燃机控制系统讲义.docx

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燃机控制系统讲义

第一节燃气轮机的主控系统

主控系统是指燃气轮机的连续调节系统，单轴燃气轮机控制系统设置了几种自动改变燃气轮机燃料消耗率的主控制系统（见表11—1）和每个系统对应的输出指令——FSR（FUELSTROKEREFERENCE燃料行程基准）．此外还设置了手动控制燃料行程基准。

上述6个FSR量进入最小值选择门，选出6个FSR中的最小值作为输出，以此作为该时刻实际执行用的FSR控制信号。

因而虽然任何时刻6个系统各自都有输出，但只有一个控制系统的输出进入实际燃料控制系统（见图11一1）。

一、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11-2曲线表示。

图11-3则给出了FSRSU的控制算法。

当燃气轮机被启动机带到点火转速（约20％n0L14HM=1）并满足点火条件L83SUFI=1时，受其控制的伪触点闭合，控制常数FSKSU-F1（典型值为22.0％FSR）和压气机气流温度系数CQTC（通常为0.9—1．25）相乘通过NOTMAX最终赋给FSRSU,以建立点火FSR值。

为了点燃火焰并提供燃烧室之间的联焰，在火花塞打火时，点火FSR相对较大。

当下列条件之一满足时，就算作点火成功：

①至少两个火焰检测器检测到火焰并超过2s;②所有4个火焰检测器均检测到火焰。

如果点火成功，控制系统给出L83SUWU=1,L83SU-F1=0。

允许FSKSU-WU（典型值为10.9％FSR／s）赋给FSRSU，以建立暖机FSR值。

FSR水平的降低是为了减少转子的热应力。

在从点火FSR到暖机FSR的转变过程中．用了一个一阶滤波器，使得过渡过程变得缓和，该滤波器时间常数为FSKSU—TC（典型值1s）。

燃气轮机暖机过程中FSRSU值保持不变，转速则在逐渐上升，实际燃料流量Gf也随之缓慢增加，使处于冷态的燃气气透平逐渐被加热。

一般暖机持续60s结束，由启动程序给出暖机完成逻辑，即L2WX=1。

暖机完成后，程序启动加速逻辑L83SUAR=1。

受其控制的4个伪触点动作，使FSKSU—IA控制常数[典型值为0．05％FSR（s）]作为斜升速率进入积分器的输入端，使得FSRSU输出在暖机值的基础上逐渐增加。

随着燃油量的增加．燃气轮机转速逐步升高。

控制常数FSKSU一AR（典型值为24。

8％）规定了FSRSU积分斜升的上限值。

一但达到该值．图中上部比较器条件成立，使RISING置1，受控触点动作切断积分器的输入。

FSKSU-AR的常数值通过NOTMAX直接送人下部作为FSRSU输出。

在合闸后L83SUMX置1，又通过积分器输入斜升速率FSKSU-IM（典型值为5％FSR／S）．使FSRSU继续上升。

一直斜升到控制常数FSRMAX给定的最大FSR值作为FSRSU输出。

至此启动控制系统自动退出。

逻辑控制算法（未列出）保证L83SUFI、L83SUWU、L83SUAR和L83SUMX在任何时刻都仅有一项可能为“真”．以此保证了有序的输出和对FSRSU的控制。

