三菱M701F型燃氣輪機轉速控制分析

陳珂+吳攀

摘 要： 燃氣一蒸汽聯合循環機組在實際的使用過程中具有熱效率高、調峰性能強等特點，在世界范圍內被廣泛應用，帶動了我國電力工業行業的迅速發展，也是我國電力工業行業的發展趨勢，本文以三菱公司M701F型燃機為對象，分析其轉速控制邏輯原理及應用。

關鍵詞： M701F燃機；燃機轉速；轉速控制

燃氣輪機是一種清潔能源發電機組，能源利用效率可高，并且其燃燒有著低NOX、無SO2、無煙塵排放等優點，對環境的影響較常規電廠低的多。中海油珠海天然氣發電有限公司燃氣-蒸汽聯合循環機組采用三菱公司M701F型燃機及東方汽輪機廠制造蒸汽輪機，有著啟停快，適合快速調峰運行，設備可靠，能長時間滿負荷運轉等優點。

M701F型燃機控制系統使用的是三菱提供的DIASYS Netmation控制系統。本文主要介紹控制系統中的轉速控制功能。

1 M701F燃汽輪機主控制系統（GT CONTROL）介紹

三菱公司M701F型燃機在我國應用廣泛，它的TCS燃機控制系統使用的是三菱提供的DIASYS Netmation控制系統。燃機啟動至全載的各主要控制過程簡述如下：

（1）燃機點火前（MDO）：FLCSO被鉗制在-5%，達到最小，CSO=FLCSO，使各燃料閥緊密地關閉；

（2）燃機點火時（FIRE）：維持燃料充分，以保證能夠可靠點燃。此時FLCSO=20-10*（點火轉速-500），點火轉速約550rpm（與T1有關），此時，FLCSO<0，通過小選門，但是無法通過大選門，無法輸出

（3）升速階段（WUP）：維持燃料流量，防止火焰熄滅，并足以預熱及加速達到額定轉速。當轉速到達約1090rpm，FLCSO 通過小選門，并開始大于暖機升速階段的最小CSO，使CSO=FLCSO；

（4）加速后快達到額定轉速時（MIN）：維持最低地燃料流量以防止火焰瞬間在瞬變操作時熄滅；

（5）轉速達到2990rpm左右時，GVCSO 將小于FLCSO，通過小選擇門，使CSO=GVCSO，燃機開始進行空載和同期的調速階段，直到并網帶負荷；

（6）滿載后，達到溫控條件，BPCSO＼EXCSO最小，通過小選門，進入BPCSO＼EXCSO控制。

查詢實際的啟動曲線后得知，GVCSO在停運、啟動、點火、升速時，一直保持100%的輸出，只有當轉速上升至2815rpm左右時，開始從100%下降，直至當轉速達到2990rpm附近時，其值小于FLCSO，經小選門后燃機進入GVCSO控制。

2 M701F燃汽輪機轉速控制系統

如上圖所示，燃機轉速控制的核心部分為AM模塊。在燃機正常帶負荷運行（AM模塊的Ts為0時），AM模塊接收輸出值升或降的指令，改變輸出轉速設定值，AM轉速輸出設定值再通過換算形成燃機轉速設定值和燃機GVCSO，最終改變燃料量。轉速設定值升或降的判斷依據是燃機實際負荷和燃機負荷設定（ALR SET）的差值（當差值大于0.05為升；當差值小于-0.05為降）。

所以燃機轉速控制的最終目的是保證燃機負荷設定值與ALR SET保持一致，途徑是通過改變燃機轉速設定值，從而改變GVCSO。從邏輯上我們可以看出控制的變量有兩個，即轉速和功率。

3 轉速控制和功率調節的關系

如圖所示，燃機轉速控制采用了內外兩個閉環回路（藍色線所表示的功率外閉環回路和紅色線所表示的轉速內閉環回路）.

轉速內閉環回路：轉速控制閉環回路采用比例環節來控制，也就是燃機轉速設定與實際轉速的負反饋做差然后再乘于一個數值，最后輸出GVCSO改變燃機的轉速。比例環節兩個輸入一定保持有一定偏差，因為若轉速設定值等于實際轉速，比例環節的輸出將為0，GVCSO=0。所以燃機轉速設定值一定會大于燃機轉速實際值3000rpm。而燃機轉速不等率=（燃機滿負荷時轉速設定-燃機空載運行時轉速設定）/燃機額定轉速。

功率外閉環回路：功率控制閉環回路采用bang-bang控制環節，邏輯上由AM模塊和兩個閥值分別為0.05和-0.05的比較器配合實現。bang-bang控制環節簡單來說就是開關控制：當功率偏差大于一定值時，控制環節會降低轉速設定值，減少GVCSO；當功率偏差小于一定值時，控制環節會增加轉速設定值。最終控制環節會實現燃機負荷和設定值的偏差控制在一定范圍內。若這個范圍在誤差允許之內，則可以說功率閉環控制是無差調節（實際功率=功率設定）。

值得注意的是：燃機未帶負荷時，AM模塊的“升”或“降”功能不起作用，AM模塊的輸出值鎖定為0.2，經過換算得出轉速設定值鎖定為3006rpm。燃機轉速設定3006rpm對應的GVCSO正好能克服燃機空載運行阻力，將燃機轉速維持在3000rpm。而燃機并網時，即MCB合閘時，AM模塊的“升”或“降”功能不起作用，AM模塊的輸出值等于上一時刻輸出值增加+0.05。這樣導致在并網瞬間，輸出值通過正反饋不斷疊加逐漸增大，GVCSO不斷增大，這樣能保證燃機并網后能帶上負荷。當MCB合閘脈沖過去后，AM模塊的“升”或“降”功能起作用，燃機功率被調節成初始負荷設定值15MW。極端情況下，燃機進入孤島運行模式時，AM模塊的“升”或“降”功能不起作用，AM模塊的輸出值鎖定為0.25，經過換算得出轉速設定值鎖定為3007.5rpm，對應的GVCSO正好保證燃機轉速維持到3000rpm，并帶廠用電運行。若廠用電負荷增加/減少，導致燃機轉速降低/升高，在轉速閉環回路內會是比例環節輸出增加/減少，導致GVCSO增加/減少，最終維持轉速穩定。

綜上所述，燃機轉速控制實現了燃機功率無差調節，燃機轉速有差調節。

4 結束語

三菱M701F燃氣輪機控制系統自動化程度高，運行穩定性強，保證各控制方式在機組啟停過程及各工況運行時按需切換，以控制燃氣輪機安全運行。子系統轉速控制設計合理，轉速與功率的內外環回路相互配合最終實現燃機負荷和設定值的偏差控制在一定范圍內，完成轉速及功率調節。■

參考文獻

[1] 楊順虎.燃氣蒸汽聯合循環發電設備及運行.中國電力出版社，2004.3.

[2] 章素華.燃氣輪機發電機組控制系統.中國電力出版社.2013.5.

[3] 姚秀平.燃氣輪機與聯合循環.中國電力出版社.2010.5.