燃氣輪機燃料控制原理

徐文濤

(南京汽輪電機(集團)有限責任公司，南京 210037)

近年來，在國家大力提倡分布式能源的主流環(huán)境下，電力行業(yè)在尋求高效、快速、穩(wěn)定的發(fā)電模式中，迅速地將眼光聚焦到燃氣輪機和汽輪機的聯(lián)合循環(huán)上。燃氣輪機具有結(jié)構簡單、緊湊、功率小、低噪聲、起停快、運行過程清潔無排放污染的特性，在保證良好的效率和熱電比的同時，還能滿足周圍企業(yè)的供熱需求，這些優(yōu)點令此種聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電模式迅速地成為了各個經(jīng)濟開發(fā)區(qū)和調(diào)峰電廠的新寵。在燃氣輪機中，最重要的一環(huán)就是高效、穩(wěn)定、可靠地控制燃料的進氣量。我司在引進某型燃氣輪機生產(chǎn)制造過程中，使用GE公司的天然氣控制閥，速比閥和控制閥互相配合，由MOOG閥精確控制液壓油的壓力流量，從而實現(xiàn)天然氣的閉環(huán)控制。下文將分別從天然氣控制系統(tǒng)的控制原理、組成、計算等進行分析描述。

1 燃氣輪機燃料控制的工作原理

燃氣輪機具有良好的效率和熱電比(以某型燃氣輪機為例，見圖1)，對氣體燃料的精確控制是實現(xiàn)良好的效率和熱電比的必要條件。氣體燃料的精確控制是通過VGC(控制閥)和VSR(速比閥)的相互配合，調(diào)整進入燃燒室的天然氣量，從而滿足機組正常運行時的轉(zhuǎn)速和負荷要求。

圖1 基本負荷時某型燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)效率、熱電比(抽凝機)

VSR的作用是調(diào)節(jié)進入控制閥前的天然氣壓力，使流量轉(zhuǎn)化為只與通流面積相關的函數(shù)。

對于天然氣，流量、流速、截面積、壓力之間的關系見式(1):

式中：Q1為流量，m3/s ；μ為流量系數(shù)，與閥門或管子的形狀有關,取0.6～0.65；A為面積，m2；P為通過閥門前后的壓力差， Pa；ρ為流體的密度，kg/m3。

由此可以看出，當一種介質(zhì)通一個閥門時，如果閥門前后壓力差恒定，則流量只與通流面積成正比。

另外，在燃氣輪機正常運行或突發(fā)事故需要停機的時候，控制閥也能夠迅速地截斷燃料，從而實現(xiàn)燃氣輪機的安全停機。以GE公司的燃氣輪機為例，壓力P2(P2為VSR和VGC之間的天然氣壓力)由三個壓力變送器(96FG-2A、96FG-2B、96FG-2C)測量。VGC根據(jù)一個控制系統(tǒng)命令“燃料行程基準(fuel stroke reference,FSR)”控制所需的燃料流量。將VGC上游的壓力維持在一個預定值，可預測燃料流量對VGC命令的響應。根據(jù)轉(zhuǎn)速百分比(TNH)及P2來調(diào)節(jié)VSR，可控制VGC的上游壓力P2。將P2信號(FPG2)與卡件信號進行比較，并進行調(diào)整。VGC根據(jù)燃氣輪機轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)負荷的要求，不斷地調(diào)整控制閥的開度，進而調(diào)節(jié)進入燃燒室的天然氣量[1]。對于一臺聯(lián)合循環(huán)的某型燃氣輪機的純凝機組，標準工況下各負荷對應的天然氣耗量、總熱效率見圖2。

圖2 標準工況下各負荷對應的天然氣耗量、總熱效率

由圖2可以看出，隨著燃氣輪機負荷需求的增加，所需要的天然氣量持續(xù)增加，其總熱效率也是在提高，即對于某型燃氣輪機機組，在基本負荷下，其控制閥和速比閥全開，燃氣輪機性能最佳。

2 燃料控制的驅(qū)動方式及優(yōu)點

目前，市場主流的燃氣輪機天然氣控制閥的控制方式為液壓油控制。閥芯的移動由液壓缸驅(qū)動，控制系統(tǒng)的電氣信號驅(qū)動的3個線圈伺服閥來調(diào)節(jié)執(zhí)行機構油缸中的液壓油。

液壓油來自潤滑油油箱，從滑油母管取油(油壓為0.18 MPa),經(jīng)過輔助液壓油泵增壓至9.3 MPa，經(jīng)過雙聯(lián)過濾器的過濾清潔，向其服務對象包括天然氣控制閥，提供工作所需液壓油。