而且FSRSU输出的变化必须在主保护允许逻辑L4为“真”的条件下才能实现．否则上述所有控制信号为零，FSRSU将直接被箝位于零。

二、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。

有差转速控制简图见图11_4。

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，实现

FSRN—FSRNo=（TNR—TNH）×KDroop（11-1）

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人存储单元）；

图11-4有差转速控制系统原理图

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％）。

式（11-1）用曲线来表示就是有差转速调节静态特性。

当FSRN=FSRN0时，由式（11．1）可知，此时TNH=TNR，即转速基准TNR正好就是空载时的转速TNH。

当FSRN由FSKN。

值变到额定负荷值FSRNB时，转速的变化是额定负荷下的（TNR—TNH），它正好就是有差转速控制的不等率δ。

所以有

δ=（FSRNB—FSRN0）／KDroop

转速基准TNR信号增减时，静态特性线作上下平移。

若机组尚未并网。

则轮机转速TNH随之变动（此时TNH=TNR）。

若机组已经并网．则TNR变化只改变轮机出力：

TNR升．出力就增加；TNR降。

出力就减小。

所以TNR又称为转速负荷基准。

图11—4（b）表示控制转速基准TNR的变化．TNR由中间值选择输出。

TNR的最大值限制是107％。

这保证若δ=4％，即使电网频率高达103％时，机组仍能带满负荷。

若机组要做超速试验，则把此上限改为113％·，以便在空载时燃气轮机可以把转速升高到这个数值。

TNR的最小值限制由逻辑信号来确定。

若L83TNROP=l，则STARTUP（启停值60％）进人中间值选择，作为TNR的下限，这时转速控制就有可能在60％n0起介入启动控制。

运行状态L83TNROP=0，此时OPERATING（运行值95％）输人中间值选择作为TNR的下限，95％的下限可以保证即使电网频率低到95％，仍能通过TNR把轮机负荷降到零。

通常就是图11—4（b）中间的输入通过中间值选择器成为输出的TNR。

图中z-1与加法器组成数字积分器，．L83JDn给出积分速率（L83JDn：

n=0，l，2，…，5，相应于不同的速率），L70R和L70L决定积分的方向。

L70R=1、L70L=0时，积分升高TNR（升转速／负荷）；反之积分降低TNR（降转速／负荷）；L70R与L70L都为“假”时。

积分中止，TNR保持不变。

当燃气轮机启动程序完成以后，逻辑量L83TRESI=1，则切除积分器，将预置控制的常数PRESET=100.3％赋给TNR，以备同期并网。

一经并网L83TRESI=0．而TNR则停留在100.3％（略带负荷，以免电网频率波动造成发电机逆功率）。

以后就可以通过升（或降）TNR来增（或减）机组出力。

当发电机断路器跳闸时，则L83TRESI置“1”．TNR复位到100.3％，为下次并网作准备。

三、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。

（1）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，其介人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。

（2）在启动过程中限制轮机的加速率，以减小热部件的热冲击。

前已阐明，启动过程中，暖机完成以后，启动控制系统输出FSRSU，在暖机值FSKSUWU（10.9％FSR）的基础上以FSKSUIA（0.5％FSR／s）的速率斜升到FSKSUAR（24.8％FSR）。

