宋黨科

（杭州華電半山發(fā)電有限公司，杭州 310015）

1 GE9F燃?xì)廨啓C(jī)概述

GE 9F燃?xì)廨啓C(jī)的燃機(jī)本體由進(jìn)氣缸、壓氣機(jī)缸、透平缸等組成。在進(jìn)氣缸中包括軸承與軸承座，軸承數(shù)量為2個(gè)，利用4個(gè)支撐連接機(jī)組底座與機(jī)組；壓氣機(jī)、燃?xì)馔钙椒謩e為18級(jí)與3級(jí)。在燃?xì)廨啓C(jī)中，壓氣機(jī)是主要部件，空氣的吸入是通過(guò)進(jìn)氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，使高壓空氣可以連續(xù)不斷地提供給燃燒室。支撐設(shè)置在機(jī)組與底座之間，二者連接是由剛性聯(lián)軸器完成的，在軸承的中心線(xiàn)位置，汽輪機(jī)高壓缸前機(jī)箱固定在基礎(chǔ)板上，固定方式為軸向和橫向鍵錨，然后將其固定好，使用腳螺栓壓緊。燃機(jī)的前支撐在這種方式的應(yīng)用下會(huì)有微量的移動(dòng)情況，因此，將復(fù)合導(dǎo)向鍵增加到壓氣機(jī)進(jìn)氣缸下部，將軸向連接桿設(shè)置在燃機(jī)進(jìn)氣缸和汽輪機(jī)的前機(jī)箱之間，保持軸向連接桿可以調(diào)整與自對(duì)。

機(jī)組前端是壓力機(jī)進(jìn)氣缸，為喇叭口狀，主要材料為球墨鑄鐵。轉(zhuǎn)子由軸承支撐，并能為轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)提供承力部分。壓縮空氣裝置為壓氣機(jī)缸，材料為球磨鑄鐵。壓氣機(jī)與透平之間設(shè)置燃燒室，在壓氣機(jī)排氣缸上設(shè)置整個(gè)部件，將透平一級(jí)噴嘴連接在里側(cè)，在與壓氣機(jī)氣缸進(jìn)行連接時(shí)要使用螺栓進(jìn)行固定。貫穿螺栓結(jié)構(gòu)的是透平轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由透平前半軸、葉輪等組成[1]。透平轉(zhuǎn)子通過(guò)葉輪輪軸和級(jí)間輪盤(pán)上的配合止口控制各部件的同心度（見(jiàn)圖1），這些部件可以通過(guò)貫穿拉桿螺栓壓合在一起。螺栓壓緊各級(jí)輪盤(pán)間產(chǎn)生的摩擦力能克服一部分對(duì)扭矩。透平轉(zhuǎn)子的動(dòng)葉片尺寸由第一級(jí)到第三級(jí)逐級(jí)增高，二者葉高分別為386.69 mm、519.6 mm，空氣壓力通過(guò)每一級(jí)的能量轉(zhuǎn)化逐漸減少，燃?xì)獾牧髁拷邮湛梢酝ㄟ^(guò)環(huán)形面積增加得以實(shí)現(xiàn)，確保流量在各級(jí)相等，透平動(dòng)葉在每級(jí)都為92片。

圖1 透平轉(zhuǎn)子

2 GE9F燃?xì)廨啓C(jī)主要控制系統(tǒng)特點(diǎn)

根據(jù)負(fù)荷指令、排氣溫度等基本同條件，燃?xì)廨啓C(jī)主要控制系統(tǒng)可以對(duì)燃料量進(jìn)行調(diào)節(jié)?；趥鞲衅鞯募偈诌\(yùn)動(dòng)模式識(shí)別及控制系統(tǒng)（FSR）由啟動(dòng)控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)等8個(gè)子系統(tǒng)組成。燃料控制分量可以計(jì)算得出，對(duì)通迭代計(jì)算，控制輸出可以選擇最小值[2]。在控制裝置中，壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉（IGV）發(fā)揮著重要作用，可以對(duì)燃機(jī)排氣溫度予以控制，防止壓氣機(jī)出現(xiàn)喘振問(wèn)題，保證燃機(jī)安全。

