9F级燃气机组控制系统研究
【摘 要】GE公司的9F级燃气轮机是目前国内新建联合循环机组中燃机的主力机型，其控制系统采用GE公司配套的新一代燃机控制系统MARK VI。对燃机的主要控制功能进行了分析和研究，包括转速/负荷控制系统、温度控制系统以及干式低NOX燃烧控制系统等。可为今后燃机的调试、运行和维护提供参考。
【关键词】9F级燃气轮机；燃烧控制系统；负荷控制系统
作为“西气东输”工程的配套项目，国内新建了一批大型燃气—蒸汽联合循环电厂，目前正在进行紧张调试并陆续投入商业运行。这批联合循环机组中共引进了13套GE公司的9F级燃气轮机。以某电厂为例，该厂联合循环机组为多轴一拖一方案，燃机型号为PG9351FA，压气机为18级轴流式压气机，带可调进口导叶，燃机透平为3级，燃烧系统共有18个逆流环状燃烧室，型号为DLN2.0+。燃机使用天然气为主燃料，轻油为备用燃料，ISO工况下燃用天然气时功率为253MW。燃机控制系统由GE公司随设备配套供货，采用MARK VI三冗余数字控制系统。现对其主要控制策略和功能进行的介绍，适用于同类型的燃气轮机。
1.燃气轮机主控制系统
燃机主控制系统根据负荷指令、排气温度等控制要求来调节燃料量。主控制系统包括转速/功率控制、温度控制、启动控制、停机控制、加速度控制、手动控制等子系统，各个子系统的输出通过低选环节选出最小值作为燃料控制基准。以上子系统中启动、停机、加速度等控制仅在燃机并网前、解列后或甩负荷时起作用。例如：启动子系统仅控制燃机从点火到并网过程中的燃料量。启动过程的燃料量采用开环控制，根据启动工况对应的逻辑信号给出不同阶段的燃料设定值。当变频启动系统控制发电机拖动燃机完成清吹具备点火条件时，燃料量置为点火值，燃机点火成功后，燃料量降低为暖机值，待暖机完成，燃料量按照一定的速率不断增加到最大值，最终退出控制。
燃机带负荷运行中起作用的是转速/功率控制和温度控制两个回路。转速/功率调节回路的目标是调节燃料量，使燃机实发功率达到预设值，采用功率—转速串级调节。并入电网的燃机，转速受系统频率的钳制，若忽略频率扰动，可认为转速为恒定值。因此，转速控制回路采用P调节器，根据外回路输出的转速基准进行有差调节，输出值与经实时功率和燃料量修正的空载燃料量相加，作为燃料基准。而功率控制回路为带不灵敏区的无差调节，通过对大于死区设定值的功率偏差进行数字积分来改变转速基准，保证稳态时功率为设定值。
燃机并网成功后，自带大约8%的热备用负荷，以防止逆功率保护动作。除此以外，系统提供有预设负荷、基本负荷、远方DCS负荷、手动负荷等控制模式来改变负荷设定值。预设负荷和远方DCS负荷控制均采用模拟量负荷指令，而选择基本负荷模式时，功率控制回路设定值将变成极限值，使转速基准一直上
升，输出的FSR值随之增加，燃机负荷和排气温度也不断升高，压气机进口导叶角度随着开大以控制排气温度。当负荷继续增加使进口导叶开到最大角度后，排气温度将大于温控基准，温度控制回路投入，抑制住燃料和负荷的增加，保证透平进气温度在允许范围内，避免过高温度对透平叶片的损害。因此，基本负荷是在某一工况下兼顾经济性和安全性的最大负荷。
