燃气轮机控制系统培训2009

欢迎中海油湛江分公司员工

莅临哈尔滨进行技术交流哈尔滨第703研究所34室调节组中海油湛江分公司燃气轮机培训班第九讲：燃气轮机控制系统

主讲：张学忍

目录

简介

燃气轮机控制系统的结构燃气轮机的主控系统启动控制系统转速控制系统加速控制系统温度控制系统停机控制系统手动FSR控制系统燃气轮机的顺序控制系统转速级逻辑燃气轮机启动控制燃气轮机的IGV控制系统燃气轮机的燃料控制系统GT6000燃气轮机监控系统结构GT6000燃气轮机监控系统人机界面简介

燃气轮机控制系统使机组盘车把机组带动到清吹转速、点火，暖机、再把机组转速提升到额定工作转速，还要控制同期并网，然后把燃气轮机加负荷到适当的工作点。这一系列过程必须自动发生和完成，同时要减小燃气轮机热通道部件和辅助部件中的热应力。燃气轮机控制系统包括4个功能子系统，即：①主控制系统；②顺序(程序)控制系统；③保护系统；④电源系统。在上述各功能系统中主控制系统是主要的，它必须完成4项基本控制：①设定启动和正常的燃料极限；②控制燃气轮机转子的加速；③控制燃气轮机转子的转速；④限制燃气轮机的透平进口温度。每个时刻只有一个控制功能或系统能控制送到燃气轮机的燃料流量。这几个控制系统都输入到“最小值选择门”，该选择门的输出作为燃料控制系统的输入。采用最小值可给燃气轮机提供最安全的运行。顺序(程序)控制系统提供了在启动、运行、停机和冷机期间轮机、发电机、启动装置和辅机的顺序控制。顺序控制系统监测保护系统和其他主要系统，如燃料系统、液压油系统，并发出燃气轮机按预定方式启停的逻辑信号。这些逻辑信号包括转速级信号、转速设定点控制、负荷能力选择、启动设备控制和计时器信号等。保护系统和电源系统由另外老师主讲。本章介绍对象为GE公司的SPEEDTRONICTMMark-V数字控制系统。燃气轮机的主控系统启动控制系统（StartUpControl）启动控制燃料行程基准FSRSU转速控制系统（SpeedControl）转速控制燃料行程基准FSRN温度控制系统（TemperatureControl）温度控制燃料行程基准FSRT加速控制系统（AccelerationControl）加速控制燃料行程基准FSRACC停机控制系统（ShutdownControl）停机控制燃料行程基准FSRSD手动控制系统（ManControl）手动控制燃料行程基准FSRMAN

表1主控系统燃料行程基准

燃气轮机的主控系统图1主控系统控制原理图燃气轮机的主控系统启动控制系统

启动控制系统仅控制燃气轮机从点火开始直到启动程序完成这一过程中燃料量Gf(在Mark-V系统中通过启动控制系统输出FSRSU)。燃气轮机启动过程中燃料需要量变化范围相当大。其最大值受压气机喘振(有时还受透平超温)所限，最小值则受熄火极限或零功率所限。这个上下限随着燃气轮机转速大小而变，在脱扣转速时这个上下限之间的范围最窄。沿上限控制燃料量可使启动最快，但燃气轮机温度变化剧烈，会产生较大的热应力，导致材料的热疲劳而缩短使用寿命。启动控制过程是开环的，根据程序系统来的一组逻辑信号来分段输出预先设置的FSRSU，整个启动控制的过程用图2曲线表示。图3则给出了FSRSU的控制算法。(图中有误处：将第一个比较器的A、B间连线断开;将FSKSU_AR横线段延伸至右侧纵线处,并以常闭触点形式受控于比较器输出。）燃气轮机的主控系统图2启动控制曲线

