燃气轮机控制系统概况

燃气轮机控制系统—SPEEDTRONICMarkV摘要:本文介绍了燃气轮机及其控制系统的发展历程,以及燃气轮机控制系统—SPEEDTRONICMarkV的工作原理及主要功能,并列举了几个燃气轮机控制系统的例子。关键词:燃气轮机;控制系统SPEEDTRONICMarkVGasTurbineControlSystemAbstract:Thispaperintroducethedevelopmenthistoryofgasturbinesandtheircontrolsystem,andthefunctionalprincipleandmainfeaturesofgasturbinecontrolsystems,accompaniedbysomeexemplifyingsystem.Keywords:GasTurbine;controlsystem1.燃气轮机控制系统的发展燃气轮机开始成为工矿企业和公用事业的原动机组始于40年代后期,其最初被用作管道天然气输送及电网调峰。早期的控制系统采纳了液压机械式气轮机调速器,并辅以气动温控,启机燃料限制稳定及手动程控等功能。其余诸如超速、超温、着火、熄火、无润滑油及振动超标等保护均由独立的装置来实现。随着控制技术的飞快发展，燃气轮机控制系统出现了以燃料调节器为代表的液压机械操动机构,以及用于启、停机自动控制的继电器自动程序控制。继电器自动程序控制,结合简单的报警监视亦可和SCADA(监控与数据采集)系统接口,用于连续遥控运行。这便是于1966年美国GE公司推出的第一台燃机电子控制系统的雏形。该套系统,也就是后来被定名为SPEEDTRONICMARKI的控制系统,以电子装置取代了早期的燃料调节器。MARKI系统采用固态系列元件模拟式控制系统，大约50块印刷电路板，继电器型顺序控制和输出逻辑。MARKII在1973年开始使用。其改进主要是采用了固态逻辑系统，改善了启动热过渡过程，对应用的环境温度要求放宽了。在MARKII的基础上，对温度测量系统的补偿、剔除、计算等进行改型，在70年代后期生产出MARKII＋ITS，即增加了一套集成温度系统。对排气温度的控制能力得以加强，主要是对损坏的排气热电偶能够实现自动剔除。MARKIV的出现是在1982年，这是在原来I型II型基础上做了较大的改进。首先是采用冗余微处理器和电路大量的集成化。从操作来讲前三种型号都没有本质上的变化，而MARKIV更新了操作和显示方式，简化了面板的布置，依靠CRT和辅助显示器及操作软键来控制。还一改手抄运行数据的办法由打印机按要求的时间和内容列出数据表。这里包括他的改进型PLUS。1991年投入使用的MARKV进一步完善了三重冗余的微机系统，采用彩色图形显示及标准键盘的人机接口，对容错系统由MARKIV的硬件方式改用SIFT的软件容错。提高了运行可靠性以及为在线维修提供了更多的方便。还改进了控制柜的保护系统，提高了安全性。对SPEEDTRONIC轮控盘的发展可参看下表：系统型号MARKIMARKIIMARKII＋ITSMARKIVMARKV生产时间19661973197619821991数量8501825356562――顺序控制继电器分列固态元件控制保护显示输入容错在这一阶段中,控制原则(见表2)随着现有技术的发展而发展。该理论依其重要程度排列,分别强调了安全运行、可靠性、灵活性、可维护性及使用的方便性。1现代燃机控制系统的主要功能以1991年美国ＧＥ公司推出的SPEEDTRONICMarkV为代表的燃机控制系统所履行的功能包括了对燃料、进气、排放量等的控制,同时还包括燃机的启、停和冷机等过程中燃料与辅助设备的程序控制,此外,还有其他诸如发电机励磁机及涉及燃机运行的所有主、辅助设备的控制乃至防止违反程序的操作和不利于安全运行工况的保护措施,均在其执行功能之列。这些功能都是以某种集成方式完成的,这种集成方式可按前面提到的先后顺序实现上节所述原则。转速与负荷的控制功能在部分负荷条件下对燃料流量加以控制以期满足对调速器的要求。温度控制功能则对燃料流量加以限制使之燃烧温度最大程度地符合额定值的要求。进气控制通过多导叶开度的调节使得燃机在热回收工况下运行的热耗值降到最低。当燃机带余热回收装置或排烟道装有回收可燃排放物的回收袋时,需对燃气通道进行吹扫以保证点火安全。当燃机启动达到吹扫转速时,以此速度恒定运转一段时间,通常为足以使3倍至5倍体积的气流流过燃气通道为宜,亦即在带余热锅炉情况下1ｍｉｎ至10ｍｉｎ不等。该过程结束后便可将燃机转子加速至点火速度。该速度经研究发现无论从热气流通道的热疲劳的承受能力亦或火焰筒可靠点火及联焰的角度而言均为最佳值。点火的过程包括接通火花塞的点火电源和设定点火时的燃料流量等步骤。