SGT-100燃氣輪機控制系統國產化升級改造

張　龍，李衛團，熊永功中海油湛江分公司生產部，廣東湛江　524057

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SGT-100燃氣輪機控制系統國產化升級改造

張龍，李衛團，熊永功
中海油湛江分公司生產部，廣東湛江524057

摘要利用國內燃氣輪機控制技術改造SIEMENS公司成撬供貨SGT-100機型燃機控制系統，擺脫國外技術壟斷，提高國產化技術水平，大幅降低維護運行成本。

關鍵詞國產化；燃機；燃料閥

中海油潿洲島終端處理廠有4臺西門子SGT-100燃氣輪發電機組。該燃機采用西門子“STAR燃料控制系統”一旦控制系統出現問題，需要停止該機組運行并直接和廠家聯系，等待廠家解決問題，造成機組運行維護成本昂貴，且故障排查的反應速度無法滿足現場生產要求。近年國內燃氣輪發電機組控制技術已日趨成熟，為終端處理廠燃機控制系統國產化升級改造提供技術保障。

1　STAR燃料控制系統

STAR燃料控制及驅動制動器電子裝置（FDAE）系統用于透平的精確模擬量控制，系統包括燃料控制器（ECU）和模擬定位器裝置（APU）。

ECU微處理器是摩托羅拉公司的68332裝置，運行頻率為12MHz，帶有閃存隨機存儲器，提供一個串行通信口RS232，9600波特率，用來調整參數、標定信號和更新程序，處理器設置有校準參數和制動器閉環定位算法。如應用程序具有用于特定氣體燃料、液體燃料算法以及VGV定位算法。軟件在ALSTOM公司出廠前進行了預先配置設定，用于匹配客戶的特定應用，由于該軟件是用一種高級編程語言書寫的，因此不可以在現場調整。

ECU的PWM驅動電路用于把位置給定值輸送到APU卡上，APU卡直接輸出閥門開度。模擬定位器（APU）只是一個模擬定位裝置，不包含軟件參數。主要有3個作用：一是用于校準制動器的反饋；二是用于校準來自ECU的PWM指令信號；三是增益調整器，可以調整比例增益。

啟動時，ECU中提前設置好固定的點火燃料量和兩級燃料爬升率，啟動過程中根據此設定開環爬升。根據不同工況和燃料組分變化，在停機狀態下，可以通過專用的通訊軟件或超級終端命令行的方式對內部參數進行調整，由工程人員校對IGV開度、閥門零點滿度、啟動運行相關的燃料參數。運行中，燃機轉速和功率測量信號通過進入控制室的PLC后，再通過DeviceNet總線傳送到燃機箱體的ECU中，在ECU中做轉速或功率閉環控制，ECU自閉環調節器根據轉速或功率需求的熱量，按照每種燃料的熱值來計算通過每個閥門所需燃料流量。再將燃料流量輸入到氣體燃料和液體燃料的標準截流算法中計算。

2　國產化改造方案

2.1系統工藝改造

2.1.1燃氣系統改造

燃氣系統改造中拆卸原有的ECU、APU、步進電機、閥門等及其附件設備，替換為WoodWard·GS系列調節閥。GS系列為一體化智能燃料調節閥，閥門不需要清洗和校驗，可適應高達200°F的環境溫度。閥門直接接收4mA～20mA控制信號，反饋4mA～20mA位置信號，狀態反饋，急停復位，使用24VDC直流電源作為動力電源。

燃油系統改造中拆卸原有的ECU、APU、步進電機、閥門等及其附件設備，替代為WoodWard·LQ系列調節閥。LQ系列為一體化智能燃料調節閥，閥門不需要清洗和校驗。閥門直接接收4mA～20mA控制信號，反饋4mA～20mA位置信號，狀態反饋，急停復位，使用24VDC直流電源作為動力電源。

VGV的伺服控制及位置反饋的改造。原ATOS伺服閥替換成MOOG伺服閥，VGV執行機構不變，新設計液壓回路轉接模塊控制原來的執行機構，并且保證原有功能不變。MOOG伺服閥是一種接受模擬電信號后，相應輸出調節的流量和壓力的液壓控制閥，具有動態響應快、控制精度高、使用壽命長等優點。VGV位置反饋改造是將原來的滑性變阻測量方式改為現在LVDT測量方式，相對于滑性變阻，LVDT有以下優勢：1）無摩擦測量；2）無限的機械壽命；3）無限的分辨率；4）零位可重復性；5）環境適應性。

2.2控制系統優化

2.2.1順序控制算法

采用流程步進模式控制邏輯，將一個復雜的系統分成若干獨立的步序模式。這些模式涵蓋燃機發電機組的所有狀態，每個設備的控制都通過模式來表述。對于一個獨立的設備只需要分析：有哪些條件進入該模式；進入該需要做些什么；以及該模式可能會跳轉到哪些模式。

