M701F3型燃機升速動力不足過程分析和應對

李錦峰

摘 要：該文介紹了M701F3型燃氣輪機機組的燃料供應系統及燃機啟動過程，以及在啟動過程中主要面臨的可靠性問題。并結合現實遇到的案例，介紹分析了M701F3型燃氣輪機啟動階段遇到升速動力不足問題時，從單體設備到系統，直至主控邏輯的檢查全流程，以及相應的應對方案選擇。該文對相同類型機組啟動升速階段升速動力不足問題分析有較好的參考意義。

關鍵詞：燃氣輪機 啟動 升速力不足

中圖分類號：TK14 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）04（a）-0046-03

1 機組概述

某電廠發電設備為M701F3型燃氣蒸汽聯合循環機組，由日本三菱重工/中國東方汽輪機廠聯合制造。該類型的大型聯合循環的燃氣輪機機組的控制系統及設備都由主機機組的供應廠家提供。由于燃氣輪機本體工藝結構復雜，設備集成性高，因此與之對應的燃機本體控制邏輯也高度的集成化，其集成化表現為：邏輯設計統一且大量黑箱化、控制方式部分開環、經驗性參數大量使用。因此，設備使用方基本不會對燃機本體邏輯進行優化。該文將介紹一次針對燃氣輪機主控邏輯的修改實例。

2 M701F型機組燃料控制系統和啟動過程

2.1 燃料的供應和分配

M701F3型燃氣輪機機組以天然氣作為燃料。組成燃料控制系統的閥門共有5個，分別是主燃料壓力控制閥-A、主燃料壓力控制閥-B、主燃料流量控制閥、值班燃料壓力控制閥、值班燃料流量控制閥。

壓力控制閥調節流量控制閥前后壓差，使其穩定在0.39 MPa，流量控制閥根據控制目標的不同調節開度以滿足燃料的供應需求。

其燃料全程分配情況大致如圖1所示。

從圖1中可以看出，當轉速達到3 000 rpm之前，值班燃料的燃燒提供了大量的轉動力矩。

燃氣控制的五個閥門均為油動伺服閥，每個伺服閥由兩塊伺服模塊冗余控制。每個閥門控制環節從DCS發出的閥門需求指令開始至執行機構形成延時積分環節。每個控制回路各有一個獨立的LVDT反饋裝置。即每個閥門都由兩個相互冗余的全套控制環節進行閥門定位。正常調試時閥門指令與反饋誤差不超過1%。

2.2 單軸燃氣輪機升速可靠性問題

M701F型燃氣輪機的啟動過程大概分為三個階段：在第一階段中燃氣輪機依靠啟動機SFC提供的轉矩Mst把機組從靜止狀態加速到點火轉速nig。這個階段稱為機組的“冷加速階段”；第二階段，點火成功后隨著透平的前溫T3*顯著升高，燃機透平開始發出轉矩Mt且以較快轉矩增長率增升。這一階段稱為“熱加速階段”。在第二階段中，機組依靠啟動機和透平共同提供轉矩開克服阻力矩（Mc+Mm，即壓氣機阻力和摩擦阻力）并有一定剩余供加速使用。當轉速達到ns時，燃氣透平提供的轉矩Mt剛好等于阻力矩Mc+Mm，此時啟動機可以脫扣了。但是，為了保險起見，起動機總在nb>ns的情況下才脫扣。第三階段，又稱為“繼續熱加速階段”，這個階段內機組完全依靠燃氣透平提供的轉矩Mt來克服阻力矩（Mc+Mm）加速的，它是機組的轉速從nb增至n0。整個升速過程中的燃氣輪機本體力矩變化圖如圖2所示。

啟動升速過程中需要注意兩個方面的問題：首先是燃料量的遞增率過低導致的啟動剩余力矩不足，轉子升速過緩，導致啟動失敗。其次是燃料量供應過多或燃料量遞增率過快，機組發生“熱懸掛”。從轉矩變化圖中看，“熱懸掛”最容易發生在機組脫扣階段。如果在第三階段前，燃料增加過快致使T3*比預定的高，那么機組的運行點將趨向于喘振邊界，使壓氣機發生失速現象，壓氣機效率下降。此時起動機脫扣后，剩余轉矩Mex可能突然變為零，轉子會停止升速。這就是熱懸掛現象。繼續快速增加燃料，雖然T3*能進一步增加，但壓氣機效率也會進一步下降，仍然于事無補，最終使啟動失敗。

