【设计技术】浅介燃气轮机控制设计
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导读：随着燃气轮机在我国发电行业内地位的不断提升，燃机控制系统的性能显得越来越重要。在一定程度上，燃气轮机的控制系统性能能决定着相应的动力装置的变工况性能、经济行和安全性能。今天，让我们简单的来看下GE燃气轮机控制规律的设计。
概述
燃气轮机装置由压气机、燃烧室和透平三大部件组成。压气机需要从外部输入机械功才能把空气缩到一定的压力供入燃烧室。透平则用高温高压的燃气做工质将其热能转变为机械能从而对外输出机械功。
燃气轮机控制系统在所有运行方式下用来控制调节、监视和报告机组状况。通常控制系统包括启动控制系统、转速控制系统以及温度控制系统等。主要功能有实现机组启动（含盘车、清吹、点火、暖机等）和停机的动作过程；实现按需求进行加、减负荷；调节被控制转子或轴转速；调整燃料控制系统或空气质量流量控制系统以获得所设定的透平温度值；控制其它关键参数（如温度、压力、输出功率、推力、间隙等）等。
燃气轮机主要通过控制进入燃气轮机燃烧室的燃料流量来改变燃气轮机的运行工况，其设计思想如上图所示。由6个系统计算出来的FSR值通过1个最小值选择环节，选择出的最小值作为实际进入燃烧室的燃料流量冲程基准值，即同一时刻6个控制系统中只有1个真正起到控制作用。其中启动控制系统、转速控制系统、温度控制系统是三个主要的控制系统。
启动控制
启动控制系统是一个开环程序控制系统，该系统按照燃气轮机的启动程序要求，控制燃料冲程基准的变化，使燃气轮机达到某一预定的状态。下图是一个典型的启动变化曲线。
燃气轮机的起动是指机组从静止零转速状态加速达到全速空载并网状态，在起动过程中要求机组迅速、可靠、平稳和不喘振。为了防止压气机在起动过程中喘振，机组启动前和启运过程中某一阶段内压气机进口导叶处于34度，即关闭状态，放气阀处于打开放气位置。压气机进口可转导叶角度关小，能使压气机喘振边界线朝着流量减小的方向变动，扩大了压气机的稳定工作范围。同时放气阀的放气，可以增加压气机放气口前的气流流量，从而提高了流速，也使压气机避免喘振。下面详细介绍一下启动过程：
1.启动盘车和拖动。在正常运行的时候，压气机是由燃气透平来驱动的。一般讲，透平功率的2/3要用来拖动压气机，其余的1/3功率作为输出功率。这就存在一个问题，在起动过程中点火之前和点火之后透平发出的功率小于压气机所需要的功率这一段时间内，必须由燃气轮机主机外部的动力来拖动机组的转子。换句话说，燃气轮机的起动必须借助外部动力设备。在起动之后，再把外部动力设备脱开。机组起动扭矩变化，如下图所示。
MT曲线为透平自点火后所发出的扭矩；
MC曲线是压气机在被带转升速过程中的阻力矩变化；
Mn是机组起动时所需要的扭矩特性，即由起动系统所提供的扭矩；
n1为机组点火时的转速，即由起动机带转机组转子所达到的转速；
n2为机组自持转速，可近似地认为是MT曲线和MC曲线相交点时的转速，这时透平产生的扭矩和压气机消耗的阻力矩相等，即 MT=MC。
这时透平产生的剩余扭矩来加速转子，因此起动机这时还不能停止工作，机组还需要依靠它带着转子继续增速，直到透平已具有足够的剩余扭矩，机组可以自行加速时，起动机便可以脱开，停止工作。
2.清吹和点火。清吹的目的是在机组点火之前，让机组在一定的转速下，利用压气机出口空气对机组进行一定时间的冷吹，吹掉可能漏进机组中的燃料气或因积油产生的油雾。清吹结束后，若组达到点火转速，则进行点火，点火转速一般为机组额定转速的15%~22%。
3.暖机。如果点火成功，火焰探测器探测到燃烧室中的火焰，控制系统便发出暖机信号，使机组进入暖机阶段。暖机的目的是让机组的高温燃气通道中的受热部件、气缸与转子有一个均匀受热膨胀的时间，减少它们的热应力以及保证机组在起动过程中有良好的热对中，并且防止转子与静子之间出现过大的相对膨胀而使转子与静子发生碰擦，从而安全启动机组。为此，在一分钟暖机时间里，燃料行程基准FSR从点火值降到暖机值，即暖机期间，供入机组的燃料量比点火时要少。
4.升速。暖机时间由一个暖机计时器记录，暖机阶段结束时，由暖机计时器发出信号，使机组进入升速阶段。在这一阶段，FSR由控制系统按控制规范的规定上升，这时起动机的功率和透平发出的功率会使主机转速迅速上升，这时起动机的功率和透平发出的功率会使主机转速迅速上升。但在起动控制系统中，有加速度限制控制，使机组转速上升时的加速度不超过预先给定的限值。当机组转速加速到某个值时，继电器14HA动作，这时机组进入转速控制。
