燃氣—蒸汽聯合循環發電機組控制系統分析與調試

王真，祝寶營

（華電電力科學研究院山東分院，濟南250014）

燃氣—蒸汽聯合循環發電機組控制系統分析與調試

王真，祝寶營

（華電電力科學研究院山東分院，濟南250014）

以某電廠M701F型燃氣—蒸汽聯合循環發電機組為例，介紹采用三菱重工DiasysNetmation和國電南自美卓maxDNA控制系統實現機組整套聯合循環的控制，詳細分析了燃機控制系統的五種主要控制方式：自動負荷控制、轉速控制、溫度控制、進口導葉控制和燃料最小選擇限制控制。結合調試過程中遇到的問題，如汽包水位調節，進行相關分析并給出可行的解決方法。

燃氣輪機；控制系統；調試

0 引言

M701F燃機采用三菱重工的DiasysNetmation控制系統，由燃機控制系統TCS（Turbine Control System）、燃機保護系統TPS（Turbine Protection System）和高級燃燒壓力波動監視系統ACPFM（Advanced Combustion Pressure Fluctuation Monitor）組成。燃機／汽輪機監視系統（TSI）采用東方汽輪機有限公司配供的BENTLY-3500系統。余熱鍋爐及輔助設備控制系統（DCS）采用南京國電南自美卓控制系統maxDNA。

DiasysNetmation由多功能過程站（MPS）、操作員站（OPS）、工程師站（EMS）和歷史數據站（ACS）構成。MPS具有運算處理、保存短期數據（1 h數據）、性能計算、標記報警事件和通過ControlNet與現場總線相連等功能。OPS具有圖形顯示、設備操作輸入和改變邏輯參數等改變部分設定的處理等功能，它不保存設備處理數據，每當需要時向MPS或ACS調用相關數據（MHI卡通信）。EMS具有修改邏輯組態、畫面組態、文檔組態和操作面板組態等功能。ACS具有管理長期數據（標準為31 d數據）和向Excel輸出數據等功能。

為了提高控制系統的可靠性，MPS具有自診斷功能，并采用雙重系統冗余化結構設計。MPS的CPU卡以設備控制系統持續運行為優先，進行了可靠的自我診斷功能設計。CPU采用冗余化設計，一套系統進行控制，另一套處于待機狀態。待機系統按照一定的周期對正運行系統的必要數據進行跟蹤，以便保持與控制系統擁有相同的運算結果，隨時為系統切換做好準備。CPU對系統之間進行監視，當控制系統發生異常情況時，待機系統能夠立即檢測出異常情況，并無沖擊地從待機狀態切換到控制狀態。CPU通過系統I／O卡來監視對方系統的正常／異常情況。

1 TCS系統主要功能

燃機控制系統（TCS）主要有負荷自動調節（ALR）、轉速控制、溫度控制、燃料限制控制、進口導葉控制、燃料分配控制、燃料壓力控制和燃燒室旁路閥控制等功能。

1.1 自動負荷調節

自動負荷調節（ALR）在帶負荷運行工況下受AGC控制。自動負荷控制在帶負荷工況下若選擇ALR ON模式，則負荷基準信號（LDREF）自動根據ALR指令信號改變；若選擇ALR OFF模式，則負荷基準信號可由運行人員手動輸入。負荷控制回路通過比較負荷基準信號和實際負荷值，經PID運算后輸出負荷控制信號（LDCSO）。

1.2 轉速控制

速度控制用于發電機同期調節和發電機并網前空載的轉速控制。轉速基準信號可通過手動增減轉速或通過同期裝置來調整。在帶負荷工況下，若選擇ALR ON運行模式且選擇調速器控制模式，則速度基準信號（SPREF）將根據ALR負荷設定值而自動改變；若選擇ALR OFF模式，則速度基準信號可由運行人員手動輸入。轉速控制回路通過比較速度基準信號（SPREF）和發電機實際轉速，經PID運算后輸出轉速控制信號（GVCSO）［1］。

1.3 溫度控制

由于燃氣輪機的透平葉輪和葉片均在高溫高速下工作，它們承受著巨大的離心力而且透平葉輪和葉片的材料強度隨著溫度的升高會明顯降低，所以燃機溫度控制尤為重要。M701F燃氣輪機溫度控制包括葉片通道溫度（BPT）控制和排氣溫度（EXT）控制兩類。正常運行時，葉片通道溫度經常在1 400℃左右，無法長期直接測量，因此，一般通過測量燃氣輪機排氣溫度和壓氣機的進出口壓力來推算此溫度，排氣溫度和葉片通道入口溫度的關系為［2］

式中：T2為燃機排氣溫度；T1為燃機葉片通道入口溫度；p2為壓氣機進口壓力；p1為壓氣機出口壓力；n為可變參數。

1.4 進口導葉控制

在啟動期間，高壓釋放壓力超過特定的允許值會在軸流式壓縮機中產生“喘振”的異常工況，此時壓縮機要承受不穩定氣流所引起的出口壓力劇烈波動。為了防止喘振，啟動時的進口氣流速率可通過控制進口可調導葉（IGV）角度加以調節。IGV控制可以使燃氣輪機處于部分負荷運行時獲得較高的聯合循環效率。在帶負荷運行時，IGV受兩部分控制，壓氣機進氣溫度和燃機負荷作為前饋控制，而燃機排氣溫度進行閉環反饋控制。

