GE 9F燃气轮机主要控制系统及IGV系统分析

熊 超，刘震华 ，张 英，高 任

(1.国电南京自动化股份公司， 南京 100000；2.国家能源集团吉林龙华白城热电厂，吉林 白城 137000)

在中国越来越重视清洁能源的情况下，为了吸纳新能源，燃气轮机作为调峰机组的能力越来越受重视，自动控制系统是燃气轮机控制核心。GE9F燃气轮机主控系统用MARK 6E系统实现，本文以某电厂美国GE公司的9F燃气-蒸汽双轴联合循环发电机组为参照，主要介绍燃机燃料控制基准(FSR)控制系统以及压气机可变进口导叶(IGV)控制系统，对一些重要控制部分给出详细解析并提供控制逻辑图和详细算法。

1 燃气轮机的主要功能控制系统

FSR一共分为8个子系统：启动控制系统；转速控制系统；温度控制系统；加速控制系统；停机控制系统；压气机压比控制系统；负荷控制系统；手动FSR控制系统[1]。8个子系统根据相关算法计算出相应的燃料控制分量，然后进行比小，选出最小值作为控制输出。IGV控制也是非常重要的控制装置，主要用来控制燃机排气温度，而且能够防止压气机喘振，这对燃机的安全非常重要。燃机主控系统控制功能见图1。下面选取典型的系统进行介绍。

1.1 启动控制

图1 燃机主控系统控制功能

主控系统的启动控制，在点火的时候开始到启动程序完成，不参与并网后负荷控制，输出信号一般叫FSRSU，整个控制属于开环控制，燃机以变频启动系统(LCI)启动[2]，当燃机被启动机带到额定转速16%的时候，开始清吹，当点火的所有条件满足后，FSRSU的输出值为FSRSU_FI，一般是17.5%FSR乘以一个压气机气流温度系数CQTC，这个值就是点火FSR值。如果点火成功，此时将FSRSU_WU赋予FSR以建立暖机值(14.4%FSR)，此时燃机开始暖机，暖机持续60 s。暖机结束后，FSRSU继续以预定速率上升到燃机加速控制燃料量的最大值FSRSU_AR。当机组并网后，FSRSU按照更大的预定速率上升到最大值FSRMAX,这种快速上升是为了退出对FSR的控制权。

1.2 转速控制以及加速度控制

转速控制的燃料量的公式为：nFSR=(nTNR-nTNH)×K+n0FSR，其中n0FSR为燃机额定转速下的(空载)定值，K为转速不等率(常数)，nTNH为实际转速，nTNR为转速基准，转速基准不同情况下(启机、停机、运行、超速实验)会设置不同的上下限。全速空载时转速为3 009 r/min，稍高于额定转速是为了确保机组并网不会逆功率跳机。并网后此回路变成功率控制回路。

加速度控制是将转子角加速度与给定值进行比较控制，是限制燃机加速度的。主要有两个作用：甩负荷时抑制动态超速启动过程中限制燃机的加速度，以减少燃机的热应力冲击，保护机组安全。

图3 温度控制系统算法

加速度控制算法见图2，FSRACC为加速度控制算法计算出来的FSR，其中FSRMAX为最大极限100%FSR；FSRMIN是一个不断变化的FSR最小值，是根据一条限制曲线经压气机进汽温度修正后得到的值，目的是防止燃料量过小导致燃机熄火；TNHAR为加速度基准；TNHA为实际加速度；FSKACC为系数常数，当燃机加速度超过基准时，燃机加速度基准与实际加速度的差值变成负数，FSRACC小于FSR，加速控制起作用，降低了FSR值。

图2 加速度控制算法

1.3 温度控制

燃机运行时必须控制好燃烧室的出口温度以保证透平部件在热应力允许范围内，温控系统输出FSR用FSRT来表示。温控系统控制原理见图3，其中TTXM为经算法处理之后的排气温度，TTRX为温控基准，CPR为压气机压比，TTKI为常数温度。设TTRX的值为t1，TTXM的值为t2，温差Δt=t1-t2，当排气温度超过温控基准的时候，Δt<0，FSRT会作为主控输出，FSR就会减小，排气温度会不断降低，直到达到温控基准。实际运行过程中，一般不会出现超温现象，正常Δt>0。

