西門子H級燃氣輪機的主要系統及其控制與保護

陳 凱， 李建偉， 毛志偉

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

西門子H級燃氣輪機是西門子綜合了原V94.3A系列燃氣輪機和原西屋W系列燃氣輪機的成熟技術而創新研發的系列產品。至2019年2月，西門子SGT5-8000H燃氣輪機的商業運行小時數已經達到了百萬小時。SGT5-8000H燃氣輪機在ISO條件下出力達到了435 MW以上，壓氣機壓比為19.8，單循環發電效率高于40%，聯合循環效率高于61%。相對于F級燃氣輪機，SGT5-8000H燃氣輪機在結構上最大的區別是采用了環管型燃燒室，以及壓氣機在進口可轉導葉(IGV)后的三級靜葉采用了可調靜葉(VGV1、VGV2、VGV3)。由于國內還沒有H級燃氣輪機投產，國內文獻都是針對F級燃氣輪機及其聯合循環機組[1-6]，對H級燃氣輪機的文獻也都是注重概述性介紹[7-9]。本文作者通過西門子SGT5-8000H燃氣輪機的調試工作，根據控制邏輯整理了三個主要系統：IGV(VGV)系統、燃燒系統、防喘放氣及透平靜葉冷卻系統的結構特點及相關控制與保護，希望從細節上描述SGT5-8000H燃氣輪機，并重點突出H級燃氣輪機與F級燃氣輪機的不同之處。

1 IGV(VGV)系統及OTC控制

1.1 系統介紹

SGT5-8000H燃氣輪機的壓氣機共13級，前4級包含1級進口可轉導葉IGV和后面的3級可調靜葉VGV(VGV1、VGV2、VGV3)。相比F級燃氣輪機的空氣流量調節范圍約為70%～100%，H級燃氣輪機空氣流量調節范圍增大為 50%～100%。因此其中間部分負荷性能較F級燃氣輪機有所提高。

燃氣輪機排氣溫度控制是燃氣輪機自動控制系統的核心，由IGV(VGV)開度控制器和燃氣輪機出口溫度(OTC)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：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起作用，通過改變IGV(VGV)的開度來控制部分負荷下的燃氣輪機排氣溫度；OTC控制是在IGV(VGV)在全關或者全開情況下起作用。在IGV(VGV)全開時用于限制機組在額定負荷下不超溫，在IGV(VGV)全關時可以保證燃氣輪機排煙溫度和汽輪機金屬溫度相匹配，有利于汽輪機的沖轉、并網和穩定運行；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一個常數TR(TR在2°～5°)，保證IGV(VGV)留在全開位置，便于OTC進行排氣溫度控制。

1.2 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，轉換到百分比指令送到快速響應AddFEM Poco+卡，進行IGV開度的控制。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YMincal=(KN-Ka)/Kp，KN為燃料指令，Ka和Kp為壓氣機入口壓力、入口溫度修正系數。

在機組啟動前，IGV和VGV的初始角度(最小開度)是不一樣的，但3個VGV的開度和IGV都成不同的比例關系，如表1所示。同樣，3個VGV的開度指令也簡化成IGV開度指令乘以相應的系數，如圖1所示。

表1 IGV(VGV)的開啟范圍

圖1 IGV(VGV)的開度指令

1.3 OTC控制

H級燃氣輪機的透平出口溫度OTC的實時計算值采用的是擴散段的溫度平均值，而F級燃氣輪機采用的是透平排氣出口的溫度平均值。STG5-8000H型燃氣輪機的OTC計算公式如下：

(1)

其中：①TOP為燃氣輪機排氣擴散段的6對熱電偶溫度12個溫度測點取平均；②K1到K11，a,b,c都是常數；③DNN=1-NT/50，NT為燃氣輪機轉速；④TV1為壓氣機入口的6對熱電偶溫度12個測點取平均值；⑤DEW為進氣露點溫度計算值。

OTC設定值共由三部分組成，分別是過程溫度控制回路(TSXW)溫度、最大限制(TSMAXW)溫度、壓氣機入口溫度函數設定值(TS)，三部分定值在機組正常運行期間三者取小的關系共同運行，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氣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氣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。設定值主要通過燃氣輪機相對負荷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氣輪機實際負荷，Pg為修正過后燃氣輪機最大負荷能力，Pg=TV1×F(X)×K12×(Pin/K13)×435+TV1×K12×F(X)×(Pin/K13)×435×K14×F(Ttabnox)。 其中：①TV1為壓氣機入口的6對熱電偶溫度12個測點取平均值；②Pin壓氣機入口壓力；③K12為HCO修正系數，K13、K14為常數；④F(Ttabnox)NOx低溫修正函數。