燃气轮机的主控系统图3启动控制算法

燃气轮机的主控系统转速控制系统转速控制是燃气轮机最基本的控制系统，Mark-V系统有“有差控制”(DroopSpeed)与“无差控制”(IsochSpeed)两种控制方式。当发电机并网运行时应选用“有差”控制方式，当发电机单机运行时可选用“无差”控制方式。这里仅介绍“有差”控制。有差转速控制算法根据要求的转速基准信号(speedReference)TNR与实际转速TNH之差，正比例地改变FSR有差转速控制算法公式：

FSRN-FSRN0=(TNR-TNH)×KDroop

式中：FSRN——有差转速控制的输出FSR； FSRN0——燃气轮机在额定转速下空载的FSR值(在这里作为控制常数存入存储元) KDroop——决定有差转速控制不等率的控制常数(调峰的燃气轮机δ一般取4%)燃气轮机的主控系统图4有差转速控制系统原理图（a：转速控制b：转速基准）

燃气轮机的主控系统加速控制系统

加速控制系统将转子实际转速信号TNH对时间求导，计算出转子角加速度TNHA，若角加速度实测值超过了给定值TNHAR，则减小加速控制FSR值FSRACC，以减小角加速度，直到该值不大于给定值为止。若角加速度值小于给定值，则不断增大FSRACC，迫使加速控制系统自动退出控制，角加速度为正值时就是转速增加的动态过程，加速控制系统仅限制转速增加的动态过程的加速度，对稳态(静态)不起作用，对减速过程也不起作用。由此可见加速控制系统其实质是角加速度限制系统。加速控制系统主要在两种加速过程发挥作用。在燃气轮机突然甩去负荷后帮助抑制动态超速。燃气轮机甩去负荷后的过渡过程中，初期转速还未上升多少，FSRN下降也不多，但此时加速度却很大，使FSRACC降得很小，其介入主控系统后就能在此期间快速地降低FSR，减小转子动态超速。在启动过程中限制轮机的加速率，以减小热部件的热冲击。

燃气轮机的主控系统图5加速控制的算法

燃气轮机的主控系统图6加速控制的TAKNn

燃气轮机的主控系统表2TNHAR的典型控制常数

n

1

2

3

4

5

TAKNn（%）40.0

50.0

75.0

95.0100.0TAKHn（%/s）

0.11

0.11

0.31

0.31

0.10燃气轮机的主控系统温度控制系统

燃气轮机的透平叶轮和叶片在高温、高速下工作，它们不仅承受高温，而且还承受巨大的离心应力。叶片、叶轮的材料的强度随着温度的上升显著降低，对于燃气轮机来说，这些受热零部件的强度余量本来就不大，所以在运行中必须使透平进气温度限制在一定范围内。否则，将会使透平受热部件的寿命大大降低，甚至就会引起透平叶片烧毁、断裂等严重事故。所以，温度控制是燃气轮机调节的主要任务之一。温度控制系统的作用在燃气温度超过允许值时，发出信号去减少燃料量，使燃气温度不超过允许值。在必要时(尖峰运行和尖峰超载运行)可以提高温度的限制值。运行中这个限制值是逐渐提高的，使机组的受热部件承受较小的热应力。和超温保护系统一起，在各通道所测的温度值的差额超过某一定值时发出警报。机组不论用何种方式加载，一旦机组进入温度控制便会自动切断加载回路，停止加载。

燃气轮机的主控系统图7温度控制的简化原理图

燃气轮机的主控系统图8排气温度信号处理方框图

燃气轮机的主控系统温度控制基准

用燃气轮机排气温度间接控制燃气轮机工作温度时，温控基准随环境温度而变化，因而应用温控基准随压气机出口压力而变的温控线和随燃料量而变的温控线以达到同样的效果。等排气温度温控线为：TTKn＿I=常数压气机排气压力CPD偏置(修正)的温控线为

TTRXP=TTKn＿I-[CPD—TTKn＿C]×TTKn＿S

式中TTKn＿S——温控线“CPD偏置”的斜率；TTKn＿C——温控线“CPD偏置”和“等排气温度温控线”交点的横坐标值。FSR或DWATT偏置(修正)的温控线为

