M 701F重型双燃料燃气轮机控制模式分析

王 锐，孙永斌

(东北电力科学研究院有限公司，辽宁 沈阳 110006)

白俄罗斯明斯克5号热电站一期改建工程联合循环机组采用“1+1+1+1”单轴配置方式，即安装1台燃气轮机、1台余热锅炉、1台蒸汽轮机和1台发电机。燃气轮机型号为M701F重型，与蒸汽轮机、发电机布置在同一轴上。与国内以往的纯燃气机组不同，本机组主燃料采用天然气，备用燃料采用轻柴油，当主燃料或备用燃料供应异常时，可以通过燃料切换，自动投入到另一种燃料运行，也可以2种燃料混合燃烧，以保证机组长期稳定运行。因此控制模式较常规的燃气机组有所不同，设计更加复杂，以下就机组控制模式［1］进行简要分析。

1 转速控制模式

转速控制模式［2］主要是应用在空负荷模式下的自动同步转速及带负荷模式下的阀位控制操作，控制模式框图如图1所示。

在空负荷模式下，燃机转速可以通过自动同期请求发出的同步信号或手动操作按钮 (GOVERNOR RAISE/GOVERNOR LOWER)来改变。

图1 转速控制模式逻辑框图

在自动负荷调节投入 (ALR ON)且转速控制方式下，自动负荷调节设定值 (ALR SET)与实际功率相比较，再进行比例调节P后，如果差值大于0.15，则发出SPSET UP(转速设定值增)指令;如果差值小于－0.15，则发出转速设定值减(SPSET DOWN)指令，来改变转速设定值 (SPSET)，相当于机组负荷根据ALR SET进行闭环调节，保持机组实际功率与ALR SET相等。

在自动负荷调节退出 (ALR OFF)且转速控制方式下，燃机的转速可以通过手动操作按钮来改变，相当于手动改变机组负荷。

在负荷控制模式下，主控制系统指令输出(CSO)加上5%的偏置后与转速控制模式指令输出 (GVCSO)相比较，如果差值大于0.15，则发出SPSET UP指令;如果差值小于－0.15，则发出SPSET DOWN指令，改变SPSET的转速设定值。

SPREF(转速参考值)=(SPSET+100)*30，在点火升速阶段 (LDON)为0时，SPSET=0.266，SPSET加上100后为100.266，减去E(实际转速得到偏差值)，对该偏差进行增益调节。

GVCSO=E*GV GAIN(转速模式下的增益)+NO LOAD CSO(空负荷主控制指令输出);

燃气工况下GV GAIN=60/4=15，燃油工况下GV GAIN=50.5/4=12.625;

燃气工况下NO LOAD CSO=20.2，燃油工况下NO LOAD CSO=20.4。

MD2(燃机定速且未并网)时，Ts(跟踪信号)为0，此时投入自动同期装置，它会根据同步并网的要求分别产生SPEED UP和SPEED DOWN的信号，使SPSET以一定的斜率增减，从而实现发电机频率与电网频率的匹配。

MD3(发电机出口断路器GCB闭合)时，Ts(跟踪信号)为1，并保持一个运算周期 (50 ms)后，Tr(跟踪值)为6.2，但SPSET的上下限分别为+6%和－4%，因此SPSET实际输出应为上限值6%，根据以上公式，此时SPREF=(100+6)*30=3 180，相当于初负荷时的燃机转速。

2 负荷控制模式

负荷控制模式的功能是通过调节输出功率来维持负荷和频率之间的相互匹配，控制模式框图如图2所示。

在ALR ON且负荷控制方式下，ALR SET与负荷设定值 (LDSET)相比较，如果差值大于0.2，则发出负荷设定值增 (LDSET UP)指令;如果差值小于 －0.2，则发出负荷设定值减 (LDSET DOWN)指令来改变负荷设定值 (LDSET)，相当于机组负荷根据ALR SET进行闭环调节，保持机组实际功率与ALR SET相等。

在ALR OFF且负荷控制方式下，燃机的负荷可以通过手动操作按钮 (LOAD RAISE/LOAD LOWER)来改变。

在负荷控制方式下，当负荷保持信号 (LOAD HOLD)=1时，负荷参考值 (LDREF)=实际负荷 (ACTLD);当LOAD HOLD为0时，LDREF=LDSET。LDSET是一个过程量，主要是根据CRT上的负荷限制设定 (LOAD LIMIT SET)来设定的。当LDSET小于CRT上的设定值时，则增加;反之则减小。

