燃氣輪機控制系統的控制方法

李 璟

（中海石油化學股份有限公司，海南東方 572600）

0 引言

燃氣輪機是一種以持續流動的氣體來作為工質帶動機械內葉輪高速旋轉的設備，將燃料能量轉變成有用工的內燃式動力。燃氣輪機主要由壓氣機、燃氣透平以及燃燒室三大結構部件組成，還配有這進氣、過濾、排氣和附件齒輪箱等多種輔助設備。燃氣輪機是一種新型的發電動力機組，使用了先進的、高效的能源利用方式，對能源綜合利用的效率在最高時能夠達到90%以上，使用燃氣輪機作為動力裝置能夠有效降低企業在能源方面的支出成本。同時，它使用氣體這種清潔的能源來作為啟動燃料，還能大大減少二氧化硫和煙塵的排放數量，對環境有一定的保護作用。

燃氣輪機有著非常好的靈活性，熱與電比例能夠自動調節和適應各種不同用戶的需求。在工作時間上，燃氣輪機非常適合長時間的負荷工作，并且在日常工作的過程中燃氣輪機的維護費用與其他裝置比較相應較低，所以在其研發成功以來得到了廣泛的應用和快速的發展。

1 燃氣輪機的系統

燃氣輪機一般分為4 個不同的部分：第一部分是由蒸汽所驅動的啟動透平，通常在啟動燃氣透平以及燃氣透平的功率不足的時候才將其啟動使用；第二部分則是由氣壓機、燃燒室以及高壓透平3 個部件所組成的氣體發生器，而壓氣機則是通過高壓透平來進行驅動的，以上3 個部件在同一個軸上則被稱為高壓軸；第三部分則是低壓透平所去頂的空壓機并且也被稱為動力透平，而動力透平和壓縮機在一個軸上時該軸就被稱為低壓軸；第四部分則是由壓縮機之中低壓缸、齒輪箱、高壓缸等部分組成的空氣壓縮部分。

在空氣經過濾器并被過濾之后，部分空氣便會被輸送到壓氣機之中，經過機械壓縮后再和燃料進行混合，并在混合完成之后再燃燒室之中通過燃燒的方式進入到低壓透平與高壓透平之中做工，然后尾氣再排入到轉化爐。另外一部分的空氣就是被設備送入到壓縮機部分的低壓缸內，該部分空氣只有在其中完成升壓的工序后才能進入高壓缸部件制造進行二次壓縮，以此成為工藝能夠使用的壓縮空氣。

2 燃氣輪機的控制原理

在啟動信號發出之后，則會按照之前已經設定好的機械邏輯控制開關來打開蒸汽閥，進一步啟動蒸汽透平來驅動壓氣機。蒸汽透平的轉速則是通過其中的轉速調節器使用測速探頭進行測量信息并調節信號。在蒸汽透平的轉速達到了其額定轉速的17%～20%時，就能啟動吹掃、機械噴氣、點火。在成功點火之后，壓氣機則會有燃氣透平與蒸汽透平的高壓制在同一時間內進行驅動。如果高壓透平的轉速達到了額定轉速的60%，就能通過邏輯控制將蒸汽透平關閉。

在工作過程中燃氣輪機的轉速直接受到進入燃氣室內燃料數量的影響，而在將燃料輸送到燃氣輪機內需要經過速比閥與氣體控制閥。而氣體控制閥與速比閥都是安裝在同一個殼體內的?？刂茪怏w閥的打開程度能夠反映出進入到燃氣透平中的燃料數量，在閥門處于相應的壓力情況下，燃料的數量與閥門的打開程度成正比。在投入運行過程中燃氣輪機使用的燃料偶爾會出現壓力浮動的情況，為了將該壓力保持在一個相對穩定的范圍，通常使用速比閥門來進行控制。通過速比閥門來進行控制有兩個重要作用。

（1）在氣體控制閥門之前燃料的氣壓不穩定情況下，即使閥門的打開程度不發生變化相應數量的流過的燃料也會對此造成波動，最終導致閥門的打開程度與閥門的氣體量不相符合。通過對閥門前氣體的壓力進行測量，使用速比閥門來進行調節來保證控制氣體閥門前的壓力能夠處于穩定的狀況。

（2）對進過閥門而進入燃料室的燃料數量進行控制，在不改變控制氣體閥門打開程度的情況下讓其與機組的轉速成正比。通常情況下，控制氣體的閥門前壓力一定要與機組轉速成正比，這樣才能保證經過閥門傳輸燃料數量與轉速成正比。由于此速度閥門的打開程度與機組轉速成正比，因此將其稱為速比閥。

燃氣輪機正常運轉時通常使用混合氣和天然氣來作為燃料，而混合氣的熱值會低于天然氣的熱值，所以為了保證機組在使用的過程中的功率必須要加大燃料的數量，而加大燃料的數量則會加大噴咀前燃料的壓力，導致出現脫火的情況。所以，針對這一情況還為燃氣輪機設置了旁路閥，以此來提升噴咀流通的面積。在保證空氣壓縮機出口的壓力穩定且機組不超速、乏氣不超壓不超溫的情況下，燃氣輪機能夠進入自動操作的狀態。