TTRXS=TTKn＿I-[FSR-TTKn＿K]×TTKn＿M或TTRXS=TTKn＿I-[DWATT-TTKn＿LD]×TTKn＿LG

式中TTKn＿M——温控线“FSR偏置”的斜率；TTKn＿LG——温控线“DWATT偏置”的斜率；TTKn＿K——温控线“FSR偏置”和“等排气温度温控线”交点的横坐标值；TTKn＿LD——温控线“DWATT偏置”和“等排气温度温控线”交点的横坐标值。

燃气轮机的主控系统图9温度控制曲线

燃气轮机的主控系统图10CPD故障时的温度控制简化原理图

燃气轮机的主控系统停机控制系统正常停机从操作员选择STOP指令、控制系统给出停机信号L94X开始。如果发电机断路器是闭合的，数字给定点开始以正常速率下降以减少FSR和负荷，直到逆功率继电器动作使发电机断路器开路，此后FSR将逐步下降、减速。犹如其启动过程一样，升温和降温速度过快同样会影响机组部件的使用寿命，停机控制中就是通过控制系统控制停机过程中FSRSD的递减速率来合理控制热应力的大小。燃气轮机的主控系统图11停机控制的算法

燃气轮机的主控系统图12停机FSR曲线

燃气轮机的主控系统表3FSRMIN的典型控制常数

n1234FSKMINNn(%)5.040.082.085.0FSKMINDn(%/s)5.8417.2578.67310.0燃气轮机的主控系统手动FSR控制系统

操作员可以手动控制FSR，但一般仅在控制器故障或调试时才用。手动控制燃料行程基准FSRMAN也将作为最小值选择门MINSEL的诸项输入之一。

燃气轮机的主控系统图13FSRMAN控制算法

燃气轮机的主控系统FSR最小选择门

启动控制、转速控制、温度控制、加速控制、停机控制、手动控制等6个燃料行程基准输送到FSR最小值选择门，选出其中最小值赋给FSR作为选用的燃料行程基准。任何时刻仅有一个系统的燃料行程基准通过最小值选择门，进入控制。需特别说明，上述FSR的输出有赖于主保护逻辑L4为“真”。一旦燃气轮机出现任何原因的遮断，则L4为“假”，最小值选择门的输出被遮断，这时FSR立刻被箝位到零，以此确保切断燃料，保证机组的安全。燃气轮机的主控系统图14燃气轮机主控系统总貌

燃气轮机的顺序控制系统顺序控制系统与主控系统和保护系统是紧密配合相互联系的，其作用是燃气轮机在接到启动命令后，能够按照规定的启动程序发出程序信号，自动地将启动机启动，带动燃气轮转子转动、燃气轮机点火、转子加速直至达到额定转速。启动程序安全地控制燃气轮机从零转速加速到额定运行转速，在这个过程中要求燃气轮机热通道部件的低周疲劳为最小，既保证较迅速的启动又不能产生太大的热应力。启动程序还涉及到一系列辅机、启动机和燃料控制系统的顺序控制命令。因为安全、迅速的启动还取决于燃气轮机各有关设备的适时运作，所以程序又必须根据送来的信号进行判断，及时地查验各有关设备所处的状态。这些程序的顺序逻辑不仅与实施控制的设备有关，还要和保护电路有关。停机程序同样也是自动完成的。燃气轮机的顺序控制系统转速级逻辑

表4燃气轮机控制系统的转速级

名称代号转速信号对应的燃机转速（%n0）主要功能动作返回零转速14HRTNK14HR1/20.060.5停转信号冷拖转速14HTTNK14HT1/28.43.2冷拖最小点火转速14HMTNK14HM1/210.09.5进入清吹阶段清吹转速14HPTNK14HP1/217.016.0完成清吹，准备点火升速转速14HATNK14HA1/25046机组加速自持转速14HCTNK14HC1/26050启动电机脱扣启励转速14HFTNK14HF1/29591发电机磁场启动运行转速14HSTNK14HS1/29594启动完成燃气轮机的顺序控制系统燃气轮机的启动控制燃气轮机的启动过程是由启动程序控制和主控制系统中启动控制共同作用完成的,前者从启动开始给出顺序控制逻辑信号，后者从燃气轮机点火开始控制燃料命令信号FSR值。图15给出两者之间的关系。燃气轮机的顺序控制系统图15燃气轮机典型的启动程序方框图

