燃气轮机原理及控制调节

产品改进
• 使用Centaur 50 叶片,挡板和轮盘 • 减小叶片应力
标准 Centaur 40 动力涡轮 转子
改进转子采用Centaur 50挡板叶片 设计和 Centaur 40 轮毂
VP40(98)-015
Centaur 40 燃气轮机
通用的电动执行机构
•气体燃料计量 •可调机构
• 排气阀 • 进口导叶
1.4、温度控制系统
3、排气温度信号的处理
1.4、温度控制系统
4、温度控制基准
1.4、温度控制系统
压气机：级数：18级；压比（ISO）：16.5
1.4、温度控制系统
4、温度控制基准
图2－8
图2－11
图2－12
图2－13
图2－14
图2－15
图2－16
三、燃气轮机的IGV控制系统
• FSRN – FSRN0=（TNR-TNH）×KDrooop （2-1） • 式中FSRN——有差转速控制的输出FSR； • FSRN0——燃气轮机在额定转速下空载的FSR值（在这里作
为控制常数存入存储单元）； • KDroop——决定有差转速控制不等率的控制常数（调峰的燃
气轮机δ一般取4%）。
转速控制是燃气轮机最基本的控制系统， Mark-VI系统有“有差控制”（Droop Speed） 与“无差控制”（Isoch Speed）两种控制方
式。
比例调节的原理
比例调节的原理
比例调节的原理
燃气轮机的负荷控制系统与火电厂的负荷控制系统有 本质的区别,传统的燃气轮机负荷控制系统多采用如图 2-5 所示的负荷—转速串级控制方式。其中转速为有 差调节,功率为带不灵敏区的无差调节,保证稳态时功 率为设定值。不难看出,图2-5 所示的燃气轮机负荷控 制系统无一次调频功能,其目标为调节机组实发功率Ne 达到预定值Nes ,不考虑系统频率的扰动, 即认为当燃 气轮机发电机组并网后, 其转速受电网频率的钳制, 为 恒定的频率值n = n0 。只有对转速进行有差调节,才能 实现机组功率的无差调节,即通过改变转速比例调节器 的设定值ns 来改变机组的输出功率, 从而保证机组具
动力涡轮转子总成 燃气发生器透平钻子总成
VP40(98)-013
Centaur 40单轴燃气轮机
透平箱体和喷嘴 排气阀
燃烧室外罩
卷轴结合
燃料喷嘴 压缩机转子 附属驱动
输出轴
透平排气扩容器和排气 集箱
透平转子 燃料歧管 压缩机扩容器 压缩机可变进口导叶
空气进口 主减速齿轮箱
VP40(98)-014
Centaur 40 压缩机 /机械驱动
1、 IGV控制功能
1）在燃气轮机启动或停机过程中，当转子以 部分转速旋转时，为避免压缩机出现喘振而关 小IGV角度，扩大了压气机的稳定工作范围。
态特性和大电网的功率－频率静态特性之间找 到共同工作点，图2－8 表明只有当转速采用P 调节时, 两者才有相交点，即在机组转速受电网 频率的钳制而不变的情况下, 只有通过改变转速 P 调节器的设定值来改变机组的输出功率。
图2－8 大电网的功率－频率静态特性
因此，对于并入大电网运行的机组，功率采
用无差调节，转速采用有差调节，得出功率
VP40(98)-028
9FA级单轴燃气轮机
燃气轮机性能
燃气轮机效率：31.3%
燃气轮机性能
燃气轮机性能
1.3 气体燃料主控系统
1.3 气体燃料主控系统
燃气轮机的控制
燃料量－功率
空气量－效率。高排烟温度，等燃烧室入口温度。
图1－6
1.3 气体燃料主控系统
• 气体燃料主控系统主要包括：1气体燃料 过滤器；2气体速度/比例截止阀和气体控 制阀组件；3气体燃料控制系统；4通向 各燃烧室的气体燃料分配母管等。图1－ 6中给出了气体燃料的系统图。
压比和温比对效率的影响
压气机中空气出口压力与进口压力之比称为压比π，燃烧室出口至透平进口 的燃气温度称为燃气初温T3，温比τ为T3与大气温度T1的比值。 为了提高燃气轮机效率，人们不断地提高温比，同时配合提高压比。当前T3 最高已达1200～1300℃，简单循环（无回热）的压比达15～30，燃气轮机效 率最高的已达40%以上。
燃气轮机原理及控制调节
• 华南理工大学电力学院 刘金平 • 2010年9月20日
燃气轮机原理
