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(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)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(jī)組是亞洲首家采用西門(mén)子SGT5-8000H 級(jí)燃汽輪機(jī)并最早調(diào)試的機(jī)組，包括2 套SGT5-8000H燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組、2 套本生型三壓再熱無(wú)補(bǔ)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(jī)組。機(jī)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(jī)油）。發(fā)電廠出線經(jīng)過(guò)220 kV 升壓站接入系統(tǒng)。整套機(jī)組既可單循環(huán)運(yùn)行，也可聯(lián)合循環(huán)運(yùn)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(mén)子H 級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)是西門(mén)子綜合了原V94.3A 系列和原西屋W 系列燃?xì)廨啓C(jī)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(jī)效率更是高于60%[1]。相對(duì)于F 級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)，H 級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)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(jī)增加了3 級(jí)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(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的流量調(diào)節(jié)范圍約為70%～100%[3]，因此H 級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中間部分負(fù)荷性能較F 級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)有所提高，有助于AGC（自動(dòng)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(chǎng)調(diào)試過(guò)程中學(xué)習(xí)和掌握的知識(shí)，詳細(xì)介紹了SGT5-8000H 燃?xì)廨啓C(jī)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(duì)IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和注意事項(xiàng)進(jìn)行了總結(jié)，可以為后續(xù)H 級(jí)燃機(jī)的調(diào)試提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度控制

燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度控制是燃?xì)廨啓C(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部分，由進(jìn)口IGV/VGV（可調(diào)導(dǎo)向?qū)~）開(kāi)度控制器和燃機(jī)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(kāi)度控制是在IGV/VGV 處于全關(guān)和全開(kāi)狀態(tài)之間，可以自由調(diào)節(jié)開(kāi)度時(shí)啟作用，通過(guò)改變IGV/VGV 的開(kāi)度來(lái)控制部分負(fù)荷下的燃機(jī)排汽溫度[13]；OTC 控制是在IGV/VGV 在全關(guān)或者全開(kāi)情況下啟作用，在IGV 和VGV 全開(kāi)時(shí)用于限制燃機(jī)在額定負(fù)荷下不超溫，在IGV/VGV 全關(guān)時(shí)可以限制燃機(jī)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(jī)的沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)和穩(wěn)定運(yùn)行[6]；OTC 控制器調(diào)節(jié)的是燃料閥開(kāi)度，用于控制燃料量。為防止兩者之間相互干擾，當(dāng)處于IGV/VGV 開(kāi)度控制時(shí)，OTC 控制器的設(shè)定值在IGV 溫控設(shè)定值的基礎(chǔ)上自動(dòng)增加10°，保證在部分負(fù)荷下OTC 控制器不動(dòng)作；同樣，在OTC 控制模式下，為防止IGV/VGV 在全開(kāi)位置波動(dòng)，將在溫控設(shè)定值的基礎(chǔ)上自動(dòng)減去TR（2°～5°），保證IGV/VGV 留在全開(kāi)位置，便于OTC 進(jìn)行排氣溫度控制。同時(shí)為了提高IGV/VGV 開(kāi)度控制的響應(yīng)速度，在開(kāi)度控制的溫度調(diào)節(jié)回路引入了前饋量YMincal，當(dāng)YMincal超過(guò)0.323 時(shí)，IGV（VGV）便會(huì)逐漸開(kāi)啟，其中：

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

1.1 IGV/VGV 的開(kāi)度控制

IGV/VGV 的開(kāi)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(guò)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(guò)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(jìn)行IGV 閥的控制。

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

圖1 IGV/VGV 開(kāi)度控制邏輯

通過(guò)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(jiàn)，VGV1，VGV2 和VGV3 開(kāi)度與IGV 都成比例關(guān)系。同樣，VGV1，VGV2 和VGV3 的開(kāi)度指令也可以簡(jiǎn)化成IGV 開(kāi)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(kāi)啟范圍

圖2 IGV/VGV 開(kāi)度指令

由于透平入口溫度很高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期直接測(cè)量，而透平出口擴(kuò)散段溫度相對(duì)較低，便可以通過(guò)修正后的擴(kuò)散段溫度來(lái)間接控制燃機(jī)透平入口溫度，經(jīng)過(guò)修正后的出口溫度稱(chēng)為OTC[7]。燃?xì)廨啓C(jī)透平入口溫度是限制燃機(jī)功率的主要因素，在燃機(jī)運(yùn)行時(shí)，必須控制透平入口溫度不超過(guò)設(shè)定值，通過(guò)對(duì)燃機(jī)進(jìn)氣量和排氣溫度進(jìn)行適當(dāng)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(jí)燃機(jī)的出口溫度采用的是擴(kuò)散段的溫度取平均值，而F 級(jí)燃機(jī)的出口溫度采用的是透平排氣出口的溫度測(cè)點(diǎn)取平均值，溫度測(cè)點(diǎn)選取位置的不同，其修正公式也不同，西門(mén)子SGT5-8000H 型燃機(jī)的OTC 計(jì)算公式如下：