3 M701F型機組啟動升速階段主控邏輯

3.1 啟動升速邏輯與升速過程的關系

M701F3型機組的啟動邏輯從發出啟動指令開始，經歷了啟動機帶速清吹、降速點火、點火暖機、升速和定速五個階段。這五個階段與升速過程的三大階段有一定的對應關系。前三個階段屬于升速過程的第一階段。當點火后，燃機并沒有馬上進入定速率升速，其次將燃料量穩定在點火燃料量，對燃氣輪機進行暖機。待當前動力矩（Mt+Mst）與阻力矩（Mc+Mm）接近相等后，機組進入升速階段，按照固定升速率需求增加燃料以提升Mt。這一階段屬于升速過程的第二階段。當速率升至2 000 rpm時，發出SFC脫扣指令，進入升速過程第三 階段。轉速升至2 940 rpm時，燃機進入定速階段，按照設定值3 008 rpm進行基于反饋偏差的比例調節。

3.2 啟動升速階段的主控邏輯算法

主控一般指調速系統和燃料控制的邏輯。對于聯合循環機組而言就是燃料和主汽壓力的控制，對于單獨的燃氣輪機而言就是燃料的控制。

M701F燃氣輪機主控信號為CSO（Control Signal Output），綜合考慮點火過程、起動過程、負荷控制、轉速控制和溫度控制等多個過程和需求生成。啟動升速階段的主控信號由點火值、GVCSO、FLCSO三個值相互切換實現。

首先輸出的是點火值，即圖中高選門前的MDO、FIRE、WUP、MIN時序數組。這個時序數組是開環信號，根據經驗直接給定。隨著轉速的升高，FLCSO越來越大超過點火值，從高選門中被選出，進而控制燃料的量。

計算公式為：FLCSO=FLMT+NLMT=FLMT+K（SPREF-SPEED）。一般情況下，SPREF由SPEED信號經過升速率限制（R/LMT）獲得，總是小于或等于SPEED，因此NILMT為負偏差。從計算機控制系統的特點來看，電廠MPS系統常規運算周期為50 mS，因此計算流程如下：給定FLMT并通過NILMT修正為FLCSO，50 mS內將檢測到轉速快速上升。這個快速上升過程將在50 mS后通過R/LMT的限值作用產生信號NILMT，用于限值FLCSO的輸出。邏輯中NILMT前的Limiter限值NILMT信號不能大于0。整個過程類似于FLMT負責輸出大燃料，NILMT負責輕踩剎車。為了確保安全，FLMT的大燃料輸出是受限制的，因此FX_1曲線是個限制曲線，而是與轉速相關的函數。轉速越大變化越平緩，最大值為45%。

隨著轉速的進一步升高，FLCSO越來越大。當轉速接近2 940 rpm時，原本很大的GVCSO從高值越來越接近FLCSO，最終小于FLCSO并接管燃料的控制。GVCSO的計算公式如下：

GVCSO=（SPREF-SPEED）（GV GAIN +NO LOAD CSO）

其中NO LOAD CSO =35.1，GV GAIN=11.975。這兩個參數由機組的額定轉速空轉燃料量和轉速不等率決定，屬于匹配機組本體運行特性的基本參數。GVCSO控制過程屬于比例調節，其控制過程在燃機阻力矩與動力矩平衡時結束。由于壓氣機阻力Mc隨著轉速升高而增大，因此，定速時的轉速可以從一定層面反映阻力矩與動力矩的相互變化情況。

實現這一系列切換過程依賴的是三個值各自獨立的算法。除此之外，機組運行全程受葉片通道溫度調節和排氣溫度調節限制。這兩個限制確保了T3*不會因為燃料增大而過高。

4 升速不足現象的分析及處理

4.1 現象及分析過程

#3機組在一次冷態起機的升速過程中，轉速升至1 800 rpm附近時發出轉速升速率不足自動停機信號，機組自動停機。事后檢查燃機燃料控制系統、燃料供應情況及起動機，均未發現設備故障或異常。因此，需要對燃機本體起動過程進行分析。

