燃氣輪機發(fā)電模塊的控制策略探析

郭榮祥　武嘉杰

摘 要：燃氣輪機發(fā)電模塊的燃氣輪機的運行狀態(tài)主要由起動到慢車、高壓壓氣機轉速控制、動力渦輪轉速控制三個主要的部分，文章結合燃氣輪機發(fā)電模塊的特性，制定了相應的燃氣輪機的控制策略，包含起動階段、高壓壓氣機轉速控制，動力渦輪轉速控制。

關鍵詞：燃氣輪機；發(fā)電模塊；控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.053

0 引言

燃氣輪機發(fā)電模塊中通過燃氣輪機帶動同步發(fā)電機進行發(fā)電，燃氣輪機在起動快速性上要求燃氣輪機從起動到進入慢車的時間小于4min，從起動到能夠帶動發(fā)電機正常工作的時間要小于22min。影響發(fā)電機輸出電能的是發(fā)電機的轉子轉速，而發(fā)電機轉子是由燃氣輪機的動力渦輪所帶動的，所以最終是保證燃氣輪機動力渦輪的轉速恒定。單個發(fā)電模塊機組單獨穩(wěn)定運行時，發(fā)電模塊發(fā)出的功率等于機組所帶的負荷，此時動力渦輪轉子處于平衡狀態(tài)轉速恒定。此時發(fā)電模塊所帶電負荷發(fā)生變化，而燃氣輪機燃燒室的燃料流量未改變，原有的轉子平衡被打破，動力渦輪轉速發(fā)生變化。轉子轉速的變化不論是從影響輸出電能的角度還是從轉子葉片強度來講都是不被允許的，所以發(fā)電模塊控制系統必須含有燃氣輪機轉速控制。

1 起動階段的控制策略

燃氣輪機在起動過程中首先是燃機通過變頻電機帶動低壓壓氣機旋轉，此時隨著電機的不斷拖動，低壓壓氣機轉子旋轉帶動低壓渦輪旋轉這樣就會從燃氣輪機的進口不斷吸入空氣，低壓壓氣機對空氣做功使氣體流動從而吹動高壓渦輪轉子旋轉最終帶動高壓壓氣機轉動，這樣氣體工質經過低壓壓氣機和高壓壓氣機做功最終形成高溫高壓的空氣流入燃氣輪機的燃燒室外。此時向燃燒室內注入燃料，燃料從噴嘴噴出形成霧化的燃料氣與高溫高壓的空氣混合，在點火器的作用下形成火焰，最終形成高溫高壓的氣體工質推動后方的高壓渦輪、低壓渦輪最終帶動動力渦輪對外做功，當高壓壓氣機轉速達到設定的慢車轉速時，燃氣輪機進入慢車工況完成起動過程。

以上為燃氣輪機的起動過程，在起動過程中控制系統主要負責根據預先設定好的順序流程完成啟動電機一速二速、供給燃料、點火等順序指令。在本課題仿真研究中起動指令給出后，首先給出起動電機一速指令，起動電機帶動低壓壓氣機轉子旋轉同時低壓渦輪旋轉，形成的氣流壓差帶動高壓渦輪轉子旋轉從而帶動高壓壓氣機旋轉，30秒后給出起動電機二速指令，起動電機頻率升高從而提高轉速帶動低壓、高壓壓氣機轉速提升，二速指令給出后50秒后給出燃機點火指令，此時起動燃料量調節(jié)是開環(huán)控制，燃料量在一定時間內保持不變，然后自動調節(jié)系統根據起動時經過調節(jié)閥的燃料流量變化速度與高壓壓氣機轉速的關系打開調節(jié)閥。當高壓壓氣機轉速達到6200rpm時燃氣輪機起動完成，進入慢車工況。多數燃氣輪機起動過程中其燃料量的變化是依據該型燃機固有的起動燃料曲線而定的，但在很多情況下燃氣輪機運轉時所處的環(huán)境溫度不同以及燃機是冷機起動還是暖機起動都會影響燃機起動進程，燃機入口環(huán)境溫度過較低時如果初始的燃料量過低往往會導致點火失敗而環(huán)境溫度過高時又容易引起超溫停機，而機組冷暖機狀態(tài)的不同也會導致點火失敗或是超溫跳機。針對影響起動的兩個因素本課題仿真試驗對起動過程的燃料量進行了修正，制定的起動燃料量控制策略下式所示：

其中：為起動階段的總燃料量，其最大值受燃料限制曲線影響；為起動初始的燃料量；為燃機入口空氣溫度對初始燃料量的修正函數；表示起動階段燃料的增速率；為高壓壓氣機轉速對燃料增速率的修正；為低壓渦輪后燃氣溫度對燃料增速率的修正；表示起動階段時間計時；

2 高壓壓氣機轉速的控制策略

燃氣輪機在起動階段完成后進入慢車工況，此時改變燃料量進而燃氣輪機改變工況。燃氣輪機進入慢車工況以增量式PID控制算法調節(jié)燃料量的方式控制燃氣輪機工況，此階段主要的控制量是高壓壓氣機轉速。發(fā)電模塊機組正常的工況運行都是在動力渦輪轉速達到額定轉速的模式下進行的，而高壓壓氣機轉速控制在發(fā)電模塊燃氣輪機控制中主要起三點作用。

（1）發(fā)電模塊的原動機是三軸燃氣輪機其動力渦輪屬于自由，在燃氣輪機進入慢車工況后高壓壓氣機轉速的變化趨勢更能體現燃氣輪機工況的變化，此時通過高壓壓氣機轉速控制將動力渦輪轉速帶到額定的工作轉速，再進入動力渦輪轉速控制從而使發(fā)電模塊進入正常工作模式，在這個過程中高壓壓氣機轉速控制主要起過渡作用。

（2）高壓壓氣機轉速控制對燃氣輪機起到保護作用，當動力渦輪轉速控制階段動渦轉速低于某一限度時自動切入到高壓壓氣機轉速控制，切換控制目標防止仍以動力渦輪轉速為控制指標而引起燃機超扭等損害燃機的現象。

（3）高壓壓氣機轉速控制起到限制保護的作用，發(fā)電模塊正常運轉時燃氣輪機處于動力渦輪轉速控制同時根據當前高壓渦輪轉速反應的該環(huán)境下的功率限制線和燃料限制曲線計算最大燃料量，當達到燃料限制值時以當前高壓轉速值為設定值切換至高壓壓氣機轉速控制，對燃氣輪機起到保護作用。

3 動力渦輪轉速控制的控制策略

燃氣輪機在起動到慢車、高壓壓氣機轉速控制完成后，此時動力渦輪轉速達到2850rpm，進入動力渦輪轉速控制。動力渦輪轉速控制是發(fā)電模塊燃氣輪機控制系統的核心部分，發(fā)電模塊輸出電能的主要工作階段燃氣輪機都處于動力渦輪轉速控制下。動力渦輪轉速控制的主要目標是保證發(fā)電模塊各個工況狀態(tài)下負載發(fā)生突變后，轉速能夠快速穩(wěn)定回到額定轉速區(qū)間3000±15rpm。為了保證燃氣輪機在不同工況運行時，無論負載發(fā)生何種變化控制系統都能很好的完成機組對燃氣輪機控制品質的要求，本文制定了以下幾種控制方案，并希望通過仿真試驗分析比較方案控制策略改進的可行性和有效性，尋求最優(yōu)的燃氣輪機動力渦輪轉速控制策略。

參考文獻：

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[2]曾進，任慶生.燃氣輪機最優(yōu)控制研究[J].熱能動力工程， 2000（15）：90-92.