2.1 轉(zhuǎn)速與功率調(diào)節(jié)特點(diǎn)

燃料量在啟動(dòng)過(guò)程的主要特征是開(kāi)環(huán)控制，不同階段的燃料設(shè)定值要按照啟動(dòng)工況對(duì)應(yīng)的邏輯信號(hào)給出。燃機(jī)由變頻啟動(dòng)系統(tǒng)（LCI）控制發(fā)電機(jī)，能及時(shí)完成清吹工作，使燃機(jī)具備點(diǎn)火條件。點(diǎn)火值與燃料量數(shù)值上相等，完成點(diǎn)火并成功后，燃機(jī)的燃料量會(huì)下降，在下降為暖機(jī)值時(shí)，燃料量會(huì)按照一定的速度增加到最大值，最終退出控制。帶負(fù)荷運(yùn)作期間，轉(zhuǎn)速/功率控制和溫度控制兩個(gè)回路是燃機(jī)的重要內(nèi)容。燃料量的調(diào)節(jié)是轉(zhuǎn)速/功率調(diào)節(jié)回路的主要工作，保證燃機(jī)發(fā)動(dòng)功率可以滿(mǎn)足預(yù)設(shè)值。

燃機(jī)在并入電網(wǎng)之后，系統(tǒng)頻率會(huì)對(duì)其轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響，將頻率擾動(dòng)忽略，轉(zhuǎn)速可以認(rèn)為是恒定值。將單向控制調(diào)節(jié)器作為轉(zhuǎn)速控制回路，在有差調(diào)節(jié)時(shí)，要以外回路輸出的轉(zhuǎn)速作為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，燃料基準(zhǔn)是輸出值與經(jīng)實(shí)功率和燃料量修正的空載燃料量之和。要求使用數(shù)字積分的方式對(duì)轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)進(jìn)行改變，數(shù)字積分的對(duì)象為大于死區(qū)（又稱(chēng)儀表的不靈敏區(qū)）設(shè)定值的功率偏差。

2.2 負(fù)荷調(diào)節(jié)特點(diǎn)

并網(wǎng)成功之后，熱備用負(fù)荷可以由燃機(jī)自帶，約為8%，對(duì)逆功率動(dòng)作予以防止。同時(shí)系統(tǒng)還有預(yù)設(shè)負(fù)荷、遠(yuǎn)方DCS負(fù)荷等，通過(guò)這些不同的負(fù)荷可以對(duì)負(fù)荷設(shè)定值進(jìn)行改變。模擬量負(fù)荷指令是預(yù)設(shè)負(fù)荷與遠(yuǎn)方DSC負(fù)荷采取的控制方法。在基本負(fù)荷模式的選擇下，設(shè)施會(huì)使功率控制回路設(shè)定值發(fā)生改變，變?yōu)闃O限值，輸出的轉(zhuǎn)速控制的燃料量（FSRN）會(huì)在轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)上升下出現(xiàn)增加，也會(huì)讓燃機(jī)負(fù)荷增加，排氣溫度也會(huì)跟著升高。為對(duì)排氣溫度進(jìn)行控制，壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉角度會(huì)增加。進(jìn)口導(dǎo)葉角度在開(kāi)到最大之后，溫度基準(zhǔn)要小于排氣溫度。投入溫度控制回路之后，燃料的增加與負(fù)荷的增加得以有效抑制，透氣進(jìn)氣溫度得到有效控制，能確保其在允許范圍內(nèi)，透平葉片不會(huì)受到溫度過(guò)高的影響而發(fā)生損害。

