西门子H级燃气轮机的主要系统及其控制与保护

陈 凯， 李建伟， 毛志伟

(1. 杭州意能电力技术有限公司， 杭州 310014； 2. 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院， 杭州 310014)

西门子H级燃气轮机是西门子综合了原V94.3A系列燃气轮机和原西屋W系列燃气轮机的成熟技术而创新研发的系列产品。至2019年2月，西门子SGT5-8000H燃气轮机的商业运行小时数已经达到了百万小时。SGT5-8000H燃气轮机在ISO条件下出力达到了435 MW以上，压气机压比为19.8，单循环发电效率高于40%，联合循环效率高于61%。相对于F级燃气轮机，SGT5-8000H燃气轮机在结构上最大的区别是采用了环管型燃烧室，以及压气机在进口可转导叶(IGV)后的三级静叶采用了可调静叶(VGV1、VGV2、VGV3)。由于国内还没有H级燃气轮机投产，国内文献都是针对F级燃气轮机及其联合循环机组[1-6]，对H级燃气轮机的文献也都是注重概述性介绍[7-9]。本文作者通过西门子SGT5-8000H燃气轮机的调试工作，根据控制逻辑整理了三个主要系统：IGV(VGV)系统、燃烧系统、防喘放气及透平静叶冷却系统的结构特点及相关控制与保护，希望从细节上描述SGT5-8000H燃气轮机，并重点突出H级燃气轮机与F级燃气轮机的不同之处。

1 IGV(VGV)系统及OTC控制

1.1 系统介绍

SGT5-8000H燃气轮机的压气机共13级，前4级包含1级进口可转导叶IGV和后面的3级可调静叶VGV(VGV1、VGV2、VGV3)。相比F级燃气轮机的空气流量调节范围约为70%～100%，H级燃气轮机空气流量调节范围增大为 50%～100%。因此其中间部分负荷性能较F级燃气轮机有所提高。

燃气轮机排气温度控制是燃气轮机自动控制系统的核心，由IGV(VGV)开度控制器和燃气轮机出口温度(OTC)控制器两部分组成。两者都采用排气温度的修正值作为被调量，但二者又有不同之处：开度控制是在IGV(VGV)处于全关和全开状态之间，可以自由调节开度时起作用，通过改变IGV(VGV)的开度来控制部分负荷下的燃气轮机排气温度；OTC控制是在IGV(VGV)在全关或者全开情况下起作用。在IGV(VGV)全开时用于限制机组在额定负荷下不超温，在IGV(VGV)全关时可以保证燃气轮机排烟温度和汽轮机金属温度相匹配，有利于汽轮机的冲转、并网和稳定运行；OTC控制器调节的是燃料阀开度，用于控制燃料量。为防止两者之间相互干扰，当处于IGV(VGV)开度控制时，OTC控制器的设定值在IGV温控设定值的基础上自动增加10°，保证在部分负荷下OTC控制器不动作；同样，在OTC控制模式下，为防止IGV(VGV)在全开位置波动，将在温控设定值的基础上自动减去一个常数TR(TR在2°～5°)，保证IGV(VGV)留在全开位置，便于OTC进行排气温度控制。

1.2 IGV(VGV)的开度控制

IGV(VGV)的开度控制主要包含了温度控制器和角度控制器。温度控制器的输出值叠加上燃料前馈形成的最小值，经过函数转换，最终得到角度输出指令。IGV的角度输出指令加上角度修正值，经过最大最小限幅块后，转换到百分比指令送到快速响应AddFEM Poco+卡，进行IGV开度的控制。同时为了提高IGV(VGV)开度控制的响应速度，在开度控制的温度调节回路引入了前馈量YMincal，当YMincal超过0.323时，IGV(VGV)便会逐渐开启，其中YMincal=(KN-Ka)/Kp，KN为燃料指令，Ka和Kp为压气机入口压力、入口温度修正系数。