液壓技術作為一門成熟的應用學科，雖然歷史很長，但依舊充滿生機，發(fā)展速度非常驚人。液壓驅(qū)動扭矩大，單位功率重量輕，結(jié)構緊湊，反應速度快、準、穩(wěn)，又能在大范圍內(nèi)實現(xiàn)無級變速，易實現(xiàn)功率放大，并進行過載保護，又能實現(xiàn)自動潤滑。除此之外，它還有壽命長、制造成本低的優(yōu)點，不但在傳統(tǒng)領域應用很廣，在新興的機器人和工業(yè)控制領域也漸成主力軍[2]。雖然現(xiàn)階段幾個主流燃氣輪機制造公司比如GE、西門子、三菱等正在嘗試使用純電動控制天然氣流量，但在成本、可靠性、響應時間等方面依舊無法達到液壓油控制的程度。

3 閥門流量特性

天然氣燃料控制閥(見圖3)是一種控制氣體流量的高反饋性閥門，主要用于工業(yè)燃氣輪機燃燒系統(tǒng)的天然氣流量控制。其獨特的設計可在非常低的壓力比(P1/P2，P1為VSR前壓力)下產(chǎn)生不受排出壓力影響的流量特性。此設計具有幾乎全行程的線性流量特性，即使在0%到10%的行程，以及10%到100%行程，依舊能保證線性流量特性(見表1)。

圖3 氣體燃料控制閥

表1 各行程對應的線性誤差

4 電液伺服閥

燃氣輪機中天然氣控制閥為MOOG閥，是一種動態(tài)響應快、控制精度高、使用壽命長的電液伺服閥。這種電液伺服閥的液壓執(zhí)行器是通過兩級液壓伺服閥來調(diào)節(jié)執(zhí)行器的輸出軸位置，從而控制氣體燃料閥。第一級扭矩馬達使用三繞組線圈，其控制第一級閥和第二級閥的位置與施加到三個線圈的總電流成比例(見圖4)。其中Q是指驅(qū)動油的流量大小變化,i是指驅(qū)動線圈電流大小。

圖4 伺服閥

如果燃氣輪機的控制系統(tǒng)需要閥門的快速移動以達到向燃氣輪機輸送更多燃料的目的，則總電流增加。在這種情況下，控制端口連接到液壓油入口，傳遞到執(zhí)行器的活塞腔的流速與施加到三個線圈的總電流成比例。因此，打開速度也與提供給扭矩電動機的電流(高于零)成正比。

假如燃氣輪機的控制系統(tǒng)需要快速移動來關閉氣體燃料控制閥，則會提供一個反向電流。在這種情況下，端口連接到液壓排放回路。從活塞腔到排出口的流速與總電流的大小成比例。因此，閉合速度也與提供給力矩電動機的電流成比例。

在零電流附近，伺服閥將控制端口與液壓油進油和排油隔離，使活塞壓力與彈簧平衡以保持恒定位置。控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)輸送到線圈的電流量，調(diào)節(jié)提供給線圈的電流以獲得閥門的適當開度位置[3]。

5 跳閘電磁閥

跳閘電磁閥(20FG-1)使用二位四通電磁閥(見圖5)。該電磁閥是在機組正常停機或事故停機時負責控制閥的遮斷，使控制閥和截止閥迅速關閉，從而達到切斷燃料供應的目的。在起機點火及正常運行時，建立跳閘油壓力，打開燃料控制閥，保證燃料的供給。

圖5 跳閘電磁閥

燃氣輪機控制裝置為電磁閥提供一個單獨熔斷的125 V直流饋線，電磁閥在運行模式下通電，在跳閘模式下斷電。診斷系統(tǒng)在接線板上的電源分配模塊入口點監(jiān)控每個125 V直流饋線，以保證保險絲完整性和電纜連接。

每個緊急跳閘繼電器(ETR1、ETR2、ETR3)的兩個串聯(lián)觸點連接到每個電磁閥的正極125 V直流饋線，每個主跳閘繼電器(卡件中的緊急跳閘繼電器PTR1、PTR2、PTR3)的兩個串聯(lián)觸點連接到每個電磁閥的負極125 V直流饋線。每個電磁閥配套一個節(jié)電繼電器(KE1、KE2、KE3)，常閉觸點與限流電阻器并聯(lián)。這些繼電器用于在電磁閥通電后降低電流負載。ETR和KE繼電器線圈由每個R、S和T段中的I/O組件供電，該組件提供獨立的28 V直流電源。

28 V直流母線為限流母線，用于向外部手動緊急跳閘觸點供電，顯示為緊急停機。如果發(fā)生手動緊急跳閘，三個主跳閘繼電器(KX4、KY4、KZ4)將28 V直流母線從ETR和KE繼電器線圈上斷開。任何源自保護模塊(如EOS)或操作模塊(如手動跳閘)的跳閘將導致三個保護模塊段中的每一段通過IO模塊向控制模塊發(fā)送跳閘命令，并可用于識別跳閘源。

