陳 凱， 李建偉， 毛志偉

(1. 杭州意能電力技術(shù)有限公司， 杭州 310014； 2. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院， 杭州 310014)

西門子H級燃氣輪機是西門子綜合了原V94.3A系列燃氣輪機和原西屋W系列燃氣輪機的成熟技術(shù)而創(chuàng)新研發(fā)的系列產(chǎn)品。至2019年2月，西門子SGT5-8000H燃氣輪機的商業(yè)運行小時數(shù)已經(jīng)達到了百萬小時。SGT5-8000H燃氣輪機在ISO條件下出力達到了435 MW以上，壓氣機壓比為19.8，單循環(huán)發(fā)電效率高于40%，聯(lián)合循環(huán)效率高于61%。相對于F級燃氣輪機，SGT5-8000H燃氣輪機在結(jié)構(gòu)上最大的區(qū)別是采用了環(huán)管型燃燒室，以及壓氣機在進口可轉(zhuǎn)導葉(IGV)后的三級靜葉采用了可調(diào)靜葉(VGV1、VGV2、VGV3)。由于國內(nèi)還沒有H級燃氣輪機投產(chǎn)，國內(nèi)文獻都是針對F級燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)機組[1-6]，對H級燃氣輪機的文獻也都是注重概述性介紹[7-9]。本文作者通過西門子SGT5-8000H燃氣輪機的調(diào)試工作，根據(jù)控制邏輯整理了三個主要系統(tǒng)：IGV(VGV)系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、防喘放氣及透平靜葉冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點及相關(guān)控制與保護，希望從細節(jié)上描述SGT5-8000H燃氣輪機，并重點突出H級燃氣輪機與F級燃氣輪機的不同之處。

1 IGV(VGV)系統(tǒng)及OTC控制

1.1 系統(tǒng)介紹

SGT5-8000H燃氣輪機的壓氣機共13級，前4級包含1級進口可轉(zhuǎn)導葉IGV和后面的3級可調(diào)靜葉VGV(VGV1、VGV2、VGV3)。相比F級燃氣輪機的空氣流量調(diào)節(jié)范圍約為70%～100%，H級燃氣輪機空氣流量調(diào)節(jié)范圍增大為 50%～100%。因此其中間部分負荷性能較F級燃氣輪機有所提高。

燃氣輪機排氣溫度控制是燃氣輪機自動控制系統(tǒng)的核心，由IGV(VGV)開度控制器和燃氣輪機出口溫度(OTC)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：開度控制是在IGV(VGV)處于全關(guān)和全開狀態(tài)之間，可以自由調(diào)節(jié)開度時起作用，通過改變IGV(VGV)的開度來控制部分負荷下的燃氣輪機排氣溫度；OTC控制是在IGV(VGV)在全關(guān)或者全開情況下起作用。在IGV(VGV)全開時用于限制機組在額定負荷下不超溫，在IGV(VGV)全關(guān)時可以保證燃氣輪機排煙溫度和汽輪機金屬溫度相匹配，有利于汽輪機的沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)和穩(wěn)定運行；OTC控制器調(diào)節(jié)的是燃料閥開度，用于控制燃料量。為防止兩者之間相互干擾，當處于IGV(VGV)開度控制時，OTC控制器的設(shè)定值在IGV溫控設(shè)定值的基礎(chǔ)上自動增加10°，保證在部分負荷下OTC控制器不動作；同樣，在OTC控制模式下，為防止IGV(VGV)在全開位置波動，將在溫控設(shè)定值的基礎(chǔ)上自動減去一個常數(shù)TR(TR在2°～5°)，保證IGV(VGV)留在全開位置，便于OTC進行排氣溫度控制。

1.2 IGV(VGV)的開度控制

IGV(VGV)的開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)過最大最小限幅塊后，轉(zhuǎn)換到百分比指令送到快速響應(yīng)AddFEM Poco+卡，進行IGV開度的控制。同時為了提高IGV(VGV)開度控制的響應(yīng)速度，在開度控制的溫度調(diào)節(jié)回路引入了前饋量YMincal，當YMincal超過0.323時，IGV(VGV)便會逐漸開啟，其中YMincal=(KN-Ka)/Kp，KN為燃料指令，Ka和Kp為壓氣機入口壓力、入口溫度修正系數(shù)。

在機組啟動前，IGV和VGV的初始角度(最小開度)是不一樣的，但3個VGV的開度和IGV都成不同的比例關(guān)系，如表1所示。同樣，3個VGV的開度指令也簡化成IGV開度指令乘以相應(yīng)的系數(shù)，如圖1所示。

表1 IGV(VGV)的開啟范圍

圖1 IGV(VGV)的開度指令

1.3 OTC控制

H級燃氣輪機的透平出口溫度OTC的實時計算值采用的是擴散段的溫度平均值，而F級燃氣輪機采用的是透平排氣出口的溫度平均值。STG5-8000H型燃氣輪機的OTC計算公式如下：

