燃气轮机联合循环机组汽机旁路控制系统的调节与优化运行研究

王晓峰

（中航世新安装工程（北京）有限公司沈阳分公司，辽宁 沈阳 110043）

燃气轮机的动力装置可以简化的表示成由压气机、燃烧室、燃气轮机这三个基本的部分组成。机组运行时，空气首先进入到叶轮式压气机之中，然后再压缩到一定的压力之后，送入到燃烧室内，再和燃油进行混合燃烧，燃烧的燃气温度通常能够达到1800～2300K。这时将二次冷却空气和高温燃气进行混合，使得混合的气体能够降低到需要的适当的温度，最后再进入到燃气轮机内。在燃气轮内的混合气，首先在静叶片组成的喷管中进行膨胀，再把热能转变成动能，这就能够形成一种高速的气流，气流冲进固定在转子上的由动叶片组成的气流通道，最后形成推力来推动叶片，使得转子发生转动，进而输出机械功。燃气轮机所做出的功除了用来带动压气机以外，还将剩余部分的净功量对外进行输出。最终从燃气轮机排出的废气排入大气，放热之后完成整个循环。

1 燃气轮机联合循环机组汽机旁路控制系统的原理

旁路控制对机组暖机/提速、启动/停止、加/减负荷都有积极的作用，直接增加了机组的热力系统的循环倍率，要根据联合循环主设备的热力特性，根据它们的应力曲线来设计旁路控制的启闭规律。旁路控制是由旁路管道、减压减温阀门以及控制机构等部件组成。其主要作用是在机组启动阶段的时候，或者是事故状态下的时候，把锅炉所产生的蒸汽不通过汽轮机而直接引入到下一级的管道或者是凝汽器中。

所谓的布雷顿循环特性参数，其实就是循环增压比和循环增温比。循环增压比也就是循环最高的压力和最低的压力的比值，通常用π来表示。循环增温比就是循环的最高温度和循环的最低温度的比值，通常用τ来表示：

布雷顿循环的热效率取决于循环增压比π，随着π的增大热效率逐渐提高，而和循环增温比τ没有关系。燃气轮机实际运行循环的每个过程中都存在不可逆的因素，在这里只考虑压缩过程及膨胀过程中所存在的不可逆性。

2 燃气轮机联合循环机组汽机旁路控制系统的调节

燃烧室旁路调节阀可调整到燃烧室的空气流量，从而保证燃烧器稳定燃烧，因此，燃空比可以通过此阀来调节；燃烧室旁路阀的控制信号输出为机组负荷、燃烧室压力、压气机入口空气温度和机组转速的函数。

表1 高旁升压的速率

在等待进气时，主蒸汽阀前疏水阀将打开，高压主蒸汽阀在并网5分钟后也逐渐打开一定开度（高压主蒸汽阀属于液压调节阀，因此不像中、低压主蒸汽阀那样保安油压一建立就打开），进行主蒸汽阀的暖阀。汽机的旁路系统将按照最小压力模式下的压力设定值调节，维持各系统在设定的压力。

旁路在最小压力的模式下，能够对蒸汽的压力设定值曲线，增加限速模块来配合系统合理的升温和升压。TCS 能够根据燃气机组启动时的各项参数，把机组的启动状态分为热、温、冷三态。在热、冷、温三种模式下，高旁升压速率的曲线分别由压力的设定值来充当变量的三组分段函数管线，如表1所示。

中旁升压的速率没有分为启机状态，通过f( x)的一个函数来实现，如表2所示。

表2 中旁升压的速率

伴随着燃气机组负荷的提升，在最小压力的控制模式下，旁路的压力设定值也会伴随着升压曲线同时通过速率的限制回路作用进行上升。低、中、高旁路的设定值速率闭锁增定值分别是0.2MPa、0.1MPa、0.03MPa。

图1

3 燃气轮机联合循环机组汽机旁路控制系统的优化运行

燃气轮机的旁路系统有三项功能：启动、溢流和安全。①启动功能是利用旁路系统来改善机组启动的条件，使用旁路系统来控制蒸汽的温度，就能够使汽轮机进汽的温度和汽缸的温度相匹配的过程更加的合理和快速。旁路系统还能够配合汽轮机组实现中压缸的启动和低负荷运行，在低热应力及低消耗的条件下，缩短整个机组启动的时间。②溢流功能是在事故状态时，旁路系统能够排放机组在负荷突降过程中剩余的蒸汽，进而来保证在汽轮机低负荷运行时，也就是带厂用电运行或者是空载运行时，或者在停止运行状态下，来维持锅炉在不投油最低稳燃负荷下的运行，目的就是在事故排除后，能够以最快的速度来恢复带负荷。③安全功能是在汽压过高的时候，旁路系统能够快速进行开启，能够把余蒸汽排入到凝汽器中，以此来代替安全门的相关功能，还不会出现工质的损失以及产生噪声。这三项功能在调峰运行的机组上作用更加的明显，如果单元机组实行的是两班制运行，则可以利用旁路系统来缩短热态启动的时间，提高整个机组的负荷适应性。

汽轮机从开始冲转之后，其用汽量就逐渐增加，因此主蒸汽的压力就会下降，控制器PI1的输入偏差也会下降，控制器的输出控制指令也逐渐减小，因此高压旁路的减压阀也逐渐关闭，会使主蒸汽的压力有所回升。所以汽轮机在冲转、升速直到并网带负荷之前，都是使用旁路控制系统来维持主蒸汽的压力。使用逐渐关小旁路阀的方式，使得之前全部高压旁路系统旁通的蒸汽，逐渐进到汽轮机的高压缸中进行做功。在定压运行的阶段，主汽压不是稳定不变的，而是操作人员根据机组的运行情况而逐步提高的。操作人员在改变压力定值之后，机组的旁路控制系统就会通过改变高压旁路的减压阀开度，来控制主蒸汽的压力为操作人员设定的压力定值。

为了改善温度控制的特性，旁路系统引入旁路蒸汽的流量，来修正喷水控制的强度。考虑在不同的负荷之下，相同的温度差则会有不同喷水的强度，在系统中采用主蒸汽的压力和高压旁路减压阀开度之间的关系，经过处理后计算出旁通蒸汽的流量，使用这个蒸汽流量的信号，来作为乘法系数修正喷水量的控制信号，进而使喷水阀的开度指令伴随着旁通蒸汽的流量增加而逐渐增加。

4 结语

对于燃气轮机的高压旁路及低压旁路以串联的方式构成的旁路系统，在整套机组的启动过程中，高低压旁路需要协调动作，这样才能实现旁路系统的所有功能。通过燃机与DCS通信功能的实现，可以获得联合循环电厂的一体化控制的优势，同型号DCS一体化控制系统会带给人们很多便利，安全、可靠、经济。

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