西門子SGT5-8000H 級燃氣輪機排氣溫度的控制

李建偉，蘇 燁，毛志偉，陳 凱

（1.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310012；2.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

巴基斯坦吉航1 263 MW“二拖一”聯合循環機組是亞洲首家采用西門子SGT5-8000H 級燃汽輪機并最早調試的機組，包括2 套SGT5-8000H燃氣輪發電機組、2 套本生型三壓再熱無補燃自然循環臥式余熱鍋爐和1 套純凝式蒸汽輪發電機組。機組主燃料為RLNG（再氣化液化天然氣），備用燃料為HSD Oil（高速柴油機油）。發電廠出線經過220 kV 升壓站接入系統。整套機組既可單循環運行，也可聯合循環運行。在天然氣性能保證工況下，聯合循環全廠出力約為1 263 MW。

西門子H 級燃氣輪機是西門子綜合了原V94.3A 系列和原西屋W 系列燃氣輪機的成熟技術而創新研發的系列產品。單循環發電效率高于40%，聯合循環燃機效率更是高于60%[1]。相對于F 級燃氣輪機，H 級燃氣輪機在結構上最大的區別是采用了環管型燃燒室，以及壓氣機增加了3 級可調靜葉VGV1，VGV2 和VGV3[2]，其空氣流量調節范圍增大為50%～100%，而F 級燃氣輪機的流量調節范圍約為70%～100%[3]，因此H 級燃氣輪機中間部分負荷性能較F 級燃氣輪機有所提高，有助于AGC（自動發電控制）和一次調頻能力提升。

本文結合在吉航基建現場調試過程中學習和掌握的知識，詳細介紹了SGT5-8000H 燃氣輪機排氣溫度控制的原理、控制作用以及影響排氣溫度控制的各種因素，并對IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 的現場調試和注意事項進行了總結，可以為后續H 級燃機的調試提供經驗借鑒。

1 燃氣輪機排氣溫度控制

燃氣輪機排氣溫度控制是燃氣輪機自動控制系統的核心部分，由進口IGV/VGV（可調導向導葉）開度控制器和燃機OTC（出口排氣溫度）控制器兩部分組成，兩者都采用排氣溫度的修正值作為被調量，但二者又有不同之處[4-6]：開度控制是在IGV/VGV 處于全關和全開狀態之間，可以自由調節開度時啟作用，通過改變IGV/VGV 的開度來控制部分負荷下的燃機排汽溫度[13]；OTC 控制是在IGV/VGV 在全關或者全開情況下啟作用，在IGV 和VGV 全開時用于限制燃機在額定負荷下不超溫，在IGV/VGV 全關時可以限制燃機排煙溫度保證預熱鍋爐不超溫，減少熱應力，有利于汽輪機的沖轉、并網和穩定運行[6]；OTC 控制器調節的是燃料閥開度，用于控制燃料量。為防止兩者之間相互干擾，當處于IGV/VGV 開度控制時，OTC 控制器的設定值在IGV 溫控設定值的基礎上自動增加10°，保證在部分負荷下OTC 控制器不動作；同樣，在OTC 控制模式下，為防止IGV/VGV 在全開位置波動，將在溫控設定值的基礎上自動減去TR（2°～5°），保證IGV/VGV 留在全開位置，便于OTC 進行排氣溫度控制。同時為了提高IGV/VGV 開度控制的響應速度，在開度控制的溫度調節回路引入了前饋量YMincal，當YMincal超過0.323 時，IGV（VGV）便會逐漸開啟，其中：

式中：KN為燃料指令；Ka和Kp分別為壓氣機入口壓力、入口溫度修正系數。

1.1 IGV/VGV 的開度控制

IGV/VGV 的開度控制主要包含了溫度控制器和角度控制器，溫度控制器的輸出值疊加上燃料前饋形成的最小值，經過函數轉換，最終得到角度輸出指令。IGV 的角度輸出指令加上角度修正值，經過最大最小限幅塊后，做角度指令到百分比指令的函數轉換，最后的閥位指令送到快速響應AddFEM Poco+卡，進行IGV 閥的控制。

VGV1，VGV2 和VGV3 閥位指令生成原理同上。IGV/VGV 的開度控制邏輯回路如圖1 所示。

圖1 IGV/VGV 開度控制邏輯

通過圖1 可以看出，IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 控制之間的關聯主要在于角度輸出指令的分配比例關系上，從表1 可見，VGV1，VGV2 和VGV3 開度與IGV 都成比例關系。同樣，VGV1，VGV2 和VGV3 的開度指令也可以簡化成IGV 開度指令乘以相應的系數，如圖2 所示。

