安萨尔多AE94.3A燃气轮机控制方式解析

安萨尔多AE94.3A燃气轮机控制方式解析

张志武

（中电（四会）热电有限责任公司）

摘要：安萨尔多AE94.3A燃气轮机在结构设计、燃烧方式、最大出力和联合循环效率等方面越来越受到世界F系列燃气轮机的青睐。介绍了燃气轮机调节控制系统的划分，并在主控制系统的基础上，分析了安萨尔多AE94.3A燃气轮机调节控制逻辑。为了控制不同运行阶段的燃烧系统，利用IGV控制系统协调燃料在燃烧过程的空气比。

关键词：安萨尔多AE94.3A；燃气轮机；设计；技术特点

随着经济快速的发展，燃气轮机需要达到低污染、高效率的技术，引起大家的关注。燃气轮机控制系统主要由供电系统、保护系统、顺序控制系统以及调节控制系统等部分组成。本文主要研究并分析调节控制系统，其中调节控制系统分为燃油控制系统、IGV控制系统以及主控制系统。

1主控制系统解析

燃气轮机控制系统的主要组成部分是主控制系统，它是燃气轮机从点火到控制其运行稳定的主要作用。以及为了控制燃料量的单变量，就是使用最小值选择逻辑（见图1）。当选择加速控制器时，通过控制燃料量，可以根据特定的启动曲线增加单变量速度。为了让燃气轮机组控制带额定负荷或者并网转速时，可利用转速负荷控制器。保证机组运行稳定，排气温度控制器可以让温度低于允许值。载荷的极限、压力比的极限和冷却空气的极限是控制系统的约束，以确保机组的安全运行。

图１燃气轮机主控制系统示意图

1.1起步升速控制系统

当发动机启动时，起步升速控制系统不会直接启动。燃气轮机的启动依赖于启动变频器燃气轮机在驱动下发出的能量满足燃气轮机系统的能耗时（即压气机产生的空气质量流量和由起步升速控制器调节输出的燃料流量达到足够数量，足以使燃气轮机能够在燃烧做工下实现加速为止），燃气轮机进入独立的运行状态。

同时，由最小值选择器选择起步升速系统的信号，燃气轮机的转速根据一定的提速曲线提高，直到接近额定转速时，最小值合理地选择速度/负荷控制系统。启动控制系统退出操作。控制逻辑图如图2所示。

图２起步升速控制系统示意图

起步升速系统由起步升速器、跳机逻辑和转速测量模块组成。在测速模块中，通过信号处理和三选一逻辑输出实际测速。在起步升速器模块中，在不同的启动阶段和不同的条件下，分别设置了转速上升梯度。当启动起步升速器工作时，燃烧速率由梯度确定的燃料量值控制。启动速度设定最小值模块，以调节燃油供给，避免油量过大，不适合实际速度。跳机发生时，起步升速器根据最小燃烧负荷确定相应的控制信号，跳机逻辑模块给出跳机信号。在并网转速附近，起步升速器输出设置为120%达到退出控制，需要转速负载被最小值选择器选择控制系统时，。

1.2转速／负荷控制系统

燃气轮机的转速/负荷控制系统产生速度或负荷控制信号来控制燃油量，而NPR是一个双变量控制器。发电机与主断路器断开时，控制器为速度控制器，同步后为负载控制器。

安萨尔多AE94.3A燃机的转速负荷控制系统由转速测量模块、实际负荷测量模块、转速设定转速设定值模块、甩负荷判断、负荷设定负荷设定值模块、甩负荷判断模块和转速负荷控制器组成，见图３。

图３转速／负荷控制系统示意图

在转速控制系统模块中，对6个转速测量信号进行滤波和选择，以测量速度负荷控制器的输出速度。转速负载控制器的输入为延迟的转速设定值，在不同的运行阶段，转速设定值具有不同的值。

延迟的负荷设定值在发电机和主回路断路器闭合时，作为转速负荷控制器的输入。实际负荷的两个测量信号经过幅值转换和最大值选择之后得出实际负荷测量，进入转速负荷控制器进行调节作用。在甩负荷判断中给出甩负荷指令。以上信号与发电机／主回路断路器闭合信号共同输入转速负荷控制器，经过转速负荷控制器中具有ＰＩ功能的控制器以及前馈作用后得出转速负荷控制器输出，进入最小值选择器参与燃机调节。