2.3 溫度控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

在未投入燃料前，溫度控制系統(tǒng)屬于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，是一階慣性環(huán)節(jié)，能跟蹤燃料基準(zhǔn)。當(dāng)溫控系統(tǒng)輸出小于轉(zhuǎn)速/功率控制系統(tǒng)輸出被選中后，溫控系統(tǒng)會(huì)形成閉環(huán)PI調(diào)節(jié)回路[3]。透平的排氣溫度是溫度系統(tǒng)的被調(diào)量，但透平的工作溫度是溫控的最終目的。一級(jí)噴嘴處是透平溫度最高的位置，但在對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量時(shí)現(xiàn)有技術(shù)難以完成，工作溫度也可以由排氣溫度間接反映，進(jìn)氣溫度的控制可以通過(guò)排氣溫度的控制完成。所以，溫度控制基準(zhǔn)的計(jì)算是溫度控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。

2.4 啟動(dòng)工作狀態(tài)

啟動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行同時(shí)，還會(huì)在燃機(jī)暖機(jī)的升速過(guò)程發(fā)揮作用，在暖機(jī)速度控制過(guò)程中FSRSU（啟動(dòng)控制系統(tǒng)信號(hào)）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，能避免在熱應(yīng)力的作用下對(duì)燃機(jī)產(chǎn)生沖擊。轉(zhuǎn)速控制回路在轉(zhuǎn)速達(dá)到修正轉(zhuǎn)速的90%時(shí)也會(huì)介入，燃機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)燃機(jī)轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)升高，這時(shí)轉(zhuǎn)速控制與加速控制共同控制轉(zhuǎn)速。

IGV在啟動(dòng)時(shí)在全關(guān)位置為28.5°（全速角），IGV打開(kāi)到（最小全速角45.5°），要求燃機(jī)為85%～89%修正轉(zhuǎn)速。負(fù)荷要在并網(wǎng)后增加，為使IGV保持最小全速角45.5°，要對(duì)IGV的溫控方式進(jìn)行合理選擇；然后對(duì)負(fù)荷進(jìn)行增加，排氣溫度、氣壓機(jī)壓比會(huì)上升，IGV會(huì)在排氣溫度與壓比在IGV溫控基準(zhǔn)時(shí)打開(kāi)，角度為88°。

3 GE9F燃?xì)廨啓C(jī)主要控制系統(tǒng)及I GV系統(tǒng)分析

3.1 GE9F燃?xì)廨啓C(jī)主要控制系統(tǒng)

3.1.1 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

在對(duì)燃料量進(jìn)行控制時(shí)，可以利用轉(zhuǎn)速控制，通過(guò)式（1）進(jìn)行計(jì)算。為確保機(jī)組并網(wǎng)不會(huì)發(fā)生逆功率跳機(jī)問(wèn)題，要求轉(zhuǎn)速略高于額定轉(zhuǎn)速。在全速空載條件下，確定轉(zhuǎn)速為3 006 r/min。

式中，nOFSR為燃機(jī)額定轉(zhuǎn)速下的空載定值；K為轉(zhuǎn)速不等率；nTNR為轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)；nTNH為實(shí)際轉(zhuǎn)速。

同轉(zhuǎn)子角速度與給定值進(jìn)行比較控制實(shí)現(xiàn)加速度控制，可以對(duì)燃機(jī)加速度進(jìn)行限制。加速度控制可以對(duì)動(dòng)態(tài)超速啟動(dòng)期間燃機(jī)的加速度進(jìn)行控制，熱效應(yīng)力會(huì)減少對(duì)燃機(jī)的沖擊，能讓機(jī)組的安全性得到保證。通過(guò)加速度控制算法確定FSR，計(jì)算公式為：

式中，F(xiàn)SRN為有差轉(zhuǎn)速控制的輸出FSR；FSRN0為額定轉(zhuǎn)速空載的FSR；KDroop為決定有差轉(zhuǎn)速控制不等率的控制常數(shù)；TNR為燃機(jī)轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)；TNH為燃機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。