1.2 排氣溫度OTC 控制

表1 IGV（VGV）的開啟范圍

圖2 IGV/VGV 開度指令

由于透平入口溫度很高，無法實現長期直接測量，而透平出口擴散段溫度相對較低，便可以通過修正后的擴散段溫度來間接控制燃機透平入口溫度，經過修正后的出口溫度稱為OTC[7]。燃氣輪機透平入口溫度是限制燃機功率的主要因素，在燃機運行時，必須控制透平入口溫度不超過設定值，通過對燃機進氣量和排氣溫度進行適當控制，以保證透平部件的熱應力在允許范圍之內[8-11]。目前H 級燃機的出口溫度采用的是擴散段的溫度取平均值，而F 級燃機的出口溫度采用的是透平排氣出口的溫度測點取平均值，溫度測點選取位置的不同，其修正公式也不同，西門子SGT5-8000H 型燃機的OTC 計算公式如下：

式中：TOP 由安裝在燃機排氣擴散段的6 對熱電偶溫度測量后取得，12 個溫度測點取平均；K1—K11，a，b，c 都是常數；DNN=1-NT/50，NT 為燃機轉速；TV1 為壓氣機入口的6 對熱電偶溫度測量，12 個測點取平均值；DEW 為進氣露點溫度計算值。

通過對排氣溫度計算公式進行分析，壓氣機入口溫度、燃機轉速和空氣相對濕度等因素都會影響燃機透平的膨脹比，繼而影響透平的焓降及透平出口溫度。通過公式修正后，透平出口溫度同透平入口溫度形成相對固定的對應關系，可以通過控制修正過后的透平出口溫度OTC，間接控制透平入口溫度，實現排氣溫度控制目標[12]。

排氣溫度OTC 的控制邏輯回路如圖3 所示。

圖3 排氣溫度OTC 控制邏輯

通過圖3 可以看出：排氣溫度控制回路的設定值由三部分組成，分別是TSXW（過程溫度控制回路）溫度、TSMAXW（最大限制）溫度、TS（壓氣機入口溫度函數設定值），三部分定值在機組正常運行期間以三者取小的關系共同運行，排氣溫度設定值主要受相對負荷、壓氣機入口溫度修正和HCO（液壓間隙優化）修正因素影響[13]。作為排氣溫度調節器的設定值，實時控制燃氣輪機排氣溫度數值，保障機組安全運行。

（1）TSXW 溫度設定在汽輪機啟動、升速、并網帶初始負荷階段，為保證汽輪機進汽壓力、溫度、流量各參數在合理范圍之內，協調控制系統過程溫度控制回路計算出溫度數值作為燃機輪機排氣溫度控制器的設定值。

（2）TSMAXW 溫度在聯合循環工況下，為保證鍋爐高、中壓主蒸汽溫度不超過限值，協調溫度控制回路計算出溫度數值作為燃機輪機排氣溫度控制器的設定值，以保證燃氣輪機排氣溫度不超過鍋爐所能承受溫度的最大值。

（3）壓氣機入口溫度函數設定值TS 根據燃氣輪機性能曲線，由壓氣機入口溫度、燃氣輪機負荷、壓氣機入口壓力、HCO 系統修正、NOX排放修正等經過一系列運算轉換生成。設定值主要通過燃機相對負荷Pe/Pg對應的負荷溫度函數取得，其中Pe為經過慣性處理的燃機實際負荷，Pg為修正過后燃機最大負荷能力：

式中：TV1 為壓氣機入口的6 對熱電偶溫度測量，12 個測點取平均值；Pin 壓氣機入口壓力；K12 為HCO 修正系數，K13 和K14 為常數；F（Ttabnox）NOX低溫修正函數。

在ISO 工況下，H 級燃機燃氣模式下基本負荷為435 MW,對應的排汽溫度設定值為625.59°（聯合循環增加2°），燃油模式下基本負荷為393 MW，對應的排汽溫度設定值為566.8°（聯合循環增加2°）。

1.3 排氣溫度控制的作用

燃氣輪機排氣溫度通過IGV/VGV 的開度控制來調節空氣進氣量，通過OTC 控制來調節燃料量，使透平入口溫度控制在安全范圍內，保障燃機安全穩定運行，其作用主要體現在：

（1）通過對透平出口溫度的控制，盡可能保持穩定的透平入口溫度。

（2）在保證燃氣輪機室及透平安全的情況下，限制燃機透平入口溫度在允許條件下的一個最大值，盡可能提高效率[14]。

（3）在聯合循環模式下，使燃機的排煙溫度保持在較高水平，以提高聯合循環裝置的總體熱效率；同時也可以滿足啟動階段燃機同余熱鍋爐、汽機的溫度匹配[15-16]。

（4）在緊急工況下，通過減少進氣量和燃料量，可以快速的降低透平出口溫度，保護設備。

2 IGV/VGV 調試

西門子H 級燃氣輪機的壓氣機采用進口導葉加前三級靜葉可調設計，相比于F 級增加了3級可調靜葉VGV1，VGV2 和VGV3，其空氣流量調節范圍增大為50%～100%，主要包括液壓執行機構、過濾器、止回閥、伺服閥、位移傳感器、進油、回油管線等，通過電液執行機構調整進氣導葉的角度，來保證燃機在不同的工況條件下有適當的空氣流量，保證燃機的安全運行。