当位于火花塞对侧的火焰探测器探知火焰时,表明点火与联焰成功。此时将燃料流量降至暖机运行值并持续运行1ｍｉｎ,然后启动机构升至最大出力。倘若在规定时间内未能成功点火,控制系统自动倒回到吹扫程序,并在不需操作人员介入的情况下尝试再次点火。不完全点火的情况极少发生,但一旦发生,因其排放温度升高,火焰监视器可在燃机加载之前便探测到。在暖机运行过程结束后,可增加燃料流量以使燃机转速迅速上升,当达到额定转速的30%～50%时,燃机进入预定的升速程序,开始时增速速率较小,在临近额定转速之际上升较快。其目的是为减小启动过程中对机件造成的热疲劳。在40%～85%转速之间燃机效率明显提高,从而可以自行维持运转。这时便不再需要外部盘车动力了。当转速进一步升至80%～90%时,原本在启动初期为防止压气机受到冲击而关闭的压气机进气导叶将开启至全速空载状态。随着燃机运转接近正常工作转速,便可开始同期过程。该过程包括:使燃机发电机所发出的电压周波及数值与母线电源一致。在两者之相位差小于原先整定的数值之瞬间断路器合闸。燃机的转速应与系统频率一致并略有正差,以防止断路器合闸于倒送功率上而跳闸。保护模块中的微处理器采用三冗余准同期方式预测零相角差,并计算出断路器合闸工作补偿时间以保证零相角合闸。三冗余控制处理器相互校验共同确定准同期条件。同期过程完成后,燃机开始进入旋转备用状态,启动过程的最后一个环节,包括燃机发电机的自动加载。其依照预先设定的指令,以正常或加速的方式分别带上腰荷、基荷或峰荷。正常情况下可由运行人员手动发出停机指令,并于断路器分断且燃机转速降至额定值95%前恢复加载。停机过程始于机组自动减载。当倒送功率值达5%时,逆流继电器跳开发电机断路器。控制系统将燃油流量降至仅够维持火焰但无法保持燃机转速的最低值。燃机则将减速至25%～40%额定转速,此时燃料供应完全终止。如前所述,该带火焰停机过程是为减小燃气通道部件的热疲劳。在燃料关断之后,燃机转速逐渐下降至需要借助盘车系统来转动转子。转子应予定期盘动以防止因不均匀冷却而造成轴向弯曲,从而导致再次启动时引起振动。转子在冷却过程中或维修时均需予以盘动。小型燃机通常利用一套棘轮来盘动转子。正常的冷却过程依燃机的大小不同而各异,一般小机在5ｈ左右,而大机则可长达48ｈ。燃机冷却过程可视需要,在任何时候予以中止而重新启动。当系统发生紧急情况时,燃机可以迅速加载。但此举亦会加剧热疲劳。快速加载工况须接收运行人员手动指令,而正常启动过程则由控制系统按设定进行自动控制。选择带柴油机启动装置的燃机发电机组,可保证当外界供电完全丧失时得以正常启动,机组启动时润滑油由直流应急泵提供,应急泵使用蓄电池供电,该蓄电池在无外界电源时也同时为直流燃油泵供电。所有的燃机与发电机控制盘均采用直流蓄电池供电,点火及操作员人机对话接口的交流电供应则需使用逆变电源来满足。当发电机升速至50%时,励磁电源自蓄电池切换至自励。冷却系统的风扇供电取自主发电机出口的电压互感器。无电源启动方式选择的配置采用一由蓄电池供电的盘车装置盘动冷却过程的转子,使机组在无外部供电情况下能靠自身装置启停。如前所述,保护装置独立于燃油控制单元,当机组出现超速、超温、转子振动、着火、熄火或滑油失压等情况时,保护能独立跳开燃机。随着微处理器技术的出现,控制系统又增加了不同的保护功能。由于微处理器及探头和信号处理单元等的冗余方式,使之增加的保护功能对机组运行可靠性的影响减至最小。其增加的功能包括:燃烧与热电偶监控,对润滑油出口温度高,液压油压低,控制计算机故障等的保护,以及对航空衍生型燃机压气机喘振的保护等。由于其特性及临界状态性质等因素,一些保护功能通过硬接线及三冗余保护模块对截止阀跳阀。这些保护功能有:在一些机组上用于取代机械防超速螺栓的硬接线超速检测系统,手动紧急跳阀按钮及“用户处理跳阀”等。如前所述,保护模块同时也提供同期并网功能,控制断路器适时合闸。此外可根据火焰探测器发来的信号确定火焰是否燃着或熄灭。还显示了当润滑油、压力油停供,或手动液压跳闸时将如何通过液压直接动作截止阀的。通过三冗余控制处理器硬接线保护模块或液压跳闸系统,可提供与其它操作定义的跳闸功能的相互接口。这些跳闸功能包括:为保护发电机而关停燃机;联合循环运行时和汽轮发电机的配合;以及和单轴ＳＴＡＧＴＭ汽轮机间反对配合。后一种功能由液压集成块来实现。另外还根据具体要求提供其它类型的保护配合以满足不同的使用目的。2结束语现代的燃机控制系统是建立在长期积累的燃机控制成功经验基础上,大量采用电子技术和微处理器技术的成果。启动与运行可靠性及系统可用率的进一步提高是随着控制系统发展及首次使用的独特构造性能的合乎逻辑的演化来实现的。使用的灵活性及操作的方便性也将不断提高,以满足燃机发电机组及燃机机械驱动装置在公用事业运行环境及调峰与带基荷发电时的不同需要。