熊 超，劉震華 ，張 英，高 任

(1.國(guó)電南京自動(dòng)化股份公司， 南京 100000；2.國(guó)家能源集團(tuán)吉林龍華白城熱電廠，吉林 白城 137000)

在中國(guó)越來(lái)越重視清潔能源的情況下，為了吸納新能源，燃?xì)廨啓C(jī)作為調(diào)峰機(jī)組的能力越來(lái)越受重視，自動(dòng)控制系統(tǒng)是燃?xì)廨啓C(jī)控制核心。GE9F燃?xì)廨啓C(jī)主控系統(tǒng)用MARK 6E系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，本文以某電廠美國(guó)GE公司的9F燃?xì)?蒸汽雙軸聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組為參照，主要介紹燃機(jī)燃料控制基準(zhǔn)(FSR)控制系統(tǒng)以及壓氣機(jī)可變進(jìn)口導(dǎo)葉(IGV)控制系統(tǒng)，對(duì)一些重要控制部分給出詳細(xì)解析并提供控制邏輯圖和詳細(xì)算法。

1 燃?xì)廨啓C(jī)的主要功能控制系統(tǒng)

FSR一共分為8個(gè)子系統(tǒng)：?jiǎn)?dòng)控制系統(tǒng)；轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)；溫度控制系統(tǒng)；加速控制系統(tǒng)；停機(jī)控制系統(tǒng)；壓氣機(jī)壓比控制系統(tǒng)；負(fù)荷控制系統(tǒng)；手動(dòng)FSR控制系統(tǒng)[1]。8個(gè)子系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)算法計(jì)算出相應(yīng)的燃料控制分量，然后進(jìn)行比小，選出最小值作為控制輸出。IGV控制也是非常重要的控制裝置，主要用來(lái)控制燃機(jī)排氣溫度，而且能夠防止壓氣機(jī)喘振，這對(duì)燃機(jī)的安全非常重要。燃機(jī)主控系統(tǒng)控制功能見(jiàn)圖1。下面選取典型的系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

1.1 啟動(dòng)控制

圖1 燃機(jī)主控系統(tǒng)控制功能

主控系統(tǒng)的啟動(dòng)控制，在點(diǎn)火的時(shí)候開(kāi)始到啟動(dòng)程序完成，不參與并網(wǎng)后負(fù)荷控制，輸出信號(hào)一般叫FSRSU，整個(gè)控制屬于開(kāi)環(huán)控制，燃機(jī)以變頻啟動(dòng)系統(tǒng)(LCI)啟動(dòng)[2]，當(dāng)燃機(jī)被啟動(dòng)機(jī)帶到額定轉(zhuǎn)速16%的時(shí)候，開(kāi)始清吹，當(dāng)點(diǎn)火的所有條件滿足后，F(xiàn)SRSU的輸出值為FSRSU_FI，一般是17.5%FSR乘以一個(gè)壓氣機(jī)氣流溫度系數(shù)CQTC，這個(gè)值就是點(diǎn)火FSR值。如果點(diǎn)火成功，此時(shí)將FSRSU_WU賦予FSR以建立暖機(jī)值(14.4%FSR)，此時(shí)燃機(jī)開(kāi)始暖機(jī)，暖機(jī)持續(xù)60 s。暖機(jī)結(jié)束后，F(xiàn)SRSU繼續(xù)以預(yù)定速率上升到燃機(jī)加速控制燃料量的最大值FSRSU_AR。當(dāng)機(jī)組并網(wǎng)后，F(xiàn)SRSU按照更大的預(yù)定速率上升到最大值FSRMAX,這種快速上升是為了退出對(duì)FSR的控制權(quán)。

1.2 轉(zhuǎn)速控制以及加速度控制

轉(zhuǎn)速控制的燃料量的公式為：nFSR=(nTNR-nTNH)×K+n0FSR，其中n0FSR為燃機(jī)額定轉(zhuǎn)速下的(空載)定值，K為轉(zhuǎn)速不等率(常數(shù))，nTNH為實(shí)際轉(zhuǎn)速，nTNR為轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)不同情況下(啟機(jī)、停機(jī)、運(yùn)行、超速實(shí)驗(yàn))會(huì)設(shè)置不同的上下限。全速空載時(shí)轉(zhuǎn)速為3 009 r/min，稍高于額定轉(zhuǎn)速是為了確保機(jī)組并網(wǎng)不會(huì)逆功率跳機(jī)。并網(wǎng)后此回路變成功率控制回路。

