蘇里格燃氣輪機的啟動控制

張克強

近年來,隨著國家對節(jié)能減排、能源綜合利用的需要,依靠天燃氣進行發(fā)電越來越受到社會的重視,特別是西部大開發(fā)進程中,燃氣發(fā)電的裝機容量逐日增加[1～2]。蘇里格燃氣電廠的1#和2#燃機是美國GE公司生產(chǎn)的PG9171E型燃氣輪機。其控制系統(tǒng)是Mark VI控制系統(tǒng)。

Mark VI微機控制系統(tǒng)是美國GE公司開發(fā)的全數(shù)字控制系統(tǒng),以微處理器為核心配置而成。主要的控制功能由三冗余的微機控制器,即三個獨立的、并完全相同的控制器來完成。三個控制器輸出的“連續(xù)”控制命令,如燃料流量命令,去三線圈電液伺服閥疊加平均。三個控制器輸出的邏輯控制命令經(jīng)2/3表決后執(zhí)行。這就提高了控制系統(tǒng)的可靠性。運行中,當(dāng)一個控制器發(fā)生故障時,另外兩個完好的控制器可繼續(xù)控制輪機連續(xù)運行。發(fā)生故障的控制器修復(fù)后、可再投入控制、輪機繼續(xù)運行,幾乎察覺不到什么大的波動。

1燃氣輪機的啟動過程

第一階段:又稱冷態(tài)加速階段。在這個階段中,起動機把燃氣輪機的轉(zhuǎn)子帶動到向燃燒室中噴入燃料點火的轉(zhuǎn)速。此時所需要的能量主要是用來加速機組的轉(zhuǎn)子和克服軸承的摩擦功。點火轉(zhuǎn)速大約等于額定轉(zhuǎn)速的15%～20%。

第二階段:這個階段是從機組點火成功到起動機把機組轉(zhuǎn)子增速到起動機脫扣轉(zhuǎn)速為止。脫扣轉(zhuǎn)速大約等于額定轉(zhuǎn)速的45%～60%。當(dāng)機組達到脫扣轉(zhuǎn)速時,透平發(fā)出的功率不僅能夠帶動壓氣機工作,還能有剩余的功率,即:可以不再需要起動機的幫助而使轉(zhuǎn)子繼續(xù)加速了。此時,允許起動機與機組轉(zhuǎn)子脫扣并停止工作。在這個階段中,燃氣初溫迅速增高,機組從冷態(tài)逐漸被加熱到一定程度,剛開始時一般有一暖機階段,以減輕對機組的沖擊。為了避免在機體中產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力,應(yīng)根據(jù)機組結(jié)構(gòu)形式的不同,對第二階段的持續(xù)時間加以必要的控制。

第三階段:為繼續(xù)熱態(tài)加速階段。在這個階段中,起動機已經(jīng)退出工作,機組完全靠透平發(fā)出的剩余功率來使轉(zhuǎn)子繼續(xù)升速,直到空載轉(zhuǎn)速為止。此時機組將進一步被加熱,為了避免發(fā)生過大的熱應(yīng)力,也應(yīng)對這個階段的持續(xù)時間進行必要的控制。燃氣輪機的汽缸壁較厚,轉(zhuǎn)子尺寸大,需要較長的時間加熱,否則機體的溫度常不均勻,會引起很大的熱應(yīng)力。

另外,在第一階段中,要在起動機帶動機組轉(zhuǎn)子達到的最高轉(zhuǎn)速下運行2或12分鐘,以吹走燃氣通道中可能存在的氣體燃料,避免點火時發(fā)生爆燃,這稱為“清吹”,是燃氣輪機起動點火前不可缺少的程序。

2啟動過程的程序控制

燃氣輪機起動過程是在程序控制和起動控制系統(tǒng)共同作用下完成的。程序控制系統(tǒng)的控制要點是:通過操作接口指令下達起動命令后,程控系統(tǒng)(及有關(guān)保護系統(tǒng))檢查準(zhǔn)備起動允許條件、遮斷閉鎖的復(fù)位、開動輔助設(shè)備(如液壓油泵、燃料供給等),根據(jù)程序去開關(guān)相應(yīng)的閥、馬達、使起動機把燃氣輪機帶到點火轉(zhuǎn)速、繼而點火、再判斷點火成功與否。隨后進行暖機、關(guān)閉起動機等一系列動作,直到燃氣輪機達到運行轉(zhuǎn)速才完成起動程序。而起動控制僅控制從點火開始直到起動程序完成這一過程中燃料量。

起動程序控制也就是燃氣輪機整個起動過程的順序邏輯控制。從起動機88CR帶動燃機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動、燃機點火、轉(zhuǎn)子加速直至達到額定轉(zhuǎn)速。起動程序安全地控制燃機從零轉(zhuǎn)速加速到額定運行轉(zhuǎn)速,在這個過程中要求燃機熱通道部件的低周疲勞為最小,既保證較迅速的起動又不能產(chǎn)生太大的熱應(yīng)力。起動程序還涉及到一系列輔機、起動機和燃料控制系統(tǒng)的順序控制命令。因為安全、迅速的起動還取決于燃氣輪機各有關(guān)設(shè)備的適時運作,所以程序必須及時的查驗各有關(guān)設(shè)備所處的狀態(tài)。這些程序的順序邏輯不僅與實施控制的設(shè)備有關(guān)還要和保護電路有關(guān)。起動程序發(fā)出的各控制指令首先要依賴于現(xiàn)時燃機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度。當(dāng)轉(zhuǎn)速達到一系列關(guān)鍵值時將發(fā)出一系列控制指令使相應(yīng)電磁閥和泵動作。啟動控制程序流程圖如圖1所示。

3結(jié)語

本文對蘇里格燃氣電廠的燃氣機組啟動控制進行了研究。啟動過程分三個階段進行,而且啟動控制功能由三冗余的微機控制器組成,三個控制器輸出的邏輯控制命令經(jīng)2/3表決后執(zhí)行,提高了整個啟動控制的可靠性,最后給出了簡要的啟動控制程序流程圖

參考文獻

[1] 高頂云,周大漢．微型燃氣輪機在熱電聯(lián)供系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．深圳:中國城市燃氣論壇,2008:203～210．

[2] 凌曉波,劉蓓,李穎,等．上海電網(wǎng)燃氣輪機調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真研究[J]．華東電力,2009(37):1126～1128．