V94.3A燃氣輪機控制策略分析

曹 越,章偉杰,楊景祺

(上海發電設備成套設計研究院,上海200240)

V94.3A燃氣輪機控制策略分析

曹 越,章偉杰,楊景祺

(上海發電設備成套設計研究院,上海200240)

介紹了西門子V94.3A燃氣輪機調節控制系統的劃分,依此對其控制邏輯進行分析,并以主控制系統與IGV控制系統協調作用得出用于燃燒的燃料空氣比,燃料控制系統用于切換燃燒室的燃燒方式,從而實現不同運行階段的控制。

燃氣輪機；控制系統

隨著經濟的高速發展,具有低污染的燃氣輪機(簡稱燃機)發電技術與高效率的燃氣-蒸汽聯合循環技術受到重視。V94.3 A型燃機的控制系統根據功能可以分為調節控制系統、順序控制系統、保護系統和電源系統［1］。筆者主要對用于調節作用的調節控制系統,包括主控制系統、IGV控制系統和燃料控制系統做研究分析。

1 主控制系統分析

主控制系統是燃機控制系統的核心,承擔著燃機從點火到穩定運行階段的控制任務,其使用最小值選擇邏輯來實現燃料量的單變量控制(見圖1)。當起步升速控制器(HLG)被選擇時,可以通過控制燃料量使機組轉速按一定的啟動曲線上升；當轉速負荷控制器(NPR)被選擇時,通過轉速或負荷的反饋控制作用可以使機組維持在并網轉速或帶額定負荷；當排氣溫度控制器被選擇時,保證機組在穩定運行時透平溫度不超過允許值；負荷限制、壓氣機壓比限制、冷卻空氣限制則作為該控制系統的約束條件,來保證機組可以安全運行。

圖1 燃氣輪機主控制系統示意圖

1.1 起步升速控制系統

起步升速控制系統不是在燃機啟動后就直接啟動。燃機的啟動是依靠啟動變頻器(SFC)來實現的,在SFC的拖動下,當透平發出的功率可以滿足燃機系統耗功時,SFC退出,燃機進入獨自運行狀態［2］。此時起步升速系統的信號被最小值選擇器所選擇,控制燃機轉速按一定的升速曲線上升,直到接近額定轉速時,轉速負荷控制系統被最小值選擇邏輯選擇,起步升速控制系統退出作用。控制邏輯示意圖見圖2。

圖2 起步升速控制系統示意圖

起步升速系統由HLG、TRIPG和NT模塊組成。在NT模塊中,實際轉速測量值經過信號處理和三選一邏輯后輸出NT。HLG模塊中設置了啟動不同階段與不同條件下的轉速上升梯度,當HLG工作時,通過YS的值來控制燃燒速率。在HLG中設置最小值模塊是為了調節燃料供應,避免與實際轉速不合適的過大燃料量。當發生跳機時,TRIPG模塊給出跳機信號,此時HLG則根據最小燃燒負荷確定出相應的控制信號。在并網轉速附近,當轉速負荷控制系統被最小值選擇器選擇時,將YHLG置為120%,從而退出控制。

1.2 轉速/負荷控制系統

燃機的轉速/負荷控制系統產生轉速或負荷控制信號用于燃料量的控制,NPR為雙變量控制器。當發電機和主回路斷路器斷開時,該控制器為轉速控制器；同期并網以后,它變為負荷控制器。

V94.3A燃機的轉速負荷控制系統由NT模塊、轉速設定NS模塊、負荷設定PS模塊、實際負荷測量PEL模塊、甩負荷判斷LAW模塊和NPR組成,見圖3。

圖3 轉速/負荷控制系統示意圖

在NT模塊中,6個轉速測量信號經過濾波和選擇之后輸出NT給NPR。NSV作為NPR的輸入,NS在不同的運行階段具有不同的值。PSV在發電機和主回路斷路器閉合時,作為NPR的輸入。實際負荷的兩個測量信號經過幅值轉換和最大值選擇之后得出PEL,進入NPR進行調節作用。在LAW中給出甩負荷指令。以上信號與GSE/LSE共同輸入NPR,經過NPR中具有PI功能的控制器以及前饋作用后得出YNPR,進入最小值選擇器參與燃機調節。

1.3 排氣溫度控制系統

排氣溫度控制系統作用在燃機帶負荷運行階段,通過調節燃料量將燃氣初溫保持在允許的范圍內。V94.3A燃機的透平入口溫度會達到1 300℃以上,并且溫度場分布不均勻,難以直接測量,所以采用燃機的排氣溫度為測量對象。

