燃气轮机发电模块的控制策略探析

郭荣祥　武嘉杰

摘 要：燃气轮机发电模块的燃气轮机的运行状态主要由起动到慢车、高压压气机转速控制、动力涡轮转速控制三个主要的部分，文章结合燃气轮机发电模块的特性，制定了相应的燃气轮机的控制策略，包含起动阶段、高压压气机转速控制，动力涡轮转速控制。

关键词：燃气轮机；发电模块；控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.053

0 引言

燃气轮机发电模块中通过燃气轮机带动同步发电机进行发电，燃气轮机在起动快速性上要求燃气轮机从起动到进入慢车的时间小于4min，从起动到能够带动发电机正常工作的时间要小于22min。影响发电机输出电能的是发电机的转子转速，而发电机转子是由燃气轮机的动力涡轮所带动的，所以最终是保证燃气轮机动力涡轮的转速恒定。单个发电模块机组单独稳定运行时，发电模块发出的功率等于机组所带的负荷，此时动力涡轮转子处于平衡状态转速恒定。此时发电模块所带电负荷发生变化，而燃气轮机燃烧室的燃料流量未改变，原有的转子平衡被打破，动力涡轮转速发生变化。转子转速的变化不论是从影响输出电能的角度还是从转子叶片强度来讲都是不被允许的，所以发电模块控制系统必须含有燃气轮机转速控制。

1 起动阶段的控制策略

燃气轮机在起动过程中首先是燃机通过变频电机带动低压压气机旋转，此时随着电机的不断拖动，低压压气机转子旋转带动低压涡轮旋转这样就会从燃气轮机的进口不断吸入空气，低压压气机对空气做功使气体流动从而吹动高压涡轮转子旋转最终带动高压压气机转动，这样气体工质经过低压压气机和高压压气机做功最终形成高温高压的空气流入燃气轮机的燃烧室外。此时向燃烧室内注入燃料，燃料从喷嘴喷出形成雾化的燃料气与高温高压的空气混合，在点火器的作用下形成火焰，最终形成高温高压的气体工质推动后方的高压涡轮、低压涡轮最终带动动力涡轮对外做功，当高压压气机转速达到设定的慢车转速时，燃气轮机进入慢车工况完成起动过程。

以上为燃气轮机的起动过程，在起动过程中控制系统主要负责根据预先设定好的顺序流程完成启动电机一速二速、供给燃料、点火等顺序指令。在本课题仿真研究中起动指令给出后，首先给出起动电机一速指令，起动电机带动低压压气机转子旋转同时低压涡轮旋转，形成的气流压差带动高压涡轮转子旋转从而带动高压压气机旋转，30秒后给出起动电机二速指令，起动电机频率升高从而提高转速带动低压、高压压气机转速提升，二速指令给出后50秒后给出燃机点火指令，此时起动燃料量调节是开环控制，燃料量在一定时间内保持不变，然后自动调节系统根据起动时经过调节阀的燃料流量变化速度与高压压气机转速的关系打开调节阀。当高压压气机转速达到6200rpm时燃气轮机起动完成，进入慢车工况。多数燃气轮机起动过程中其燃料量的变化是依据该型燃机固有的起动燃料曲线而定的，但在很多情况下燃气轮机运转时所处的环境温度不同以及燃机是冷机起动还是暖机起动都会影响燃机起动进程，燃机入口环境温度过较低时如果初始的燃料量过低往往会导致点火失败而环境温度过高时又容易引起超温停机，而机组冷暖机状态的不同也会导致点火失败或是超温跳机。针对影响起动的两个因素本课题仿真试验对起动过程的燃料量进行了修正，制定的起动燃料量控制策略下式所示：

其中：为起动阶段的总燃料量，其最大值受燃料限制曲线影响；为起动初始的燃料量；为燃机入口空气温度对初始燃料量的修正函数；表示起动阶段燃料的增速率；为高压压气机转速对燃料增速率的修正；为低压涡轮后燃气温度对燃料增速率的修正；表示起动阶段时间计时；

2 高压压气机转速的控制策略

燃气轮机在起动阶段完成后进入慢车工况，此时改变燃料量进而燃气轮机改变工况。燃气轮机进入慢车工况以增量式PID控制算法调节燃料量的方式控制燃气轮机工况，此阶段主要的控制量是高压压气机转速。发电模块机组正常的工况运行都是在动力涡轮转速达到额定转速的模式下进行的，而高压压气机转速控制在发电模块燃气轮机控制中主要起三点作用。

（1）发电模块的原动机是三轴燃气轮机其动力涡轮属于自由，在燃气轮机进入慢车工况后高压压气机转速的变化趋势更能体现燃气轮机工况的变化，此时通过高压压气机转速控制将动力涡轮转速带到额定的工作转速，再进入动力涡轮转速控制从而使发电模块进入正常工作模式，在这个过程中高压压气机转速控制主要起过渡作用。

（2）高压压气机转速控制对燃气轮机起到保护作用，当动力涡轮转速控制阶段动涡转速低于某一限度时自动切入到高压压气机转速控制，切换控制目标防止仍以动力涡轮转速为控制指标而引起燃机超扭等损害燃机的现象。

（3）高压压气机转速控制起到限制保护的作用，发电模块正常运转时燃气轮机处于动力涡轮转速控制同时根据当前高压涡轮转速反应的该环境下的功率限制线和燃料限制曲线计算最大燃料量，当达到燃料限制值时以当前高压转速值为设定值切换至高压压气机转速控制，对燃气轮机起到保护作用。

3 动力涡轮转速控制的控制策略

燃气轮机在起动到慢车、高压压气机转速控制完成后，此时动力涡轮转速达到2850rpm，进入动力涡轮转速控制。动力涡轮转速控制是发电模块燃气轮机控制系统的核心部分，发电模块输出电能的主要工作阶段燃气轮机都处于动力涡轮转速控制下。动力涡轮转速控制的主要目标是保证发电模块各个工况状态下负载发生突变后，转速能够快速稳定回到额定转速区间3000±15rpm。为了保证燃气轮机在不同工况运行时，无论负载发生何种变化控制系统都能很好的完成机组对燃气轮机控制品质的要求，本文制定了以下几种控制方案，并希望通过仿真试验分析比较方案控制策略改进的可行性和有效性，寻求最优的燃气轮机动力涡轮转速控制策略。

参考文献：

[1]薛银春，孙建国.燃气轮机控制技术综述[J].航空动力学报，2005，20（06）：1066-1068.

[2]曾进，任庆生.燃气轮机最优控制研究[J].热能动力工程， 2000（15）：90-92.