M 701F重型雙燃料燃氣輪機控制模式分析

王 銳，孫永斌

(東北電力科學研究院有限公司，遼寧 沈陽 110006)

白俄羅斯明斯克5號熱電站一期改建工程聯合循環機組采用“1+1+1+1”單軸配置方式，即安裝1臺燃氣輪機、1臺余熱鍋爐、1臺蒸汽輪機和1臺發電機。燃氣輪機型號為M701F重型，與蒸汽輪機、發電機布置在同一軸上。與國內以往的純燃氣機組不同，本機組主燃料采用天然氣，備用燃料采用輕柴油，當主燃料或備用燃料供應異常時，可以通過燃料切換，自動投入到另一種燃料運行，也可以2種燃料混合燃燒，以保證機組長期穩定運行。因此控制模式較常規的燃氣機組有所不同，設計更加復雜，以下就機組控制模式［1］進行簡要分析。

1 轉速控制模式

轉速控制模式［2］主要是應用在空負荷模式下的自動同步轉速及帶負荷模式下的閥位控制操作，控制模式框圖如圖1所示。

在空負荷模式下，燃機轉速可以通過自動同期請求發出的同步信號或手動操作按鈕 (GOVERNOR RAISE/GOVERNOR LOWER)來改變。

圖1 轉速控制模式邏輯框圖

在自動負荷調節投入 (ALR ON)且轉速控制方式下，自動負荷調節設定值 (ALR SET)與實際功率相比較，再進行比例調節P后，如果差值大于0.15，則發出SPSET UP(轉速設定值增)指令;如果差值小于－0.15，則發出轉速設定值減(SPSET DOWN)指令，來改變轉速設定值 (SPSET)，相當于機組負荷根據ALR SET進行閉環調節，保持機組實際功率與ALR SET相等。

在自動負荷調節退出 (ALR OFF)且轉速控制方式下，燃機的轉速可以通過手動操作按鈕來改變，相當于手動改變機組負荷。

在負荷控制模式下，主控制系統指令輸出(CSO)加上5%的偏置后與轉速控制模式指令輸出 (GVCSO)相比較，如果差值大于0.15，則發出SPSET UP指令;如果差值小于－0.15，則發出SPSET DOWN指令，改變SPSET的轉速設定值。

SPREF(轉速參考值)=(SPSET+100)*30，在點火升速階段 (LDON)為0時，SPSET=0.266，SPSET加上100后為100.266，減去E(實際轉速得到偏差值)，對該偏差進行增益調節。

GVCSO=E*GV GAIN(轉速模式下的增益)+NO LOAD CSO(空負荷主控制指令輸出);

燃氣工況下GV GAIN=60/4=15，燃油工況下GV GAIN=50.5/4=12.625;

燃氣工況下NO LOAD CSO=20.2，燃油工況下NO LOAD CSO=20.4。

MD2(燃機定速且未并網)時，Ts(跟蹤信號)為0，此時投入自動同期裝置，它會根據同步并網的要求分別產生SPEED UP和SPEED DOWN的信號，使SPSET以一定的斜率增減，從而實現發電機頻率與電網頻率的匹配。

MD3(發電機出口斷路器GCB閉合)時，Ts(跟蹤信號)為1，并保持一個運算周期 (50 ms)后，Tr(跟蹤值)為6.2，但SPSET的上下限分別為+6%和－4%，因此SPSET實際輸出應為上限值6%，根據以上公式，此時SPREF=(100+6)*30=3 180，相當于初負荷時的燃機轉速。

2 負荷控制模式

負荷控制模式的功能是通過調節輸出功率來維持負荷和頻率之間的相互匹配，控制模式框圖如圖2所示。

在ALR ON且負荷控制方式下，ALR SET與負荷設定值 (LDSET)相比較，如果差值大于0.2，則發出負荷設定值增 (LDSET UP)指令;如果差值小于 －0.2，則發出負荷設定值減 (LDSET DOWN)指令來改變負荷設定值 (LDSET)，相當于機組負荷根據ALR SET進行閉環調節，保持機組實際功率與ALR SET相等。

在ALR OFF且負荷控制方式下，燃機的負荷可以通過手動操作按鈕 (LOAD RAISE/LOAD LOWER)來改變。

在負荷控制方式下，當負荷保持信號 (LOAD HOLD)=1時，負荷參考值 (LDREF)=實際負荷 (ACTLD);當LOAD HOLD為0時，LDREF=LDSET。LDSET是一個過程量，主要是根據CRT上的負荷限制設定 (LOAD LIMIT SET)來設定的。當LDSET小于CRT上的設定值時，則增加;反之則減小。

點火升速階段 (LDON)為0時，LDSET=20 MW，負荷控制模式指令輸出 (LDCSO)為45，機組并網帶負荷至該初始負荷后，則轉由LDCSO進行控制，此時LDSET根據一定的升速率不斷增加，控制機組繼續升負荷至選定的LOAD LIMIT SET值。