燃機排氣溫度控制系統主要由排氣溫度設定TS模塊、燃機排氣溫度修正邏輯ATK和排氣溫度修正控制器ATKR組成,見圖4。

圖4 排氣溫度控制系統示意圖

排氣溫度控制系統的核心為經過處理的溫度測量信號ATK與不同運行階段的溫度設定值TS進行比較,將差值作為排氣溫度PI控制器的輸入,從而得出不同時刻的控制量。在ATK模塊中,TA經過信號處理后進行平均值計算得出AT。使用TV和NT對AT進行修正,再與ATK24計算后得出用于控制作用的ATK。

1.4 負荷限制控制系統

負荷限制控制系統用于在運行期間防止燃機超過允許的最大負荷值。當燃機的負荷超過允許的最大負荷值時,燃機中工質的溫度、流量會超出額定值,燃氣溫度的上升對透平入口葉片的安全構成了威脅。負荷超出允許值可能會出現在如下幾種情況中：負荷設定值很高,外界溫度下降,注水方式運行［3］。

負荷限制控制系統包括燃機功率計算模塊PGT和負荷限制控制器PGR。控制原理見圖5。

圖5 負荷限制控制系統示意圖

ATK、PV2MAX和TV輸入該模塊經過計算后,得出該條件下的燃機的PGT1。如果目前運行大于計算的最大出力,應減小燃機的實際負荷指令。汽輪機離合器閉合信號KUPE在該模塊中控制燃機功率在測量值與計算值之間進行切換。當KUPE=0時,PGT=PEL；當KUPE= 1時,PGT=PGT1。PGR使用PI控制器,PGT與PGR的設定值的偏差作為控制器的輸入,得出限制負荷的控制量,用于限制機組的功率。

1.5 壓氣機壓比限制控制系統

壓氣機壓比限制控制系統使用壓氣機壓比限制器VPVR把壓氣機的壓比限制在允許范圍內。壓氣機壓比限制器也具有比例積分PI形式,見圖6。

圖6 壓氣機壓比限制系統示意圖

TV和NT通過計算得到NSTERN；HVL經過計算得出LSV；NSTERN和LSV經過分段線性函數關系得出PIVMAX。PV2MAX除以壓氣機進口壓力PVI得到當前的PIV。PIV信號有兩個作用：一是輸出至冷卻空氣限制器KLGR參與調節作用；二是與PIVMAX作差,得出XDPIV。XDPIV分別作用于PI控制器和參與IGV控制,當偏差信號以較慢的速度接近喘振極限時,通過改變IGV角度進行調節；當以較快的速度接近喘振極限時,燃料量作為IGV調節的前饋控制信號,通過減小燃料量來降低壓氣機出口壓力。XDPIV信號經過計算得出XDVPVR作為PI控制器的輸入,PI控制器輸出經過0～106%的限制得到YVPVR輸入最小值選擇器。XDPIV信號還經過比例運算得到XDVP,作用于IGV控制。

1.6 冷卻空氣限制控制系統

在冷卻空氣限制控制系統中,冷卻空氣限制器KLGR的作用是使機組不進入透平葉片冷卻空氣供應不足的運行狀態。

冷卻空氣限制器具有比例積分PI結構,見圖7。

圖7 冷卻空氣限制控制系統示意圖

NSTERN和LSV經計算后得出PIVMXL,它與VPVR模塊中得到的PIV的偏差作為PI控制器的輸入值,經過PI和0～106%限制作用后得到YKLGR輸入最小值選擇器。偏差取負值后作為XDKL進入LTR模塊,參與IGV角度的控制。當IGV沒有全開時,通過KLGR對導葉的作用信號來增大空氣質量流量以保證冷卻；當IGV全開時,則通過最小值選擇器減小燃料供給量來減小透平葉片的熱負荷,從而改善冷卻。

1.7 最小值選擇門

最小值選擇門的邏輯示意圖見圖8。

圖8 最小值選擇門邏輯示意圖

中央最小值選擇邏輯從YNPR、YHLG、YPG、YATK、YVPVR、YKLGR和105%中選擇最低的信號值作為輸出,當相應的信號被選中時,在相對應的位輸出信號1表示該控制器動作。YMIN減去來自燃料控制系統的JEGMIM和JPG后,得出JVAR,它作為燃機控制系統的控制變量來控制燃料量的變化,從而達到控制燃機機組的目的。YMIN同時輸入進口導葉溫度控制器LTR,作為前饋控制信號來參與IGV控制。