压气机（压缩机，在燃机的前部）连续地从大气中吸入空气并 将其压缩，压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃 料，成为高温燃气进入透平中膨胀作功，推动透平叶轮带着压 气机叶轮一起旋转，加热后的高温燃气作功能力显著提高，因 而透平在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机 械功。
－转速的串级调节策略；外回路为功率调节 回路，它根据功率偏差ΔNe = Nec - Ne 来改 变转速设定值nc , 为保证功率的无差调节，外 回路中设置积分器；内回路为转速的P调节算 法，它根据外回路输出的转速给定值进行有 差调节，输出为燃料量指令Gf。
图2－9
图2－4
有差转速控制算法
• 根据要求的转速基准信号(Speed Reference）TNR与实际转速 TNH之差，正比例地改变FSR，实现
图2－6
当转速n 采用PI 调节时,由于积分作用,稳态时 转速n 总是等于其给定值nc 。对于在孤立电网 中运行,且电网中只有一台燃气轮发电机组,为 保证电网频率,机组转速应采用PI 调节，以保 证转速调节无差。当负载力矩增大时，必须导 致转速下降，其偏差通过PI调节作用,增大燃 料量，使得机组的功率上升，当力矩平衡时， 转速不再下降，但偏差的存在使得机组的功率 继续上升，调节作用在振荡中使转速无差，力 矩趋于平衡。因此机组的功率－频率静态特性 见图2－7。
1.4、温度控制系统
透平内部温度限制是在第一级喷嘴处，称为工作温 度。由于这里的温度长期维持在1100℃以上，故无法 直接测量此温度。通常通过测量透平排气温度和压气 机出口压力，计算得到工作温度。压气机出口压力代 表通过透平的压力降，还要对大气温度作修正。由于 冷空气密度大于暖空气，对于同样的负荷，冷天压气 机出口压力将比暖天高，因此冷天透平有较高的压降 和温降，所以为了保持同样的工作温度，排气温度必 须保持在较低值。
Centaur 40 燃气轮机
发电机
VP40(98)-006
Centaur 40 发电机组
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Centaur 40双轴燃气轮机
喷嘴壳体和喷嘴总成
排气收集器
燃料喷嘴 压缩机扩散器总成 压缩机壳体总成 压缩机转子总成
附属驱动装置总成
涡轮排气扩散器 驱动轴总成
燃烧室总成 气体燃料歧管 压缩机可变导叶总成 进口空气总成
气体控制阀的作用是:根据外界负荷变化的要求，不断地改变气 体控制阀的开度（即气阀的通流面积），调整送入燃烧室的
天然气流量，气体控制阀的阀芯是一个设计成为带有裙边的 碟形体，阀座则设计成为渐缩渐扩型的拉伐尔管。由于在设 计时已经确保气体控制阀前后的天然气压力比总是满足小于 临界压比的条件，因而流过气体控制阀的天然气流量与阀门 前后的压力降无关，天然气流量只是气体控制阀开度以及阀
有二次调频的能力。
图2-5负荷—转速串级控制
燃气轮发电机组的功率－频率静态特性根据其 采用的调节算法而不同。当转速采用P 调节时, 其静态特性见图2-6 。
在P 调节作用下,稳态时实际转速n 与其给定值 nc 是有差的。在不同的转速给定值nc 下，Ne －n 的静态特性线不同； nc 越高,稳态时同一 转速值所对应的功率Ne 越高；在同一nc 下， Ne 随着n 的升高而降低。
• FSRN – FSRN0=（TNR-TNH）×KDrooop （2-1） • 式中FSRN——有差转速控制的输出FSR； • FSRN0——燃气轮机在额定转速下空载的FSR值（在这里作
为控制常数存入存储单元）； • KDroop——决定有差转速控制不等率的控制常数（调峰的燃
气轮机δ一般取4%）。
转速控制是燃气轮机最基本的控制系统， Mark-VI系统有“有差控制”（Droop Speed） 与“无差控制”（Isoch Speed）两种控制方
式。
图2－5
图2－6
1.4、温度控制系统
1、温度控制系统的作用
