熊 超，劉震華 ，張 英，高 任

(1.國電南京自動化股份公司， 南京 100000；2.國家能源集團吉林龍華白城熱電廠，吉林 白城 137000)

在中國越來越重視清潔能源的情況下，為了吸納新能源，燃?xì)廨啓C作為調(diào)峰機組的能力越來越受重視，自動控制系統(tǒng)是燃?xì)廨啓C控制核心。GE9F燃?xì)廨啓C主控系統(tǒng)用MARK 6E系統(tǒng)實現(xiàn)，本文以某電廠美國GE公司的9F燃?xì)?蒸汽雙軸聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組為參照，主要介紹燃機燃料控制基準(zhǔn)(FSR)控制系統(tǒng)以及壓氣機可變進口導(dǎo)葉(IGV)控制系統(tǒng)，對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的主要功能控制系統(tǒng)

FSR一共分為8個子系統(tǒng)：啟動控制系統(tǒng)；轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)；溫度控制系統(tǒng)；加速控制系統(tǒng)；停機控制系統(tǒng)；壓氣機壓比控制系統(tǒng)；負(fù)荷控制系統(tǒng)；手動FSR控制系統(tǒng)[1]。8個子系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)算法計算出相應(yīng)的燃料控制分量，然后進行比小，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，主要用來控制燃機排氣溫度，而且能夠防止壓氣機喘振，這對燃機的安全非常重要。燃機主控系統(tǒng)控制功能見圖1。下面選取典型的系統(tǒng)進行介紹。

1.1 啟動控制

圖1 燃機主控系統(tǒng)控制功能

主控系統(tǒng)的啟動控制，在點火的時候開始到啟動程序完成，不參與并網(wǎng)后負(fù)荷控制，輸出信號一般叫FSRSU，整個控制屬于開環(huán)控制，燃機以變頻啟動系統(tǒng)(LCI)啟動[2]，當(dāng)燃機被啟動機帶到額定轉(zhuǎn)速16%的時候，開始清吹，當(dāng)點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乘以一個壓氣機氣流溫度系數(shù)CQTC，這個值就是點火FSR值。如果點火成功，此時將FSRSU_WU賦予FSR以建立暖機值(14.4%FSR)，此時燃機開始暖機，暖機持續(xù)60 s。暖機結(jié)束后，F(xiàn)SRSU繼續(xù)以預(yù)定速率上升到燃機加速控制燃料量的最大值FSRSU_AR。當(dāng)機組并網(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、停機、運行、超速實驗)會設(shè)置不同的上下限。全速空載時轉(zhuǎn)速為3 009 r/min，稍高于額定轉(zhuǎn)速是為了確保機組并網(wǎng)不會逆功率跳機。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行比較控制，是限制燃機加速度的。主要有兩個作用：甩負(fù)荷時抑制動態(tài)超速啟動過程中限制燃機的加速度，以減少燃機的熱應(yīng)力沖擊，保護機組安全。

圖3 溫度控制系統(tǒng)算法

加速度控制算法見圖2，F(xiàn)SRACC為加速度控制算法計算出來的FSR，其中FSRMAX為最大極限100%FSR；FSRMIN是一個不斷變化的FSR最小值，是根據(jù)一條限制曲線經(jīng)壓氣機進汽溫度修正后得到的值，目的是防止燃料量過小導(dǎo)致燃機熄火；TNHAR為加速度基準(zhǔn)；TNHA為實際加速度；FSKACC為系數(shù)常數(shù)，當(dāng)燃機加速度超過基準(zhǔn)時，燃機加速度基準(zhǔn)與實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

燃機運行時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來表示。溫控系統(tǒng)控制原理見圖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)排氣溫度超過溫控基準(zhǔn)的時候，Δt<0，F(xiàn)SRT會作為主控輸出，F(xiàn)SR就會減小，排氣溫度會不斷降低，直到達(dá)到溫控基準(zhǔn)。實際運行過程中，一般不會出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，正常Δt>0。