在机组启动前，IGV和VGV的初始角度(最小开度)是不一样的，但3个VGV的开度和IGV都成不同的比例关系，如表1所示。同样，3个VGV的开度指令也简化成IGV开度指令乘以相应的系数，如图1所示。

表1 IGV(VGV)的开启范围

图1 IGV(VGV)的开度指令

1.3 OTC控制

H级燃气轮机的透平出口温度OTC的实时计算值采用的是扩散段的温度平均值，而F级燃气轮机采用的是透平排气出口的温度平均值。STG5-8000H型燃气轮机的OTC计算公式如下：

(1)

其中：①TOP为燃气轮机排气扩散段的6对热电偶温度12个温度测点取平均；②K1到K11，a,b,c都是常数；③DNN=1-NT/50，NT为燃气轮机转速；④TV1为压气机入口的6对热电偶温度12个测点取平均值；⑤DEW为进气露点温度计算值。

OTC设定值共由三部分组成，分别是过程温度控制回路(TSXW)温度、最大限制(TSMAXW)温度、压气机入口温度函数设定值(TS)，三部分定值在机组正常运行期间三者取小的关系共同运行，作为排气温度调节器的设定值，实时控制燃气轮机排气温度数值，保障机组安全运行。

(1) TSXW温度设定在汽轮机启动、升速、并网带初始负荷阶段，为保证汽轮机进汽压力、温度、流量各参数在合理范围之内，协调控制系统过程温度控制回路计算出温度数值作为燃气轮机排气温度控制器的设定值。

(2) TSMAXW温度在联合循环工况下，为保证锅炉高、中压主蒸汽温度不超过限值，协调温度控制回路计算出温度数值作为燃气轮机排气温度控制器的设定值，以保证燃气轮机排气温度不超过锅炉所能承受温度的最大值。

(3) 压气机入口温度函数设定值TS根据燃气轮机性能曲线，由压气机入口温度、燃气轮机负荷、压气机入口压力、HCO系统修正、NOx排放修正等经过一系列运算转换生成。设定值主要通过燃气轮机相对负荷Pe/Pg对应的负荷温度函数取得，其中Pe为经过惯性处理的燃气轮机实际负荷，Pg为修正过后燃气轮机最大负荷能力，Pg=TV1×F(X)×K12×(Pin/K13)×435+TV1×K12×F(X)×(Pin/K13)×435×K14×F(Ttabnox)。 其中：①TV1为压气机入口的6对热电偶温度12个测点取平均值；②Pin压气机入口压力；③K12为HCO修正系数，K13、K14为常数；④F(Ttabnox)NOx低温修正函数。

2 燃烧控制

2.1 天然气流量控制

SGT5-8000H燃气轮机燃气系统如图2所示，从上游至下游依次是滤网、隔离阀、排空阀、紧急关断阀、排空阀和4个调节阀(A级调节阀、B/C级调节阀、先导值班级P级调节阀和D级调节阀)。隔离阀、紧急关断阀和排空阀采用压缩空气做控制气源；调节阀采用液压油做控制油，通过伺服阀控制。

图2 燃气系统示意图

SGT5-8000H燃气轮机燃烧室采用环管式结构(F级燃气轮机燃烧室为环形燃烧室)，共有16个燃烧室。西门子公司将整个燃烧系统称之为平台燃烧系统(Platform Combustion System简称PCS)。PCS燃烧系统采用分级燃烧的设计理念，分为A、B、C、D和先导值班级，其中A、B/C为预混燃烧级，D级为先导预混燃烧级，D级燃烧器以调整燃烧的动态特性为目的。P级燃烧器为先导值班扩散方式，以调整燃烧动态特性和改善污染物排放为目的。标准状况下，在40%～100%负荷段透平排气都能达到NOx<50 mg/m3。