然后以更高的速率FSKSUIM（5％FSR／s）继续斜升。

而转速控制系统在启动过程中以TNKRl-0（9%TNH／min）的速率斜升TNR（直到TNH到达95％）。

转速控制系统输出FSRN为

FSRN=（TNR—TNH）×FSKRN2+FSKRNl

式中FSKRNl——轮机全速空载FSR值（典型值=14.7％FSR）。

若TNH完全跟上TNR的变化，则FSRN=FSKRNl。

实际由于转子的惯性。

TNH总是滞后于TNR．因此启动过程中TNH总是大于FSKRN1。

在到达运行转速（95％n0）附近，由FSRSU或FSRN经最小值选择后的FSR可能超过FSRN1不少，因此温度将比空载值高不少，也具有较大的加速度。

而到达运行转速．TNR启动斜升立即停止。

FSR回到全速空载值，温度相应下降。

此温度变化较剧烈，将造成热冲击。

加入加速度控制则通过限制加速度延缓到达运行转速前的加速过程，间接地抑制了这个过程中的温度上升，缓和了启动结束阶段的温度变化。

加速控制系统控制算法见图11-5．最终经中间值选择门输出FSRACC信号。

它有三个输人：

（1）控制常数FSRMAX（100％FSR）——给定的最大极限。

（2）FSRMIN——一个可变的最小极限FSR值。

根据启停过程各个不同阶段所给定的限制曲线，经过压气机进气温度修正系数∞形修正后的输出。

给出最小FSR极限的目的在于防止过渡过程中燃烧室贫油熄火。

（3）通过一系列运算后经加法器的输人。

一般情况下，它就是这三个值的中间值而作为FSRACC输出。

下面专门讨论这个值的由来。

转速信号TNH经微分器和加速基准TNHAR在减法器中相减，其输出为

△ω=TNHAR一△TNH／△t

在燃气轮机未进人加速控制前，也就是转速的上升速率未超出加速基准TNHAR前其角速度差值△ω>0，那么FSR的差值为正。

即

△FSR=FSKACC2×△ω>0

使加法器的输出值大于原有FSR值，也就是FSRACC>FSR，从而使得加速控制系统处于退出控制状态。

当燃气轮机加速度大于加速基准TNHAR时，△ω<0，△FSR<0，此时FSRACC

在启动过程中，TNHAR是从一张5个点的对照表中计算出来的（见图11-6和表ll-2），这张表是燃气轮机转速TNH的一个函数。

TNHAR应能产生一个温和上升的点火温度：

在低转速时慢慢上升，而在轮机到达设计转速（>60％）时较快地上升。

在接近满转速时减小TNHAR，以有利于向全速空载过渡而不超调。

一且燃气轮机到达全速，则加速基准THNAR被设定成常数值TAKR1（典型值1％／s）。

这样该基准即防止在甩负荷或其他扰动时超速。

在点火和暖机期间也选择该固定基准．以防止在启动过程的这些阶段中加速控制限制燃料供应。

四、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。

（一）、透平等T3*线的控制原理

透平前温T3*对燃气轮机而言是至关重要的，一般情况下燃气轮机的功率和效率随T3*温度的增高而增大。

为了使机组获得最大的出力和最高的效率，希望机组能在最高的T3*温度下安全可靠地运行，为此设置了聪温度的温控器。

因为燃气轮机大多采用环管型的燃烧室，虽设置有燃料流量分配器，但也难以做到每个燃烧室出口的温度即透平前温T3*都很均匀，并且T3*温度一般都很高，如Ms9001E燃机的透平前温高达1124℃．MS9001F高达1280℃，这么高的透平前温要直接测量与控制是非常困难的。