(1)

其中：①TOP為燃氣輪機排氣擴散段的6對熱電偶溫度12個溫度測點取平均；②K1到K11，a,b,c都是常數(shù)；③DNN=1-NT/50，NT為燃氣輪機轉(zhuǎn)速；④TV1為壓氣機入口的6對熱電偶溫度12個測點取平均值；⑤DEW為進氣露點溫度計算值。

OTC設(shè)定值共由三部分組成，分別是過程溫度控制回路(TSXW)溫度、最大限制(TSMAXW)溫度、壓氣機入口溫度函數(shù)設(shè)定值(TS)，三部分定值在機組正常運行期間三者取小的關(guān)系共同運行，作為排氣溫度調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，實時控制燃氣輪機排氣溫度數(shù)值，保障機組安全運行。

(1) TSXW溫度設(shè)定在汽輪機啟動、升速、并網(wǎng)帶初始負荷階段，為保證汽輪機進汽壓力、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)過程溫度控制回路計算出溫度數(shù)值作為燃氣輪機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限值，協(xié)調(diào)溫度控制回路計算出溫度數(shù)值作為燃氣輪機排氣溫度控制器的設(shè)定值，以保證燃氣輪機排氣溫度不超過鍋爐所能承受溫度的最大值。

(3) 壓氣機入口溫度函數(shù)設(shè)定值TS根據(jù)燃氣輪機性能曲線，由壓氣機入口溫度、燃氣輪機負荷、壓氣機入口壓力、HCO系統(tǒng)修正、NOx排放修正等經(jīng)過一系列運算轉(zhuǎn)換生成。設(shè)定值主要通過燃氣輪機相對負荷Pe/Pg對應(yīng)的負荷溫度函數(shù)取得，其中Pe為經(jīng)過慣性處理的燃氣輪機實際負荷，Pg為修正過后燃氣輪機最大負荷能力，Pg=TV1×F(X)×K12×(Pin/K13)×435+TV1×K12×F(X)×(Pin/K13)×435×K14×F(Ttabnox)。 其中：①TV1為壓氣機入口的6對熱電偶溫度12個測點取平均值；②Pin壓氣機入口壓力；③K12為HCO修正系數(shù)，K13、K14為常數(shù)；④F(Ttabnox)NOx低溫修正函數(shù)。

2 燃燒控制

2.1 天然氣流量控制

SGT5-8000H燃氣輪機燃氣系統(tǒng)如圖2所示，從上游至下游依次是濾網(wǎng)、隔離閥、排空閥、緊急關(guān)斷閥、排空閥和4個調(diào)節(jié)閥(A級調(diào)節(jié)閥、B/C級調(diào)節(jié)閥、先導值班級P級調(diào)節(jié)閥和D級調(diào)節(jié)閥)。隔離閥、緊急關(guān)斷閥和排空閥采用壓縮空氣做控制氣源；調(diào)節(jié)閥采用液壓油做控制油，通過伺服閥控制。

圖2 燃氣系統(tǒng)示意圖

SGT5-8000H燃氣輪機燃燒室采用環(huán)管式結(jié)構(gòu)(F級燃氣輪機燃燒室為環(huán)形燃燒室)，共有16個燃燒室。西門子公司將整個燃燒系統(tǒng)稱之為平臺燃燒系統(tǒng)(Platform Combustion System簡稱PCS)。PCS燃燒系統(tǒng)采用分級燃燒的設(shè)計理念，分為A、B、C、D和先導值班級，其中A、B/C為預混燃燒級，D級為先導預混燃燒級，D級燃燒器以調(diào)整燃燒的動態(tài)特性為目的。P級燃燒器為先導值班擴散方式，以調(diào)整燃燒動態(tài)特性和改善污染物排放為目的。標準狀況下，在40%～100%負荷段透平排氣都能達到NOx<50 mg/m3。

機組在天然氣燃料模式下，機組盤車轉(zhuǎn)速由變頻啟動裝置(SFC)拖動至清吹轉(zhuǎn)速。清吹結(jié)束后，機組降速至點火轉(zhuǎn)速393 r/min，激活點火器，此時燃氣輪機主控處于升速控制器控制，先導值班級P調(diào)節(jié)閥和D閥開啟。點火成功后，機組開始升速；當轉(zhuǎn)速達到840 r/min, A調(diào)節(jié)閥開啟，機組由SFC和透平自身做功共同推動機組升速；轉(zhuǎn)速升至2 100 r/min，SFC脫扣；當轉(zhuǎn)速升至2 820 r/min,燃氣輪機由升速控制器轉(zhuǎn)為速度控制器，直至轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速。并網(wǎng)成功后，燃氣輪機轉(zhuǎn)為負荷控制器控制，當燃氣輪機負荷達到11%標準負荷Pg(修正過后燃氣輪機最大負荷能力)時，打開B/C級調(diào)節(jié)閥。然后各個調(diào)節(jié)閥按負荷和流量指令，通過調(diào)節(jié)燃料閥的開度，增加燃氣流量，直至機組滿負荷。機組停機時，負荷降至6%標準負荷Pg，關(guān)閉B/C調(diào)節(jié)閥，然后至發(fā)電機出口斷路器分閘，A調(diào)節(jié)閥，先導值班級P調(diào)節(jié)閥，D調(diào)節(jié)閥同時關(guān)閉，機組惰走，轉(zhuǎn)速降至盤車轉(zhuǎn)速。

