三菱M701F4型燃气轮机自动控制过程

摘 要：从三菱M701F4燃气轮机启动过程开始分析机组自动控制方式，重点说明控制系统中转速控制（GOVERNOR）、负荷控制（LOAD LIMIT）、温度控制、燃料限制控制（FUEL LIMIT）在机组自动控制过程中的作用。

Abstract： The article analyzed automation control for M701F4 Gas turbine combined cycle unit， the article pay much attention in instruction for Governor Control/load limit control/temperature control/fuel gas limit control in the unit automation start.

关键词：燃气轮机启动； 负荷控制； 转速控制；温度控制；燃料限制控制； SFC。

1 前言

三菱M701F4型燃气轮机使用清洁能源天然气作为燃料，能源利用的效率可高达90%以上，对环境的影响较小，低NOX、无SO2、、无烟尘排放。其启停快，适合快速调峰运行，设备可靠，能长时间满负荷运转。

三菱M701F4型燃气轮机从盘车转速开始到额定转速由燃气轮机主控制系统（GT CONTROL）自动完成。燃机到达额定转速后，发电机接收到并网指令并网，并网后燃气轮机主控制系统（GT CONTROL）可根据操作员指令或者AGC负荷指令改变燃机输出功率，满足发电机并网发电需求。

2 三菱M701F4燃气轮机自动控制过程

燃气轮机主控制系统（GT CONTROL）在識别判断燃机所有启动条件具备后，燃机进入待启动状态。控制系统接收到操作员发出启动指令后，自动控制系统控制燃机升速。燃机从盘车转速开始到额定转速（3000转/分）过程中转速是控制系统的主要控制目标，同时燃机转速也是控制系统主要控制命令的触发信号。

2.1 三菱M701F4燃气轮机启动第一阶段（盘车状态转速3转/分）

在此阶段燃机在盘车带动下以3转/分的转速连续运行，燃机启动条件全部满足后，燃气轮机主控制系统（GT CONTROL）会发出READY TO START信号，燃机进入待启动状态。

2.2 三菱M701F4燃气轮机启动第二阶段（SFC启动，机组转速从盘车转速升至吹扫转速）

操作员发出NORMAL START 指令后，燃气轮机主控制系统会给SFC发出启动指令和高速盘车请求指令。SFC开始启动驱动燃机转速向目标值（700转/分）提升。燃气轮机主控制系统实时监测燃机转速，当燃机转速升至点火转速（550转/分）时，燃气轮机主控制系统内部计时逻辑开始800秒倒计时，此倒计时时间即为燃机在高速盘车状态下的运行时间。目的是利用燃机高速盘车时压气机产生的气流吹扫燃机燃烧通道，为即将到来的点火阶段做准备。当主控制系统识别到燃机转速升至700转/分时，主控制系统向SFC装置发出高速盘车保持保持信号，此时SFC会停止升速，保持燃机在700转/分速度运行至到吹扫倒计时结束。

2.3三菱M701F4燃气轮机启动第三阶段（吹扫完成，降速点火）

当高速盘车倒计时时间结束后，燃机控制系统向SFC装置发出低速盘车信号，SFC装置控制燃机转速向低速盘车转速（即点火转速550转/分）下降。当控制系统识别出燃机转速降至550转/分时，控制系统向SFC装置发出低速盘车保持信号，SFC驱动燃机维持550转/分运行。于此同时控制系统发出点火命令，控制点火器投入、燃料投入，燃机进入点火状态。待燃机火检装置识别出燃机点火成功，控制系统向SFC装置发出全力输出指令，此时SFC输出力矩与燃机输出力矩共同驱动燃机转速上升。

2.4三菱M701F4燃气轮机启动第四阶段（点火成功升速至额定转速3000转/分）

燃气轮机点火成功后在SFC输出转矩和自身输出转矩驱动下升速。当控制系统识别燃机转速到达2200转/分时，控制系统向SFC发出停止运行指令，SFC开始退出运行，燃机开始自主运行升速。在这一阶段燃机的燃料投入量是在主控制系统逻辑中根据燃机GT SPEED 和COMB SHELL PRESS 的实测值进行函数运算得出，即燃料限制控制FLCSO输出的CSO值。FLCSO输出的CSO值是开环控制，不受任何反馈限制，在燃机燃烧调整工作完成后确定。当燃机转速上升至3000转时，燃机燃料量转为GOVERNOR控制，原因是燃机转速控制GOVERNOR可以更好的维持燃机转速。