有差轉(zhuǎn)速控制不等率δ（轉(zhuǎn)速變化量為額定負(fù)荷條件）由式（3）計(jì)算：

式中，F(xiàn)SRNB為額定負(fù)荷增加值。

3.1.2 溫度控制系統(tǒng)

用FSRT表示溫控系統(tǒng)輸出的FSR，其溫度控制原理如圖2所示。

圖2溫度控制系統(tǒng)原理

圖2 中，TTXM、TTRX、CPR、TTKI分別為經(jīng)算法處理后的排氣溫度、溫控基準(zhǔn)、壓氣機(jī)壓比、常數(shù)溫度?？梢允褂檬剑?）對(duì)溫差Δt進(jìn)行計(jì)算：

式中，t1為T(mén)TRX的值；t2為T(mén)TXM的值。

TTKI、排氣壓計(jì)算出的溫控基準(zhǔn)TTRXP1、FSR計(jì)算出的溫控基準(zhǔn)TTRXS1是溫控的3個(gè)基準(zhǔn)。速率控制會(huì)影響溫控基準(zhǔn)，所以，速率要盡可能控制小。

3.1.3 排氣壓力控制系統(tǒng)

控制壓比是空氣壓力控制的主要來(lái)源。用FSRCPR表示排氣壓力控制輸出的FSE，壓氣機(jī)為防止由于高溫而發(fā)生的喘振，要通過(guò)排氣壓力控制。氣壓機(jī)排氣壓力、大氣壓等共同決定CPR，在對(duì)壓比偏差進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可以使用式（5）計(jì)算：

式中，CFSRCPR1為壓比偏差；CPRLIM為壓比極限值；CPR為壓氣機(jī)壓比值；CPKERRO為壓比偏差的偏置數(shù)。

在對(duì)排氣壓力控制輸出的FSR值進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可以使用式（6）計(jì)算：

式中，COKFSRO為壓比極限的FSR偏置常數(shù)；k為增益常數(shù)；FSRtc為時(shí)間漸變函數(shù)。

排比壓比與CPERR1、FSRCRP成反比，這樣就可以對(duì)燃料進(jìn)行限制。

3.2 I GV系統(tǒng)

避免壓氣機(jī)喘振、控制好燃?xì)鈾C(jī)輪排氣溫度與溫度匹配是IGV系統(tǒng)的作用。燃?xì)廨啓C(jī)在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前要與循環(huán)機(jī)組聯(lián)合，限制好排氣溫度，確保排氣溫度與汽輪機(jī)金屬溫度相匹配，讓汽輪機(jī)進(jìn)氣工作能正常運(yùn)行。溫度控制基準(zhǔn)與修正轉(zhuǎn)速控制基準(zhǔn)是其兩個(gè)控制基準(zhǔn)。IGV的值可以通過(guò)轉(zhuǎn)速控制計(jì)算而出：

式中，nCSRGVPS為轉(zhuǎn)速控制基準(zhǔn)；nTNHCOR為修正轉(zhuǎn)速。

在對(duì)IGV溫控基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，計(jì)算方法與排氣溫控基準(zhǔn)相同，燃機(jī)的排氣溫度必須控制在溫控線(xiàn)所限制區(qū)域內(nèi)，相比于基本溫控點(diǎn)，IGV基準(zhǔn)溫控點(diǎn)要低6℃。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)GE9F燃?xì)廨啓C(jī)主要控制系統(tǒng)及IGV系統(tǒng)的分析，發(fā)現(xiàn)主要控制系統(tǒng)及IGV系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需注意諸多要點(diǎn)，需合理確定荷載，對(duì)溫差、壓比偏差及轉(zhuǎn)速等進(jìn)行有效控制，確保GE9F燃?xì)廨啓C(jī)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。