重型燃氣輪機控制發展與關鍵技術研究

何飛揚

摘 要：重型燃氣輪機作為能源轉換的主要設備，是提高環境友好型、加強系統清潔控制的重要系統。國內重型燃氣輪機發展速度較慢，受控制系統的核心技術發展限制，對應氣輪機相關系統的優化升級十分關鍵。該文對重型燃氣輪機進行系統分析，提出對應設計要求和國外典型控制系統的要求，提出未來發展的主要方向和研究方向。

關鍵詞：重型燃氣輪機 控制發展 關鍵技術 發電行業

中圖分類號：TK473 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）04（a）-0043-02

國內燃氣輪機的研究工作從20世紀30年代至今未停止，帶動了該技術的不斷升級，對國內發電行業而言具有重大意義。是提高連續循環合理性、提高發電效率的保證。現階段，高效循環發電方法一般具有一定規模性。燃氣輪機相關技術較多，包括高效燃燒、超合金葉片、軸流冷卻等諸多方面。國內燃氣輪機的主要能源是天然氣、石油，是各國電力行業的主要發展模式。據報道，隨著國家能源結構框架的調整，天然氣為主的電廠將會逐漸增加，已及2020年國內天然氣發電量將高達6 000萬kW，為此，燃氣輪機產業的核心技術具有重要影響價值。

1 重型燃氣輪機現狀和發展需求

1.1 發展現狀

燃氣輪機在電力、管道和航海領域中發展廣泛，燃氣制造廠商經長期經驗積累，已經逐步形成一定發展模式。當前壟斷狀況較為嚴重，如：GE、西門子等大型公司及其附屬企業是主要生產制造商。作為一項高科技含量的技術，燃氣輪機行業需要充分考慮管線、電力發展需求，根據國家相關政策，及時進行有效動態管理。如加強清潔能源的有效利用，提高天然氣利用效率。加強燃氣輪機核心技術的國產化是當下國內學者的主要研究方向。現階段，該行業核心控制部分主要借助進口為主，關鍵技術仍為少數幾家國外公司所掌控。該行業的發展存在一定瓶頸狀況。避免產出過低、效益過差的狀況是國內燃氣輪機廠家的關注重點。

國內重型燃氣輪機的控制發展對象十分明確，幾十年發展歷程中，其性能優化、結構調整工作已經初步取得成效。其中壓氣機、渦輪機作為燃氣設備的主要部件，需要進行效率升級、結構改造處理，提高透平溫度等控制要求。新技術不斷涌入該行業市場的大環境下，加強電子控制、自動化控制能力的融入，降低燃料用量是發展必然趨勢。

1.2 發展需求

從燃氣輪機的發展控制系統出發，其指標主要為：轉速、功率和排氣溫度的有效控制。在保證重型燃氣輪機運行穩定的基礎之上，加強市場行業的分析，提高控制系統改善方向，充分滿足市場競爭和控制需求相匹配的要求，一般需要考慮下述幾點問題。

第一，功能性要求。重型燃氣輪機發展中，需要加強效率、功率的有效提升，避免結構改造不合理、部件數量過多、維護不便等狀況。如低壓排放燃燒室中，需要考慮燃燒控制、葉尖間隙控制等方面要求，提高控制系統輸入、輸出的合理性，避免數量不全、變量耦合結果差等狀況的發生，提高整體控制的清晰性、邏輯性、簡潔性，以期充分滿足新功能的要求。

第二，低成本要求。當代重型燃氣輪機的經濟效益增長主要體現在下述幾點：（1）熱端構件的維修和替換；（2）燃氣輪機維護、調試工作的費用。對應未來發展的控制方向分析上，需要考慮成本價格、運營和維護管理等級等，避免費用過高、管理不當等導致的市場競爭能力下降。如航空燃氣輪機的控制中，需要提高控制系統的效率，及時維護，并根據相關參數可進行預見性故障分析，避免機組穩定性過低的狀況，可采取手段包括：線氣位置的診斷、熱端部件的調整和故障預測，將燃氣輪機過高的維修費用合理降低。此外，借助當前已經成型的模型、規律條件等進行合理優化，如啟停階段的有效控制，避免性能下降等引起的設備壽命縮短。保證燃氣輪機作業周期范圍內有效提高效率的目標。

第三，可靠性要求。工業環節中，在保證氣輪機運行要求、工作效率的基礎之上，需要充分考慮運行穩定性，即可靠性。為此，對應控制系統的發展方向需要從傳統雙重冗余改變為容錯的三層冗余，但是需要引起注意的是，硬件冗余與原件可靠性相關性較高。硬件冗余過重將會導致設備復雜狀況更為嚴重，引起整體設備的可靠性受到威脅。此外，非相似性的軟件冗余需要考慮成本、可靠度要求，現階段，國內氣輪機控制中，可靠性一般可高達上萬小時。

此外，還需要注意環保控制的要求，世界各國已經充分意識到氣輪機排放物對環境的威脅，加強電廠環評工作的全面落實，避免排放物有害物質超標，提高氮硫化物的有效處理能力，是當下燃機系統設計的必然要求。

當代燃氣輪機的市場中，非控制要求比例逐漸增加。重型燃氣輪機將朝著高效、低成本、低維護費用方向發展。同時需要保證系統的可靠性、適用性滿足行業要求，整體設計難度將大幅增加。未來燃氣輪機的發展將會提出更多高難度問題。當下主要研究難點為：電子控制器技術性能要求、控制規律設計、多變量設計等以及傳感設備的冗余設計等工作。