首先需要通過對燃機的燃燒情況進行檢查。主要集中在熱通道溫度（BPT）、排氣溫度（EXT）和燃燒室壓力波動三組信號上。檢查發現各燃燒室溫度分布比較均勻，壓力波動正常。其中BPT和EXT平均溫度較過往記錄略低。這個現象可以排除燃燒問題，也可以排除起動過程中對機組危害最大的“熱懸掛”可能性。

當時主控CSO為FLCSO，轉速1 800 rpm前后時的FLCSO接近等于FLMT，裕量與其他機組的情況相差較遠。如果冷態啟動時，由主控提供的燃料將會給到了理論的最大值，但是動力矩依然不足以克服阻力矩并提供足夠加速度。

隨后檢查過往運行記錄，發現這一現象從該年度大修后就長期存在，且自大修后，在起動過程轉入GVCSO控制時定速為2 997 rpm，略低于其他機組的3 006 rpm，且此時該機組CSO為39.5%，遠高于其他機組的37.5%。這種現象表明該機組動力矩對阻力矩盈余較小，因此較早進入力矩平衡。

產生這種現象的原因復雜多樣，例如：閥門流量特性偏差、壓氣機效率較低、軸承阻力偏大、汽輪機及發電機阻力過大等。除閥門流量特性偏差外，其他情況作為整體可以通過對軸承回油溫度、軸承振動和機組惰走的觀察來進行評估。在經過數據分析后，基本排除嚴重的阻力變大情況。最終判斷為最大可能是閥門實際流量特性（C-v曲線）與邏輯內修正之間出現了不匹配的現象，引起燃料流量不足而導致的起動過程動力不足。

4.2 處理方法

閥門C-v曲線是調閥的屬性，如果要查明原因，則需要將閥門送回生產廠家重新進行檢測。M701F型燃氣輪機在大修結束后會進行燃燒調整。燃燒調整針對的是燃燒室的燃燒狀況，能夠降低NOx的排放，確保機組運行過程中燃燒的穩定并提高燃氣輪機的整體最大出力。雖然進行機組整體調試和燃燒調整時，C-v曲線可能不匹配，但是整個機組已經針對現有的燃氣供應特性進行了控制系統的調校。機組的調節控制已經滿足了《DL/T 824-2002 汽輪機電液調節系統性能驗收導則》《DL/T 711-1999汽輪機調節控制系統試驗導則》《DL/T 656-2006火力發電廠汽輪機控制系統驗收測試規程》廠家的相關規定。在這種情況下，如果重新修正C-v曲線，需要進行閥門的拆除檢測和機組的整體調和燃燒調整各個項目。這些工作將耗費大量的人力和物力和社會資源。

另一個方案是將轉速邏輯中的FX-1函數整體抬高5%。這種方案的優點是對系統影響小且方便可行。更改后僅在需要保持轉速升速率時提供恰好夠用的燃料增量，其他時候完全不改變原有工作方式。執行時只需要在控制邏輯中進行簡單的參數修改就能實現。缺點是沒有從根本上解決問題。造成這個現象的根本原因是燃料供應的能力不足，其影響是多方面的。在閉環無差控制環節可能在一定程度造成調節震蕩。而在有差控制和開環環節可能會引起平衡工況點的改變。其中相關的表現可能有：定速轉速偏低、并網初負荷不足、一次調頻能力下降、負荷穩定后震動可能偏大等。之所以能采用這種方法是因為整個機組上述問題都在整體調試時進行了調校，在目前情況下可以滿足相關規定和各種技術要求。

5 結語

造成燃氣輪機升速不能達到要求的原因是多樣的。要解決這類問題必須熟悉燃氣輪機的本體工作過程和特點，明確啟動過程中機組面臨的風險和常見問題。控制方面要明確各種控制環節的工作特定和具體邏輯。當此類問題涉及到燃機核心控制和設備時，要在處理后對BPT和燃燒情況進行嚴格監控。

參考文獻

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