GE9F燃氣輪機主要控制系統及I GV系統分析

宋黨科

（杭州華電半山發電有限公司，杭州 310015）

1 GE9F燃氣輪機概述

GE 9F燃氣輪機的燃機本體由進氣缸、壓氣機缸、透平缸等組成。在進氣缸中包括軸承與軸承座，軸承數量為2個，利用4個支撐連接機組底座與機組；壓氣機、燃氣透平分別為18級與3級。在燃氣輪機中，壓氣機是主要部件，空氣的吸入是通過進氣系統實現的，使高壓空氣可以連續不斷地提供給燃燒室。支撐設置在機組與底座之間，二者連接是由剛性聯軸器完成的，在軸承的中心線位置，汽輪機高壓缸前機箱固定在基礎板上，固定方式為軸向和橫向鍵錨，然后將其固定好，使用腳螺栓壓緊。燃機的前支撐在這種方式的應用下會有微量的移動情況，因此，將復合導向鍵增加到壓氣機進氣缸下部，將軸向連接桿設置在燃機進氣缸和汽輪機的前機箱之間，保持軸向連接桿可以調整與自對。

機組前端是壓力機進氣缸，為喇叭口狀，主要材料為球墨鑄鐵。轉子由軸承支撐，并能為轉子高速轉動提供承力部分。壓縮空氣裝置為壓氣機缸，材料為球磨鑄鐵。壓氣機與透平之間設置燃燒室，在壓氣機排氣缸上設置整個部件，將透平一級噴嘴連接在里側，在與壓氣機氣缸進行連接時要使用螺栓進行固定。貫穿螺栓結構的是透平轉子結構，由透平前半軸、葉輪等組成[1]。透平轉子通過葉輪輪軸和級間輪盤上的配合止口控制各部件的同心度（見圖1），這些部件可以通過貫穿拉桿螺栓壓合在一起。螺栓壓緊各級輪盤間產生的摩擦力能克服一部分對扭矩。透平轉子的動葉片尺寸由第一級到第三級逐級增高，二者葉高分別為386.69 mm、519.6 mm，空氣壓力通過每一級的能量轉化逐漸減少，燃氣的流量接收可以通過環形面積增加得以實現，確保流量在各級相等，透平動葉在每級都為92片。

圖1 透平轉子

2 GE9F燃氣輪機主要控制系統特點

根據負荷指令、排氣溫度等基本同條件，燃氣輪機主要控制系統可以對燃料量進行調節。基于傳感器的假手運動模式識別及控制系統（FSR）由啟動控制系統、轉速控制系統等8個子系統組成。燃料控制分量可以計算得出，對通迭代計算，控制輸出可以選擇最小值[2]。在控制裝置中，壓氣機進口導葉（IGV）發揮著重要作用，可以對燃機排氣溫度予以控制，防止壓氣機出現喘振問題，保證燃機安全。

2.1 轉速與功率調節特點

燃料量在啟動過程的主要特征是開環控制，不同階段的燃料設定值要按照啟動工況對應的邏輯信號給出。燃機由變頻啟動系統（LCI）控制發電機，能及時完成清吹工作，使燃機具備點火條件。點火值與燃料量數值上相等，完成點火并成功后，燃機的燃料量會下降，在下降為暖機值時，燃料量會按照一定的速度增加到最大值，最終退出控制。帶負荷運作期間，轉速/功率控制和溫度控制兩個回路是燃機的重要內容。燃料量的調節是轉速/功率調節回路的主要工作，保證燃機發動功率可以滿足預設值。

燃機在并入電網之后，系統頻率會對其轉速產生影響，將頻率擾動忽略，轉速可以認為是恒定值。將單向控制調節器作為轉速控制回路，在有差調節時，要以外回路輸出的轉速作為基準進行調節，燃料基準是輸出值與經實功率和燃料量修正的空載燃料量之和。要求使用數字積分的方式對轉速基準進行改變，數字積分的對象為大于死區（又稱儀表的不靈敏區）設定值的功率偏差。

2.2 負荷調節特點

并網成功之后，熱備用負荷可以由燃機自帶，約為8%，對逆功率動作予以防止。同時系統還有預設負荷、遠方DCS負荷等，通過這些不同的負荷可以對負荷設定值進行改變。模擬量負荷指令是預設負荷與遠方DSC負荷采取的控制方法。在基本負荷模式的選擇下，設施會使功率控制回路設定值發生改變，變為極限值，輸出的轉速控制的燃料量（FSRN）會在轉速基準上升下出現增加，也會讓燃機負荷增加，排氣溫度也會跟著升高。為對排氣溫度進行控制，壓氣機進口導葉角度會增加。進口導葉角度在開到最大之后，溫度基準要小于排氣溫度。投入溫度控制回路之后，燃料的增加與負荷的增加得以有效抑制，透氣進氣溫度得到有效控制，能確保其在允許范圍內，透平葉片不會受到溫度過高的影響而發生損害。