机组在天然气燃料模式下，机组盘车转速由变频启动装置(SFC)拖动至清吹转速。清吹结束后，机组降速至点火转速393 r/min，激活点火器，此时燃气轮机主控处于升速控制器控制，先导值班级P调节阀和D阀开启。点火成功后，机组开始升速；当转速达到840 r/min, A调节阀开启，机组由SFC和透平自身做功共同推动机组升速；转速升至2 100 r/min，SFC脱扣；当转速升至2 820 r/min,燃气轮机由升速控制器转为速度控制器，直至转速达到额定转速。并网成功后，燃气轮机转为负荷控制器控制，当燃气轮机负荷达到11%标准负荷Pg(修正过后燃气轮机最大负荷能力)时，打开B/C级调节阀。然后各个调节阀按负荷和流量指令，通过调节燃料阀的开度，增加燃气流量，直至机组满负荷。机组停机时，负荷降至6%标准负荷Pg，关闭B/C调节阀，然后至发电机出口断路器分闸，A调节阀，先导值班级P调节阀，D调节阀同时关闭，机组惰走，转速降至盘车转速。

2.2 燃烧脉动的监测及保护

机组运行中燃气轮机的燃烧室可能会存在燃烧的不稳定性，主要表现为燃烧室内压力在典型的频率范围内脉动幅值上升。必须及时检测和有效抑制压力脉动振幅的增加，以防止对燃气轮机部件造成的损害[10-11]。

SGT5-8000H燃气轮机的燃烧脉动监视和保护系统将燃烧室内的脉动频率分为三个频段：低频段(LFD)，频率范围15～40 Hz；中频段(IFD)，频率范围40～1 000 Hz；高频段(HFD)，频率范围1 000～10 000 Hz。

不同频率范围内压力脉动振幅的增大有不同的影响。低频脉动(LFD)可引起机械振动的增大和噪声水平的提高。在极端的情况下，LFD现象会引起火焰的熄灭。高频脉动(HFD)的影响最为严重，因为它们使燃气轮机部件在短时间内承受多次载荷循环。燃气轮机部件受HFD幅值的极大影响，在短时间内就会损坏。在中频脉动(IFD)范围内的压力脉动振幅可能是LFD和HFD现象影响的组合。尽管如此，中频范围的影响并不明显。通常，在中频范围内允许的压力脉动振幅高于LFD或HFD范围。

燃烧室压力脉动通过16个燃烧室压力传感器直接送到AGRUS分析系统，然后通过PROFIBUS现场总线的方式，将数据传送到燃气轮机主控系统T3000。在不同燃烧模式下，以及在不同相应频段范围内，压力脉动幅值超过限值，机组会触发报警或者是减负荷，具体如表2所示。

表2 燃烧脉动保护定值

如果压力脉动幅值超过高一值，则发出报警，并影响燃料流量控制(仅适用于LFD和IFD)，会作用到先导值班级P调节阀和D级调节阀改变燃料量以稳定燃烧。对于IFD-2范围内的燃油模式运行下，将通过A级和B级注水调节阀改变注水量以稳定燃烧。

如果压力脉动幅值在LFD或IFD范围内超过高二值时，第一步是快速作用到燃气先导值班级调节阀上，如果继续上升，触发机组正常减负荷。如果是在HFD范围内超过高二值，机组会直接快速减负荷。

如果压力脉动幅值超过高三值，机组将直接快速减负荷。

在燃气轮机点火和升速阶段，在IFD-1范围内如果压力脉动幅值超过9 kPa，直接触发燃气轮机跳闸。

3 防喘放气及透平静叶冷却气系统

3.1 系统介绍

西门子SGT5-8000H燃气轮机采用全气冷却方式。透平动叶的冷却气是从相应的压气机级后通过转子中间轴向通道进入动叶。防喘放气系统和透平静叶冷却气系统也是从压气机特定的级后抽气作为气源，如图3所示。防喘放气系统从压气机第5和第8级抽取压缩空气通过管道直接排放到燃气轮机排气段，一共三路防喘放气管道。压气机排气的一部分通过内部管道直接去冷却透平第1级静叶，压气机第11级抽气通过两根冷却气管道去冷却透平的第2级静叶，压气机第8级抽气通过两根冷却气管道去冷却燃气轮机透平第3级的静叶，压气机第5级抽气通过一根冷却气管道去冷却透平第4级静叶。其中防喘放气阀采用全开全关的气动阀；而冷却气阀门采用气动调节门用于自动调节，其控制气源由燃气轮机位于润滑油系统平台上的空压机系统提供。到透平第3级静叶冷却和防喘放气是公用一根管道，到透平第4级静叶冷却和防喘放气也是公用一路管道。