1.3排气温度控制系统

排气温度控制系统在燃气轮机的负载运行阶段中动作，并且通过调节燃料的量将气体的初始温度保持在允许范围内。安萨尔多AE94.3A燃气轮机进口温度可达1300℃以上，导致温度场分布不均匀，不能直接对其进行测量。所以，以燃气轮机排气温度为测量对象。燃机排气温度控制系统主要由以下部分组成的，分别为燃机排气温度修正、排气温度设定、排气温度测量模块、排气温度修正控制器输出、逻辑排气温度修正和排气温度修正控制器组成，见图４。

图４排气温度控制系统示意图

排气温度控制系统的核心为经过处理的温度测量信号排气温度修正与不同运行阶段的温度设定值排气温度测量进行比较，将差值作为排气温度ＰＩ控制器的输入，从而得出不同时刻的控制量。在排气温度修正模块中，６个温度测量值经过信号处理后进行平均值计算得出透平排气计算温度。使用压气机进口温度平均值和转速测量对透平排气计算温度进行修正，再与２４个排气温度测量平均值计算后得出用于控制作用的排气温度修正。

1.4负荷限制控制系统

负荷极限控制系统用于防止涡轮在运行过程中超过最大允许负荷。当燃气轮机的负荷超过最大允许负荷时，燃气轮机内工作液的温度和流量将超过额定值。燃气温度的升高将威胁涡轮进口叶片的安全。

负荷超出允许值可能会出现在如下几种情况中：注水方式运行、外界温度下降、负荷设定值很高。负荷限制控制系统包括燃机功率计算模块、燃机功率负荷限制控制器。控制原理见图５

图５负荷限制控制系统示意图

燃机排气温度、压气机排气压力和压气机入口温度输入该模块经过计算后，得出该条件下的燃机的实际最大出力。如果当前运行大于计算的最大输出量，则应减少燃气轮机的实际负荷指令。汽轮机离合器关闭信号、汽轮机运行确认信号在本模块中，是汽轮机功率在测量值和计算值之间切换。

当汽轮机工作确认信号＝０时，燃机功率＝PEL；当汽轮机工作确认信号＝１时，燃机功率＝实际最大出力。负荷限制控制器使用ＰＩ控制器，燃机功率与负荷限制控制器的设定值的偏差作为控制器的输入，得出限制负荷的控制量，用于限制机组的功率。

1.5压气机压比限制控制系统

压气机压比限制控制系统使用压气机压比限制器。压气机压比限制器也具有比例积分ＰＩ形式，压气机压比限制控制器把压气机的压比限制在允许范围内。见图６。

图６压气机压比限制系统示意图

压气机入口温度和NT通过计算得到折合转速；压气机导叶位置经过计算得出压气机质量流量；折合转速；和压气机质量流量经过分段线性函数关系得出喘振极限允许压气机压比。由压缩机入口压力PVI划分的压缩机排气压力获得当前压缩机压力比。压缩机压力比信号具有两个功能：一个输出到冷却空气限制器以参与调节作用；另一个功能是将压缩机压力比与喘振极限允许压缩机压力比差值进行比较，并获得压缩机压力比控制偏差。将压气机压力比控制偏差分别应用于PI控制器和参与IGV控制，当偏差信号以较慢的速度接近喘振极限时，调整IGV角；当喘振限值在较高转速下接近喘振极限时，采用燃油量作为IGV调节的前馈控制信号，通过减少燃油量来降低压缩机出口压力。压气机压比控制偏差信号经过计算得出压气机压比限制器控制偏差作为ＰＩ控制器的输入，ＰＩ控制器输出经过０～１０６％的限制得到压气机压比限制器输出输入最小值选择器。压气机压比控制偏差信号还经过比例运算得到压气机压，作用于IGV控制。

1.6冷却空气限制控制系统

在冷却限风控制系统中，冷却空气限制器的作用是防止机组在汽轮机叶片冷却供气不足的情况下运行。冷却空气限制器具有比例积分PI结构，见图７。

图７冷却空气限制控制系统示意图

折合转速和压气机质量流量经计算后得出冷却空气允许压气机压力，它与压气机压比限制控制器模块中得到的压气机压比的偏差作为ＰＩ控制器的输入值，经过ＰＩ和０～１０６％限制作用后得到冷却空气限制器输出输入最小值选择器。偏差取负值后作为对导叶的作用进入进口导叶温度控制器模块，参与IGV角度的控制。当IGV没有全开时，通过冷却空气限制控制器对导叶的作用信号来增大空气质量流量以保证冷却；当IGV全开时，则通过最小值选择器减小燃料供给量来减小透平叶片的热负荷，从而改善冷却。