2.1 傳感器測量裝置調試

西門子H 級燃氣輪機IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 開度位置反饋采用2 個角度傳感器以及1個LVDT 線性位移傳感器2 種方式測量，就地角度傳感器信號先傳送到SSI 智能儀表，通過儀表轉化輸出4-20 mA 信號到AddFEM Poco+卡件，線性傳感器信號直接傳送到AddFEM Poco+卡件。在IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 調試前，首先對SSI 智能儀表進行參數設置，保證角度輸出值正確，計算公式為SSI（digits）=杠桿角×（8 192/360）+1 024，對IGV 來說全開時SSI 顯示1 593，全關時SSI 時顯示546。IGV 有40 個葉片，2 個角度傳感器安裝于18 號和38 號導葉下部；VGV1有34 個葉片，2 個角度傳感器安裝于15 號和32號導葉下部；VGV2 有46 個葉片，2 個角度傳感器安裝于21 號和44 號導葉下部；VGV3 有54 個葉片，2 個角度傳感器安裝于25 號和52 號導葉下部。角度傳感器來測量葉片實際角度變化，LVDT 線性位移傳感器安裝于執行機構內部，直接測量液動執行機構的行程，輸出電流信號送到TCS 控制系統，通過函數換算成角度，屬于間接測量。IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 的初始角度（最小開度）是不一樣的，如表1 所示。

2.2 行程整定

液壓油泵啟動后待液壓油壓力正常后（大于160 MPa），在T3000 的IGV/VGV 系統操作畫面上對IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 的傳感器進行復位，使IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 處于可調節狀態。IGV 在全開和全關位置分別用角度尺對40 個控制桿角度進行測量，取平均值與設計角度進行校對；VGV1，VGV2 和VGV3 在全開和全關位置分別用角度尺對其中12 個控制桿角度進行測量，取平均值與設計角度進行校對。根據測量結果現場進行連桿調整并對TCS 系統內的參數進行重新設定，同時調整AddFEM Poco+卡內部參數，使收到百分比反饋信號與就地實際角度一一對應。在完成了就地連桿調整和系統內部參數調整后，對IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 進行線性試驗，確保導葉各項指標滿足設計要求。

調試過程中要合理設置角度傳感器和線性位移傳感器的參數，對相關的聯鎖保護也要了解：

（1）滿足下列任一條件，觸發燃機自動降負荷：當IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 的角度設定值與測量值偏差大于4°；當IGV，VGV1，VGV2和VGV3 的閥位開度指令與線性測量值偏差大于4%；當IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 的2 個角度傳感器之間偏差大于4°；當IGV，VGV1，VGV2和VGV3 的2 個角度PID 修正值大于2.5°；當IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 的2 個角度傳感器都故障。

（2）滿足下列任一條件，觸發燃機保護跳閘：當IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 的角度設定值與測量值偏差大于8°；當IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 的閥位開度指令與線性測量值偏差大于8%；當IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 的伺服閥線圈故障；當IGV，VGV1，VGV2 和VGV3 的線性位移傳感器故障時（反饋大于105%或小于-5%，探頭故障）。

圖4 IGV 葉片位置及角度描述示意

2.3 調試注意事項

（1）調試過程中發現VGV1 和VGV3 的SSI 智能儀表顯示值在開或關的過程中沒有變化，經西門子調試工代拆開儀表外殼發現控制板有燒焦痕跡，可能有強電串入導致儀表損壞，所以設備送電前必須做好查線工作并有相應的記錄，確認完畢后再送電。

（2）在就地進行葉片全開全關位置角度測量前，首先要檢查每個葉片連桿端部的螺紋是否有松動，在確保緊固的情況下進行，否則計算出的平均值與參考值偏差可能就比較大。

（3）對于導葉葉片角度西門子有3 個不同慣例的描述，現場測量要選擇杠桿角，如圖4 所示（以IGV 為例）。在測量葉片角度時注意測量葉片的右側，角度尺的正方向指向燃機內部。

3 結語

通過巴基斯坦吉航1263 MW“二拖一”聯合循環機組的調試，對西門子SGT5-8000H 燃氣輪機排氣溫度控制策略進行解析，對IGV/VGV 調試及相關注意事項進行歸納，介紹了排氣溫度控制的原理與控制作用，同時對IGV/VGV 開度控制和OTC 控制的協調及切換進行了說明，為相關人員對控制邏輯的理解和事故原因分析提供參考，同時希望通過本文讓國內更多的相關人員進一步了解西門子SGT5-8000H 燃氣輪機的結構特點及相關控制。