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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（FUEL STROKEREFERENCE 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。

1

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％n0 L14HM=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 NOT MAX 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

2

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”（Droop Speed）与

无差控制”（Isoch speed）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（Speed

reference）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

3

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、L70 L=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

4

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／

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

，那么 FSR 的差值为正。

即

△FSR=FSKACC2×ω

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

，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

5

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

6

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|

值．排气温度不断降低。

I

 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。

7

（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；

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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 S allow。

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。

9

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