1.5 燃料最小選擇限制控制

燃料最小選擇限制控制由一個小選門和一個大選門構成，如圖1所示。

圖1 燃料最小選擇限制控制

小選門：從多個功能控制器輸出（GVCSO、LDCSO、BPCSO、EXCSO和FLCSO）中選擇最小的作為燃料控制信號輸出（CSO）。啟動開始時，選擇FLCSO，升速至2 880 r／min時，選擇GVCSO，并網后若選擇LOAD LIMIT方式則選擇LDCSO，當進入溫度控制方式時，選擇BPCSO或EXCSO。并網后，除FLCSO為100%外，其他信號均跟蹤當前的CSO并加上一個偏置，是通過動態改變PID高限值來實現的。

大選門：點火之前（MD0），CSO為-5%；點火時（FIRE），維持燃料流量以取得可靠點燃；在加速（WUP）期間，維持燃料流量，防止火焰熄火，并足以加速達到額定轉速；加速后（MIN）快達到額定速度時，維持最低的燃料流量以防止轉換操作期間燃燒中斷。高選門的作用是防止CSO過分降低，而導致在工況變化過程期間熄火［3］。

2 燃機調試中遇到的問題及分析

該機組的高壓汽包、中壓汽包和低壓汽包水位均采用單沖量／三沖量控制，控制系統原理如圖2所示，以高壓汽包為例介紹。

高壓汽包水位測量采用單室平衡容器，單沖量／三沖量的切換由高壓主蒸汽流量和高壓給水流量大小決定，且利用滯回比較器的工作原理，防止單沖量和三沖量控制頻繁切換。當高壓主蒸汽流量大于80 t／h且高壓給水流量大于100 t／h時，切換至三沖量控制；當高壓主蒸汽流量連續30 s小于62.5 t／h，或高壓給水流量連續30 s小于90 t／h時，切換至單沖量控制。南自美卓maxDNA DCS控制系統中邏輯組態如圖3所示。

圖3中主PID控制器調節汽包水位，副PID控制器調節給水流量，高壓主蒸汽流量作為前饋作用在主PID控制器中。主控、副控均采用比例積分調節。為了縮短響應時間，減少超調，主PID控制器采用變比例增益控制［4］。

圖2 高壓汽包水位的控制系統原理

圖3 高壓汽包水位DCS控制邏輯

在調試過程中遇到的問題。在高壓給水流量和高壓主給水氣動調節閥閥位均跟蹤良好的情況下，汽包水位在設定值附近上下劇烈波動。首先調節主控的比例增益，發現比例增益不管增大或減小，汽包水位曲線無明顯改善。檢查邏輯組態，發現高壓汽包水位測量值（PVCtl）的輸入僅對三個汽包水位測點取平均值，未加入Lag濾波模塊。加入Lag濾波模塊后，汽包水位曲線得到明顯改善。正常情況下，汽包水位三沖量副控的設定值（RSPCtl）變化趨勢應與高壓汽包水位濾波后曲線變化相反，但在調節PID參數過程中，發現汽包水位偏差大于40mm后，三沖量副控的設定值一直維持在280，即主PID控制器不再起作用。檢查邏輯組態后發現，主PID控制器的輸出（OutCtl）最大值被限制為280，不符合實際情況。此極限值僅考慮了高壓給水泵的最大給水流量，而實際高壓給水流量為高壓給水泵流量和TCA泵流量之和，修改主控的輸出（OutCtl）極限值后發現其曲線變化趨勢符合實際要求，汽包水位得到有效控制［5-6］。

圖4 高壓汽包水位50 mm階躍擾動曲線

圖5 高壓汽包水位穩態曲線

PID參數整定后，給汽包水位設定值一個50 mm的階躍擾動，如圖4所示，經過64 s，高壓汽包水位在設定值±25 mm范圍內波動。穩態時高壓汽包水位在設定值±10 mm范圍內波動，如圖5所示，滿足DL／T 774—2004《火力發電廠熱工自動化系統檢修運行維護規程》的要求。

3 結語

通過對M701F型燃氣輪機組主控制系統的分析，為后續進一步深入研究奠定了一定的理論基礎。該機組自投運以來，控制系統運行穩定，設備動作可靠，已投入的自動調節系統性能指標良好。

［1］席亞賓，李洪濤，馬永光.M701F型燃氣輪機控制系統分析［J］.燃氣輪機技術，2009，22（3）：21-24.

［2］黃建偉.三菱M701F型燃氣輪機控制系統分析［J］.工業儀表與自動化裝置，2006（5）：64-70.

［3］毛丹，諸粵珊.三菱M701F燃氣輪機控制系統簡析［J］.湖南工業大學學報，2008，22（6）：76-79.

［4］Kim H，Choi S.A model on water level dynamics in natural circulation drum-type boilers［J］.International Communications in Heat and Mass Transfer，2005，32：786-796.

［5］朱國雷，曹陽.燃氣-蒸汽聯合循環機組汽包水位控制優化［J］，電力建設，2011，32（6）：85-89.

［6］周佳，曹小玲，劉永文.鍋爐汽包水位控制策略的現狀分析［J］，鍋爐技術，2005，36（3）：5-10.

Control System Analysis and Debugging of the Gas-steam Combined Cycle Unit

WANG Zhen，ZHU Baoying
（Shandong Branch of Huadian Electric Power Research Institute，Jinan 250014，China）

Taking a M701F Gas-Steam combined cycle unit as an example，the whole control system composed of Mitsubishi DiasysNetmation system and Metso maxDNA system was introduced.Five main turbine control modes，namely，automatic load regulation，speed control，temperature control，inlet guide vane control and minimum fuel control were also detailed analyzed.Combined with problems encountered in debugging，such as drum level regulation，feasible solutions were offered in this paper.

gas turbine；control system；debugging

TM611.31

B

1007－9904（2016）11－0066－04

2016-08-08

王真（1978），女，工程師，主要研究領域為電廠、化工的DCS控制及優化。