加速度控制是將轉(zhuǎn)子角加速度與給定值進(jìn)行比較控制，是限制燃機(jī)加速度的。主要有兩個(gè)作用：甩負(fù)荷時(shí)抑制動(dòng)態(tài)超速啟動(dòng)過(guò)程中限制燃機(jī)的加速度，以減少燃機(jī)的熱應(yīng)力沖擊，保護(hù)機(jī)組安全。

圖3 溫度控制系統(tǒng)算法

加速度控制算法見(jiàn)圖2，F(xiàn)SRACC為加速度控制算法計(jì)算出來(lái)的FSR，其中FSRMAX為最大極限100%FSR；FSRMIN是一個(gè)不斷變化的FSR最小值，是根據(jù)一條限制曲線經(jīng)壓氣機(jī)進(jìn)汽溫度修正后得到的值，目的是防止燃料量過(guò)小導(dǎo)致燃機(jī)熄火；TNHAR為加速度基準(zhǔn)；TNHA為實(shí)際加速度；FSKACC為系數(shù)常數(shù)，當(dāng)燃機(jī)加速度超過(guò)基準(zhǔn)時(shí)，燃機(jī)加速度基準(zhǔn)與實(shí)際加速度的差值變成負(fù)數(shù)，F(xiàn)SRACC小于FSR，加速控制起作用，降低了FSR值。

圖2 加速度控制算法

1.3 溫度控制

燃機(jī)運(yùn)行時(shí)必須控制好燃燒室的出口溫度以保證透平部件在熱應(yīng)力允許范圍內(nèi)，溫控系統(tǒng)輸出FSR用FSRT來(lái)表示。溫控系統(tǒng)控制原理見(jiàn)圖3，其中TTXM為經(jīng)算法處理之后的排氣溫度，TTRX為溫控基準(zhǔn)，CPR為壓氣機(jī)壓比，TTKI為常數(shù)溫度。設(shè)TTRX的值為t1，TTXM的值為t2，溫差Δt=t1-t2，當(dāng)排氣溫度超過(guò)溫控基準(zhǔn)的時(shí)候，Δt<0，F(xiàn)SRT會(huì)作為主控輸出，F(xiàn)SR就會(huì)減小，排氣溫度會(huì)不斷降低，直到達(dá)到溫控基準(zhǔn)。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，一般不會(huì)出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，正常Δt>0。

溫控基準(zhǔn)有3個(gè)：常數(shù)溫度TTKI；排氣壓比計(jì)算出的溫控基準(zhǔn)TTRXP1，其值TTTRXP1=ITTKn-(CPR-CTTKn)×STTKn+CT_BIAS+WQJC；FSR計(jì)算出的溫控基準(zhǔn)TTRXS1，其值TTTRXS1=ITTKn-(FSR-KTTKn)×MTTKn+CT_BIAS+WQJC，F(xiàn)SR為燃料量值，CPR為壓氣機(jī)壓比值，CT_BIAS為壓氣機(jī)進(jìn)口溫度修正值，WQJC為水(或蒸汽)噴注的溫度控制補(bǔ)償量，其他控制量為常數(shù)，取決于不同燃料、不同負(fù)荷等等。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中TTRXS1一般用不到，其算出的值要高于TTRXP1。溫控基準(zhǔn)變化受速率控制，以此確保變化盡可能小。

1.4 壓氣機(jī)排氣壓力控制

排氣壓力控制主要是用來(lái)控制壓比，排氣壓力控制輸出的FSR用FSRCPR來(lái)表示。排氣壓力的控制很重要，一是用來(lái)防止超溫，同時(shí)有防止壓氣機(jī)喘振的保護(hù)。CPR是根據(jù)壓氣機(jī)排氣壓力、大氣壓、進(jìn)氣壓降和一些控制常數(shù)得出的。壓比偏差CPRERR1的公式為：CPRERR1=CPRLIM-CPR-CPKERRO，其中CPRERR1為壓比偏差值，CPRLIM是壓比極限值，CPKERRO是壓比偏差的偏置數(shù)(常數(shù))，F(xiàn)SRCPR=(CPRERR1+CPKFSRO)×k+FSRtc，其中FSRCPR為排氣壓力控制輸出的FSR值，CPKFSRO是壓比極限的FSR偏置常數(shù)，k為增益常數(shù)，F(xiàn)SRtc是時(shí)間漸變的函數(shù)。如果出現(xiàn)排氣壓力升高，CPERR1將變小，那么FSRCPR將下降，從而限制燃料。