温度控制系统在未投入前处于开环状态，为一阶惯性环节，实现对燃料基准的跟踪。当温控系统输出小于转速/功率控制系统输出被选中后，形成闭环的PI调节回路。温控系统的被调量是透平的排气温度，但实际上温控的最终目的是控制透平的工作温度。由于透平第一级喷嘴处的工作温度非常高，现有的技术手段无法直接测量，而排气温度可以间接反应工作温度，所以通过控制排气温度能达到控制进气温度的目的。对压比修正的温控曲线而言，只要给定了曲线斜率和与等温线相交点的压比值，就可以确定任意压比下对应的温控基准，即：温控基准=等温常数-(压比-交点压比)×斜率。但实质上曲线的斜率和交点坐标并非定值，而是一个包括8个元素的数组，可以根据不同的运行条件选择不同的值，例如：压比修正曲线可根据压比的大小来选择数组元素。此外，在实际的温控计算中，还考虑了压气机进口温度、燃用轻油时喷水流量等因素的影响，会加入相应的偏置。
2.燃气轮机的干式低NOX燃烧控制系统
燃机主控制系统确定的燃料基准，会按比例分配给燃气和燃油系统。当只燃用天然气时，其燃料量就等于FSR决定的总燃料量。燃烧控制系统的任务就是合理组合和分配燃料量，保证燃烧效率和稳定性，抑制环境污染物的生成。传统的燃烧室采用的是扩散燃烧方式，即将燃气直接喷入燃烧区域，和助燃空气边扩散掺混边燃烧。扩散燃烧的过量空气系数近似为1，燃烧温度非常高，通常高于空气中N2和O2化学反应的起始温度1650°C，因而会产生大量的NOX污染物，而采用预混燃烧方式则可以有效地抑制NOX的生成。预混燃烧是预先将燃气和空气混和成均相、稀释的可燃混和体，使燃烧在较高的过量空气系数下进行，降低燃烧温度，从而抑制NOX的生成。但正因为预热燃烧在燃烧前进行了均匀混和，它的可燃范围有限，在低负荷时燃烧稳定性和效率都比较差。
针对两种燃烧方式的不同特点，GE公司先后开发了几代干式低NOX(DLN)燃烧室：DLN-1，DLN-2，DLN-2+，DLN-2.6以及DLN-2.5H等。9FA燃机的燃烧室为DLN-2+型，是两级串联式燃烧室，每个燃烧室中有5个燃烧筒，每个燃烧筒有两级喷嘴。其中，D5为位于燃烧筒后端的扩散喷嘴，PM1和PM4是位于前端的预混喷嘴。DLN燃烧控制系统的作用就是根据运行工况，调节D5、PM1和PM4的燃气量，使燃烧系统的热效率和排放量达到最佳，在任意负荷下都能稳定运行。因此，燃烧控制系统是整个燃机控制系统中的关键和核心。燃气系统的结构由燃气截止阀ASV，燃气速比阀SRV和3个燃气控制阀GCV1、GCV2、GCV3组成，这些阀门都是液压伺服阀。其中燃气速比阀采用PI调节来控制阀后燃气压力P2，3个燃气控制阀分别控制进入18个燃烧室的D5、PM1和PM4的流量。燃烧控制系统将点火到满负荷整个燃烧过程划分为几个阶段，每个阶段采用不同的燃烧运行模式，而采用何种燃烧运行模式以及该模式下工作喷嘴的燃
气量分配，则由燃烧参考温度决定。燃烧参考温度是一个计算量，它是透平排气温度、压气机出口压力和压气机进口温度等测量值的函数，但它并不代表燃烧的火焰温度。经燃烧优化调整后的燃气分配包括4种燃烧模式：(1)扩散燃烧模式：从点火到95%额定转速阶段采用该模式，所有燃气都供应给扩散喷嘴D5。(2)子先导预混燃烧模式：燃烧参考温度在426.7°C和871.1°C范围内采用该模式，燃气供应给D5和PM1喷嘴。(3)先导预混燃烧模式：燃烧参考温度在871.1°C和1232.2°C范围内采用该模式，喷嘴D5、PM1和PM4全都工作。(4)预混燃烧模式：燃烧参考温度超过1232.2°C后采用该模式，仅预混喷嘴PM1和PM4工作。
3.结语
通过对9F级燃机主要控制系统的分析，可以看出，MARK VI燃机控制系统采用的控制策略并不复杂。由于牵涉到很多设备本身的特性和经验参数等，往往主要依赖国外的技术力量，在调试结束后很少对其进行大量改动。希望借助这批联合循环机组建设的推动作用，能够加快对燃气轮机控制技术的消化、吸收和改进。