三菱M701F4型燃氣輪機自動控制過程

摘 要：從三菱M701F4燃氣輪機啟動過程開始分析機組自動控制方式，重點說明控制系統中轉速控制（GOVERNOR）、負荷控制（LOAD LIMIT）、溫度控制、燃料限制控制（FUEL LIMIT）在機組自動控制過程中的作用。

Abstract： The article analyzed automation control for M701F4 Gas turbine combined cycle unit， the article pay much attention in instruction for Governor Control/load limit control/temperature control/fuel gas limit control in the unit automation start.

關鍵詞：燃氣輪機啟動； 負荷控制； 轉速控制；溫度控制；燃料限制控制； SFC。

1 前言

三菱M701F4型燃氣輪機使用清潔能源天然氣作為燃料，能源利用的效率可高達90%以上，對環境的影響較小，低NOX、無SO2、、無煙塵排放。其啟?？?，適合快速調峰運行，設備可靠，能長時間滿負荷運轉。

三菱M701F4型燃氣輪機從盤車轉速開始到額定轉速由燃氣輪機主控制系統（GT CONTROL）自動完成。燃機到達額定轉速后，發電機接收到并網指令并網，并網后燃氣輪機主控制系統（GT CONTROL）可根據操作員指令或者AGC負荷指令改變燃機輸出功率，滿足發電機并網發電需求。

2 三菱M701F4燃氣輪機自動控制過程

燃氣輪機主控制系統（GT CONTROL）在識別判斷燃機所有啟動條件具備后，燃機進入待啟動狀態?？刂葡到y接收到操作員發出啟動指令后，自動控制系統控制燃機升速。燃機從盤車轉速開始到額定轉速（3000轉/分）過程中轉速是控制系統的主要控制目標，同時燃機轉速也是控制系統主要控制命令的觸發信號。

2.1 三菱M701F4燃氣輪機啟動第一階段（盤車狀態轉速3轉/分）

在此階段燃機在盤車帶動下以3轉/分的轉速連續運行，燃機啟動條件全部滿足后，燃氣輪機主控制系統（GT CONTROL）會發出READY TO START信號，燃機進入待啟動狀態。

2.2 三菱M701F4燃氣輪機啟動第二階段（SFC啟動，機組轉速從盤車轉速升至吹掃轉速）

操作員發出NORMAL START 指令后，燃氣輪機主控制系統會給SFC發出啟動指令和高速盤車請求指令。SFC開始啟動驅動燃機轉速向目標值（700轉/分）提升。燃氣輪機主控制系統實時監測燃機轉速，當燃機轉速升至點火轉速（550轉/分）時，燃氣輪機主控制系統內部計時邏輯開始800秒倒計時，此倒計時時間即為燃機在高速盤車狀態下的運行時間。目的是利用燃機高速盤車時壓氣機產生的氣流吹掃燃機燃燒通道，為即將到來的點火階段做準備。當主控制系統識別到燃機轉速升至700轉/分時，主控制系統向SFC裝置發出高速盤車保持保持信號，此時SFC會停止升速，保持燃機在700轉/分速度運行至到吹掃倒計時結束。

2.3三菱M701F4燃氣輪機啟動第三階段（吹掃完成，降速點火）

當高速盤車倒計時時間結束后，燃機控制系統向SFC裝置發出低速盤車信號，SFC裝置控制燃機轉速向低速盤車轉速（即點火轉速550轉/分）下降。當控制系統識別出燃機轉速降至550轉/分時，控制系統向SFC裝置發出低速盤車保持信號，SFC驅動燃機維持550轉/分運行。于此同時控制系統發出點火命令，控制點火器投入、燃料投入，燃機進入點火狀態。待燃機火檢裝置識別出燃機點火成功，控制系統向SFC裝置發出全力輸出指令，此時SFC輸出力矩與燃機輸出力矩共同驅動燃機轉速上升。

2.4三菱M701F4燃氣輪機啟動第四階段（點火成功升速至額定轉速3000轉/分）

燃氣輪機點火成功后在SFC輸出轉矩和自身輸出轉矩驅動下升速。當控制系統識別燃機轉速到達2200轉/分時，控制系統向SFC發出停止運行指令，SFC開始退出運行，燃機開始自主運行升速。在這一階段燃機的燃料投入量是在主控制系統邏輯中根據燃機GT SPEED 和COMB SHELL PRESS 的實測值進行函數運算得出，即燃料限制控制FLCSO輸出的CSO值。FLCSO輸出的CSO值是開環控制，不受任何反饋限制，在燃機燃燒調整工作完成后確定。當燃機轉速上升至3000轉時，燃機燃料量轉為GOVERNOR控制，原因是燃機轉速控制GOVERNOR可以更好的維持燃機轉速。

