燃气轮机燃料阀振荡影响简析

(深圳市广前电力有限公司，广东 深圳 518054)

1 燃气轮机燃料供应系统

三菱M701F3型燃气轮机机组燃机装机容量为250 MW，燃料为天然气。燃料供应系统由5个燃料阀组成，其系统结构如图1所示。

图1 燃料供应阀组

燃料分成主燃料和值班燃料两部分。值班燃料采用扩散燃烧，保证燃烧器内火焰不会熄灭。主燃料为预混燃烧，实现低温干烧，降低NOx排放。5个阀门均采用由MOOG伺服阀控制的油动机作为执行机构，LVDT作为阀位反馈装置。

伺服阀在现场调试中按照以下步骤进行调试并确保其参数合格[1]。

1)伺服阀零偏。调整伺服阀滑阀偏置零位，使阀门能在失去电信号的情况下，按照规定速率关闭。本功能在极端情况下能够起到保护机组，避免发生过度热冲击或者燃烧器爆燃爆炸等危险。

2)LVDT的行程标定。在DEH的伺服模块上完成LVDT反馈电压的标定。LVDT的反馈线性度对伺服阀的动作线性起决定作用。反馈电压标定的准确程度决定着阀门全开全关位的准确程度。

3)调整伺服模块的传递函数。通过调整传递函数的比例增益和偏置量，实现对伺服阀灵敏度、准确性和动作死区的调整。

4)全行程联调。测试阀门动作速度、定位振荡等情况。进一步优化伺服模块的传递函数参数，平衡灵敏度、动作死区和阀门振荡三方面的关系，获得最佳的联调状态。

上述调试过程决定着伺服阀的调节品质，其中阀门的振荡是阀门调试时常见的问题之一。

2 燃料阀振荡对各个运行阶段的影响

燃气轮机的点火成败和输出轴力矩都受燃料量的影响，因此燃料阀的工作状态很大程度影响着机组各个阶段的工作情况。

1)点火阶段

M701F3型燃机的点火过程采用开环控制方式。点火时，由TCS系统向DEH系统下发阀门开度指令，并通过DEH系统指挥伺服阀动作。点火时机组的任何状态参数都不用于修正伺服阀开度指令。此时阀门剧烈的振荡可能会造成点火失败。

2)升速阶段

机组升速控制的算法为

CSO=FUELSET-(SPEED-SPREF)×K1

(SPEED>SPREF)

(1)

COS=FUELSET (SPEED

(2)

式中：CSO为燃料量控制信号，基本对应总的燃料量；FUELSET为燃料上限值，防止升速过快导致的机组超温或热悬挂；SPEED为实际转速值；SPREF为转速参考值，根据一定的预设速率逐渐提升；K1为比例系数。

式(1)和式(2)分别是在不同转速情况下燃料对转速的响应函数。

升速阶段采用比例算法，设定值不断变化。燃料量的振荡会造成热能波动，引起动力矩波动，影响转速。式(1)中转速反馈与燃料量形成的自循环会进一步放大振荡。但是，在升速过程中，热能不仅转化为机械能用来提升转速，还用来加热燃机部件，因此热能波动仅有部分能引起转速波动。此外，此时IGV开度约为中间开度，压气机阻力较大，造成转速扰动所需要的动力矩波动较大。由于上述两点原因，在这个阶段阀门振荡所能引起的转速波动相对较小。

3)定速同期阶段

燃机转速达到额定转速后进入定速同期阶段。其算法为

CSO=(SPREF-SPEED)×K2+RATSET

(3)

式中：SPREF为转速参考值，定速阶段为固定值；K2为比例系数，比K1略大；RATSET为额定转速(3 000 r/min)下的理论燃料量。

本算法模拟燃气轮机的静态特性，具体参数根据厂家试验数据确定。此时，燃机已经完成暖机，热能的波动绝大部分转化为动力矩波动。根据式(3)，转速反馈与燃料供应产生控制自循环。此时IGV开度为最小开度位，压气机阻力最小。三个因素综合起来，这个阶段燃料阀的振荡造成的转速波动相对较大。

4)带载阶段

带载阶段的算法公式与定速同期阶段完全相同，但是相关的参数意义不同，有区别的内容如下所述。

SPREF：根据负荷指令及反馈变化，并网后超过额定转速，作为负荷指令；

SPEED：实际转速，并网后完全与电网频率一致。

此时机组转速与电网频率一致，燃料量的变化不引起转速变化。但燃料量波动会影响燃机的负荷输出并引起SPREF波动，SPREF与燃料量给定值之间产生自循环，放大波动。因为燃机本身有一定的热容量且SPREF生成过程中有一定的缓冲算法，波动现象会被弱化。对于联合循环机组，余热锅炉的热容量更能缓和负荷波动。综上，带载阶段燃料量的波动对机组造成的负荷波动也很小，尤其对于联合循环机组，可能会小于升速阶段。

3 运行和故障判断建议

1)转速或者负荷发生异常波动的原因有很多。伺服阀定位振荡、转速负荷测量波动引起燃料指令振荡、AGC指令通信受扰振荡等都是常见原因。通过对不同阶段振荡情况的分析可以初步得出可能的原因。

2)调速系统的执行机构(燃料阀组)在定速阶段的要求远远大于其他阶段，可以基于这一点做出一些合理的运行决策。例如：一台短时顶峰运行的机组，在机组升速阶段正常，但在定速阶段转速波动较大。如果判断故障劣化可能性极小，可以尝试进行同期并网操作而不需要太担心并网后的负荷波动问题。

3)对于运行人员，在监盘时应更加重视机组定速时的转速波动情况，因为该情况能够最敏感地反映出调速系统的工作情况。

4 结语

F型燃气轮机及其改进型是我国目前的主力燃气轮机机组。燃气轮机机组调峰的灵活性也意味着燃料的波动带来的输出能量波动明显。结合燃气轮机的工作原理和控制逻辑可以对不同阶段燃气轮机的“灵活”性进行分析，进而得到一些运行和故障判断的指导建议，同时进一步提高我们对燃气轮机运行中一些特点的认识。