燃气轮机的顺序控制系统图16GE公司燃气轮机典型的启动曲线

燃气轮机的IGV控制系统IGV控制功能

压气机进口导叶IGV(InletGuideVane)控制是通过，IGV叶片转角的变化限制进压气机的空气流量。控制IGV的目的有以下几个：在燃气轮机启动或停机过程中，当转子以部分转速旋转时，为避免压气机出现喘振而关小IGV角度，扩大了压气机的稳定工作范围。IGV温控。在燃气—蒸汽联合循环中，为保证余热锅炉的正常工作和最理想的效率，往往要求燃气轮机排气温度处于恒定的比较高的温度值。因此燃气轮机在部分负荷运行时要适当关小IGV，相应减少空气流量而维持较高的排气温度。其结果是燃气轮机的效率基本不变而提高了余热锅炉一汽轮机的效率，使联合循环的总效率得到提高。机组启动时关闭IGV，压气机空气流量减小，使机组的启动阻力矩变小，减小启动过程中压气机的功耗，有利于减小启动装置的配置功率。在启动功率不变的情况下，可以缩短启动加速时间。

燃气轮机的IGV控制系统IGV控制原理

图17IGV控制基准的算法方框图TTRXGV-IGV温度控制基准；CSRGVMAN_CMD-IGV手动控制指令；CSRGVX-IGV温度和手动控制基准；CSKGVMN-IGV最小全速角（57°）；CSRGVPS-部分转速IGV控制基准；CSKGVMAX-IGV全开（84°）；CSRGVOUT-IGV的伺服输出基准。燃气轮机的IGV控制系统IGV控制基准的算法

校正转速TNHCOR部分转速IGV基准CSRGVPSIGV温度控制和手动控制基准CSRGVX和IGV温控基准TTRXGV燃气轮机的IGV控制系统图18IGV部分转速控制基准 CTIM-压气机进气温度；CQKTC_RT压气机升温率（540℉）；CSKGVPS1-IGV的开启起始点理论值（典型值为78.9%）；CSKGVPS2-IGV的开启速率（典型值6.67°/%）

燃气轮机的IGV控制系统图19IGV温度控制基准

CPD-压气机排气压力；TTKGVC-IGV温控CPD基准拐点（134.5psi)；TTKGVI-IGV温控排气温度基准等温线（1045°F）；TTKGVS-IGV温控排气温度斜率（1.624°F/psi)燃气轮机的IGV控制系统IGV的运作

正常启动时。IGV保持在全关位置(34°)一直持续到达到校正转速，这时IGV开始开启。在全速空载或带20%以下负荷时，IGV开启到最小全速位置(57°)。与压气机防喘放气阀配合动作以维持压气机的喘振裕度。在不选择IGV温控方式运行时，IGV保持在最小全速角，直到排气温度达到简单循环的IGV温控给定点为止。这个IGV温控给定点一般比基本温控点低167℃。另一种控制方式，以恒定的控制常数SCKGVSSR(典型值7000F)作为排气温度控制值，以此调整IGV开度。当选择了IGV温控方式，在达到联合循环的IGV温控给定点之前，IGV保持在最小全速角57°位置。IGV温控点比与此相同的CPD偏置点相对应的基本温控点低大约5.6℃。当输出功率继续增加时，IGV必须增加开度以维持给定点的排气温度。燃气轮机的IGV控制系统图20IGV排气温度控制