在大气温度不变时，燃机处于透平前温为最大值的工况可靠运行时，其他各种参数都随透平转速和透平前温的确定而相应确定下来，这是稳态工况。

因此可以通过测量燃气轮机的排气温度来间接反映透平前温T3*的大小。

两者的变化趋势是相同的，而T4*温度远低于透平前温T3*，且排气温度T4*的温度场也因燃气经过透平时有所混合而比较均匀，所以T4*便于测量和控制。

在大气温度不变的情况下，要控制透平前温T3*为常数，只要控制排气温度T4*为某一相应的数值就可以了，这是很简单的一种温控器。

由于大气温度在无时无刻地变化着，如果还要维持燃气轮机的透平前温为常数时，就不能只控制排气温度T4*了，要相应对T4*作修正。

一般可用大气温度、压气机出口压力等参数来修正巧温度。

例如用大气温度ta修正，为维持T3*不变，当大气温度升高时排气温度对也需相应的增高；当大气温度降低时排气温度也需相应降低。

也可以使用压气机出口压力p2，当大气温度增高时，压气机出口压力降低，为使T3*为常数，T4*温度增高。

相反，为维持对为常数，当大气温度降低时，压气机出口压力升高，则T4*温度降低。

所以，大气温度变化时，为使T3*为常数，排气温度T4*和压气机出口压力之间有一条关系曲线，这就是温控基准线。

（二）温度控制的作用

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（三）温度控制简化原理图

透平内部温度限是在第一级喷嘴处，称为工作温度。

由于这里的温度长期维持在1100℃以上．故无法直接测量此温度。

通常通过测量透平排气温度和压气机出口压力．计算得到工作温度。

压气机出口压力代表通过透平的压力降，还要对大气温度作修正。

由于冷空气密度大于暖空气，对于同样的负荷，冷天压气机出口压力将比暖天高，因此冷天透平有较高的压降和温降，所以为了保持同样的工作温度，排气温度必须保持在较低值。

Mark-V温度控制系统简化原理示于图11—7。

经过算法处理后代表温度反馈的计算排气温度平均值（信号）TTXM与温控基准TTRX在减法器相减，输出信号为

△T=TTRX一TTRM

这个差值与FSR在加法器中相加之和作为中间值选择的一个输人，通常就是这个输人作为中间值，通过中间值选择成为FSRT。

中间值选择的另外两个输入FSRMAX和FSRMIN为中间值选择设置最大和最小值极限。

排气温度超过温控基准时，△T<0，这时FSRT

每一采样周期FSR便减小一个|△T|值．排气温度不断降低。

I△Tl不断减小，直到△T=0为止。

排气温度低于温控基准时，△T>0，这时FSRT>FSR，FSRT便被最小选择门所阻挡，使温度控制系统退出控制。

燃气轮机排气温度随负荷增加而升高．通常在最大功率附近进人温度控制。

在并网发电时，升高转速基准TNR增加功率，到一定值时，排气温度升到温控基准就开始进入温度控制的限制。

从此若再升高TNR（由于FSRN为最小选择门所阻挡，转速控制系统退出控制）也无法提高出力。

温控基准为燃气轮机设置了运行工况（功率、温度等）的上限。

（四）排气温度信号的处理

GE重型燃气轮机的排气室中有18或24对热电偶用以测量排气温度（在MS6000机组中为18对，在MS9000机组中为24对）。

热电偶的输出信号接入《R》模块中的TBQA卡，由此再分别送到的TCQA卡。

卡件提供冷端补偿和热电偶异常情况的偏置信号。

通过软件冷端补偿计算后得出反映排气温度的TTXD向量。

编号为1，4，7，…，22的热电偶信号接人控制机，成为TTXDR向量；编号为2，5，8，…。

23的热电偶接人机，成为TTXDS向量；编号为3，6，9，…，24的热电偶接人机．成为TTXDT向量。

图11-8温度信号处理方框图

为了增加可靠性，排气温度信号TTXD经过一定的处理后得到排气温度信号计算值TTXM。

信号处理的基本方法见图11-8。

（R>的各个控制机把自身得到热电偶信号与通过数据交换网络取得另两台控制机的热电偶信号，按实际位置排列成TTXDl_n。

再按从最高温度到最低温度的顺序，把全部排气温度信号编排出新的向量TTXD2__n。

该信号直接送往燃烧检测保护，同时还送往下部功能块，从该向量中剔除小于X值的信号。

X值为

X=TTXD2_2一TTKXCD

式中TT'XD2_2——向量TTXD2_n中第二高的信号；

TTKXCO——控制常数（典型值为278℃／500F）。

以此可以剔除故障热电偶的不正常信号，避免计算误差。

剔除故障热电偶倌号后组成新的向量，再经第二个功能块，去除一个最高值和一个最低值。

在此基础上由第三个功能块把余下的信号进行平均，得出排气温度信号的平均值TTXM。

（五）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。

Mark—V控制的单轴燃气轮机常采用图11-9所示温控曲线。

（1）等排气温度温控线为

TTKn_I=常数

（2）压气机排气压力CPD偏置（修正）的温控线为

TTRXP=TTKn_I一[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。

（3）FSR或DWATT偏置（修正）的温控线为

TITRXS=TTKn_I一[FSR—TTKn_K]×TTKn_M

或TTRXS=TTKn_I一[DWATT一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。

Mark-v将三种温控线确定的温控基准中的最小值选出作为实际执行的温控基准TTRX，通常TTRXP被选出作为执行的温控基准或称为主工作温控基准，而TTRXS作为后备温控基准。

TTKn_I仅在很高的环境温度下或启动时可能被选出来使用。

如果机组全速后，压气机出口压力信号低于运行转速计算的最小值，则温度基准被减小。

这一故障以“CPD信号丢失”报警。

该故障允许备用温度偏置在接近额定燃烧基准温度运行，直至故障被消除。

通常，在具有冗余压气机排气压力传感器（96CD）的设计中，FSR温度控制备用曲线是用不着的。

在这种设计中，燃气轮机不允许在少于两个96CD压力传感器情况下运行，在具有恒定的可设置有差斜率的设计中，当96CD发生故障时．冗余的功率传感器反馈DWATT用作温度控制备用曲线。