3 燃氣輪機的主控制方案

燃氣輪機的整個控制系統主要分為控制和保護兩部分：以控制為主的操作系統負責控制乏氣的溫度和轉速，主要是通過所制定系統對乏氣溫度、振動、火焰、轉速等多項信號實時的檢測，當系統檢測到信號出現異常情況的時候則會發出所設定的預警信號；以保護功能為主的系統則是判斷、執行、檢測結合為一套完整的邏輯電路，并且還使用了多重保護，因此整個系統的內容較為復雜。主控制方案也分為4 個不同的部分，即啟動控制系統、溫度控制系統、低壓速度控制系統和二級噴組控制系統。

3.1 啟動控制系統

啟動控制系統是一個開環控制系統，它在整個機組啟動的環節之中最主要的作用就是保證整個機組能夠按照所提前設置好的程序啟動，在機組從靜止的狀態到定額轉速的80%時就能進入轉速控制，同時還能對氣體控制電壓的最大值與最小值進行調定。在機組設備控制啟動整個過程中，又分為以下4 個不同的階段。

（1）準備階段。在機組啟動命令發出前，需要保證晶體管的開關導通、氣體控制電壓的電壓保持為0 并接地。在發出啟動命令之后，斷開晶體管的開關、使氣體控制電壓為0，這個時候就已經完成準備工作。

（2）點火。在透平啟動且將高壓軸轉速帶動到所額定轉速的21%時，再通過其邏輯電路來檢測速度信號確定機組點火的程序已啟動。在經過2 min 的吹掃后燃燒室出現火花，同時點火的信號讓運算放大器輸出相應的電壓，讓氣體控制電壓從0 變換到點火程序需要的值。

（3）暖機階段。當啟動程序建立好所需火焰后則需要將氣體控制電壓的值降低，讓設備進入暖機階段中。在暖機的階段之中，若氣體控制電壓保持不變的情況下燃料數量不斷加多，而機組排氣的溫度則會因為機殼所能吸收熱量達到飽和、燃料數量的不斷增加這兩個因素而增加，并且在持續一段時間之后使機組設備的溫度達到所預設的極限溫度。

（4）加速階段。在組件的暖機階段完成之后，加速信號的狀態則會發生改變，并使控制系統中氣體控制電壓的數值曲線上升在達到設定數值后停止。

在加速的過程中，氣體控制電壓和轉速同時上升，燃料數量也會快速增加，排氣的溫度以及機組設備的轉速也會在短時間內迅速上升，在排氣溫度還沒有達到極限的排氣溫度時溫升率為5 ℃/s。如果排氣溫度達到設定的極限溫度或者溫升度超過5 ℃/s 時，氣體控制電壓則會受到溫升率和排氣溫度的控制。

3.2 低壓速度控制系統

低壓速度控制系統是屬于一個閉環式的控制系統，在燃氣輪機運行過程中起到控制的作用，其整體結構非常復雜。低壓速度控制系統主要是在空氣壓縮機的出口流量有所變化時，控制壓縮機出口的壓力在基本不變的狀態。當用戶需要使用空氣時則會的改變出口的壓力。不僅如此，還需要在低壓透平負荷不變動的情況下保證機組的轉速基本沒有變化。當低壓透平轉速有所變化時，則會傳遞出相應的信號，通過增減燃料數量的方式將穩定轉速使其平衡。

3.3 排氣溫度控制

當燃氣輪機在高速高溫的狀態下持續運行，其自身的材料強度則會隨著機組設備溫度不斷的上升而下降，與之成反比。若機組設備的溫度過低就不能使用其熱能的作用達到節能的目的，因此，在其調節系統中機組溫度是極其重要的一個參數。

在控制操作的過程中，應該是將控制室內的溫度作為操作參數，而測量則需要以乏氣的溫度作為參數。以乏氣的溫度作為測量溫度的參數主要原因為：當燃燒室的溫度達到1000 ℃以上時，雖然能夠對溫度進行測量，但是感溫元件容易因為高溫而損壞，并且燃燒室內的溫度還存在熱度不均、準確度低的情況。所以，在溫度控制系統中，以乏氣溫度作為測量的參數能夠得到準確的溫度值。

3.4 二級噴咀控制系統

二級噴咀控制系統則是為了對高壓軸的轉速進行調整和改變低壓靜葉片的角度，因此將低壓透平氣體流通的面積進行改變，在加大低壓透平流通的面積時候則會降低低壓透平流通的阻力，同時高壓透平的功率隨之上升并提升高壓軸的轉速。

4 結束語

燃氣輪機是由信息電子、工程熱物理、自動控制、機械制造等多項技術相互結合而形成的，是各類先進技術的核心動力，燃氣輪機及系統已經成為21 世紀持續發展經濟的基礎，所以必須要深入了解Mark Ⅵ燃氣輪機系統的控制原理和方法，這樣才能更加深入地研究和使用好燃氣輪機。