点火升速阶段 (LDON)为0时，LDSET=20 MW，负荷控制模式指令输出 (LDCSO)为45，机组并网带负荷至该初始负荷后，则转由LDCSO进行控制，此时LDSET根据一定的升速率不断增加，控制机组继续升负荷至选定的LOAD LIMIT SET值。

图2 负荷控制模式逻辑框图

3 温度控制模式

温度控制模式［3］的主要作用是限制最大燃料输出，以保证在启动阶段和带负荷阶段时燃机叶片入口烟气温度在安全值，防止温度过高损坏叶片。

M701F的温度控制分为2种情况:叶片通道温度控制和排气温度控制。相应的温度测点为叶片通道温度测点 (20个)和排气温度测点 (6个)，都是环型均匀布置。

一般情况下，燃机透平进气温度 (T3)越高，其功率和效率越高，因此希望在尽可能高的T3下安全运行。但如果T3超出了合理的范围，将会对燃机的安全造成威胁，因此在燃机运行的过程中必须监控温度的变化，以保证T3不超过规定的限定值。T3温度都非常高，M701F级燃机为1 400℃左右，直接测量和控制非常困难。在大气温度不变的稳态工况下，T3和EXT TEMP(排气温度T4)的变化趋势是相同的，而T4远低于透平前温度T3，且T4的温度场也因燃气经过透平做功时有所混合而比较均匀，所以T4便于测量和控制，可以通过测量燃机的排气温度T4来间接反映透平前温度T3的大小。为了反映变化的大气温度，还需要用大气温度 (COMP INLETAIR TEMP)［4］或压气机出口压力 (COMB SHELL PRESS)等参数来修正T4。当大气温度升高时，压气机出口压力降低，为保证T3为常数，则T4增高;相反当大气温度降低时，压气机出口压力升高，则T4降低。排气温度T4和压气机出口压力之间有一条关系曲线，这就是温控基准线，温控基准函数的输出则作为排气温度T4的参考基准值 (EXREF)。

T4=T3* (P4/P3)(n－1)/n

式中:T3为燃机透平进气温度，T4为排气温度，P3为进气压力，P4为排气压力，n为多方常数。温度控制就是基于此曲线来进行的。

因为叶片通道温度 (BPT TEMP)在排气温度的上游，因此叶片温度参考基准 (BPREF)应该比EXREF高，所以EXREF加上BPT BIAS(BPT偏差)即作为BPREF，BPT偏置逻辑控制框图如图3所示。

温度控制系统分别根据参考基准值EXREF和BPREF与相应测量的实际偏差值做比较，输入到有高低值限制的PIQ调节器中，各自的输出则分别为BPCSO和EXCSO。温度控制模式框图如图4、图5所示。

4 燃料限制控制模式

根据燃机转速和压气机出口压力的实测值进行FX函数运算，并通过高选作为燃料限制模式控制指令 (FLCSO)的输出，燃料限制控制模式框图如图6所示。

当MDO－INV(燃料投入)为0时，FLCSO输出为－5%。

ACC(加速状态)为1时 (在500～2 500 r/min)，FLCSO输出随着转速的增大线性增大。当达到额定转速后，FLCSO输出为30，并网带负荷后，FLCSO输出逐渐增大，不可能通过最小选，从而退出实际控制。

图6 燃料限制模式控制框图

所以燃料限制控制［5］只用于启动升速过程中的燃料开环控制。

5 结束语

通过5种控制模式分析可知，在初始点火阶段，通过燃料限制控制模式来控制升速过程;在空载定速时，通过转速控制模式来调整燃气轮机和电网频率的匹配;在带初负荷及升负荷的过程中，通过负荷控制模式来达到预期的负荷功率;在接近满负荷的过程中，切换到温度控制模式，防止燃气轮机超温运行。机组在调试运行的过程中，5种控制模式按照工况的变化进行自动切换，满足了机组根据环境的变化进行自身调节，对今后双燃料机组的调试提供借鉴。

［1］ 王 荣．燃气—蒸汽联合循环电站中的汽轮机控制系统分析 ［J］．燃气轮机技术，1998，11(2):22－26．

［2］ 焦树建．燃气轮机与燃气—蒸汽联合循环装置 ［M］．北京:中国电力出版社，2007．

［3］ 杨瑜文．燃气轮机发电机组功率与排气温度控制［J］．燃气轮机技术，1998，11(2):27－31．

［4］ 郭 磊，崔玉峰，林飞宇，等．某型燃气轮机燃烧中低热值燃料随环境温度变化的控制规律分析［J］．工程热物理学报，2009，30(4):577－580．

［5］ 毛 丹，诸粤珊．三菱 M701F燃气轮机控制系统简析［J］．湖南工业大学学报，2008，22(6):76－79．