V94.3A燃气轮机控制策略分析

曹 越,章伟杰,杨景祺

(上海发电设备成套设计研究院,上海200240)

V94.3A燃气轮机控制策略分析

曹 越,章伟杰,杨景祺

(上海发电设备成套设计研究院,上海200240)

介绍了西门子V94.3A燃气轮机调节控制系统的划分,依此对其控制逻辑进行分析,并以主控制系统与IGV控制系统协调作用得出用于燃烧的燃料空气比,燃料控制系统用于切换燃烧室的燃烧方式,从而实现不同运行阶段的控制。

燃气轮机；控制系统

随着经济的高速发展,具有低污染的燃气轮机(简称燃机)发电技术与高效率的燃气-蒸汽联合循环技术受到重视。V94.3 A型燃机的控制系统根据功能可以分为调节控制系统、顺序控制系统、保护系统和电源系统［1］。笔者主要对用于调节作用的调节控制系统,包括主控制系统、IGV控制系统和燃料控制系统做研究分析。

1 主控制系统分析

主控制系统是燃机控制系统的核心,承担着燃机从点火到稳定运行阶段的控制任务,其使用最小值选择逻辑来实现燃料量的单变量控制(见图1)。当起步升速控制器(HLG)被选择时,可以通过控制燃料量使机组转速按一定的启动曲线上升；当转速负荷控制器(NPR)被选择时,通过转速或负荷的反馈控制作用可以使机组维持在并网转速或带额定负荷；当排气温度控制器被选择时,保证机组在稳定运行时透平温度不超过允许值；负荷限制、压气机压比限制、冷却空气限制则作为该控制系统的约束条件,来保证机组可以安全运行。

图1 燃气轮机主控制系统示意图

1.1 起步升速控制系统

起步升速控制系统不是在燃机启动后就直接启动。燃机的启动是依靠启动变频器(SFC)来实现的,在SFC的拖动下,当透平发出的功率可以满足燃机系统耗功时,SFC退出,燃机进入独自运行状态［2］。此时起步升速系统的信号被最小值选择器所选择,控制燃机转速按一定的升速曲线上升,直到接近额定转速时,转速负荷控制系统被最小值选择逻辑选择,起步升速控制系统退出作用。控制逻辑示意图见图2。

图2 起步升速控制系统示意图

起步升速系统由HLG、TRIPG和NT模块组成。在NT模块中,实际转速测量值经过信号处理和三选一逻辑后输出NT。HLG模块中设置了启动不同阶段与不同条件下的转速上升梯度,当HLG工作时,通过YS的值来控制燃烧速率。在HLG中设置最小值模块是为了调节燃料供应,避免与实际转速不合适的过大燃料量。当发生跳机时,TRIPG模块给出跳机信号,此时HLG则根据最小燃烧负荷确定出相应的控制信号。在并网转速附近,当转速负荷控制系统被最小值选择器选择时,将YHLG置为120%,从而退出控制。

1.2 转速/负荷控制系统

燃机的转速/负荷控制系统产生转速或负荷控制信号用于燃料量的控制,NPR为双变量控制器。当发电机和主回路断路器断开时,该控制器为转速控制器；同期并网以后,它变为负荷控制器。

V94.3A燃机的转速负荷控制系统由NT模块、转速设定NS模块、负荷设定PS模块、实际负荷测量PEL模块、甩负荷判断LAW模块和NPR组成,见图3。

图3 转速/负荷控制系统示意图

在NT模块中,6个转速测量信号经过滤波和选择之后输出NT给NPR。NSV作为NPR的输入,NS在不同的运行阶段具有不同的值。PSV在发电机和主回路断路器闭合时,作为NPR的输入。实际负荷的两个测量信号经过幅值转换和最大值选择之后得出PEL,进入NPR进行调节作用。在LAW中给出甩负荷指令。以上信号与GSE/LSE共同输入NPR,经过NPR中具有PI功能的控制器以及前馈作用后得出YNPR,进入最小值选择器参与燃机调节。

1.3 排气温度控制系统

排气温度控制系统作用在燃机带负荷运行阶段,通过调节燃料量将燃气初温保持在允许的范围内。V94.3A燃机的透平入口温度会达到1 300℃以上,并且温度场分布不均匀,难以直接测量,所以采用燃机的排气温度为测量对象。