1）在燃气温度超过允许值时减少燃料量 2）必要时提高温度的限制值 3）和超温保护系统一起，发出警报、停 止加载
1.3 气体燃料主控系统
• 气体燃料在流过过滤器时，可以除去其 中夹带的杂物，以免影响气体控制阀和 气体速度比例截止阀的工作。过滤器下 方装有排污阀，要求定期开启，以保持 滤网清洁。在运行过程中过滤器也必须 定期清洗，清洗周期的长短，则取决于 气体燃料的质量。
1.3 气体燃料主控系统
气体速度比例截止阀和气体控制阀串联在一起，安装在同一个 壳体中，
1000
800
600
0
2Baidu Nhomakorabea
4
6
8
10
12
14
16
18
p(bar)
图2－15 烟气在透平中压力和温度的变化曲线
1.4、温度控制系统
2、温度控制简化原理
1.4、温度控制系统
排气温度超过温控基准时，△T＜0，这时FSRT＜ FSR，温度控制系统进入控制。每一采样周期FSR便 减小一个△T值，排气温度不断降低，△T不断减 小，直到△T=0为止。 排气温度低于温控基准时，△T＞0，这时，FSRT＞ FSR，FSRT便被最小选择门所阻挡，使温度控制系 统退出控制。
几种循环方式供电效率的比较
2、分析计算
2、分析计算
2、分析计算
燃气轮机热效率
燃汽轮机装置的优缺点及应用
优点
应用
缺点
Centaur 40 燃气轮机
压缩机 &机械驱动应用
VP40(98)-003
Centaur 40 压缩机组
VP40(98)-004
Centaur 40 机械驱动
VP40(98)-005
图2－7 Ne－n 静态特性( PI 调节作用下)
在考虑并网机组的情况时, 首先应考虑大电网的 功率－频率静态特性(见图2－8中的实线所 示) 。当燃气轮发电机组并入大电网后，其转
速受电网频率的钳制，为恒定的频率值，一般 只有很小的波动。在不考虑频率ωe 扰动的前
提下，不需要考虑转速调节。对并入大电网的 机组进行功率调节，就是要在机组的Ne－n 静
体前天然气压力P2的函数（当天然气的温度变化不大时）。
1.3 气体燃料主控系统
• 气体速度/比例截止阀的作用有两个：1调整进 入气体控制阀的天然气压力P2，使P2成为透平
转速的函数。也就是说，当气体速度/比例截止 阀与气体控制阀串联在一起工作时，可以适应 机组转速和外界负荷变化的需要，来共同调整 供向燃烧室的天然气流量。2保证机组在正常
1.4、温度控制系统
第一级喷嘴入口绝对总温度：1420℃ 第一级动叶入口绝对总温度：1327（ISO）℃ 燃气轮机排烟温度：619.9℃
1.4、温度控制系统
第一级喷嘴入口绝对总温度：1420℃ 第一级动叶入口绝对总温度：1327（ISO）℃ 燃气轮机排烟温度：619.9℃
B
1400
1200
temperature(℃）
停机或事故停机时，能够既迅速又严密地切断 供向燃烧室的天然气。
图1－7
图1－8 DLN - 2 + 燃烧室喷嘴布置
图1－9 燃气系统结构
Fig. 11 Typical plant display
图2－1
图2－2
图2－1
图2－2
图2－3
图2－4
有差转速控制算法
• 根据要求的转速基准信号(Speed Reference）TNR与实际转速 TNH之差，正比例地改变FSR，实现
1.4、温度控制系统
透平内部温度限制是在第一级喷嘴处，称为工作温 度。由于这里的温度长期维持在1100℃以上，故无法 直接测量此温度。通过测量透平排气温度和压气机出 口压力，计算得到工作温度。压气机出口压力代表通 过透平的压力降，还要对大气温度作修正。由于冷空 气密度大于暖空气，对于同样的负荷，冷天压气机出 口压力将比暖天高，因此冷天透平有较高的压降和温 降，所以为了保持同样的工作温度，排气温度必须保 持在较低值。
1.4、温度控制系统
燃气轮机排气温度随负荷增加而升高，通常在最大 功率附近进入温度控制。在并网发电时，升高转速基 准TNR增加功率，到一定值时，排气温度升到温控 基准就开始进入温度控制的限制。从此若再升高 TNR（由于FSRN为最小选择门所阻挡，转速控制系 统退出控制）也无法提高出力。温控基准为燃气轮机 设置了运行工况（功率、温度等）的上限。