燃气轮机控制系统概况

2 现代燃机控制系统的主要功能
以 1991 年 美 国 GE 公 司 推 出 的 SPEED2 TRON ICTM MAR K V 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 。
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 。
收稿日期 :2002206220 作者简介 :吴石贤 (1973 - ) ,女 ,上海交通大学工程硕士在读 ,主要研究仪器科学与技术 。
·56 ·
燃气轮机控制系统概况
发电设备( 2003 No. 2)
表 1 电子控制方法的进步
系统类型 Mark Ⅰ Mark Ⅱ Msrk Ⅲ Mark Ⅳ Mark Ⅴ
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 。
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 。
3 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 。
输入
按钮及批处理开关
膜片 开关
键盘/ 或 命令处理 分配器
人工排除损 容错
ห้องสมุดไป่ตู้
自动排除损坏的
基于硬 SIFT(软
坏的热电偶
热电偶
件容错 件容错)
表 2 燃气轮机控制原则
1 运行或启动期间 ,单个控制故障报警 2 后备保护控制 ,这样单个的保护故障将引起停机 3 将采用两个独立的停机手段 4 双重故障可引发停机 ,但总是能安全停机 5 发电机驱动用燃机能承受甩满负而不致超速 6 关键传感器有冗余 7 控制有冗余 8 对任何控制系统的问题均报警 9 标准化硬件以加强可靠性同时保护灵活性
欢迎订阅,欢迎投稿!
·58 ·
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 。
燃机工业发展伊始 ,燃气轮机的控制系统设 计 ,便获益于飞速发展的控制技术 。随之同时发 展起来的还有以燃料调节器为代表的液压机械操 动机构的设计 ,以及用于启 、停机自动控制的继电 器自动程序控制 。该技术适用于无人值守电站 。 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 1968 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 ,
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
Key words : gas turbine ; control system
1 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 。
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 。
·57 ·
发电设备( 2003 No. 2)
燃气轮机控制系统概况
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 机构进行 ,而较大型燃机则采用常规的盘车齿轮 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 。
发电设备( 2003 No. 2)
燃气轮机控制系统概况
燃气轮机控制系统概况
吴石贤 (上海申通科技 (集团) 有限公司 ,上海 200030)
摘 要 :简要地回顾了燃气轮机及其控制系统的发展历程 ,介绍了燃气轮机控制系统的工作原理及主要 功能 ,并列举了国外几个燃气轮机控制系统的例子 。 关键词 :燃气轮机 ;控制系统 中图分类号 : TP273 文献标识码 :A 文章编号 :16712086X(2003) 0220056203
也就是后来被定名为 SPEED TRON ICTM MAR KI 的控制系统 ,以电子装置取代了早期的燃料调节 器 。在 MAR KI 中保留了继电器自动程控 ,同时 用电子元件对各独立的保护单元作了升级改造 。 因其依靠电气工作 ,故设计中将重点放在供电的 完整性上 。该装置采用了以直流供电为主 ,另以 交流及自身轴发电为辅 。此类早期的电子控制系 统将运行的可靠性与可维护性提高了一个数量 级 。一旦实现了电子化 ,便使得电子技术的飞速 发展得以带动燃机控制技术的同步发展 ,见表 1 。 值得注意的是 ,燃机控制方面所积累的 40 余 年 ,在 5400 多台机组上的运行实践中 ,电子控制 技术占了 26 年 ,应用机组数为 4400 余台 。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 。
Control Systems of Gas2Turbines
WU Shi2xian ( Shanghai Shentong Science and Technology ( Group) Co. Lt d. , Shanghai 200030 , China)
Abstract : Follwoing a review of t he development history of gas turbines and t heir control system , t he paper presents on introduction to t he functional principle and main features of gas turbine control systems , accompanied by some exemplifying systems from abroad.
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 STA GTM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 。
发运量 850
1825
356
964
56
程控 继电器
离散固态元件
TMR 微处理器
集成电路和
控制
离散固态 集成电路 微处理器
TMR 微处理器
保护
继电器及 集成电路和
继电器
固态 微处理器 TMR 微处理器
模拟表及集 显示
成指示器
模拟表和数字表 固态指示器
CRT 和 发光二
V GA 彩
色图形
级管辅
显示器
助显示