燃气轮机控制系统的控制方法浅述

燃气轮机控制系统的控制方法浅述

刘强

国家电投集团荆门绿动能源有限公司 刘强

摘要：燃气轮机有着非常好的灵活性，热与电比例能够自动调节和适应各种不同用户的需求。在工作时间上，燃气轮机非常适合长时间的负荷工作，并且在日常工作的过程中燃气轮机的维护费用与其他装置比较相应较低，所以在其研发成功以来得到了广泛的应用和快速的发展。

关键词：燃气轮机控制系统；控制方法

1燃气轮机的系统

燃气轮机一般分为4个不同的部分：第一部分是由启动马达、SSS离合器、盘车、油系统所组成的启动系统；第二部分是由压气机、空气过滤器、反吹系统组成的空气压缩系统；第三部分则是燃烧室、天然预混系统以及调节气阀组成的燃烧系统；第四部分则是透平系统。压气机将大气中的空气经过过滤后对其进行机械压缩，经压缩后的部分空气和天然气按照一定比例进入燃烧室燃烧，高温燃气经透平膨胀驱动压气机和发电机，高温尾气经排汽扩压器排入到余热锅炉。

2燃气轮机的控制原理

在启动信号发出之后，则会按照之前已经设定好的逻辑控制来启动罩壳风机、润滑油泵、油雾风机、顶轴油泵、启动马达等辅助系统。蒸汽透平的转速则是通过其中的转速调节器使用测速探头进行测量信息并调节信号。在蒸汽透平的转速达到了1500rpm时，就能启动吹扫、点火。在工作过程中燃气轮机的转速直接受到进入燃气室内燃料数量的影响，而在将燃料输送到燃气轮机内需要经过速比阀与气体控制阀。而气体控制阀与速比阀都是安装在同一个壳体内的。控制气体阀的打开程度能够反映出进入到燃气透平中的燃料数量，在阀门处于相应的压力情况下，燃料的数量与阀门的打开程度成正比。在投入运行过程中燃气轮机使用的燃料偶尔会出现压力浮动的情况，为了将该压力保持在一个相对稳定的范围，通常使用速比阀来进行控制。通过速比阀来进行控制有两个重要作用。

（1）在气体控制阀门之前燃料的气压不稳定情况下，即使阀门的打开程度不发生变化，相应数量的流过的燃料也会对此造成波动，最终导致阀门的打开程度与阀门的气体量不相符合。通过对阀门前气体的压力进行测量，使用速比阀门来进行调节来保证控制气体阀门前的压力能够处于稳定的状况。

（2）对经过阀门而进入燃料室的燃料数量进行控制，在不改变控制气体阀门打开程度的情况下让其与机组的转速成正比。通常情况下，控制气体阀门前压力一定要与机组转速成正比，这样才能保证经过阀门传输燃料数量与转速成正比。由于此速度阀门的打开程度与机组转速成正比，因此将其称为速比阀。燃气轮机正常运转时通常使用混合气和天然气来作为燃料，而混合气的热值会低于天然气的热值，所以为了保证机组在使用过程中的功率必须要加大燃料的数量，而加大燃料的数量则会加大喷咀前燃料的压力，导致出现脱火的情况。所以，针对这一情况还为燃气轮机设置了旁路阀，以此来提升喷咀流通的面积。在保证压气机出口压力稳定且机组不超速、乏气不超压不超温的情况下，燃气轮机能够进入自动操作的状态。

3燃气轮机的主控制方案

3.1启动控制系统

启动控制系统是一个闭环控制系统，它在整个机组启动的环节之中最主要的作用就是保证整个机组能够按照所提前设置好的程序启动，使机组从静止的状态到定额转速并进行自动并网。在机组设备控制启动整个过程中，又分为以下4个不同的阶段。

1. 准备阶段。在燃机启动信号发出之后，机组按照已经设定好的控制逻辑启动罩壳风机、润滑油泵、油雾风机、顶轴油泵、启动马达等辅助系统。机组升速到200rpm顶轴油泵停止，机组升速至1500rpm时进入清吹程序，清吹时间75s，清吹倒计时30s时，进行点火气隔离阀、天然气自动隔离阀检漏，阀门检漏通过，清吹结束。