以上分析了燃機從盤車轉速（3轉/分）到額定轉速過程中控制系統的主要控制過程，其中對SFC裝置的控制是這一過程的核心，燃機轉速信號是燃機控制系統所發出指令的觸發信號，例如燃機點火命令、SFC退出命令、低壓缸冷卻蒸汽投入命令、中低壓防喘閥關閉命令、都是由控制系統識別燃機轉速到達特定數值后觸發的。

2.5三菱M701F4燃氣輪機啟動第五階段（額定轉速并網升負荷）

燃機帶動發電機達到額定轉速，由操作人員發出并網命令，發電機并網后，燃機進入定速運行階段。燃機并網后的定速階段控制相比并網前升速階段的控制要復雜的多。燃機并網后，燃機需根據電網需求改變輸出功率，同時還要求能夠保持額定轉速運行，并且要保證自身燃燒安全，所以這一階段的控制比較復雜。

2.6燃氣輪機主控制系統（GT CONTROL）并網后控制過程分析

燃氣輪機主控制系統（GT CONTROL）邏輯圖如圖1所示。

2.6.1自動負荷調節ALR（AUTO LOAD REGULATION）

ALR自動負荷調節是指燃機負荷需要自動調節時要投入的功能模塊。

在 ALR ON（投入時）的條件下，ALR 的輸出作為機組功率設定值ALR SET 送到GOVERNOR 方式或LOAD LIMIT方式回路。（GOVERNOR 方式和LOAD LIMIT 方式是兩種并列的控制方式，同時只能選擇其中一種，其各自的區別下文中會介紹）

在ALR ON下還有“ALR MAN”和“ALR AUTO”兩種方式。在“ALR MAN”方式下，ALR 目標功率可以手動給定或根據機組工況（冷態、溫態或熱態的暖機負荷）自動給定，在“ALR AUTO”方式下，ALR 目標功率跟蹤中調AGC來的目標負荷指令信號，燃機負荷可以根據AGC指令自動設定和調整。

2.6.2轉速控制（GOVERNOR）

GOVERNOR（轉速控制方式）：這種控制方式表面上看是以增減燃機轉速為目的來控燃料量的增減，但是因為發電機并網運行，燃機轉速在燃料投入量適當增減時不會變化，而燃料增減時會直接改變燃機輸出功率，進而達到了調節發電機輸出功率的目的。比如當AGC負荷指令大于發電機實際發出的功率時，ALR接受到AGC的指令后比較判斷出AGC指令大于發電機實際發出的功率。ALR就會發出升負荷指令，這個指令被轉速控制（GOVERNOR）模塊接收，轉速控制模塊會將升負荷指令轉變為升轉速指令，GVCSO控制燃料投入量增加，但機組轉速因發電機并網受限于電力系統固有頻率而不會輕易改變，所以GVCSO開始變大控制燃料投入量增加，最終增加了發電機的輸出功率。當發電機的輸出功率等于AGC的設定值時，ALR發出負荷保持指令，轉速控制模塊將接收到的負荷保持指令轉變為轉速保持指令，將維持此時的燃料量不變，至此升負荷過程結束。在此升負荷過程中如果燃機實際轉速確實有增長則GVCSO控制燃料量的增加速率會馬上減小，從而保證了升負荷過程中燃機轉速的穩定，這也就是轉速控制（GOVERNOR）方式的優點。

2.6.3 負荷控制（LOAD LIMIT）

負荷控制（LOAD LIMIT）方式：這種控制方式是直接通過增加燃料量來改變燃機輸出功率進而改變發電機輸出功率。在升降負荷時不受燃機轉速的反饋影響，所以升降負荷快速平穩，這是負荷控制的優點，但發電頻率是電能質量的主要指標，負荷控制（LOAD LIMIT）這種不直接引入轉速反饋的控制方式無法快速有效的調整發電機頻率就成為了它的一大缺點。

3.結束語

以上介紹了燃機啟動到并網升負荷過程中主控制系統的控制過程。燃機啟動升速階段燃機轉速作為為重要信號輸入到主控制系統中用以觸發控制命令的發出。機組并網后自動控制系統主要任務轉為控制燃機負荷輸出以滿足發電機并網發電要求，重點介紹了轉速控制（GOVERNOR）和負荷控制（LOAD LIMIT）之間的區別。

參考文獻

[1] 楊順虎.燃氣蒸汽聯合循環發電設備及運行.中國電力出版社，2004.

[2] 燃氣蒸汽聯合循環發電裝置培訓教材.南京燃氣輪機研究所.2001

作者簡介：

張博（1985.2～），男，漢族，吉林長春人，浙江大唐國際紹興江濱燃氣熱電有限責任公司，助理工程師.