2.2 燃燒脈動的監(jiān)測及保護

機組運行中燃氣輪機的燃燒室可能會存在燃燒的不穩(wěn)定性，主要表現(xiàn)為燃燒室內(nèi)壓力在典型的頻率范圍內(nèi)脈動幅值上升。必須及時檢測和有效抑制壓力脈動振幅的增加，以防止對燃氣輪機部件造成的損害[10-11]。

SGT5-8000H燃氣輪機的燃燒脈動監(jiān)視和保護系統(tǒng)將燃燒室內(nèi)的脈動頻率分為三個頻段：低頻段(LFD)，頻率范圍15～40 Hz；中頻段(IFD)，頻率范圍40～1 000 Hz；高頻段(HFD)，頻率范圍1 000～10 000 Hz。

不同頻率范圍內(nèi)壓力脈動振幅的增大有不同的影響。低頻脈動(LFD)可引起機械振動的增大和噪聲水平的提高。在極端的情況下，LFD現(xiàn)象會引起火焰的熄滅。高頻脈動(HFD)的影響最為嚴重，因為它們使燃氣輪機部件在短時間內(nèi)承受多次載荷循環(huán)。燃氣輪機部件受HFD幅值的極大影響，在短時間內(nèi)就會損壞。在中頻脈動(IFD)范圍內(nèi)的壓力脈動振幅可能是LFD和HFD現(xiàn)象影響的組合。盡管如此，中頻范圍的影響并不明顯。通常，在中頻范圍內(nèi)允許的壓力脈動振幅高于LFD或HFD范圍。

燃燒室壓力脈動通過16個燃燒室壓力傳感器直接送到AGRUS分析系統(tǒng)，然后通過PROFIBUS現(xiàn)場總線的方式，將數(shù)據(jù)傳送到燃氣輪機主控系統(tǒng)T3000。在不同燃燒模式下，以及在不同相應(yīng)頻段范圍內(nèi)，壓力脈動幅值超過限值，機組會觸發(fā)報警或者是減負荷，具體如表2所示。

表2 燃燒脈動保護定值

如果壓力脈動幅值超過高一值，則發(fā)出報警，并影響燃料流量控制(僅適用于LFD和IFD)，會作用到先導值班級P調(diào)節(jié)閥和D級調(diào)節(jié)閥改變?nèi)剂狭恳苑€(wěn)定燃燒。對于IFD-2范圍內(nèi)的燃油模式運行下，將通過A級和B級注水調(diào)節(jié)閥改變注水量以穩(wěn)定燃燒。

如果壓力脈動幅值在LFD或IFD范圍內(nèi)超過高二值時，第一步是快速作用到燃氣先導值班級調(diào)節(jié)閥上，如果繼續(xù)上升，觸發(fā)機組正常減負荷。如果是在HFD范圍內(nèi)超過高二值，機組會直接快速減負荷。

如果壓力脈動幅值超過高三值，機組將直接快速減負荷。

在燃氣輪機點火和升速階段，在IFD-1范圍內(nèi)如果壓力脈動幅值超過9 kPa，直接觸發(fā)燃氣輪機跳閘。

3 防喘放氣及透平靜葉冷卻氣系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)介紹

西門子SGT5-8000H燃氣輪機采用全氣冷卻方式。透平動葉的冷卻氣是從相應(yīng)的壓氣機級后通過轉(zhuǎn)子中間軸向通道進入動葉。防喘放氣系統(tǒng)和透平靜葉冷卻氣系統(tǒng)也是從壓氣機特定的級后抽氣作為氣源，如圖3所示。防喘放氣系統(tǒng)從壓氣機第5和第8級抽取壓縮空氣通過管道直接排放到燃氣輪機排氣段，一共三路防喘放氣管道。壓氣機排氣的一部分通過內(nèi)部管道直接去冷卻透平第1級靜葉，壓氣機第11級抽氣通過兩根冷卻氣管道去冷卻透平的第2級靜葉，壓氣機第8級抽氣通過兩根冷卻氣管道去冷卻燃氣輪機透平第3級的靜葉，壓氣機第5級抽氣通過一根冷卻氣管道去冷卻透平第4級靜葉。其中防喘放氣閥采用全開全關(guān)的氣動閥；而冷卻氣閥門采用氣動調(diào)節(jié)門用于自動調(diào)節(jié)，其控制氣源由燃氣輪機位于潤滑油系統(tǒng)平臺上的空壓機系統(tǒng)提供。到透平第3級靜葉冷卻和防喘放氣是公用一根管道，到透平第4級靜葉冷卻和防喘放氣也是公用一路管道。

