SGT-100燃气轮机控制系统国产化升级改造

SGT-100燃气轮机控制系统国产化升级改造作者：张龙李卫团熊永功
来源：《科技传播》2016年第12期
摘要利用国内燃气轮机控制技术改造SIEMENS公司成撬供货SGT-100机型燃机控制系统，摆脱国外技术垄断，提高国产化技术水平，大幅降低维护运行成本。

关键词国产化；燃机；燃料阀
中图分类号 TE9 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）165-0197-02
中海油涠洲岛终端处理厂有4台西门子SGT-100燃气轮发电机组。

该燃机采用西门子“STAR燃料控制系统”一旦控制系统出现问题，需要停止该机组运行并直接和厂家联系，等待厂家解决问题，造成机组运行维护成本昂贵，且故障排查的反应速度无法满足现场生产要求。

近年国内燃气轮发电机组控制技术已日趋成熟，为终端处理厂燃机控制系统国产化升级改造提供技术保障。

1 STAR燃料控制系统
STAR燃料控制及驱动制动器电子装置（FDAE）系统用于透平的精确模拟量控制，系统包括燃料控制器（ECU）和模拟定位器装置（APU）。

ECU微处理器是摩托罗拉公司的68332装置，运行频率为12MHz，带有闪存随机存储器，提供一个串行通信口RS232，9600波特率，用来调整参数、标定信号和更新程序，处理器设置有校准参数和制动器闭环定位算法。

如应用程序具有用于特定气体燃料、液体燃料算法以及VGV定位算法。

软件在ALSTOM公司出厂前进行了预先配置设定，用于匹配客户的特定应用，由于该软件是用一种高级编程语言书写的，因此不可以在现场调整。

ECU的PWM驱动电路用于把位置给定值输送到APU卡上，APU卡直接输出阀门开度。

模拟定位器（APU）只是一个模拟定位装置，不包含软件参数。

主要有3个作用：一是用于校准制动器的反馈；二是用于校准来自ECU的PWM指令信号；三是增益调整器，可以调整比例增益。

启动时，ECU中提前设置好固定的点火燃料量和两级燃料爬升率，启动过程中根据此设定开环爬升。

根据不同工况和燃料组分变化，在停机状态下，可以通过专用的通讯软件或超级终端命令行的方式对内部参数进行调整，由工程人员校对IGV开度、阀门零点满度、启动运行相关的燃料参数。

运行中，燃机转速和功率测量信号通过进入控制室的PLC后，再通过DeviceNet总线传送到燃机箱体的ECU中，在ECU中做转速或功率闭环控制，ECU自闭环调节器根据转速或功率需求的热量，按照每种燃料的热值来计算通过每个阀门所需燃料流量。

再将燃料流量输入到气体燃料和液体燃料的标准截流算法中计算。

2 国产化改造方案
2.1 系统工艺改造
2.1.1 燃气系统改造
燃气系统改造中拆卸原有的ECU、APU、步进电机、阀门等及其附件设备，替换为WoodWard·GS系列调节阀。

GS系列为一体化智能燃料调节阀，阀门不需要清洗和校验，可适应高达200°F的环境温度。

阀门直接接收4mA～20mA控制信号，反馈4mA～20mA位置信号，状态反馈，急停复位，使用24VDC直流电源作为动力电源。

燃油系统改造中拆卸原有的ECU、APU、步进电机、阀门等及其附件设备，替代为WoodWard·LQ系列调节阀。

LQ系列为一体化智能燃料调节阀，阀门不需要清洗和校验。

阀门直接接收4mA～20mA控制信号，反馈4mA～20mA位置信号，状态反馈，急停复位，使用24VDC直流电源作为动力电源。

VGV的伺服控制及位置反馈的改造。

原ATOS伺服阀替换成MOOG伺服阀，VGV执行机构不变，新设计液压回路转接模块控制原来的执行机构，并且保证原有功能不变。

MOOG 伺服阀是一种接受模拟电信号后，相应输出调节的流量和压力的液压控制阀，具有动态响应快、控制精度高、使用寿命长等优点。

VGV位置反馈改造是将原来的滑性变阻测量方式改为现在LVDT测量方式，相对于滑性变阻，LVDT有以下优势：1）无摩擦测量；2）无限的机械寿命；3）无限的分辨率；4）零位可重复性；5）环境适应性。