2 燃燒控制

2.1 天然氣流量控制

SGT5-8000H燃氣輪機燃氣系統如圖2所示，從上游至下游依次是濾網、隔離閥、排空閥、緊急關斷閥、排空閥和4個調節閥(A級調節閥、B/C級調節閥、先導值班級P級調節閥和D級調節閥)。隔離閥、緊急關斷閥和排空閥采用壓縮空氣做控制氣源；調節閥采用液壓油做控制油，通過伺服閥控制。

圖2 燃氣系統示意圖

SGT5-8000H燃氣輪機燃燒室采用環管式結構(F級燃氣輪機燃燒室為環形燃燒室)，共有16個燃燒室。西門子公司將整個燃燒系統稱之為平臺燃燒系統(Platform Combustion System簡稱PCS)。PCS燃燒系統采用分級燃燒的設計理念，分為A、B、C、D和先導值班級，其中A、B/C為預混燃燒級，D級為先導預混燃燒級，D級燃燒器以調整燃燒的動態特性為目的。P級燃燒器為先導值班擴散方式，以調整燃燒動態特性和改善污染物排放為目的。標準狀況下，在40%～100%負荷段透平排氣都能達到NOx<50 mg/m3。

機組在天然氣燃料模式下，機組盤車轉速由變頻啟動裝置(SFC)拖動至清吹轉速。清吹結束后，機組降速至點火轉速393 r/min，激活點火器，此時燃氣輪機主控處于升速控制器控制，先導值班級P調節閥和D閥開啟。點火成功后，機組開始升速；當轉速達到840 r/min, A調節閥開啟，機組由SFC和透平自身做功共同推動機組升速；轉速升至2 100 r/min，SFC脫扣；當轉速升至2 820 r/min,燃氣輪機由升速控制器轉為速度控制器，直至轉速達到額定轉速。并網成功后，燃氣輪機轉為負荷控制器控制，當燃氣輪機負荷達到11%標準負荷Pg(修正過后燃氣輪機最大負荷能力)時，打開B/C級調節閥。然后各個調節閥按負荷和流量指令，通過調節燃料閥的開度，增加燃氣流量，直至機組滿負荷。機組停機時，負荷降至6%標準負荷Pg，關閉B/C調節閥，然后至發電機出口斷路器分閘，A調節閥，先導值班級P調節閥，D調節閥同時關閉，機組惰走，轉速降至盤車轉速。

2.2 燃燒脈動的監測及保護

機組運行中燃氣輪機的燃燒室可能會存在燃燒的不穩定性，主要表現為燃燒室內壓力在典型的頻率范圍內脈動幅值上升。必須及時檢測和有效抑制壓力脈動振幅的增加，以防止對燃氣輪機部件造成的損害[10-11]。

SGT5-8000H燃氣輪機的燃燒脈動監視和保護系統將燃燒室內的脈動頻率分為三個頻段：低頻段(LFD)，頻率范圍15～40 Hz；中頻段(IFD)，頻率范圍40～1 000 Hz；高頻段(HFD)，頻率范圍1 000～10 000 Hz。

不同頻率范圍內壓力脈動振幅的增大有不同的影響。低頻脈動(LFD)可引起機械振動的增大和噪聲水平的提高。在極端的情況下，LFD現象會引起火焰的熄滅。高頻脈動(HFD)的影響最為嚴重，因為它們使燃氣輪機部件在短時間內承受多次載荷循環。燃氣輪機部件受HFD幅值的極大影響，在短時間內就會損壞。在中頻脈動(IFD)范圍內的壓力脈動振幅可能是LFD和HFD現象影響的組合。盡管如此，中頻范圍的影響并不明顯。通常，在中頻范圍內允許的壓力脈動振幅高于LFD或HFD范圍。

燃燒室壓力脈動通過16個燃燒室壓力傳感器直接送到AGRUS分析系統，然后通過PROFIBUS現場總線的方式，將數據傳送到燃氣輪機主控系統T3000。在不同燃燒模式下，以及在不同相應頻段范圍內，壓力脈動幅值超過限值，機組會觸發報警或者是減負荷，具體如表2所示。

表2 燃燒脈動保護定值

如果壓力脈動幅值超過高一值，則發出報警，并影響燃料流量控制(僅適用于LFD和IFD)，會作用到先導值班級P調節閥和D級調節閥改變燃料量以穩定燃燒。對于IFD-2范圍內的燃油模式運行下，將通過A級和B級注水調節閥改變注水量以穩定燃燒。

如果壓力脈動幅值在LFD或IFD范圍內超過高二值時，第一步是快速作用到燃氣先導值班級調節閥上，如果繼續上升，觸發機組正常減負荷。如果是在HFD范圍內超過高二值，機組會直接快速減負荷。