1.7最小值选择门

最小值选择门的逻辑示意图见图８

图８最小值选择门逻辑示意图

中央最小值选择逻辑从转速负荷控制器输出、起步升速控制器输出、负荷限制控制器输出、排气温度控制器输出、压气机压比限制器输出、冷却空气限制器输出和105％中选择最低的信号值作为输出，当相应的信号被选中时，在相对应的位输出信号１表示该控制器动作最小值选择门减去来自燃料控制系统的天然气最小平衡燃烧流量和先导气燃烧用量后，得出总燃料可变用量，它作为燃机控制系统的控制变量来控制燃料量的变化，从而达到控制燃机机组的目的。最小值选择门同时输入进口导叶温度控制器，作为前馈控制信号来参与IGV控制。

2IGV控制系统分析

压缩机进气换能型叶片IGV控制系统通过改变IGV叶片的角度来限制空气进入压缩机的流量，用于防止启动和关闭过程中的喘振，并在燃气轮机运行过程中保持排气温度的要求值。这确保涡轮的进口温度不超过温度。在联合循环机组中，为了保证整个联合循环的高效率，可以调节IGV的角度以使燃气轮机在非额定负荷状态下工作，从而降低压缩机的入口流量，以保持燃气轮机的高排气温度。从而匹配余热锅炉的设计条件。

安萨尔多AE94.3A型燃机的IGV控制系统由进口导叶温度控制器和进口导叶位置控制模块ＬＳＲＳ组成，见图９。

图９IGV控制系统示意图

在进口导叶温度控制器中，基本负荷温度设定值计算得出基本负荷温度设定有效值，作为IGV控制的排气温度设定值。选择对导叶的作用的较大值，经过带有０～１０％限幅的积分模块，得到压比与冷却空气对排气温度偏差修正值。入口导叶温度控制器采用比例积分PI结构，输入偏差信号为ATK，基本负载温度设置有效值和压力比以及压力比与排气温度偏差校正值之间的差值，通过控制器的动作将温度偏差信号转换为压缩机质量流量信号。

为了避免动态负荷变化时温度控制的偏差，在进口导叶片的温度控制中增加了前馈控制环节。采用分段线性函数法计算了燃油的用量，得到了相应的压缩机质量流量前馈控制信号。将PI控制器添加到PI控制器的压缩机输出的质量流量中，得到相应输入条件下压缩机的质量流量。

最后通过进口导叶温度控制器中分段线性函数的计算得出一定压气机质量流量下的位置设定值，作为压气机进口导叶位置控制器的设定值。进口导叶位置控制器用于控制导叶的位置。进口导叶温度控制器的输出位置设定值与测量得到的位置实际值的偏差为位置偏差，经过增益为20的比例作用和－100％～100％的限幅环节后输出位置控制器输出，用于带动伺服马达来给IGV定位。

３燃料控制系统分析

燃气轮机的运行参数是控制燃烧室的燃烧。环形燃烧室和燃料流率用于安萨尔多AE94.3A机组。由先导气体阀、预混合燃烧阀和扩散燃烧阀控制。在燃料流量控制中，根据系统的状态来确定引燃气体的流率，并且通过主控制系统的总燃料变量分别确定扩散燃烧和预混合燃烧的燃料流率。在升程计算模块中，通过流量与阀门位置的函数关系，获得了升程控制器的控制信号。阀门升程控制器是一个比例控制器。输入阀门位置设置值和阀门位置反馈值之间的差，并输出阀门控制信号。伺服后，控制信号作用于整体式执行器，实现燃油阀的控制。燃气分配器内部有一个顺序逻辑，在燃气轮机启动的不同阶段，输出与预混燃烧和扩散燃烧的比例发生了条件变化。

４结语

安萨尔多AE94.3A燃气轮机控制系统通过调节燃料油与空气的比例来控制燃气轮机。主控制系统为了确保机组的输出功率，通过最小值选择器给出燃料值。最小值选择器在不同的操作阶段选择不同的控制信号作为输出。燃料控制系统为了组织燃烧室的燃烧，使用主控制系统给出的燃料量来计算燃烧室的先导燃烧、扩散燃烧和预混燃烧的比例。

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