GE9F燃气轮机主要控制系统及I GV系统分析

宋党科

（杭州华电半山发电有限公司，杭州 310015）

1 GE9F燃气轮机概述

GE 9F燃气轮机的燃机本体由进气缸、压气机缸、透平缸等组成。在进气缸中包括轴承与轴承座，轴承数量为2个，利用4个支撑连接机组底座与机组；压气机、燃气透平分别为18级与3级。在燃气轮机中，压气机是主要部件，空气的吸入是通过进气系统实现的，使高压空气可以连续不断地提供给燃烧室。支撑设置在机组与底座之间，二者连接是由刚性联轴器完成的，在轴承的中心线位置，汽轮机高压缸前机箱固定在基础板上，固定方式为轴向和横向键锚，然后将其固定好，使用脚螺栓压紧。燃机的前支撑在这种方式的应用下会有微量的移动情况，因此，将复合导向键增加到压气机进气缸下部，将轴向连接杆设置在燃机进气缸和汽轮机的前机箱之间，保持轴向连接杆可以调整与自对。

机组前端是压力机进气缸，为喇叭口状，主要材料为球墨铸铁。转子由轴承支撑，并能为转子高速转动提供承力部分。压缩空气装置为压气机缸，材料为球磨铸铁。压气机与透平之间设置燃烧室，在压气机排气缸上设置整个部件，将透平一级喷嘴连接在里侧，在与压气机气缸进行连接时要使用螺栓进行固定。贯穿螺栓结构的是透平转子结构，由透平前半轴、叶轮等组成[1]。透平转子通过叶轮轮轴和级间轮盘上的配合止口控制各部件的同心度（见图1），这些部件可以通过贯穿拉杆螺栓压合在一起。螺栓压紧各级轮盘间产生的摩擦力能克服一部分对扭矩。透平转子的动叶片尺寸由第一级到第三级逐级增高，二者叶高分别为386.69 mm、519.6 mm，空气压力通过每一级的能量转化逐渐减少，燃气的流量接收可以通过环形面积增加得以实现，确保流量在各级相等，透平动叶在每级都为92片。

图1 透平转子

2 GE9F燃气轮机主要控制系统特点

根据负荷指令、排气温度等基本同条件，燃气轮机主要控制系统可以对燃料量进行调节。基于传感器的假手运动模式识别及控制系统（FSR）由启动控制系统、转速控制系统等8个子系统组成。燃料控制分量可以计算得出，对通迭代计算，控制输出可以选择最小值[2]。在控制装置中，压气机进口导叶（IGV）发挥着重要作用，可以对燃机排气温度予以控制，防止压气机出现喘振问题，保证燃机安全。

2.1 转速与功率调节特点

燃料量在启动过程的主要特征是开环控制，不同阶段的燃料设定值要按照启动工况对应的逻辑信号给出。燃机由变频启动系统（LCI）控制发电机，能及时完成清吹工作，使燃机具备点火条件。点火值与燃料量数值上相等，完成点火并成功后，燃机的燃料量会下降，在下降为暖机值时，燃料量会按照一定的速度增加到最大值，最终退出控制。带负荷运作期间，转速/功率控制和温度控制两个回路是燃机的重要内容。燃料量的调节是转速/功率调节回路的主要工作，保证燃机发动功率可以满足预设值。

燃机在并入电网之后，系统频率会对其转速产生影响，将频率扰动忽略，转速可以认为是恒定值。将单向控制调节器作为转速控制回路，在有差调节时，要以外回路输出的转速作为基准进行调节，燃料基准是输出值与经实功率和燃料量修正的空载燃料量之和。要求使用数字积分的方式对转速基准进行改变，数字积分的对象为大于死区（又称仪表的不灵敏区）设定值的功率偏差。

2.2 负荷调节特点

并网成功之后，热备用负荷可以由燃机自带，约为8%，对逆功率动作予以防止。同时系统还有预设负荷、远方DCS负荷等，通过这些不同的负荷可以对负荷设定值进行改变。模拟量负荷指令是预设负荷与远方DSC负荷采取的控制方法。在基本负荷模式的选择下，设施会使功率控制回路设定值发生改变，变为极限值，输出的转速控制的燃料量（FSRN）会在转速基准上升下出现增加，也会让燃机负荷增加，排气温度也会跟着升高。为对排气温度进行控制，压气机进口导叶角度会增加。进口导叶角度在开到最大之后，温度基准要小于排气温度。投入温度控制回路之后，燃料的增加与负荷的增加得以有效抑制，透气进气温度得到有效控制，能确保其在允许范围内，透平叶片不会受到温度过高的影响而发生损害。