温控基准有3个：常数温度TTKI；排气压比计算出的温控基准TTRXP1，其值TTTRXP1=ITTKn-(CPR-CTTKn)×STTKn+CT_BIAS+WQJC；FSR计算出的温控基准TTRXS1，其值TTTRXS1=ITTKn-(FSR-KTTKn)×MTTKn+CT_BIAS+WQJC，FSR为燃料量值，CPR为压气机压比值，CT_BIAS为压气机进口温度修正值，WQJC为水(或蒸汽)喷注的温度控制补偿量，其他控制量为常数，取决于不同燃料、不同负荷等等。实际应用过程中TTRXS1一般用不到，其算出的值要高于TTRXP1。温控基准变化受速率控制，以此确保变化尽可能小。

1.4 压气机排气压力控制

排气压力控制主要是用来控制压比，排气压力控制输出的FSR用FSRCPR来表示。排气压力的控制很重要，一是用来防止超温，同时有防止压气机喘振的保护。CPR是根据压气机排气压力、大气压、进气压降和一些控制常数得出的。压比偏差CPRERR1的公式为：CPRERR1=CPRLIM-CPR-CPKERRO，其中CPRERR1为压比偏差值，CPRLIM是压比极限值，CPKERRO是压比偏差的偏置数(常数)，FSRCPR=(CPRERR1+CPKFSRO)×k+FSRtc，其中FSRCPR为排气压力控制输出的FSR值，CPKFSRO是压比极限的FSR偏置常数，k为增益常数，FSRtc是时间渐变的函数。如果出现排气压力升高，CPERR1将变小，那么FSRCPR将下降，从而限制燃料。

1.5 压气机进口导叶(IGV)控制

IGV控制主要目的有3个：一是防止压气机喘振；二是实现对燃气轮机排气温度的控制，在燃气轮机运行在部分负荷下就要投温控；三是温度匹配，联合循环机组，在汽轮机冲转前，需要对燃气轮机的排气温度进行限制，让排气温度与汽轮机金属温度匹配，满足汽轮机进汽需求。IGV控制原理见图4，其主要有2个控制基准：温度控制基准和修正转速控制基准。

图4 IGV控制原理图

转速控制基准主要根据修正转速推算出IGV的值nCSRGVPS=(nTNHCOR-78.9%)×6.67%，其中nTNHCOR为修正转速，修正转速IGV值nCSRGVPS最小为28.5°。温度控制有IGV温度控制基准和排气温控基准，排气温控基准就是1.3节中的CPR温控基准。IGV温控基准和排气温控基准算法基本一样，只是要减去一个1 ℃的死区带，IGV基准温控点一般比基本温控点大约低6 ℃。

2 启机动作过程

点火时，FSR等于FSRSU，FSR选取的是启动控制系统的FSRSU，暖机过程中，还是启动控制系统起作用。暖机后的升速过程依然是启动控制系统起作用，但是加速度速率也会介入控制，防止升速过快，热应力冲击过大。在转速达到90%左右，转速控制回路就开始介入，实际转速TNH随转速基准TNR升高，此时是转速控制和加速控制共同作用。机组并网后，在机组负荷不高的时候，排气温度不高时还是转速控制系统起作用，通过增减转速/负荷基准，可以增减负荷。如果排气温度过高，可能温度控制器FSRT介入控制，此时就不能再增加负荷了。

启机时，IGV在全关位置28.5°，当燃机达到85%至89%修正转速中间的时候，IGV打开至最小全速角49°，并网后加负荷，选择IGV温控方式，IGV保持最小全速角49°，此时增加负荷，排气温度上升，压气机压比上升，待排气温度和压比达到IGV温控基准时，IGV开始打开，最大打开至89.5°，停机过程相反。

3 结论

本文重点分析了燃气轮机主控系统和IGV控制系统的原理和逻辑实现，包括燃气轮机的启动控制、转速控制以及加速度控制、排气温度控制、压气机排气压力控制、压气机进口导叶IGV控制等机组主要系统，分析了整个燃机从启动、暖机、并网到联合循环的过程。

GE燃机控制系统控制设计复杂而且耦合性

强，研究燃机的控制系统设计和调试经验，不但有助于现有9F机组的稳定运行，而且对于自主开发燃气轮机控制系统有很大的启迪[3]。