式中：TOP 由安裝在燃機(jī)排氣擴(kuò)散段的6 對(duì)熱電偶溫度測(cè)量后取得，12 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)取平均；K1—K11，a，b，c 都是常數(shù)；DNN=1-NT/50，NT 為燃機(jī)轉(zhuǎn)速；TV1 為壓氣機(jī)入口的6 對(duì)熱電偶溫度測(cè)量，12 個(gè)測(cè)點(diǎn)取平均值；DEW 為進(jìn)氣露點(diǎn)溫度計(jì)算值。

通過(guò)對(duì)排氣溫度計(jì)算公式進(jìn)行分析，壓氣機(jī)入口溫度、燃機(jī)轉(zhuǎn)速和空氣相對(duì)濕度等因素都會(huì)影響燃機(jī)透平的膨脹比，繼而影響透平的焓降及透平出口溫度。通過(guò)公式修正后，透平出口溫度同透平入口溫度形成相對(duì)固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以通過(guò)控制修正過(guò)后的透平出口溫度OTC，間接控制透平入口溫度，實(shí)現(xiàn)排氣溫度控制目標(biāo)[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(guò)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(guò)程溫度控制回路）溫度、TSMAXW（最大限制）溫度、TS（壓氣機(jī)入口溫度函數(shù)設(shè)定值），三部分定值在機(jī)組正常運(yùn)行期間以三者取小的關(guān)系共同運(yùn)行，排氣溫度設(shè)定值主要受相對(duì)負(fù)荷、壓氣機(jī)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(shí)時(shí)控制燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度數(shù)值，保障機(jī)組安全運(yùn)行。

（1）TSXW 溫度設(shè)定在汽輪機(jī)啟動(dòng)、升速、并網(wǎng)帶初始負(fù)荷階段，為保證汽輪機(jī)進(jìn)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(guò)程溫度控制回路計(jì)算出溫度數(shù)值作為燃機(jī)輪機(jī)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(guò)限值，協(xié)調(diào)溫度控制回路計(jì)算出溫度數(shù)值作為燃機(jī)輪機(jī)排氣溫度控制器的設(shè)定值，以保證燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度不超過(guò)鍋爐所能承受溫度的最大值。

（3）壓氣機(jī)入口溫度函數(shù)設(shè)定值TS 根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)性能曲線，由壓氣機(jī)入口溫度、燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷、壓氣機(jī)入口壓力、HCO 系統(tǒng)修正、NOX排放修正等經(jīng)過(guò)一系列運(yùn)算轉(zhuǎn)換生成。設(shè)定值主要通過(guò)燃機(jī)相對(duì)負(fù)荷Pe/Pg對(duì)應(yīng)的負(fù)荷溫度函數(shù)取得，其中Pe為經(jīng)過(guò)慣性處理的燃機(jī)實(shí)際負(fù)荷，Pg為修正過(guò)后燃機(jī)最大負(fù)荷能力：

式中：TV1 為壓氣機(jī)入口的6 對(duì)熱電偶溫度測(cè)量，12 個(gè)測(cè)點(diǎn)取平均值；Pin 壓氣機(jī)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(jí)燃機(jī)燃?xì)饽Ｊ较禄矩?fù)荷為435 MW,對(duì)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(fù)荷為393 MW，對(duì)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?xì)廨啓C(jī)排氣溫度通過(guò)IGV/VGV 的開(kāi)度控制來(lái)調(diào)節(jié)空氣進(jìn)氣量，通過(guò)OTC 控制來(lái)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(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，其作用主要體現(xiàn)在：

（1）通過(guò)對(duì)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?xì)廨啓C(jī)室及透平安全的情況下，限制燃機(jī)透平入口溫度在允許條件下的一個(gè)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(jī)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(shí)也可以滿足啟動(dòng)階段燃機(jī)同余熱鍋爐、汽機(jī)的溫度匹配[15-16]。

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

2 IGV/VGV 調(diào)試

西門(mén)子H 級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)采用進(jìn)口導(dǎo)葉加前三級(jí)靜葉可調(diào)設(shè)計(jì)，相比于F 級(jí)增加了3級(jí)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(jī)構(gòu)、過(guò)濾器、止回閥、伺服閥、位移傳感器、進(jìn)油、回油管線等，通過(guò)電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整進(jìn)氣導(dǎo)葉的角度，來(lái)保證燃機(jī)在不同的工況條件下有適當(dāng)?shù)目諝饬髁?，保證燃機(jī)的安全運(yùn)行。

