，VGV執(zhí)行機構(gòu)不變，新設(shè)計液壓回路轉(zhuǎn)接模塊控制原來的執(zhí)行機構(gòu)，并且保證原有功能不變。MOOG伺服閥是一種接受模擬電信號后，相應(yīng)輸出調(diào)節(jié)的流量和壓力的液壓控制閥，具有動態(tài)響應(yīng)快、控制精度高、使用壽命長等優(yōu)點。VGV位置反饋改造是將原來的滑性變阻測量方式改為現(xiàn)在LVDT測量方式，相對于滑性變阻，LVDT有以下優(yōu)勢：1）無摩擦測量；2）無限的機械壽命；3）無限的分辨率；4）零位可重復(fù)性；5）環(huán)境適應(yīng)性。

2.2控制系統(tǒng)優(yōu)化

2.2.1順序控制算法

采用流程步進模式控制邏輯，將一個復(fù)雜的系統(tǒng)分成若干獨立的步序模式。這些模式涵蓋燃機發(fā)電機組的所有狀態(tài)，每個設(shè)備的控制都通過模式來表述。對于一個獨立的設(shè)備只需要分析：有哪些條件進入該模式；進入該需要做些什么；以及該模式可能會跳轉(zhuǎn)到哪些模式。

2.2.2溫度控制算法

在原系統(tǒng)中對于溫度沒有閉環(huán)控制，只有跳機保護。尤其在燃機啟動過程中，由于采用了燃料的開環(huán)爬坡，在壓氣機進氣溫度、燃料熱值等工況不同時，會造成燃機升速超扭矩、溫度迅速升溫、熱懸掛等不利工況。燃機的排氣TOP溫度最大值為540℃的機組，在啟動過程中溫度有時上升到590℃以上。為了避免上述問題，我們在機組中加入TOP溫度限制閉環(huán)控制，排氣溫度上升到溫控限時，開始由溫度閉環(huán)控制燃料，保證機組不會出現(xiàn)超溫的狀況。排氣溫度控制的引入，使得機組在聯(lián)合循環(huán)工況下調(diào)節(jié)排氣溫度以便于提高聯(lián)合循環(huán)效率成為可能。

2.2.3啟動燃料控制

原機組控制程序的點火燃料量為固定值，然而在不同的進氣溫度的情況下，進入燃燒室的空氣量不同，這也就造成的空燃比不同，從而會出現(xiàn)在不同工況下點火成功率不同。在新系統(tǒng)中對點火燃料需求功率加入了進氣溫度的修正。CQTC=SQRT（288/CTIM）。修正后會根據(jù)壓氣機進氣溫度的不同來改變點火燃料的功率需求量。有效的提高了點火成功率。在原系統(tǒng)中對點火成功后，在此燃料基礎(chǔ)上進行爬坡。通常點火需要的燃料量多余實際需求功率的燃料量，因此會造成迅速升溫，或點火失敗的情況。因此，在點火后加速了點火成功后的燃料向下階躍，然后進入閉環(huán)控制，而不是開環(huán)控制，此算法有效的改善了點火成功率。尤其在液體燃料下，有連續(xù)3天點火失敗的情況，算法修正后，多次實驗的結(jié)果是，點火成功率100%。且點火燃料量由原來的2300kW，改為了1 800kW，依然是點火成功率100%。

2.2.4加速度控制算法

對于開環(huán)爬坡的方式啟動燃機，存在著眾多的缺陷。因此引入加速度閉環(huán)控制，而不是原來的開環(huán)燃料爬升單獨控制，在進入閉環(huán)之后不再需要進行燃料功率開度的換算，也就是不再需要調(diào)節(jié)閥前后的溫度、壓力測量點，在很大程度上避免了控制失誤概率。同時，加速度表征的是燃機機械應(yīng)力，加速度閉環(huán)控制保證了在啟動過程中不會出現(xiàn)因為工況不同燃料超量帶來的機組超應(yīng)力啟動。同時加速度控制自動修正燃料流量，也保證了啟動的成功率，有效的降低了啟動溫度。在原系統(tǒng)中啟動機組溫度在590℃以上，改造后的系統(tǒng)啟動溫度一直保持在560℃以下。

2.2.5燃料控制算法

燃料控制算法由原來單一的控制算法改為多種控制算法的最優(yōu)化選擇，更適應(yīng)于不同的工況，對甩負荷等超速超溫抑制更優(yōu)。在電網(wǎng)出口斷路器跳閘時，多機組超頻的情況下，有效的抑制了機組超頻。四臺機組中，未進行改造的機組均超頻到55Hz以上，而改造后的機組超頻在50.35Hz以下。主燃料控制包括：1）停機燃料控制；2）功率控制和最大功率限制；3）排氣溫度控制；4）啟動開環(huán)燃料量限制；5）加速度控制；6）轉(zhuǎn)速控制；7）壓比CRP控制；8）最小燃料和最大燃料限制。加速度控制算法的引入，有效的控制了在運行過程中，由于電網(wǎng)甩負荷造成的機組超頻。

2.2.6IGV控制

加入環(huán)境溫度修正，根據(jù)原機組容易喘振和機組損害的履歷，對IGV的控制算法進行了修正。在老的IGV控制閉環(huán)中，完全根據(jù)轉(zhuǎn)速來計算IGV的開度，函數(shù)關(guān)系為：IGV開度=f（燃機轉(zhuǎn)速）；這種單一的計算方式忽略了進入溫度對壓氣機進氣量的影響，從而在溫度較高時容易發(fā)生喘振和熱懸掛。新的IGV控制算法更正為：IGV開度=f（燃機轉(zhuǎn)速，進入溫度）更加合理。

2.2.7雙燃料切換控制算法的優(yōu)化

在燃料的切換過程中不是簡單的根據(jù)總功率計算氣體燃料和液體燃料的閥門開度，加入了閥門線性化的算法，有效的減小了切換過程中閥門的大幅度波動和功率的大幅度波動。在小于10s的快速切換過程中，實際功率波動小于250kW，轉(zhuǎn)換平穩(wěn)。

3　燃機控制系統(tǒng)國產(chǎn)化改造的意義

通過該國產(chǎn)化改造，大大降低了透平發(fā)電機組的操作運行維護成本。采用硬件部分為當今業(yè)界最高水平，軟件部分具有自主知識產(chǎn)權(quán)，非標產(chǎn)品越來越少；改造解決了燃油啟動成功率低、ECU通訊故障、備件停產(chǎn)老化等一系列老大難問題，系統(tǒng)功能全面超越原系統(tǒng)水平。

更為重要的是打破了SIEMENS廠家對應(yīng)用程序文件和相關(guān)驅(qū)動程序的技術(shù)封鎖和限制，大大提升了軟件的開放程度，為國內(nèi)其他進口燃機的國產(chǎn)化改造提供了良好借鑒。

參考文獻

［1］閻維平.ASME·PTC22-2005燃氣輪機性能試驗規(guī)程［M］.北京：中國電力出版社，2012，12.

中圖分類號TE9

文獻標識碼A

文章編號1674-6708（2016）165-0197-02

作者簡介：張龍，中海油湛江分公司生產(chǎn)部。李衛(wèi)團，中海油湛江分公司生產(chǎn)部。熊永功，中海油湛江分公司生產(chǎn)部。