燃气轮机的IGV控制系统图21校正转速、负荷和IGV角度的关系

燃气轮机的IGV控制系统IGV控制故障保护机组启动前IGV位置反馈开度大于35°或小于32°时，则产生“IGV位置故障”报警，机组启动闭锁。在部分转速运行时，VIGV位置反馈与基准信号CSKGV之间的差值超过LK86GVAl(典型值为7.5°)，且持续LK86GVA2(典型值为5s)时间，则发出报警信号L86GVA“IGV不跟随CSKGV”，见图22。如果VIGV位置开度反馈超出转速基准CSKGV达LK86GVTl(典型值为7.5°)值范围，并持续LK86GVT2时间(典型值为5s)，为防止IGV过开导致压气机喘振，则产生遮断信号L86GVT。遮断信号L86GVT将使20TV失电，遮断透平并给出报警。在全速运行中，如果VIGV反馈CSGV低于最小允许的全速值LK4IGVTX(典型值为52°)，则遮断逻辑L4GVTX将报警并遮断燃气轮机。燃气轮机的燃料控制系统燃料控制系统是指使用双燃料的燃气轮机对液体和气体两种不同燃料的选择、转换控制以及混合比例的计算和流量的控制。燃气轮机的燃料控制系统燃料控制系统在Mark-V主控系统中最终确定的是燃料行程基准FSR输出量。而燃料控制系统则是根据FSR确定进入燃烧室的各种燃料的总量。燃料总消耗率应为 Gf∝FSR×TNH燃气轮机运行时可以采用其中一种燃料也可以采用气/液混合燃料，因而燃料控制系统还应包括把总燃料消耗率分解为两种燃料的适当比例。燃气轮机的燃料控制系统燃料分解器(Fuelsplitter) 为适应液/气混合燃料运行，计算机控制算法把FSR分解为FSR1(液体燃料行程基准)和FSR2(气体燃料行程基准)两部分，并保持FSRl+FSR2=FSR。图23为燃料分解器算法示意图。燃气轮机的燃料控制系统图23燃料分解器的算法示意图

燃气轮机的燃料控制系统燃料的切换图24双燃料切换分解曲线 (a)从液体燃料切换到气体燃料；(b)从气体燃料切换到液体燃料；(c)从全液体燃料切换到混合燃料

燃气轮机的燃料控制系统液体燃料控制

液体燃料行程基准FSRl在算法中与TNH相乘后作为液体燃料流量基准，即： FQROUT=FSRl×TNH

该基准作为控制系统的输出指令，经D/A转换后进入液体燃料系统的硬设备。设备根据FQROUT调整液体燃料流量GfL，使代表液体燃料流量的燃料分配器转速信号FQLl(液体燃料流量)等于FQROUT。

燃气轮机的燃料控制系统液体燃料控制系统

燃气轮机液体燃料控制系统见图25。进入燃气轮机燃烧室的燃料通过改变旁通燃料来调节，旁通调节阀开大，则进入燃烧室的燃料减小。旁通调节阀由电液伺服阀65FP控制的液压执行器(油动机)驱动。电液伺服阀、液压执行器和旁通调节阀组成旁通阀组件。电液伺服阀根据来自TCQC伺服放大驱动的电流信号改变旁通调节阀的开度。燃料流量分配器的总流量正比于其转速。转速传感器77FD-1、2、3测量燃料流量分配器的转速，经TCQC卡转换为FQLl模拟信号。这个信号代表液体燃料流量GfL。燃气轮机的燃料控制系统图25液体燃料控制系统

燃气轮机的燃料控制系统图26电液伺服阀

燃气轮机的燃料控制系统液体燃料随动系统回路 液体燃料控制功能通过液体燃料流量分配器的转速反馈(即液体燃料流量反馈)组成的闭环随动系统来实现。来自液体燃料流量命令(基准)FQROUT经D/A输入到TCQC卡，在此经差值放大(带有积分性质)输入到电液伺服阀，驱动旁通调节阀。若液压执行器驱动旁通调节阀已把液体燃料流量调到基准时，即FQl=FQROUT，反馈差值消失，输出指令为0,喷射管、滑阀回到中间位置，液压执行机构就应停止动作。燃气轮机的燃料控制系统气体燃料控制

气体燃料的控制目标是 GfG=KfG×FSR2×TNH 气体燃