1.3 發展特點

第一，改性發展速度快。燃氣輪機的控制優化中，需要充分考慮設計軟件、模塊升級等方法。對應一臺重型燃氣輪機的改造一般需要時間為5年，但是燃氣輪機控制部件的改造相對難度較大。需要經過詳細前期研究，對內部控制結構、系統要求全面了解，再進行數字控制系統的研發優化，該過程一般需要充分考慮軟件升級的要求。為此，加強輔機控制要求的分析，以期提高燃氣輪機控制技術的合理性。輔機要求包括：進氣、排汽、通風、清洗和電氣儀控系統等。還需要考慮硬件搭建、硬件網絡、控制要求等方面系統要求。

第二，提高后期兼容性。重型燃氣輪機一般可進行衍生改造處理，對應滿足要求、發展方向也需要考慮后期平臺的設計，提高產品系列化能力，避免機型差異過大，無法進行擴展、兼容扥處理，提高控制系統的合理性。必要時需要加強核心參數的前期規劃，保證電力企業的控制系統可不斷進行升級。

第三，技術門檻的提升。傳統燃氣輪機發展中，長期作業環境已經實現了經驗積累、工程案例積累。加強先進技術和前期數據的整合，同時對控制系統的規律性進行全面分析。可提高控制系統的可靠度和性能要求。燃氣控制系統的難點主要在于：監測、原理、輔機結構等方面。一般燃氣輪機的輔機工藝流程復雜度高，關聯程序多，加強連鎖反應對后期儀表、設備設施等的牽連影響分析是十分必要的。可提高信號反應速度、優化設備運行效率。

第四，信息行業快速發展，對應控制系統已經不可局限于傳統單一化的發展方向，需要結合多個控制目標進行優化，同時充分考慮遠程監控、綜合控制能力的落實。

2 關鍵技術

2.1 低排放燃燒控制技術

重型燃氣輪機的性能不斷升級，同時社會大眾對環境保護的意識逐漸加深，為了避免燃氣輪機污染過重等帶來的社會負面效應，需要充分考慮燃氣輪機的排放物特點，一般燃燒過程中，氮氧化物、碳氧化物等生成主要與燃燒溫度相關。溫度過高將會生成大量氮氧化物，過度低溫狀況下生成CO。一般情況下，天然氣燃料的燃燒溫度為1 430 ℃～1 530 ℃之間，該狀況下燃料空氣的混合比可滿足行業排放的最低要求。

2.2 主動間隙控制技術

該技術是當代燃氣輪機技術的主要考慮方向之一。借助對葉尖間隙的有效控制實現燃氣輪機能耗量的減低，可提高設備可靠性、使用壽命，同時可降低污染排放過多的狀況。該技術在航空領域中的發動機中應用較多，包括CFM56系列的發動機設備就是采用該種形式進行設計。從氣輪機運行工藝流程的角度分析，啟動環節中，燃氣輪機從靜止到空載狀況下，對應轉速增加、離心變形增加，而此時透平剛內部的熱容還未達到溫度最高，電熱變形響應不足。對應輪盤和透平缸無法同時變形的狀況，將會引起葉尖間隙瞬間變小。燃氣輪機全速運轉后，對應透平缸內部將會因受熱而導致間隙增加。負荷變化引起工況變化狀況下，將會導致間隙發生變化，一般在轉速尚未達到范圍之外狀況下，對應葉尖間隙將會明顯下降。該狀況導致葉尖間隙的設計難度增加。

為了解決上述問題，一般采用主動熱控制手段進行改進。工作原理為：燃氣輪機控制中，從壓氣機進行冷空氣抽取，進而對透平缸內外支撐結構實現冷卻處理，提高空氣流量、空氣溫度的有效控制，降低缸體膨脹過多引起的危害，提高徑向位移的精確控制，保證葉片、缸體的間隙滿足規定范圍要求。如GE公司就采取該方法在H型燃氣輪機中進行間隙控制。

2.3 延壽控制技術

重型燃氣輪機的系統控制中，一般對考慮性能最優的設計模式，對應使用壽命的考慮略有不足。延壽控制設計中，需要保證燃氣輪機運行穩定的基礎之上，將內部核心部件，如熱端部件進行優化目標進行控制，提高系統動態、靜態指標的合理化，避免使用壽命過低、安全穩定性差的狀況。如：系統在超載、轉速增加的狀況下，對應透平進口溫度將會有所提高，降低過渡狀況下峰值的影響，可延長核心部件的使用壽命。該方法屬于閉環控制、短期控制的方法，在航空領域的燃氣輪機上已經實現了應用。

2.4 自適應技術

受工作環境等外界因素變化的影響，重型燃氣輪機的部件可能發生結構變質、性能退化的狀況，如：腐蝕、銹蝕或風化等帶來的損傷。此時控制系統仍按最佳額定工況進行操作。整體不匹配狀況導致運行時間、壽命、核心部件的性能等均會大打折扣。為此，借助自適應技術進行調整是十分必要的方法。可實現對控制系統的有效控制，提高控制系統的適應能力，可合理調節，實現與衰減模型相匹配的作業方法，避免性能退化等導致的傷害。提高燃氣輪機傳感設備的精確性、合理性、穩定性。

3 結語

重型燃氣輪機中，控制系統的發展十分關鍵，提高其性能有效控制、降低成本耗費狀況，已經成為發展的必然趨勢。該文對重型燃機的發展狀況、特點和關鍵技術進行了分析，提出優化對象和改進目標，旨在為相關技術人員提供更加合理的理論指導，帶動該行業長期穩定發展。

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