1.5 壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉(IGV)控制

IGV控制主要目的有3個(gè)：一是防止壓氣機(jī)喘振；二是實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度的控制，在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行在部分負(fù)荷下就要投溫控；三是溫度匹配，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前，需要對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度進(jìn)行限制，讓排氣溫度與汽輪機(jī)金屬溫度匹配，滿足汽輪機(jī)進(jìn)汽需求。IGV控制原理見(jiàn)圖4，其主要有2個(gè)控制基準(zhǔn)：溫度控制基準(zhǔn)和修正轉(zhuǎn)速控制基準(zhǔn)。

圖4 IGV控制原理圖

轉(zhuǎn)速控制基準(zhǔn)主要根據(jù)修正轉(zhuǎn)速推算出IGV的值nCSRGVPS=(nTNHCOR-78.9%)×6.67%，其中nTNHCOR為修正轉(zhuǎn)速，修正轉(zhuǎn)速I(mǎi)GV值nCSRGVPS最小為28.5°。溫度控制有IGV溫度控制基準(zhǔn)和排氣溫控基準(zhǔn)，排氣溫控基準(zhǔn)就是1.3節(jié)中的CPR溫控基準(zhǔn)。IGV溫控基準(zhǔn)和排氣溫控基準(zhǔn)算法基本一樣，只是要減去一個(gè)1 ℃的死區(qū)帶，IGV基準(zhǔn)溫控點(diǎn)一般比基本溫控點(diǎn)大約低6 ℃。

2 啟機(jī)動(dòng)作過(guò)程

點(diǎn)火時(shí)，F(xiàn)SR等于FSRSU，F(xiàn)SR選取的是啟動(dòng)控制系統(tǒng)的FSRSU，暖機(jī)過(guò)程中，還是啟動(dòng)控制系統(tǒng)起作用。暖機(jī)后的升速過(guò)程依然是啟動(dòng)控制系統(tǒng)起作用，但是加速度速率也會(huì)介入控制，防止升速過(guò)快，熱應(yīng)力沖擊過(guò)大。在轉(zhuǎn)速達(dá)到90%左右，轉(zhuǎn)速控制回路就開(kāi)始介入，實(shí)際轉(zhuǎn)速TNH隨轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)TNR升高，此時(shí)是轉(zhuǎn)速控制和加速控制共同作用。機(jī)組并網(wǎng)后，在機(jī)組負(fù)荷不高的時(shí)候，排氣溫度不高時(shí)還是轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)起作用，通過(guò)增減轉(zhuǎn)速/負(fù)荷基準(zhǔn)，可以增減負(fù)荷。如果排氣溫度過(guò)高，可能溫度控制器FSRT介入控制，此時(shí)就不能再增加負(fù)荷了。

啟機(jī)時(shí)，IGV在全關(guān)位置28.5°，當(dāng)燃機(jī)達(dá)到85%至89%修正轉(zhuǎn)速中間的時(shí)候，IGV打開(kāi)至最小全速角49°，并網(wǎng)后加負(fù)荷，選擇IGV溫控方式，IGV保持最小全速角49°，此時(shí)增加負(fù)荷，排氣溫度上升，壓氣機(jī)壓比上升，待排氣溫度和壓比達(dá)到IGV溫控基準(zhǔn)時(shí)，IGV開(kāi)始打開(kāi)，最大打開(kāi)至89.5°，停機(jī)過(guò)程相反。

3 結(jié)論

本文重點(diǎn)分析了燃?xì)廨啓C(jī)主控系統(tǒng)和IGV控制系統(tǒng)的原理和邏輯實(shí)現(xiàn)，包括燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)控制、轉(zhuǎn)速控制以及加速度控制、排氣溫度控制、壓氣機(jī)排氣壓力控制、壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉IGV控制等機(jī)組主要系統(tǒng)，分析了整個(gè)燃機(jī)從啟動(dòng)、暖機(jī)、并網(wǎng)到聯(lián)合循環(huán)的過(guò)程。

GE燃機(jī)控制系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)復(fù)雜而且耦合性

強(qiáng)，研究燃機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，不但有助于現(xiàn)有9F機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，而且對(duì)于自主開(kāi)發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)有很大的啟迪[3]。