2.3 溫度控制系統的特點

在未投入燃料前，溫度控制系統屬于開環狀態，是一階慣性環節，能跟蹤燃料基準。當溫控系統輸出小于轉速/功率控制系統輸出被選中后，溫控系統會形成閉環PI調節回路[3]。透平的排氣溫度是溫度系統的被調量，但透平的工作溫度是溫控的最終目的。一級噴嘴處是透平溫度最高的位置，但在對溫度進行測量時現有技術難以完成，工作溫度也可以由排氣溫度間接反映，進氣溫度的控制可以通過排氣溫度的控制完成。所以，溫度控制基準的計算是溫度控制系統的關鍵。

2.4 啟動工作狀態

啟動控制系統運行同時，還會在燃機暖機的升速過程發揮作用，在暖機速度控制過程中FSRSU（啟動控制系統信號）繼續以預定速率上升到燃機加速控制燃料量的最大值，能避免在熱應力的作用下對燃機產生沖擊。轉速控制回路在轉速達到修正轉速的90%時也會介入，燃機實際轉速隨轉速基準燃機轉速基準升高，這時轉速控制與加速控制共同控制轉速。

IGV在啟動時在全關位置為28.5°（全速角），IGV打開到（最小全速角45.5°），要求燃機為85%～89%修正轉速。負荷要在并網后增加，為使IGV保持最小全速角45.5°，要對IGV的溫控方式進行合理選擇；然后對負荷進行增加，排氣溫度、氣壓機壓比會上升，IGV會在排氣溫度與壓比在IGV溫控基準時打開，角度為88°。

3 GE9F燃氣輪機主要控制系統及I GV系統分析

3.1 GE9F燃氣輪機主要控制系統

3.1.1 轉速控制系統

在對燃料量進行控制時，可以利用轉速控制，通過式（1）進行計算。為確保機組并網不會發生逆功率跳機問題，要求轉速略高于額定轉速。在全速空載條件下，確定轉速為3 006 r/min。

式中，nOFSR為燃機額定轉速下的空載定值；K為轉速不等率；nTNR為轉速基準；nTNH為實際轉速。

同轉子角速度與給定值進行比較控制實現加速度控制，可以對燃機加速度進行限制。加速度控制可以對動態超速啟動期間燃機的加速度進行控制，熱效應力會減少對燃機的沖擊，能讓機組的安全性得到保證。通過加速度控制算法確定FSR，計算公式為：

式中，FSRN為有差轉速控制的輸出FSR；FSRN0為額定轉速空載的FSR；KDroop為決定有差轉速控制不等率的控制常數；TNR為燃機轉速基準；TNH為燃機實際轉速。

有差轉速控制不等率δ（轉速變化量為額定負荷條件）由式（3）計算：

式中，FSRNB為額定負荷增加值。

3.1.2 溫度控制系統

用FSRT表示溫控系統輸出的FSR，其溫度控制原理如圖2所示。

圖2溫度控制系統原理

圖2 中，TTXM、TTRX、CPR、TTKI分別為經算法處理后的排氣溫度、溫控基準、壓氣機壓比、常數溫度。可以使用式（4）對溫差Δt進行計算：

式中，t1為TTRX的值；t2為TTXM的值。

TTKI、排氣壓計算出的溫控基準TTRXP1、FSR計算出的溫控基準TTRXS1是溫控的3個基準。速率控制會影響溫控基準，所以，速率要盡可能控制小。

3.1.3 排氣壓力控制系統

控制壓比是空氣壓力控制的主要來源。用FSRCPR表示排氣壓力控制輸出的FSE，壓氣機為防止由于高溫而發生的喘振，要通過排氣壓力控制。氣壓機排氣壓力、大氣壓等共同決定CPR，在對壓比偏差進行計算時，可以使用式（5）計算：

式中，CFSRCPR1為壓比偏差；CPRLIM為壓比極限值；CPR為壓氣機壓比值；CPKERRO為壓比偏差的偏置數。

在對排氣壓力控制輸出的FSR值進行計算時，可以使用式（6）計算：

式中，COKFSRO為壓比極限的FSR偏置常數；k為增益常數；FSRtc為時間漸變函數。

排比壓比與CPERR1、FSRCRP成反比，這樣就可以對燃料進行限制。

3.2 I GV系統

避免壓氣機喘振、控制好燃氣機輪排氣溫度與溫度匹配是IGV系統的作用。燃氣輪機在汽輪機沖轉前要與循環機組聯合，限制好排氣溫度，確保排氣溫度與汽輪機金屬溫度相匹配，讓汽輪機進氣工作能正常運行。溫度控制基準與修正轉速控制基準是其兩個控制基準。IGV的值可以通過轉速控制計算而出：

式中，nCSRGVPS為轉速控制基準；nTNHCOR為修正轉速。

在對IGV溫控基準進行計算時，計算方法與排氣溫控基準相同，燃機的排氣溫度必須控制在溫控線所限制區域內，相比于基本溫控點，IGV基準溫控點要低6℃。

4 結語

綜上所述，通過對GE9F燃氣輪機主要控制系統及IGV系統的分析，發現主要控制系統及IGV系統在設計時需注意諸多要點，需合理確定荷載，對溫差、壓比偏差及轉速等進行有效控制，確保GE9F燃氣輪機的穩定可靠運行。