2. 点火暖机阶段。清吹结束，打开火花塞同时打开点火气体阀，建立辅助火焰。辅助火焰建立后25s，天然气进气关断一次阀、进气关断二次阀、值班气体控制阀先后打开，建立主火焰，两个火焰探测器均探测到火焰，点火成功。当火焰探测器检测到火焰，控制系统便进入暖机阶段。暖机目的是让高温燃气通道中的受热部件、气缸与转子有一个均匀受热膨胀的时间，减少热应力，保证热对称。

3. 升速阶段。机组转速上升，通过压气机的空气流量、出口压力增加，供入机组的燃料量增加，透平输出功率增大。当机组转速在启动马达的帮助下上升到自持转速，透平已有足够的剩余功率使机组升速时，启动马达功率降至0。转速在4000-4500rpm时，压气机10级防喘放气阀由100%关至40%；转速在4500-5500rpm时，压气机5级防喘放气阀由100%关至0；转速在5500-6500rpm时，压气机10级防喘放气阀由40%关至0。机组满速后10s，主燃气控制阀、中心气控制阀同时打开，启动马达出口开关脱开，启动马达退出。

4. 同期并网及加负荷阶段。机组进入全速空载之后，启动控制系统退出控制，励磁装置自动完成起励、升压过程，自动准同期并网，发电机出口断路器自动闭合，燃机控制模式由“频率模式”自动切换为“负荷模式”。随着负荷增加，主燃气控制阀逐渐开大，值班气体控制阀逐渐关小；升负荷过程中，当透平排汽温度达到600℃时，可调导叶开始开大，维持透平排汽温度不变，至机组带满负荷。

3.2低氮燃烧控制系统

低氮燃烧控制系统是属于一个闭环式的控制系统，在燃气轮机运行过程中起到控制氮氧化物浓度的作用。通过对燃料与空气实时掺混比的控制，把天然气与空气预先混合成均相的、稀释的可燃混合物，然后使之以湍流火焰燃烧方式通过火焰面进行燃烧，此时火焰面的燃烧温度与燃气和空气实时掺混比的数值相对应。通过对燃料与空气实时掺混比的控制，使火焰面温度始终低于1650℃，控制氮氧化物的生成。

3.3排气温度控制

燃气轮机透平叶轮和叶片在高速和高温下工作，承受巨大的离心力和高温。叶轮和叶片材料的强度随着温度的上升而降低，为了保证较高的效率，这些材料工作时的强度裕量很小，燃气轮机的功率和效率随透平前温度的增高而增高，为了使机组在最高的透平前温度下安全可靠运行，并且能使机组达到最大的功率和最高效率，应对透平前温度加以控制，否则会影响燃气轮机透平高温部件的寿命。但透平前的温度很高，直接测量与控制非常困难，为此可以测量燃气轮机的排汽温度来间接反映透平前的温度。以排气的温度作为测量温度参数主要原因为：当燃烧室的温度达到1000℃以上时，虽然能够对温度进行测量，但是感温元件容易因为高温而损坏，并且燃烧室内的温度还存在热度不均、准确度低的情况。所以在温度控制系统中，以排气温度作为测量的参数能够得到准确的温度值。

3.4进口可转导叶控制系统

压气机进口可转导叶控制系统则是为了对压气机的转速进行调整和改变可转导叶的角度。机组启动时关小可转导叶可减小压气机耗功，改善启动加速性能。当机组负荷较高时，通过开大可转导叶，将进入压气机气体流通的面积进行改变，增加进气流量，在加大流通面积的同时则会降低低压透平流通的阻力，使燃气轮机的进口温度及排烟温度保持在较高水平，同时高压透平的功率随之上升并提升高压轴的转速，以提高联合循环的热效率。并且在机组启停的低转速过程中，关小可转导叶还可以起到防止压气机发生喘振的作用。

4结束语

燃气轮机是由信息电子、工程热物理、自动控制、机械制造等多项技术相互结合而形成的，是各类先进技术的核心动力，燃气轮机及系统已经成为21世纪持续发展经济的基础，所以必须要深入了解燃气轮机系统的控制原理和方法，这样才能更加深入地研究和使用好燃气轮机。

参考文献

［1］毛华军.燃机MarkVI控制系统网络构架简析［J］.华电技术，2011，10（33）：21-26.

［2］赵军华.M701D燃气轮机控制系统功率控制逻辑优化［J］.华电技术，2016，38（1）：18-21，24.