2.2 控制系统优化
2.2.1 顺序控制算法
采用流程步进模式控制逻辑，将一个复杂的系统分成若干独立的步序模式。

这些模式涵盖燃机发电机组的所有状态，每个设备的控制都通过模式来表述。

对于一个独立的设备只需要分析：有哪些条件进入该模式；进入该需要做些什么；以及该模式可能会跳转到哪些？模式。

2.2.2 温度控制算法
在原系统中对于温度没有闭环控制，只有跳机保护。

尤其在燃机启动过程中，由于采用了燃料的开环爬坡，在压气机进气温度、燃料热值等工况不同时，会造成燃机升速超扭矩、温度迅速升温、热悬挂等不利工况。

燃机的排气TOP温度最大值为540℃的机组，在启动过程中温度有时上升到590℃以上。

为了避免上述问题，我们在机组中加入TOP温度限制闭环控制，排气温度上升到温控限时，开始由温度闭环控制燃料，保证机组不会出现超温的状况。

排气温度控制的引入，使得机组在联合循环工况下调节排气温度以便于提高联合循环效率成为可能。

2.2.3 启动燃料控制
原机组控制程序的点火燃料量为固定值，然而在不同的进气温度的情况下，进入燃烧室的空气量不同，这也就造成的空燃比不同，从而会出现在不同工况下点火成功率不同。

在新系统中对点火燃料需求功率加入了进气温度的修正。

CQTC=SQRT（288/CTIM）。

修正后会根据压气机进气温度的不同来改变点火燃料的功率需求量。

有效的提高了点火成功率。

在原系统中对点火成功后，在此燃料基础上进行爬坡。

通常点火需要的燃料量多余实际需求功率的燃料量，因此会造成迅速升温，或点火失败的情况。

因此，在点火后加速了点火成功后的燃料向下阶
跃，然后进入闭环控制，而不是开环控制，此算法有效的改善了点火成功率。

尤其在液体燃料下，有连续3天点火失败的情况，算法修正后，多次实验的结果是，点火成功率100%。

且点火燃料量由原来的2300kW，改为了1？800kW，依然是点火成功率100%。

2.2.4 加速度控制算法
对于开环爬坡的方式启动燃机，存在着众多的缺陷。

因此引入加速度闭环控制，而不是原来的开环燃料爬升单独控制，在进入闭环之后不再需要进行燃料功率开度的换算，也就是不再需要调节阀前后的温度、压力测量点，在很大程度上避免了控制失误概率。

同时，加速度表征的是燃机机械应力，加速度闭环控制保证了在启动过程中不会出现因为工况不同燃料超量带来的机组超应力启动。

同时加速度控制自动修正燃料流量，也保证了启动的成功率，有效的降低了启动温度。

在原系统中启动机组温度在590℃以上，改造后的系统启动温度一直保持在560℃以下。

2.2.5 燃料控制算法
燃料控制算法由原来单一的控制算法改为多种控制算法的最优化选择，更适应于不同的工况，对甩负荷等超速超温抑制更优。

在电网出口断路器跳闸时，多机组超频的情况下，有效的抑制了机组超频。

四台机组中，未进行改造的机组均超频到55Hz以上，而改造后的机组超频在50.35Hz以下。

主燃料控制包括：1）停机燃料控制；2）功率控制和最大功率限制；3）排气温度控制；4）启动开环燃料量限制；5）加速度控制；6）转速控制；7）压比CRP控制；8）最小燃料和最大燃料限制。

加速度控制算法的引入，有效的控制了在运行过程中，由于电网甩负荷造成的机组超频。

2.2.6 IGV控制
加入环境温度修正，根据原机组容易喘振和机组损害的履历，对IGV的控制算法进行了修正。

在老的IGV控制闭环中，完全根据转速来计算IGV的开度，函数关系为：IGV开度=f （燃机转速）；这种单一的计算方式忽略了进入温度对压气机进气量的影响，从而在温度较高时容易发生喘振和热悬挂。

新的IGV控制算法更正为：IGV开度=f（燃机转速，进入温度）更加合理。

2.2.7 双燃料切换控制算法的优化
在燃料的切换过程中不是简单的根据总功率计算气体燃料和液体燃料的阀门开度，加入了阀门线性化的算法，有效的减小了切换过程中阀门的大幅度波动和功率的大幅度波动。

在小于10s的快速切换过程中，实际功率波动小于250kW，转换平稳。

3 燃机控制系统国产化改造的意义
通过该国产化改造，大大降低了透平发电机组的操作运行维护成本。

采用硬件部分为当今业界最高水平，软件部分具有自主知识产权，非标产品越来越少；改造解决了燃油启动成功率低、ECU通讯故障、备件停产老化等一系列老大难问题，系统功能全面超越原系统水平。

更为重要的是打破了SIEMENS厂家对应用程序文件和相关驱动程序的技术封锁和限制，大大提升了软件的开放程度，为国内其他进口燃机的国产化改造提供了良好借鉴。

参考文献
[1]阎维平.ASME·PTC22-2005燃气轮机性能试验规程[M].北京：中国电力出版社，2012，12.。