溫控基準(zhǔn)有3個：常數(shù)溫度TTKI；排氣壓比計算出的溫控基準(zhǔn)TTRXP1，其值TTTRXP1=ITTKn-(CPR-CTTKn)×STTKn+CT_BIAS+WQJC；FSR計算出的溫控基準(zhǔn)TTRXS1，其值TTTRXS1=ITTKn-(FSR-KTTKn)×MTTKn+CT_BIAS+WQJC，F(xiàn)SR為燃料量值，CPR為壓氣機壓比值，CT_BIAS為壓氣機進口溫度修正值，WQJC為水(或蒸汽)噴注的溫度控制補償量，其他控制量為常數(shù)，取決于不同燃料、不同負(fù)荷等等。實際應(yīng)用過程中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 壓氣機排氣壓力控制

排氣壓力控制主要是用來控制壓比，排氣壓力控制輸出的FSR用FSRCPR來表示。排氣壓力的控制很重要，一是用來防止超溫，同時有防止壓氣機喘振的保護。CPR是根據(jù)壓氣機排氣壓力、大氣壓、進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 壓氣機進口導(dǎo)葉(IGV)控制

IGV控制主要目的有3個：一是防止壓氣機喘振；二是實現(xiàn)對燃?xì)廨啓C排氣溫度的控制，在燃?xì)廨啓C運行在部分負(fù)荷下就要投溫控；三是溫度匹配，聯(lián)合循環(huán)機組，在汽輪機沖轉(zhuǎn)前，需要對燃?xì)廨啓C的排氣溫度進行限制，讓排氣溫度與汽輪機金屬溫度匹配，滿足汽輪機進汽需求。IGV控制原理見圖4，其主要有2個控制基準(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IGV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1 ℃的死區(qū)帶，IGV基準(zhǔn)溫控點一般比基本溫控點大約低6 ℃。

2 啟機動作過程

點火時，F(xiàn)SR等于FSRSU，F(xiàn)SR選取的是啟動控制系統(tǒng)的FSRSU，暖機過程中，還是啟動控制系統(tǒng)起作用。暖機后的升速過程依然是啟動控制系統(tǒng)起作用，但是加速度速率也會介入控制，防止升速過快，熱應(yīng)力沖擊過大。在轉(zhuǎn)速達(dá)到90%左右，轉(zhuǎn)速控制回路就開始介入，實際轉(zhuǎn)速TNH隨轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)TNR升高，此時是轉(zhuǎn)速控制和加速控制共同作用。機組并網(wǎng)后，在機組負(fù)荷不高的時候，排氣溫度不高時還是轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)起作用，通過增減轉(zhuǎn)速/負(fù)荷基準(zhǔn)，可以增減負(fù)荷。如果排氣溫度過高，可能溫度控制器FSRT介入控制，此時就不能再增加負(fù)荷了。

啟機時，IGV在全關(guān)位置28.5°，當(dāng)燃機達(dá)到85%至89%修正轉(zhuǎn)速中間的時候，IGV打開至最小全速角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°，此時增加負(fù)荷，排氣溫度上升，壓氣機壓比上升，待排氣溫度和壓比達(dá)到IGV溫控基準(zhǔn)時，IGV開始打開，最大打開至89.5°，停機過程相反。

3 結(jié)論

本文重點分析了燃?xì)廨啓C主控系統(tǒng)和IGV控制系統(tǒng)的原理和邏輯實現(xiàn)，包括燃?xì)廨啓C的啟動控制、轉(zhuǎn)速控制以及加速度控制、排氣溫度控制、壓氣機排氣壓力控制、壓氣機進口導(dǎo)葉IGV控制等機組主要系統(tǒng)，分析了整個燃機從啟動、暖機、并網(wǎng)到聯(lián)合循環(huán)的過程。

GE燃機控制系統(tǒng)控制設(shè)計復(fù)雜而且耦合性

強，研究燃機的控制系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試經(jīng)驗，不但有助于現(xiàn)有9F機組的穩(wěn)定運行，而且對于自主開發(fā)燃?xì)廨啓C控制系統(tǒng)有很大的啟迪[3]。