如果壓力脈動幅值超過高三值，機組將直接快速減負荷。

在燃氣輪機點火和升速階段，在IFD-1范圍內如果壓力脈動幅值超過9 kPa，直接觸發燃氣輪機跳閘。

3 防喘放氣及透平靜葉冷卻氣系統

3.1 系統介紹

西門子SGT5-8000H燃氣輪機采用全氣冷卻方式。透平動葉的冷卻氣是從相應的壓氣機級后通過轉子中間軸向通道進入動葉。防喘放氣系統和透平靜葉冷卻氣系統也是從壓氣機特定的級后抽氣作為氣源，如圖3所示。防喘放氣系統從壓氣機第5和第8級抽取壓縮空氣通過管道直接排放到燃氣輪機排氣段，一共三路防喘放氣管道。壓氣機排氣的一部分通過內部管道直接去冷卻透平第1級靜葉，壓氣機第11級抽氣通過兩根冷卻氣管道去冷卻透平的第2級靜葉，壓氣機第8級抽氣通過兩根冷卻氣管道去冷卻燃氣輪機透平第3級的靜葉，壓氣機第5級抽氣通過一根冷卻氣管道去冷卻透平第4級靜葉。其中防喘放氣閥采用全開全關的氣動閥；而冷卻氣閥門采用氣動調節門用于自動調節，其控制氣源由燃氣輪機位于潤滑油系統平臺上的空壓機系統提供。到透平第3級靜葉冷卻和防喘放氣是公用一根管道，到透平第4級靜葉冷卻和防喘放氣也是公用一路管道。

圖3 防喘放氣和冷卻氣系統示意圖

在壓氣機入口安裝有三個喘振保護差壓開關，燃氣輪機壓氣機排氣壓力用三個壓力變送器測量，邏輯中三個值取平均值，用于燃氣輪機控制。每一級透平都安裝有兩個壓力變送器用來測量每一級靜葉持環冷卻空氣壓力。相比西門子F級燃氣輪機，H級燃氣輪機在透平第1級增加了冷卻空氣壓力測點監視，并且參與燃氣輪機的控制與保護；透平第2級還安裝有兩個測溫熱電偶，用來測量透平第2級靜葉持環溫度。

3.2 防喘放氣閥的控制和保護

(1) 防喘閥開環控制

在機組啟動的最初階段，防喘閥會有一個功能測試，自動全開然后再關閉。當機組啟動后，轉速升至240 r/min時，防喘閥全開且一直保持全開，直到轉速到達2 790 r/min后全部關閉。當機組跳閘觸發時，所有防喘閥立即全開。等到燃氣輪機完全停止后所有防喘閥關閉。

(2) 防喘閥保護功能

燃氣輪機轉速從120 r/min升至2 820 r/min，此時燃氣輪機處于升速控制模式，任意一個防喘閥未打開，觸發跳閘。

當燃氣輪機在負荷運行階段，如果任意一個防喘閥未關，則機組負荷自動降，然后自動停機。

燃氣輪機并網之后，當電網頻率發生突降時，當頻率降至46 Hz以下，為了保護燃氣輪機不發生喘振，所有防喘閥立即打開，避開壓氣機典型的喘振轉速范圍，并觸發燃氣輪機跳閘。

燃氣輪機停機之后，如果任何一個防喘閥未關，則在兩小時內禁止再次啟動機組。

3.3 冷卻空氣的控制和保護

(1) 透平第1級靜葉冷卻

透平第1級靜葉冷卻空氣來自壓氣機出口，兩個絕壓變送器用來測量第1級透平冷卻空氣壓力，兩個壓力值取小，然后根據此壓力和壓氣機出口壓力的比值，決定機組減負荷或者跳閘。

(2) 透平第2級靜葉冷卻

透平第2級靜葉冷卻空氣抽自壓氣機第11級抽氣點，采用兩路分支管道系統，每一個抽氣管道設置有一個冷卻空氣調節閥來調節冷卻風流量，該閥門具有故障開功能，閥門具有最小開度，保證一直有最小的空氣流量提供給葉片，保證透平不超溫。第2級冷卻空氣兩個壓力值取小原則，得到冷卻風壓力與壓氣機排氣壓力的比值，將這個比值作為控制變量，然后經過燃氣輪機負荷、壓氣機入口溫度和透平2級靜葉持環的溫度進行一個修正，作用到調節閥上。

(3) 透平第3級靜葉冷卻

透平第3級靜葉冷卻空氣抽自壓氣機第8級抽氣點，采用兩路分支管道系統，每個抽氣管道設置一個冷卻調節閥來調節冷卻風流量。

(4) 透平第4級靜葉冷卻

透平第4級靜葉冷卻空氣抽自壓氣機第5級抽氣點，一路抽氣管道，設置一個冷卻調節閥來調節冷卻風流量。

4 總結

H級燃氣輪機由于單機出力大，效率高，同時運行靈活性比F級燃氣輪機有較大的提高，因此已成為新建聯合循環機組的首要選擇。本文作者通過1 263 MW“二拖一”聯合循環機組的調試，對西門子SGT5-8000H燃氣輪機有了一定的了解。希望通過本文讓國內更多的相關人員能更快速地了解西門子SGT5-8000H燃氣輪機的結構特點及相關控制與保護。