图3 防喘放气和冷却气系统示意图

在压气机入口安装有三个喘振保护差压开关，燃气轮机压气机排气压力用三个压力变送器测量，逻辑中三个值取平均值，用于燃气轮机控制。每一级透平都安装有两个压力变送器用来测量每一级静叶持环冷却空气压力。相比西门子F级燃气轮机，H级燃气轮机在透平第1级增加了冷却空气压力测点监视，并且参与燃气轮机的控制与保护；透平第2级还安装有两个测温热电偶，用来测量透平第2级静叶持环温度。

3.2 防喘放气阀的控制和保护

(1) 防喘阀开环控制

在机组启动的最初阶段，防喘阀会有一个功能测试，自动全开然后再关闭。当机组启动后，转速升至240 r/min时，防喘阀全开且一直保持全开，直到转速到达2 790 r/min后全部关闭。当机组跳闸触发时，所有防喘阀立即全开。等到燃气轮机完全停止后所有防喘阀关闭。

(2) 防喘阀保护功能

燃气轮机转速从120 r/min升至2 820 r/min，此时燃气轮机处于升速控制模式，任意一个防喘阀未打开，触发跳闸。

当燃气轮机在负荷运行阶段，如果任意一个防喘阀未关，则机组负荷自动降，然后自动停机。

燃气轮机并网之后，当电网频率发生突降时，当频率降至46 Hz以下，为了保护燃气轮机不发生喘振，所有防喘阀立即打开，避开压气机典型的喘振转速范围，并触发燃气轮机跳闸。

燃气轮机停机之后，如果任何一个防喘阀未关，则在两小时内禁止再次启动机组。

3.3 冷却空气的控制和保护

(1) 透平第1级静叶冷却

透平第1级静叶冷却空气来自压气机出口，两个绝压变送器用来测量第1级透平冷却空气压力，两个压力值取小，然后根据此压力和压气机出口压力的比值，决定机组减负荷或者跳闸。

(2) 透平第2级静叶冷却

透平第2级静叶冷却空气抽自压气机第11级抽气点，采用两路分支管道系统，每一个抽气管道设置有一个冷却空气调节阀来调节冷却风流量，该阀门具有故障开功能，阀门具有最小开度，保证一直有最小的空气流量提供给叶片，保证透平不超温。第2级冷却空气两个压力值取小原则，得到冷却风压力与压气机排气压力的比值，将这个比值作为控制变量，然后经过燃气轮机负荷、压气机入口温度和透平2级静叶持环的温度进行一个修正，作用到调节阀上。

(3) 透平第3级静叶冷却

透平第3级静叶冷却空气抽自压气机第8级抽气点，采用两路分支管道系统，每个抽气管道设置一个冷却调节阀来调节冷却风流量。

(4) 透平第4级静叶冷却

透平第4级静叶冷却空气抽自压气机第5级抽气点，一路抽气管道，设置一个冷却调节阀来调节冷却风流量。

4 总结

H级燃气轮机由于单机出力大，效率高，同时运行灵活性比F级燃气轮机有较大的提高，因此已成为新建联合循环机组的首要选择。本文作者通过1 263 MW“二拖一”联合循环机组的调试，对西门子SGT5-8000H燃气轮机有了一定的了解。希望通过本文让国内更多的相关人员能更快速地了解西门子SGT5-8000H燃气轮机的结构特点及相关控制与保护。