以上分析了燃机从盘车转速（3转/分）到额定转速过程中控制系统的主要控制过程，其中对SFC装置的控制是这一过程的核心，燃机转速信号是燃机控制系统所发出指令的触发信号，例如燃机点火命令、SFC退出命令、低压缸冷却蒸汽投入命令、中低压防喘阀关闭命令、都是由控制系统识别燃机转速到达特定数值后触发的。

2.5三菱M701F4燃气轮机启动第五阶段（额定转速并网升负荷）

燃机带动发电机达到额定转速，由操作人员发出并网命令，发电机并网后，燃机进入定速运行阶段。燃机并网后的定速阶段控制相比并网前升速阶段的控制要复杂的多。燃机并网后，燃机需根据电网需求改变输出功率，同时还要求能够保持额定转速运行，并且要保证自身燃烧安全，所以这一阶段的控制比较复杂。

2.6燃气轮机主控制系统（GT CONTROL）并网后控制过程分析

燃气轮机主控制系统（GT CONTROL）逻辑图如图1所示。

2.6.1自动负荷调节ALR（AUTO LOAD REGULATION）

ALR自动负荷调节是指燃机负荷需要自动调节时要投入的功能模块。

在 ALR ON（投入时）的条件下，ALR 的输出作为机组功率设定值ALR SET 送到GOVERNOR 方式或LOAD LIMIT方式回路。（GOVERNOR 方式和LOAD LIMIT 方式是两种并列的控制方式，同时只能选择其中一种，其各自的区别下文中会介绍）

在ALR ON下还有“ALR MAN”和“ALR AUTO”两种方式。在“ALR MAN”方式下，ALR 目标功率可以手动给定或根据机组工况（冷态、温态或热态的暖机负荷）自动给定，在“ALR AUTO”方式下，ALR 目标功率跟踪中调AGC来的目标负荷指令信号，燃机负荷可以根据AGC指令自动设定和调整。

2.6.2转速控制（GOVERNOR）

GOVERNOR（转速控制方式）：这种控制方式表面上看是以增减燃机转速为目的来控燃料量的增减，但是因为发电机并网运行，燃机转速在燃料投入量适当增减时不会变化，而燃料增减时会直接改变燃机输出功率，进而达到了调节发电机输出功率的目的。比如当AGC负荷指令大于发电机实际发出的功率时，ALR接受到AGC的指令后比较判断出AGC指令大于发电机实际发出的功率。ALR就会发出升负荷指令，这个指令被转速控制（GOVERNOR）模块接收，转速控制模块会将升负荷指令转变为升转速指令，GVCSO控制燃料投入量增加，但机组转速因发电机并网受限于电力系统固有频率而不会轻易改变，所以GVCSO开始变大控制燃料投入量增加，最终增加了发电机的输出功率。当发电机的输出功率等于AGC的设定值时，ALR发出负荷保持指令，转速控制模块将接收到的负荷保持指令转变为转速保持指令，将维持此时的燃料量不变，至此升负荷过程结束。在此升负荷过程中如果燃机实际转速确实有增长则GVCSO控制燃料量的增加速率会马上减小，从而保证了升负荷过程中燃机转速的稳定，这也就是转速控制（GOVERNOR）方式的优点。

2.6.3 负荷控制（LOAD LIMIT）

负荷控制（LOAD LIMIT）方式：这种控制方式是直接通过增加燃料量来改变燃机输出功率进而改變发电机输出功率。在升降负荷时不受燃机转速的反馈影响，所以升降负荷快速平稳，这是负荷控制的优点，但发电频率是电能质量的主要指标，负荷控制（LOAD LIMIT）这种不直接引入转速反馈的控制方式无法快速有效的调整发电机频率就成为了它的一大缺点。

3.结束语

以上介绍了燃机启动到并网升负荷过程中主控制系统的控制过程。燃机启动升速阶段燃机转速作为为重要信号输入到主控制系统中用以触发控制命令的发出。机组并网后自动控制系统主要任务转为控制燃机负荷输出以满足发电机并网发电要求，重点介绍了转速控制（GOVERNOR）和负荷控制（LOAD LIMIT）之间的区别。

参考文献

[1] 杨顺虎.燃气蒸汽联合循环发电设备及运行.中国电力出版社，2004.

[2] 燃气蒸汽联合循环发电装置培训教材.南京燃气轮机研究所.2001

作者简介：

张博（1985.2～），男，汉族，吉林长春人，浙江大唐国际绍兴江滨燃气热电有限责任公司，助理工程师.