6 LVDT位置反饋傳感器

安裝在每個閥門上的線性變量差動變壓器(LVDT)三冗余傳感器(可選雙冗余或單冗余)為控制系統(tǒng)提供閉環(huán)位置控制所需的閥門位置反饋信號。控制閥使用雙線圈雙桿LVDT進行位置反饋，兩個 LVDT 的反饋信號經(jīng)過伺服放大器，在伺服放大器中兩個獨立的變壓器和一個解調(diào)器將 LVDT 輸出信號解調(diào)為可用于位置控制的直流反饋信號。最大的信號由二極管解調(diào)，并由一個放大器變換為與閥門的正確行程校準值相一致。直流信號經(jīng)過反饋，并在伺服驅(qū)動器電路中的一個誤差放大器的求和點處與 FSR 進行比較(見圖6)。為便于穩(wěn)定的控制，放大后的誤差在經(jīng)過恰當?shù)木夂螅偻ㄟ^積分放大器驅(qū)動伺服閥 65GC。當 LVDT 反饋信號等于 FSR 輸入信號時，伺服驅(qū)動器放大器求和點的目標便達到了。

圖6 燃氣控制閥方框圖

7 動態(tài)參數(shù)調(diào)整

控制系統(tǒng)零電流必須與燃氣輪機中每個閥門的測量電流相匹配。不正確的零電流設置(僅限比例控制)將影響閥門的正確開度。因此必須將控制閥正確的動態(tài)特性輸入燃氣輪機的控制系統(tǒng)，從而確保燃氣輪機的安全有序運行。

一旦控制系統(tǒng)連接到閥門并建立閥門控制，將閥門指令位置設置為全行程的10%，測量每個LVDT的反饋電壓，調(diào)整反饋環(huán)路中的增益，直到反饋電壓與該位置的記錄值相匹配。LVDT位置和FSR對應如圖7所示。 再次將閥門指令位置調(diào)整為全行程的90%， 調(diào)整反饋環(huán)路的增益，直到LVDT反饋電壓與記錄的值匹配為止。最后確認閥門是否在視覺上關閉，并且LVDT的反饋電壓為0.7 V。 有時必須重復此過程以確保10%和90%命令位置處的反饋電壓與記錄的值匹配。

圖7 燃氣控制閥位置回路校準趨勢圖

8 控制閥故障排除事例

以某電廠某型燃氣輪機機組調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題為例，在保證潤滑油、液壓油、控制線路通路沒問題的情況下，在控制系統(tǒng)給出開啟命令時，控制閥沒有任何動作，反饋與實際情況一致。如果一直存在一個“Stale Speed _ trip”信號，即硬件上有跳機信號。燃氣輪機控制盤處于保護狀態(tài)，電磁閥無法正常帶電。此IO保護模塊提供基于實時速度信號，并附加主控制最終檢查的功能，保護工作如下：如果塊脈沖信號被確定為零速度，則保護關閉。如果塊脈沖信號高于零速度，程序包從主控件查看轉(zhuǎn)速的值，若最近的轉(zhuǎn)速值與上一個數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)速值完全匹配，則計數(shù)器遞增，一旦計數(shù)器達到閾值，則宣布并鎖定陳舊速度跳閘；若速度不同，計數(shù)器將被清除。

該保護基于實時速度信號總是抖動或移動少量的情況。如果控制系統(tǒng)從控制器讀取的速度值沒有變化(抖動)，控制器的速度信號完整性缺失。如果跳閘被解除，允許主控制裝置恢復，主控制裝置恢復60 s后備用保護裝置重新啟動。該保護在兩個以太網(wǎng)端口連接時提供對兩個主控件的監(jiān)控。為兩個控件配置時，有一個控制裝置滿足試驗要求就足以防止跳閘。

最終處理方式就是通過一個轉(zhuǎn)速信號發(fā)生器，給控制程序提供一個轉(zhuǎn)速信號，控制系統(tǒng)接受之后，認為具備了控制閥動作的條件，最終允許電磁閥帶電，液壓油進入MOOG閥，從而使控制閥執(zhí)行正常的動作，并通過LVDT反饋回控制系統(tǒng)。

9 結(jié)語

在燃氣輪機運行過程中，控制系統(tǒng)給出FSR信號，經(jīng)過程序計算，給出伺服馬達的控制電流，從而控制伺服馬達，以達到控制閥門開度的目的，然后通過LVDT 的反饋，驗證閥門是否開或者關到預定位置。控制閥的控制特性決定了它的控制曲線越接近線性，控制越準確，所以在燃氣輪機的調(diào)試過程中，要調(diào)整其各個參數(shù)，以達到精確控制的目的，最終滿足燃氣輪機相對應的負荷要求。