2.1 傳感器測(cè)量裝置調(diào)試

西門(mén)子H 級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 開(kāi)度位置反饋采用2 個(gè)角度傳感器以及1個(gè)LVDT 線性位移傳感器2 種方式測(cè)量，就地角度傳感器信號(hào)先傳送到SSI 智能儀表，通過(guò)儀表轉(zhuǎn)化輸出4-20 mA 信號(hào)到AddFEM Poco+卡件，線性傳感器信號(hào)直接傳送到AddFEM Poco+卡件。在IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 調(diào)試前，首先對(duì)SSI 智能儀表進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，保證角度輸出值正確，計(jì)算公式為SSI（digits）=杠桿角×（8 192/360）+1 024，對(duì)IGV 來(lái)說(shuō)全開(kāi)時(shí)SSI 顯示1 593，全關(guān)時(shí)SSI 時(shí)顯示546。IGV 有40 個(gè)葉片，2 個(gè)角度傳感器安裝于18 號(hào)和38 號(hào)導(dǎo)葉下部；VGV1有34 個(gè)葉片，2 個(gè)角度傳感器安裝于15 號(hào)和32號(hào)導(dǎo)葉下部；VGV2 有46 個(gè)葉片，2 個(gè)角度傳感器安裝于21 號(hào)和44 號(hào)導(dǎo)葉下部；VGV3 有54 個(gè)葉片，2 個(gè)角度傳感器安裝于25 號(hào)和52 號(hào)導(dǎo)葉下部。角度傳感器來(lái)測(cè)量葉片實(shí)際角度變化，LVDT 線性位移傳感器安裝于執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部，直接測(cè)量液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程，輸出電流信號(hào)送到TCS 控制系統(tǒng)，通過(guò)函數(shù)換算成角度，屬于間接測(cè)量。IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 的初始角度（最小開(kāi)度）是不一樣的，如表1 所示。

2.2 行程整定

液壓油泵啟動(dòng)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(huà)面上對(duì)IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 的傳感器進(jìn)行復(fù)位，使IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 處于可調(diào)節(jié)狀態(tài)。IGV 在全開(kāi)和全關(guān)位置分別用角度尺對(duì)40 個(gè)控制桿角度進(jìn)行測(cè)量，取平均值與設(shè)計(jì)角度進(jìn)行校對(duì)；VGV1，VGV2 和VGV3 在全開(kāi)和全關(guān)位置分別用角度尺對(duì)其中12 個(gè)控制桿角度進(jìn)行測(cè)量，取平均值與設(shè)計(jì)角度進(jìn)行校對(duì)。根據(jù)測(cè)量結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行連桿調(diào)整并對(duì)TCS 系統(tǒng)內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)定，同時(shí)調(diào)整AddFEM Poco+卡內(nèi)部參數(shù)，使收到百分比反饋信號(hào)與就地實(shí)際角度一一對(duì)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(duì)IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 進(jìn)行線性試驗(yàn)，確保導(dǎo)葉各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

調(diào)試過(guò)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(duì)相關(guān)的聯(lián)鎖保護(hù)也要了解：

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

（2）滿足下列任一條件，觸發(fā)燃機(jī)保護(hù)跳閘：當(dāng)IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 的角度設(shè)定值與測(cè)量值偏差大于8°；當(dāng)IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 的閥位開(kāi)度指令與線性測(cè)量值偏差大于8%；當(dāng)IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 的伺服閥線圈故障；當(dāng)IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 的線性位移傳感器故障時(shí)（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(xiàng)

（1）調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)VGV1 和VGV3 的SSI 智能儀表顯示值在開(kāi)或關(guān)的過(guò)程中沒(méi)有變化，經(jīng)西門(mén)子調(diào)試工代拆開(kāi)儀表外殼發(fā)現(xiàn)控制板有燒焦痕跡，可能有強(qiáng)電串入導(dǎo)致儀表?yè)p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(rèn)完畢后再送電。

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

（3）對(duì)于導(dǎo)葉葉片角度西門(mén)子有3 個(gè)不同慣例的描述，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量要選擇杠桿角，如圖4 所示（以IGV 為例）。在測(cè)量葉片角度時(shí)注意測(cè)量葉片的右側(cè)，角度尺的正方向指向燃機(jī)內(nèi)部。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)巴基斯坦吉航1263 MW“二拖一”聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的調(diào)試，對(duì)西門(mén)子SGT5-8000H 燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度控制策略進(jìn)行解析，對(duì)IGV/VGV 調(diào)試及相關(guān)注意事項(xiàng)進(jìn)行歸納，介紹了排氣溫度控制的原理與控制作用，同時(shí)對(duì)IGV/VGV 開(kāi)度控制和OTC 控制的協(xié)調(diào)及切換進(jìn)行了說(shuō)明，為相關(guān)人員對(duì)控制邏輯的理解和事故原因分析提供參考，同時(shí)希望通過(guò)本文讓國(guó)內(nèi)更多的相關(guān)人員進(jìn)一步了解西門(mén)子SGT5-8000H 燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及相關(guān)控制。