M701F燃气轮机控制系统浅析

郝永红

摘 要：本文主要介绍M701F燃气轮机主控制系统，并简要分析了自动负荷调节、转速控制、负荷控制、温度控制以及燃料分配控制的功能、逻辑实现。

关键词：M701F燃气轮机；控制；功能；逻辑

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.032

1 M701F燃气轮机控制系统概述

M701F燃气轮机的DCS采用三菱Diasys Netmation过程控制系统，其中燃气轮机部分的控制主要由透平控制系统TCS（ Turbine Control System）、透平保护系统TPS（Turbine Protection System）和高级燃烧压力波动监视系统ACPFM（Advanced Combustion Pressure Fluctuation Monitor）组成。

M701F燃气轮机主控制简介。燃气轮机主控系统的功能是连续调节燃料量，以满足燃气轮机各运行阶段的需要。M701F燃气轮机主控系统主要具有如下控制功能：自动负荷调节（ALR）、转速控制（GOVERNOR）、负荷控制（LOAD LIMIT）、温度控制、燃料限制控制、燃料分配控制、燃料压力控制、燃气温度控制、进口导叶（IGV）控制和燃烧室旁路阀控制，具体原理框图如图1所示。

燃气轮机运行各阶段的控制方式如图2所示。燃气轮机点火前CSO（控制信号输出）=-5%，使燃料阀严密关闭。燃气轮机点火时，CSO为FIRE阶段的最小CSO，以保证能够可靠点燃。点火后一段时间内，CSO等于暖机升速阶段的WUP，保证燃气轮机在升速阶段的燃烧稳定，此时燃气轮机转速不受控制，在CSO≈15%的燃料量及SFC产生的合力矩作用下自由加速。当转速至一定值时（约1110rpm），FLCSO将开始大于暖机升速阶段的最小CSO，使CSO=FLCSO。此后，由于FLCSO是直接由燃气轮机转速决定的，因此不管SFC力矩或阻力矩是否改变，即使在SFC脱扣或IGV在2745rpm快速全关时，燃气轮机均以设定的135rpm升速率升至额定转速；在接近额定转速时，GVCSO将小于FLCSO，通过最小选择器使CSO=GVCSO，燃气轮机开始进入空载和同期的调速阶段，直到并网带负荷。并网后若选择负荷控制方式则CSO=LDCSO，若选择转速控制方式则CSO=GVCSO。机组高负荷运行时将进入温度控制方式，则CSO=BPCSO或CSO=EXCSO。

2 各子系统简介

2.1 自动负荷调节

转速控制方式和负荷控制方式均可接受ALR（自动负荷调节）的指令信号。在ALR ON模式下，ALR的输出作为机组功率设定值送到转速控制方式和负荷控制方式回路。在ALR ON模式下，机组负荷是闭环无差调节的，燃气轮机控制器自动改变转速设定值或负荷设定值（运行方式选转速控制或者负荷控制）。在机组没有进入温度控制模式的前提下，若机组实际负荷比ALR功率设定值低，则自动增加转速控制方式的设定值或负荷控制方式的设定值；若机组实际负荷比ALR目标功率设定值高，则自动降低转速控制方式的设定值或负荷控制方式的设定值。在ALR ON模式下，机组还有“AGC OFF”和“AGC ON”两种运行方式。在“AGC OFF”方式下，ALR目标功率可以手动给定或根据机组工况自动给定。在“AGC ON”方式下，ALR目标功率跟踪中调EMS来的目标负荷指令信号，也就是AGC控制方式。

2.2 转速控制

M701F燃气轮机转速控制采用纯比例控制回路进行转速自动调节，调节函数的修改可通过修改逻辑中满负荷燃料信号、空载燃料信号和不等率的设定值实现。

转速控制方式的控制逻辑简图如图3所示。由图6可得转速控制方式的设定值GVCSO的计算式（1）和参考值SPREF的计算式（2）。

GVCSO=（SPSET+100-SPEED/30）* GV GAIN+NO LOAD CSO （1）

SPREF=（SPSET+100）*30 （2）

其中：NO LOAD CSO为M701F燃气轮机的空载燃料信号，设定值为35.1%。

GV GAIN为调速器增益，在假设满负荷燃料信号为83%、空载燃料信号为 35.1%，不等率为4%基础上得来，即GV GAIN=（83%-35.1%）/4=11.975%。