2 IGV控制系統分析

壓氣機進口可轉導葉IGV控制系統通過IGV葉片轉角的變化限制進入壓氣機的空氣流量,用于啟動和停機過程中防止喘振,以及維持排氣溫度在燃機運行的需求值,從而確保透平進口溫度不超溫。在聯合循環機組中,為了保證整個聯合循環的高效率,可以調整IGV的角度,使得燃機工作在非額定負荷工況,以降低壓氣機入口流量來維持高的燃機排氣溫度,從而匹配余熱鍋爐的設計工況。

V94.3A型燃機的IGV控制系統由LTR和進口導葉位置控制模塊LSRS組成,見圖9。

圖9 IGV控制系統示意圖

在LTR中,GLT計算得出GLTDVL,作為IGV控制的排氣溫度設定值。選擇XDVP和XDKL中的較大值,經過帶有0～10%限幅的積分模塊,得到DWLTR。LTR采用比例積分PI結構,輸入偏差信號為ATK、GLTDVL和DWLTR的差值,經過控制器的作用將溫度偏差信號轉化為壓氣機質量流量信號。為了避免動態負荷變化時的顯著溫度控制偏差,在進口導葉溫度控制中加入了前饋控制環節,JGES(即YMIN的輸出)經過分段線性函數計算得出相對應的壓氣機質量流量前饋控制信號,它與PI控制器的輸出的壓氣機質量流量相加,得到相應輸入情況下的壓氣機質量流量。最后通過LTR中分段線性函數的計算得出一定壓氣機質量流量下的YLTR,作為壓氣機LSRS的設定值。

LSRS用于控制導葉的位置。LTR的輸出YLTR與測量得到的HVL的偏差為XD,經過增益為20的比例作用和-100%～100%的限幅環節后輸出YLSRS,用于帶動伺服馬達來給IGV定位。

3 燃料控制系統分析

控制燃機的運行參數就是控制燃燒室的燃燒情況,V94.3A機組采用環形燃燒室,燃料流量通過先導氣閥門、擴散燃燒閥門和預混燃燒閥門來控制［4］。燃料流量控制中,先導氣流量為根據所測系統狀態確定的一個流量值；分別用于擴散燃燒和預混燃燒的燃料流量由天然氣分配器根據主控制系統輸出的總燃料可變用量來確定。

在燃料系統中,先導氣閥門、擴散燃燒閥門和預混燃燒閥門的控制系統都是由閥門升程計算模塊、閥門升程控制模塊以及伺服和執行機構組成的。在升程計算模塊中,通過流量與閥門位置的函數關系來得出升程控制器的控制信號。閥門升程控制器是比例控制器,輸入為閥位設定值與閥位反饋值之差,輸出為閥門控制信號。經過伺服之后,控制信號作用于積分形式的執行機構,實現燃料閥門的無差控制。天然氣分配器內部有一個順序邏輯,隨著條件的改變,輸出用于燃機啟動不同階段的預混燃燒和擴散燃燒的比例。

4 結語

西門子V94.3A燃機的調節控制系統通過調節燃料量和空氣量的配比,完成燃機機組的控制。主控制系統通過最小值選擇邏輯給出燃料值,保證機組的輸出功率,不同運行階段最小值選擇器會選擇不同的控制信號作為其輸出。燃料控制系統使用主控制系統給出的燃料量,計算出先導氣燃燒、擴散燃燒和預混燃燒的配比來組織燃燒室的燃燒。

［1］中國華電集團公司.大型燃氣-蒸汽聯合循環發電技術叢書：控制系統分冊［M］.北京：中國電力出版社,2009.

［2］姚秀平.燃氣輪機與聯合循環［M］.北京：中國電力出版社,2010.

［3］黃瑜,崔紅星.西門子V94.3A燃氣輪機控制器作用機理及結構特點［J］.河南電力,2007(1)：62-64.

［4］王鑫.V94.3A型燃氣輪機燃燒控制分析［J］.發電設備, 2010,24(6)：453-456.

Study on Control Strategies of V94.3A Gas Turbine

Cao Yue,Zhang Weijie,Yang Jingqi
(Shanghai Power Equipment Research Institute,Shanghai 200240,China)

An introduction is being presented to the control system classification of Siemens V94.3A gas turbine,according to which an analysis was carried out to the control logic.The master control system cooperates with the IGV control system to determine the ratio of fuel and air,and the fuel control system can switch the combustion method.Above control systems help to realize control over different operation stages.

gas turbine；control system

TP273

A

1671-086X(2015)03-0176-04

2014-08-14

曹 越(1989-),男,在讀碩士研究生,研究方向為電站主、輔機控制。

E-mail：caoyue174@163.com