2.2.2溫度控制算法

在原系統中對于溫度沒有閉環控制，只有跳機保護。尤其在燃機啟動過程中，由于采用了燃料的開環爬坡，在壓氣機進氣溫度、燃料熱值等工況不同時，會造成燃機升速超扭矩、溫度迅速升溫、熱懸掛等不利工況。燃機的排氣TOP溫度最大值為540℃的機組，在啟動過程中溫度有時上升到590℃以上。為了避免上述問題，我們在機組中加入TOP溫度限制閉環控制，排氣溫度上升到溫控限時，開始由溫度閉環控制燃料，保證機組不會出現超溫的狀況。排氣溫度控制的引入，使得機組在聯合循環工況下調節排氣溫度以便于提高聯合循環效率成為可能。

2.2.3啟動燃料控制

原機組控制程序的點火燃料量為固定值，然而在不同的進氣溫度的情況下，進入燃燒室的空氣量不同，這也就造成的空燃比不同，從而會出現在不同工況下點火成功率不同。在新系統中對點火燃料需求功率加入了進氣溫度的修正。CQTC=SQRT（288/CTIM）。修正后會根據壓氣機進氣溫度的不同來改變點火燃料的功率需求量。有效的提高了點火成功率。在原系統中對點火成功后，在此燃料基礎上進行爬坡。通常點火需要的燃料量多余實際需求功率的燃料量，因此會造成迅速升溫，或點火失敗的情況。因此，在點火后加速了點火成功后的燃料向下階躍，然后進入閉環控制，而不是開環控制，此算法有效的改善了點火成功率。尤其在液體燃料下，有連續3天點火失敗的情況，算法修正后，多次實驗的結果是，點火成功率100%。且點火燃料量由原來的2300kW，改為了1 800kW，依然是點火成功率100%。

2.2.4加速度控制算法

對于開環爬坡的方式啟動燃機，存在著眾多的缺陷。因此引入加速度閉環控制，而不是原來的開環燃料爬升單獨控制，在進入閉環之后不再需要進行燃料功率開度的換算，也就是不再需要調節閥前后的溫度、壓力測量點，在很大程度上避免了控制失誤概率。同時，加速度表征的是燃機機械應力，加速度閉環控制保證了在啟動過程中不會出現因為工況不同燃料超量帶來的機組超應力啟動。同時加速度控制自動修正燃料流量，也保證了啟動的成功率，有效的降低了啟動溫度。在原系統中啟動機組溫度在590℃以上，改造后的系統啟動溫度一直保持在560℃以下。

2.2.5燃料控制算法

燃料控制算法由原來單一的控制算法改為多種控制算法的最優化選擇，更適應于不同的工況，對甩負荷等超速超溫抑制更優。在電網出口斷路器跳閘時，多機組超頻的情況下，有效的抑制了機組超頻。四臺機組中，未進行改造的機組均超頻到55Hz以上，而改造后的機組超頻在50.35Hz以下。主燃料控制包括：1）停機燃料控制；2）功率控制和最大功率限制；3）排氣溫度控制；4）啟動開環燃料量限制；5）加速度控制；6）轉速控制；7）壓比CRP控制；8）最小燃料和最大燃料限制。加速度控制算法的引入，有效的控制了在運行過程中，由于電網甩負荷造成的機組超頻。

2.2.6IGV控制

加入環境溫度修正，根據原機組容易喘振和機組損害的履歷，對IGV的控制算法進行了修正。在老的IGV控制閉環中，完全根據轉速來計算IGV的開度，函數關系為：IGV開度=f（燃機轉速）；這種單一的計算方式忽略了進入溫度對壓氣機進氣量的影響，從而在溫度較高時容易發生喘振和熱懸掛。新的IGV控制算法更正為：IGV開度=f（燃機轉速，進入溫度）更加合理。

2.2.7雙燃料切換控制算法的優化

在燃料的切換過程中不是簡單的根據總功率計算氣體燃料和液體燃料的閥門開度，加入了閥門線性化的算法，有效的減小了切換過程中閥門的大幅度波動和功率的大幅度波動。在小于10s的快速切換過程中，實際功率波動小于250kW，轉換平穩。

3　燃機控制系統國產化改造的意義

通過該國產化改造，大大降低了透平發電機組的操作運行維護成本。采用硬件部分為當今業界最高水平，軟件部分具有自主知識產權，非標產品越來越少；改造解決了燃油啟動成功率低、ECU通訊故障、備件停產老化等一系列老大難問題，系統功能全面超越原系統水平。

更為重要的是打破了SIEMENS廠家對應用程序文件和相關驅動程序的技術封鎖和限制，大大提升了軟件的開放程度，為國內其他進口燃機的國產化改造提供了良好借鑒。

參考文獻

［1］閻維平.ASME·PTC22-2005燃氣輪機性能試驗規程［M］.北京：中國電力出版社，2012，12.

中圖分類號TE9

文獻標識碼A

文章編號1674-6708（2016）165-0197-02

作者簡介：張龍，中海油湛江分公司生產部。李衛團，中海油湛江分公司生產部。熊永功，中海油湛江分公司生產部。