（六）Mark-V超温保护系统

Mark-V超温保护系统见图12-4。

当机组在某大气温度下运转时，燃气轮机温控器投入运行后，可使透平前温维持在额定参数，排气温度和压气机出口压力相应处于温控基准线上的某点。

当大气温度升高时，此点在温控器的控制下沿温控基准线TTRX向左上方移；当大气温度降低时，此点在温控器的控制下沿温控基准线向右下方移动。

当温控器发生故障时，则透平前温T3*失控，有可能燃料流量过大而使透平前温T3*超过额定参数，其故障轻者会使透平叶片的寿命下降，重者会致使透平叶片烧毁。

为了防止此类故障造成的恶果，Mark-V保护系统设置了三道超温保护。

Mark-v的超温报警和遮断的算法见图12-5。

现将超温保护原理说明如下。

（七）燃烧监测保护

为了准确地测量透平排气温度场是否均匀，应在透平排气通道中尽可能多地布置测温热电偶。

Mark-V控制和保护系统在排气通道安装了18～24根（Ms6000为18根，MS9000为24根）均布的排气测温热电偶。

理想情况是这些热电偶所测的排气温度数据完全相等，但实际上是不可能的，即使机组在稳定正常运转时，排气温度场也不可能完全均匀，各热电偶的读数总是有所差别。

因此有必要规定一个合理的标准，确定机组在正常情况下允许各热电偶测量结果有多大的温度差，或者称允许的分散度Sallow。

一旦超出这个规定值，我们认为机组或测温仪器不正常。

五、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。

图11．11所示为停机控制的算法。

围11-12所示为FSRSD控制曲线。

从图中可以看出。

FSRSD渐变速率FSKSDn分别由渐变控制逻辑L83JSDl一L83JSD5和FSRMIN来控制。

在停机逻辑L94X为“假”时L83SDR为“真”。

这时主保护L4为“真”，因而控制逻辑L83JSDl为“真”，相应的变化率FSKSDl约为0.1％FSR（s）。

一旦失去主保护，则L4为“假”，那么L83JSD2为“真”，相应的FSKSD2约为5%FSR（s）。

这是由于失去主保护出现遮断，因而以较快的速率增加FSRSD使其退出控制。

实际上，FSR将被箝位于零。

当发电机断路器打开时，停机FSR即FSRSD从当前脚以设定速率FSKSD3[典型值为0.05％FSR／s]向下斜降到FSRMIN，然后FSRSD即取代了FSRMIN（FSRMIN=FSRSD），此时控制逻辑L60SDM为“真”，使L83JSD3为“假”，抑制了FSKSD3的输入，并以修正的速率下降。

当转速降到一个定义的界限值K60RB（20％n。

）以下时，如果燃气轮机还没有熄火．那么L83RB将为“真”，使控制逻辑L83JSD4为“真”，允许FSKSD4[典型值0.1％FSR（s）]控制常数的辅入使FSRSD下降。

当FSRSDB斜降至火焰检测器检测到任意一个失去火焰时，经延时1s后控制逻辑L28CAN反转，使L83JSD5逻辑为“真”，FSRSD即以FSKSD5[典型值1％FSR（s）]快速下降，直到熄火时关闭燃料。

上述的分析是停机控制FSRSD的工作过程，而实际的停机过程还将受到其他一些控制逻辑的控制和制约。

FSRMIN是能持续维持燃烧室中燃烧的最小流量燃料，设置FSRMIN是为了确保其他形式的FSR控制不会发出引起熄火的燃料水平的指令。

利用线性插值法计算FSRMIN，该线性插值是修正转速TNHCOR的一个函数。

停机期间采用常数FSKMINDl、FSRMlND2、FSKMIND3、FSKMlND4以及相应的转速常数FSKMlNN1、FSKMlNN2、FSKMINN3、FSKMINN4从一个4点线性插值得到FSRMIN（典型值见表11_3）。

如果FSKMIND4设定得过低，则机组在甩负荷或同期时可能熄火。

如果FSRMIND4设定的过高，则机组在达到100％n0转速后会继续升速，因为转速控制不能将FSR降到FSRMIND4规定的水平以下。

此外，在停机过程中，如果发电机解列