圖3 防喘放氣和冷卻氣系統(tǒng)示意圖

在壓氣機入口安裝有三個喘振保護差壓開關(guān)，燃氣輪機壓氣機排氣壓力用三個壓力變送器測量，邏輯中三個值取平均值，用于燃氣輪機控制。每一級透平都安裝有兩個壓力變送器用來測量每一級靜葉持環(huán)冷卻空氣壓力。相比西門子F級燃氣輪機，H級燃氣輪機在透平第1級增加了冷卻空氣壓力測點監(jiān)視，并且參與燃氣輪機的控制與保護；透平第2級還安裝有兩個測溫熱電偶，用來測量透平第2級靜葉持環(huán)溫度。

3.2 防喘放氣閥的控制和保護

(1) 防喘閥開環(huán)控制

在機組啟動的最初階段，防喘閥會有一個功能測試，自動全開然后再關(guān)閉。當機組啟動后，轉(zhuǎn)速升至240 r/min時，防喘閥全開且一直保持全開，直到轉(zhuǎn)速到達2 790 r/min后全部關(guān)閉。當機組跳閘觸發(fā)時，所有防喘閥立即全開。等到燃氣輪機完全停止后所有防喘閥關(guān)閉。

(2) 防喘閥保護功能

燃氣輪機轉(zhuǎn)速從120 r/min升至2 820 r/min，此時燃氣輪機處于升速控制模式，任意一個防喘閥未打開，觸發(fā)跳閘。

當燃氣輪機在負荷運行階段，如果任意一個防喘閥未關(guān)，則機組負荷自動降，然后自動停機。

燃氣輪機并網(wǎng)之后，當電網(wǎng)頻率發(fā)生突降時，當頻率降至46 Hz以下，為了保護燃氣輪機不發(fā)生喘振，所有防喘閥立即打開，避開壓氣機典型的喘振轉(zhuǎn)速范圍，并觸發(fā)燃氣輪機跳閘。

燃氣輪機停機之后，如果任何一個防喘閥未關(guān)，則在兩小時內(nèi)禁止再次啟動機組。

3.3 冷卻空氣的控制和保護

(1) 透平第1級靜葉冷卻

透平第1級靜葉冷卻空氣來自壓氣機出口，兩個絕壓變送器用來測量第1級透平冷卻空氣壓力，兩個壓力值取小，然后根據(jù)此壓力和壓氣機出口壓力的比值，決定機組減負荷或者跳閘。

(2) 透平第2級靜葉冷卻

透平第2級靜葉冷卻空氣抽自壓氣機第11級抽氣點，采用兩路分支管道系統(tǒng)，每一個抽氣管道設(shè)置有一個冷卻空氣調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)冷卻風流量，該閥門具有故障開功能，閥門具有最小開度，保證一直有最小的空氣流量提供給葉片，保證透平不超溫。第2級冷卻空氣兩個壓力值取小原則，得到冷卻風壓力與壓氣機排氣壓力的比值，將這個比值作為控制變量，然后經(jīng)過燃氣輪機負荷、壓氣機入口溫度和透平2級靜葉持環(huán)的溫度進行一個修正，作用到調(diào)節(jié)閥上。

(3) 透平第3級靜葉冷卻

透平第3級靜葉冷卻空氣抽自壓氣機第8級抽氣點，采用兩路分支管道系統(tǒng)，每個抽氣管道設(shè)置一個冷卻調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)冷卻風流量。

(4) 透平第4級靜葉冷卻

透平第4級靜葉冷卻空氣抽自壓氣機第5級抽氣點，一路抽氣管道，設(shè)置一個冷卻調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)冷卻風流量。

4 總結(jié)

H級燃氣輪機由于單機出力大，效率高，同時運行靈活性比F級燃氣輪機有較大的提高，因此已成為新建聯(lián)合循環(huán)機組的首要選擇。本文作者通過1 263 MW“二拖一”聯(lián)合循環(huán)機組的調(diào)試，對西門子SGT5-8000H燃氣輪機有了一定的了解。希望通過本文讓國內(nèi)更多的相關(guān)人員能更快速地了解西門子SGT5-8000H燃氣輪機的結(jié)構(gòu)特點及相關(guān)控制與保護。