2.3 负荷控制

负荷控制方式为闭环无差调节，适用于带负荷运行工况下的负荷控制，与转速控制互斥。机组并网后，若不是负荷控制方式就是转速控制方式。图4为简化后的负荷控制逻辑图。

机组并网后，若机组在负荷控制方式下运行，机组的负荷是通过改变负荷设定值LDSET来控制的。负荷控制功能还可限制CSO的增加速率，防止燃气轮机在高负荷时因升负荷过快而超温。

2.4 温度控制

燃气轮机温度控制的主要作用是限制最大燃料量，以保证在启动阶段和带负荷时燃气轮机透平入口烟温在安全范围内，防止超温运行对燃气轮机热通道部件的损坏。

一般情况下，燃气轮机透平入口烟温T3越高，燃气轮机的功率和效率越高，因此希望机组在尽可能高的T3下安全运行。燃气轮机运行时，透平叶轮和叶片均在高温下高速转动，需承受高温和巨大的离心力作用。随温度的升高，材料强度将明显降低，同时限于制造工艺和为了追求高性能参数，燃气轮机叶轮、叶片等热通道部件的强度余量不会很大。如果T3超出了安全极限，会使透平热通道部件寿命大为降低，甚至造成热通道部件烧毁、断裂等严重事故，对燃气轮机的安全运行造成严重威胁。因此在燃气轮机运行过程中必须严格监控T3的变化，保证T3不超过限定值。

M701F燃气轮机则采取了两类温度控制，叶片通道温度（BPT）控制和透平排气温度（EXT）控制，各自对应的温控基准线如图5所示。叶片通道温度反应灵敏，只要燃料量增加，叶片通道温度将立即上升。透平排气温度则较为准确，但反应不灵敏，有一定的滞后性。两种控制方式互补，可确保燃气透平不超温。

叶片通道温度测点安装在透平末级动叶下游通道处，共有20个热电偶测点，环型均匀布置。透平排气温度测点安装在透平排气通道处，由于该处烟气充分混合，故只需设置6个热电偶测点，也为环型均匀布置。

M701F燃氣轮机温度控制按图5中逻辑设定的两组曲线进行，启动温控线用于机组并网前的温度控制，基础温控线用于正常负荷调节的温度控制，两组曲线自动切换。

2.5 燃料限制控制

燃料限制控制是用于启动升速过程中的燃料量开环控制，其设定值FLCSO等于燃烧器壳压力和转速的实测值经函数运算并通过高选后的输出值，其原理简图见图6。

由燃料限制控制逻辑分析可得，燃气轮机点火前FLCSO被限制在-5%输出，且FLCSO经最小选择器后作为CSO的输出，这样能确保燃料阀门严密关闭。燃气轮机升速过程中，FLCSO直接由转速决定。当转速升至约1110rpm时，FLCSO大于WUP CSO（即暖机CSO，具体值为15%），燃气轮机切换为燃料限制控制。此后，通过升速率限制回路的作用，不管SFC力矩或阻力矩是否改变，即使在SFC脱扣或IGV在2745rpm快速全关时，燃气轮机均以速率限制器设定的135rpm升速率升至额定转速。机组并网后，由于转速不变，限制最大燃料量转为燃烧器壳压力的函数。

3 结语

三菱M701F燃气轮机主控制系统设计思想并不复杂，但是在机组实际运行过程中涉及到设备、运行环境、燃料特性等诸多因素影响，从而增加了控制的难度和精度。燃气轮机控制系统较多，本文只着重介绍了其中重要的五个子控制系统，希望为燃机电厂相关技术人员提供参考。

参考文献：

[1]蔡青春，龙双喜等.大型燃气-蒸汽联合循环发电设备与运行：机务分册[K].机械工程出版社，2013.

[2]席亚宾，李洪涛，马永光.M701F型燃气轮机控制系统分析[J].燃气轮机技术，2009，22（03）：21-24.