2.3 温度控制系统的特点

在未投入燃料前，温度控制系统属于开环状态，是一阶惯性环节，能跟踪燃料基准。当温控系统输出小于转速/功率控制系统输出被选中后，温控系统会形成闭环PI调节回路[3]。透平的排气温度是温度系统的被调量，但透平的工作温度是温控的最终目的。一级喷嘴处是透平温度最高的位置，但在对温度进行测量时现有技术难以完成，工作温度也可以由排气温度间接反映，进气温度的控制可以通过排气温度的控制完成。所以，温度控制基准的计算是温度控制系统的关键。

2.4 启动工作状态

启动控制系统运行同时，还会在燃机暖机的升速过程发挥作用，在暖机速度控制过程中FSRSU（启动控制系统信号）继续以预定速率上升到燃机加速控制燃料量的最大值，能避免在热应力的作用下对燃机产生冲击。转速控制回路在转速达到修正转速的90%时也会介入，燃机实际转速随转速基准燃机转速基准升高，这时转速控制与加速控制共同控制转速。

IGV在启动时在全关位置为28.5°（全速角），IGV打开到（最小全速角45.5°），要求燃机为85%～89%修正转速。负荷要在并网后增加，为使IGV保持最小全速角45.5°，要对IGV的温控方式进行合理选择；然后对负荷进行增加，排气温度、气压机压比会上升，IGV会在排气温度与压比在IGV温控基准时打开，角度为88°。

3 GE9F燃气轮机主要控制系统及I GV系统分析

3.1 GE9F燃气轮机主要控制系统

3.1.1 转速控制系统

在对燃料量进行控制时，可以利用转速控制，通过式（1）进行计算。为确保机组并网不会发生逆功率跳机问题，要求转速略高于额定转速。在全速空载条件下，确定转速为3 006 r/min。

式中，nOFSR为燃机额定转速下的空载定值；K为转速不等率；nTNR为转速基准；nTNH为实际转速。

同转子角速度与给定值进行比较控制实现加速度控制，可以对燃机加速度进行限制。加速度控制可以对动态超速启动期间燃机的加速度进行控制，热效应力会减少对燃机的冲击，能让机组的安全性得到保证。通过加速度控制算法确定FSR，计算公式为：

式中，FSRN为有差转速控制的输出FSR；FSRN0为额定转速空载的FSR；KDroop为决定有差转速控制不等率的控制常数；TNR为燃机转速基准；TNH为燃机实际转速。

有差转速控制不等率δ（转速变化量为额定负荷条件）由式（3）计算：

式中，FSRNB为额定负荷增加值。

3.1.2 温度控制系统

用FSRT表示温控系统输出的FSR，其温度控制原理如图2所示。

图2温度控制系统原理

图2 中，TTXM、TTRX、CPR、TTKI分别为经算法处理后的排气温度、温控基准、压气机压比、常数温度。可以使用式（4）对温差Δt进行计算：

式中，t1为TTRX的值；t2为TTXM的值。

TTKI、排气压计算出的温控基准TTRXP1、FSR计算出的温控基准TTRXS1是温控的3个基准。速率控制会影响温控基准，所以，速率要尽可能控制小。

3.1.3 排气压力控制系统

控制压比是空气压力控制的主要来源。用FSRCPR表示排气压力控制输出的FSE，压气机为防止由于高温而发生的喘振，要通过排气压力控制。气压机排气压力、大气压等共同决定CPR，在对压比偏差进行计算时，可以使用式（5）计算：

式中，CFSRCPR1为压比偏差；CPRLIM为压比极限值；CPR为压气机压比值；CPKERRO为压比偏差的偏置数。

在对排气压力控制输出的FSR值进行计算时，可以使用式（6）计算：

式中，COKFSRO为压比极限的FSR偏置常数；k为增益常数；FSRtc为时间渐变函数。

排比压比与CPERR1、FSRCRP成反比，这样就可以对燃料进行限制。

3.2 I GV系统

避免压气机喘振、控制好燃气机轮排气温度与温度匹配是IGV系统的作用。燃气轮机在汽轮机冲转前要与循环机组联合，限制好排气温度，确保排气温度与汽轮机金属温度相匹配，让汽轮机进气工作能正常运行。温度控制基准与修正转速控制基准是其两个控制基准。IGV的值可以通过转速控制计算而出：

式中，nCSRGVPS为转速控制基准；nTNHCOR为修正转速。

在对IGV温控基准进行计算时，计算方法与排气温控基准相同，燃机的排气温度必须控制在温控线所限制区域内，相比于基本温控点，IGV基准温控点要低6℃。

4 结语

综上所述，通过对GE9F燃气轮机主要控制系统及IGV系统的分析，发现主要控制系统及IGV系统在设计时需注意诸多要点，需合理确定荷载，对温差、压比偏差及转速等进行有效控制，确保GE9F燃气轮机的稳定可靠运行。