燃机排气温度控制系统主要由排气温度设定TS模块、燃机排气温度修正逻辑ATK和排气温度修正控制器ATKR组成,见图4。

图4 排气温度控制系统示意图

排气温度控制系统的核心为经过处理的温度测量信号ATK与不同运行阶段的温度设定值TS进行比较,将差值作为排气温度PI控制器的输入,从而得出不同时刻的控制量。在ATK模块中,TA经过信号处理后进行平均值计算得出AT。使用TV和NT对AT进行修正,再与ATK24计算后得出用于控制作用的ATK。

1.4 负荷限制控制系统

负荷限制控制系统用于在运行期间防止燃机超过允许的最大负荷值。当燃机的负荷超过允许的最大负荷值时,燃机中工质的温度、流量会超出额定值,燃气温度的上升对透平入口叶片的安全构成了威胁。负荷超出允许值可能会出现在如下几种情况中：负荷设定值很高,外界温度下降,注水方式运行［3］。

负荷限制控制系统包括燃机功率计算模块PGT和负荷限制控制器PGR。控制原理见图5。

图5 负荷限制控制系统示意图

ATK、PV2MAX和TV输入该模块经过计算后,得出该条件下的燃机的PGT1。如果目前运行大于计算的最大出力,应减小燃机的实际负荷指令。汽轮机离合器闭合信号KUPE在该模块中控制燃机功率在测量值与计算值之间进行切换。当KUPE=0时,PGT=PEL；当KUPE= 1时,PGT=PGT1。PGR使用PI控制器,PGT与PGR的设定值的偏差作为控制器的输入,得出限制负荷的控制量,用于限制机组的功率。

1.5 压气机压比限制控制系统

压气机压比限制控制系统使用压气机压比限制器VPVR把压气机的压比限制在允许范围内。压气机压比限制器也具有比例积分PI形式,见图6。

图6 压气机压比限制系统示意图

TV和NT通过计算得到NSTERN；HVL经过计算得出LSV；NSTERN和LSV经过分段线性函数关系得出PIVMAX。PV2MAX除以压气机进口压力PVI得到当前的PIV。PIV信号有两个作用：一是输出至冷却空气限制器KLGR参与调节作用；二是与PIVMAX作差,得出XDPIV。XDPIV分别作用于PI控制器和参与IGV控制,当偏差信号以较慢的速度接近喘振极限时,通过改变IGV角度进行调节；当以较快的速度接近喘振极限时,燃料量作为IGV调节的前馈控制信号,通过减小燃料量来降低压气机出口压力。XDPIV信号经过计算得出XDVPVR作为PI控制器的输入,PI控制器输出经过0～106%的限制得到YVPVR输入最小值选择器。XDPIV信号还经过比例运算得到XDVP,作用于IGV控制。

1.6 冷却空气限制控制系统

在冷却空气限制控制系统中,冷却空气限制器KLGR的作用是使机组不进入透平叶片冷却空气供应不足的运行状态。

冷却空气限制器具有比例积分PI结构,见图7。

图7 冷却空气限制控制系统示意图

NSTERN和LSV经计算后得出PIVMXL,它与VPVR模块中得到的PIV的偏差作为PI控制器的输入值,经过PI和0～106%限制作用后得到YKLGR输入最小值选择器。偏差取负值后作为XDKL进入LTR模块,参与IGV角度的控制。当IGV没有全开时,通过KLGR对导叶的作用信号来增大空气质量流量以保证冷却；当IGV全开时,则通过最小值选择器减小燃料供给量来减小透平叶片的热负荷,从而改善冷却。

1.7 最小值选择门

最小值选择门的逻辑示意图见图8。

图8 最小值选择门逻辑示意图

中央最小值选择逻辑从YNPR、YHLG、YPG、YATK、YVPVR、YKLGR和105%中选择最低的信号值作为输出,当相应的信号被选中时,在相对应的位输出信号1表示该控制器动作。YMIN减去来自燃料控制系统的JEGMIM和JPG后,得出JVAR,它作为燃机控制系统的控制变量来控制燃料量的变化,从而达到控制燃机机组的目的。YMIN同时输入进口导叶温度控制器LTR,作为前馈控制信号来参与IGV控制。