圖2 負荷控制模式邏輯框圖

3 溫度控制模式

溫度控制模式［3］的主要作用是限制最大燃料輸出，以保證在啟動階段和帶負荷階段時燃機葉片入口煙氣溫度在安全值，防止溫度過高損壞葉片。

M701F的溫度控制分為2種情況:葉片通道溫度控制和排氣溫度控制。相應的溫度測點為葉片通道溫度測點 (20個)和排氣溫度測點 (6個)，都是環型均勻布置。

一般情況下，燃機透平進氣溫度 (T3)越高，其功率和效率越高，因此希望在盡可能高的T3下安全運行。但如果T3超出了合理的范圍，將會對燃機的安全造成威脅，因此在燃機運行的過程中必須監控溫度的變化，以保證T3不超過規定的限定值。T3溫度都非常高，M701F級燃機為1 400℃左右，直接測量和控制非常困難。在大氣溫度不變的穩態工況下，T3和EXT TEMP(排氣溫度T4)的變化趨勢是相同的，而T4遠低于透平前溫度T3，且T4的溫度場也因燃氣經過透平做功時有所混合而比較均勻，所以T4便于測量和控制，可以通過測量燃機的排氣溫度T4來間接反映透平前溫度T3的大小。為了反映變化的大氣溫度，還需要用大氣溫度 (COMP INLETAIR TEMP)［4］或壓氣機出口壓力 (COMB SHELL PRESS)等參數來修正T4。當大氣溫度升高時，壓氣機出口壓力降低，為保證T3為常數，則T4增高;相反當大氣溫度降低時，壓氣機出口壓力升高，則T4降低。排氣溫度T4和壓氣機出口壓力之間有一條關系曲線，這就是溫控基準線，溫控基準函數的輸出則作為排氣溫度T4的參考基準值 (EXREF)。

T4=T3* (P4/P3)(n－1)/n

式中:T3為燃機透平進氣溫度，T4為排氣溫度，P3為進氣壓力，P4為排氣壓力，n為多方常數。溫度控制就是基于此曲線來進行的。

因為葉片通道溫度 (BPT TEMP)在排氣溫度的上游，因此葉片溫度參考基準 (BPREF)應該比EXREF高，所以EXREF加上BPT BIAS(BPT偏差)即作為BPREF，BPT偏置邏輯控制框圖如圖3所示。

溫度控制系統分別根據參考基準值EXREF和BPREF與相應測量的實際偏差值做比較，輸入到有高低值限制的PIQ調節器中，各自的輸出則分別為BPCSO和EXCSO。溫度控制模式框圖如圖4、圖5所示。

4 燃料限制控制模式

根據燃機轉速和壓氣機出口壓力的實測值進行FX函數運算，并通過高選作為燃料限制模式控制指令 (FLCSO)的輸出，燃料限制控制模式框圖如圖6所示。

當MDO－INV(燃料投入)為0時，FLCSO輸出為－5%。

ACC(加速狀態)為1時 (在500～2 500 r/min)，FLCSO輸出隨著轉速的增大線性增大。當達到額定轉速后，FLCSO輸出為30，并網帶負荷后，FLCSO輸出逐漸增大，不可能通過最小選，從而退出實際控制。

圖6 燃料限制模式控制框圖

所以燃料限制控制［5］只用于啟動升速過程中的燃料開環控制。

5 結束語

通過5種控制模式分析可知，在初始點火階段，通過燃料限制控制模式來控制升速過程;在空載定速時，通過轉速控制模式來調整燃氣輪機和電網頻率的匹配;在帶初負荷及升負荷的過程中，通過負荷控制模式來達到預期的負荷功率;在接近滿負荷的過程中，切換到溫度控制模式，防止燃氣輪機超溫運行。機組在調試運行的過程中，5種控制模式按照工況的變化進行自動切換，滿足了機組根據環境的變化進行自身調節，對今后雙燃料機組的調試提供借鑒。

［1］ 王 榮．燃氣—蒸汽聯合循環電站中的汽輪機控制系統分析 ［J］．燃氣輪機技術，1998，11(2):22－26．

［2］ 焦樹建．燃氣輪機與燃氣—蒸汽聯合循環裝置 ［M］．北京:中國電力出版社，2007．

［3］ 楊瑜文．燃氣輪機發電機組功率與排氣溫度控制［J］．燃氣輪機技術，1998，11(2):27－31．

［4］ 郭 磊，崔玉峰，林飛宇，等．某型燃氣輪機燃燒中低熱值燃料隨環境溫度變化的控制規律分析［J］．工程熱物理學報，2009，30(4):577－580．

［5］ 毛 丹，諸粵珊．三菱 M701F燃氣輪機控制系統簡析［J］．湖南工業大學學報，2008，22(6):76－79．