5.脱扣。随着机组转速的上升，通过压气机的空气流量增加，压气机出口压力也增加，供入机组的燃料量也增加，因此透平的输出功率也增大了。当机组转速在起动机的帮助下继续升速到额定转速的50%~60%范围，透平已由足够的剩余功率使机组升速时，就可以停掉起动机了。转速继电器14HX整定在额定转速的60%时触发，发出信号，卸掉液力变扭器中的工作油，使起动机与主机转子之间的液力联接脱升，然后停掉起动电机。
6.全速空载。机组转速达到97.5%时，运行转速继电器14HS投入发出信号，此时压气机防喘防气阀关闭，辅助滑油泵停止运转，机组继续加速进入全速空截状态运行。
7.同期阶段。一般当机组进入全速空载状态后，即向发电机控制屏发出同步许可，起动控制系统退出控制。机组进入同期控制。所谓同期，就是此时发电机发出的交流电，其频率、电压和相位与电网的这三个参数相适应，这种情况称作同期或同步。当同期条件满足时，发电机断路器自动闭合，也就是并网，并网完成后，一个完整的起动过程就完成了。自动同期利用和VPRO软件中的同期算法来完成，母线 电压和发电机电压信号分别进入VPRO和，软件程序驱动同期检查和同期允许继电器动作，VPRO提供实际发电机断路器闭合命令。
转速控制
转速控制图如下图所示，燃气轮机发电机组，转速调节的要求概括起来有:
1.在单机运行时，当电负荷变化以后，在调节终了时保持机组的转速基本不变；
2.在单机运行时，能根据操作者的意图在一定范围内改变机组的转速。在并网运行时能按操作者的意图改变机组的功率；
3.在电负荷突然甩去时机组不会熄火，也不会超速很多，并能很快的稳定下来。
温度控制
温度控制系统是通过控制燃料流量来限制燃气轮机的透平进口燃气温度。由于温度的变化剧烈，透平进口燃气温度非常难于测量与控制。但燃气轮机的排气温度则相对来说测量比较容易，并且与透平进口燃气温度成比例，所以一般应用燃气轮机的排气温度来间接反映透平进口燃气温度。
温度控制系统的作用有:
在燃气温度超过允许值时，发出信号去减少燃料喷入量，使燃气温度不超过允许值。
在必要时（尖峰运行和尖峰超截运行）可以提高温度的限制值。但这个限制值的提高时逐渐引入的，使机组的受热部件有较小的热应力。
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。
保护系统
燃气轮机的保护系统是具凋节控制系统的一个必要部分，它由几个系统组成，包括超速保护控制、温度限制与控制、熄火保护、轴承温度监测与保护以及振动监测与保护等。
保护模块有三块独立的相同的VPRO卡件X，Y，Z组成，有自己的电源和处理器，是不依赖控制系统的独立系统，可以避免出现因为控制系统故障而导致保护系统失效的可能性。三个测速传感器信号连接到..and控制模块，作为转速控制和主要的超速保护，另外三个观速传感器信号连接到X，Y，and Z，做紧急超速保护，如下图所示。
转速信号通过TTUR端子板和VTUR I/O板进入R，S，T控制器，并在控制器中进行中值选择，进行闭环转速控制。如果一个控制器判断到了跳机条件，就会将跳机信号通过VTUR I/O板送至TRPG端子板，VTUR的三个输出进行2/3表决，决定跳机电磁阀是否失电。
紧急超速保护是由独立的三重冗余的VPRO保护系统实现的。测速探头来的三个转速信号进入TPRO端子板，之后到VPRO控制器，每个VPRO控制器独立决定何时跳机，并把跳机信号送至TREG端子板，三个输出进行2/3表决，类似于TRPG。
总结
三重冗余的控制器、I/O卡件、I/O通讯、端子板都有很高的可靠性。对采集的数据进行软件表决，输出控制信号进行硬件表决，具有容错处理和对失效部件的辨识。对失效部件，包括主控制器，可以在线更换。
●硬件：Mark VI，Mark Vle
●网络：100MB以太网（双绞线，光纤）
●冗余：单重或三重冗余
●执行周期：整个执行周期：40ms（DL:1ms；Servo:5ms；AL:10ms）
●操作系统：QNX（控制器和I/O）
●维护：在线维护，下装，热切换
●温度：-30~65℃
●软件：可编程，多功能库
●格式：功能块，梯形图
注：这个其实是GE早期的控制框架，后来的燃机的控制设计特别是低污染燃烧控制上，有较大的改进和进步。我们会来后面给大家分析最新的燃机控制规律设计。
来源：中国仪表网
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