2 IGV控制系统分析

压气机进口可转导叶IGV控制系统通过IGV叶片转角的变化限制进入压气机的空气流量,用于启动和停机过程中防止喘振,以及维持排气温度在燃机运行的需求值,从而确保透平进口温度不超温。在联合循环机组中,为了保证整个联合循环的高效率,可以调整IGV的角度,使得燃机工作在非额定负荷工况,以降低压气机入口流量来维持高的燃机排气温度,从而匹配余热锅炉的设计工况。

V94.3A型燃机的IGV控制系统由LTR和进口导叶位置控制模块LSRS组成,见图9。

图9 IGV控制系统示意图

在LTR中,GLT计算得出GLTDVL,作为IGV控制的排气温度设定值。选择XDVP和XDKL中的较大值,经过带有0～10%限幅的积分模块,得到DWLTR。LTR采用比例积分PI结构,输入偏差信号为ATK、GLTDVL和DWLTR的差值,经过控制器的作用将温度偏差信号转化为压气机质量流量信号。为了避免动态负荷变化时的显著温度控制偏差,在进口导叶温度控制中加入了前馈控制环节,JGES(即YMIN的输出)经过分段线性函数计算得出相对应的压气机质量流量前馈控制信号,它与PI控制器的输出的压气机质量流量相加,得到相应输入情况下的压气机质量流量。最后通过LTR中分段线性函数的计算得出一定压气机质量流量下的YLTR,作为压气机LSRS的设定值。

LSRS用于控制导叶的位置。LTR的输出YLTR与测量得到的HVL的偏差为XD,经过增益为20的比例作用和-100%～100%的限幅环节后输出YLSRS,用于带动伺服马达来给IGV定位。

3 燃料控制系统分析

控制燃机的运行参数就是控制燃烧室的燃烧情况,V94.3A机组采用环形燃烧室,燃料流量通过先导气阀门、扩散燃烧阀门和预混燃烧阀门来控制［4］。燃料流量控制中,先导气流量为根据所测系统状态确定的一个流量值；分别用于扩散燃烧和预混燃烧的燃料流量由天然气分配器根据主控制系统输出的总燃料可变用量来确定。

在燃料系统中,先导气阀门、扩散燃烧阀门和预混燃烧阀门的控制系统都是由阀门升程计算模块、阀门升程控制模块以及伺服和执行机构组成的。在升程计算模块中,通过流量与阀门位置的函数关系来得出升程控制器的控制信号。阀门升程控制器是比例控制器,输入为阀位设定值与阀位反馈值之差,输出为阀门控制信号。经过伺服之后,控制信号作用于积分形式的执行机构,实现燃料阀门的无差控制。天然气分配器内部有一个顺序逻辑,随着条件的改变,输出用于燃机启动不同阶段的预混燃烧和扩散燃烧的比例。

4 结语

西门子V94.3A燃机的调节控制系统通过调节燃料量和空气量的配比,完成燃机机组的控制。主控制系统通过最小值选择逻辑给出燃料值,保证机组的输出功率,不同运行阶段最小值选择器会选择不同的控制信号作为其输出。燃料控制系统使用主控制系统给出的燃料量,计算出先导气燃烧、扩散燃烧和预混燃烧的配比来组织燃烧室的燃烧。

［1］中国华电集团公司.大型燃气-蒸汽联合循环发电技术丛书：控制系统分册［M］.北京：中国电力出版社,2009.

［2］姚秀平.燃气轮机与联合循环［M］.北京：中国电力出版社,2010.

［3］黄瑜,崔红星.西门子V94.3A燃气轮机控制器作用机理及结构特点［J］.河南电力,2007(1)：62-64.

［4］王鑫.V94.3A型燃气轮机燃烧控制分析［J］.发电设备, 2010,24(6)：453-456.

Study on Control Strategies of V94.3A Gas Turbine

Cao Yue,Zhang Weijie,Yang Jingqi
(Shanghai Power Equipment Research Institute,Shanghai 200240,China)

An introduction is being presented to the control system classification of Siemens V94.3A gas turbine,according to which an analysis was carried out to the control logic.The master control system cooperates with the IGV control system to determine the ratio of fuel and air,and the fuel control system can switch the combustion method.Above control systems help to realize control over different operation stages.

gas turbine；control system

TP273

A

1671-086X(2015)03-0176-04

2014-08-14

曹 越(1989-),男,在读硕士研究生,研究方向为电站主、辅机控制。

E-mail：caoyue174@163.com