三菱M701F燃机控制系统分析与研究

【摘 要】本文分析了Mitsubishi公司的三菱M701F型燃气轮机主控制系统的原理、框架构成及其设计思想，结合各子系统相关控制逻辑图详细研究了燃机负荷自动调节控制策略、转速控制策略、温度控制及燃机整个启机过程控制策略，对类似电厂控制系统研究、分析和维护有一定的参考价值。

【关键词】燃汽轮机；主控制系统；转速控制; 负荷控制

Study and Analysis of Primary Control System in Mitsubishi M701F Gas Turbine

Sha yingying

Guangzhou Development Industry(Holdings) Co.,Ltd

Abstract: The control system principle, structure and design idea of Mitsubishi M701F gas turbine is analyzed in this paper. The load auto-modulation strategy, speed control strategy, temperature control strategy and the whole start-up process control strategy is studied in detail. It is valuable for the control system analysis and maintenance of similar plant.

Keywords: Gas turbine; Primary control system; Speed control; Load control

1.引言

三菱 M701F 燃气轮机为采用带进气可调导叶（IGV）的17级高效率轴流式压气机。燃烧室由环绕机轴呈环状布置的20只燃烧器组成。透平段包括4级反动式叶片。燃气轮机的特点是高温透平，而且沿用了许多三菱燃气轮机系列发展过程中的特性，燃气轮机叶片装有先进的冷却系统。叶片涂有涂层，以改进耐腐蚀和抗机械磨损的能力[1-4]。

本文详细分析了三菱公司M701F型燃气轮机控制系统的原理、框架构成及其设计思想，结合各子系统相关控制逻辑图详细研究了燃机负荷自动调节控制策略、转速控制策略、温度控制及燃机整个启机过程，对类似电厂控制系统的研究、分析和维护有一定参考价值。

2. 燃气轮机控制基本原理

轴流式压气机从外部吸入经过滤的空气,压缩后送入燃烧室,同时经过热值调整(高炉煤气通过掺入焦炉煤气提高热值,或掺入氮气降低热值)的高炉煤气经煤气压缩机压缩后也喷入燃烧室与压缩空气混合,在定压下点火燃烧,生成高温烟气进入燃气轮机膨胀做功,带动发电机发电,废气排入余热锅炉产生蒸汽[1]。

Mitsubishi公司的M701F型燃机由压气机、燃烧室、燃气透平等部分构成，该机组采用干式低氮环型燃烧室，燃烧器个数为20个，启动方式为静态变频器（SFC）启动，17级压气机，4级透平叶片。控制系统采用Mitsubishi公司自身开发的Diasys Netmation，其控制系统原理如图1所示。

M701F型燃机主要采用转速控制，负荷控制，温度控制，燃料限制方式作为燃料分配的基准，通过小选门和高选门判断得出适合机组正常运行的燃料输出指令CSO。

启动开始时，系统自动选择FLCSO，升速至2880r/min多一点时，选择GVCSO，并网后若选择LOAD LIMIT方式则选择LDCSO，当进入温控制方式时，选择BPCSO或EXCSO。并网后，除FLCSO为100%外，其它信号均跟踪当前的CSO并加上一个+5%的偏置，是通过动态改变PID的高限值来实现。大选逻辑在MDO点火之前，为-5%；FIRE点火时，维持燃料流量以取得可靠点燃；WUP在加速期间，维持燃料流量，防止火焰熄灭，并足以预热及加速达到额定速度；MIN加速后快达到额定速度时，维持最低的燃料流量以防止火焰在瞬变操作期间熄灭。

高选门的作用是防止CSO过分降低，而导致在过渡过程期间贫油熄火。例如在最极端的例子，机组突然甩全部负荷，燃气轮机控制系统回路要把CSO信号迅速压低，而高选门的最小CSO给定值则建立了避免熄火的最小燃料流量值。

2.自动负荷调节控制策略

燃机的自动负荷调节控制（AUTO LOAD REGULATION，ALR）有ALR ON 和 ALR OFF两种方式选择。

当处于ALR ON 方式下，转速和负荷都为自动调节，即控制系统将自动调整调速器参照点SPREF或负荷控制器参照点LDREF，让机组产生的实际负荷与ALR Set的负荷需求等同。此外ALR ON 下有两种方式选择：ALR MAN和 ALR AUTO。ALR MAN下可手动设定目标功率，ALR AUTO下可自动跟踪中调目标指令。然后根据所选的运行方式（GOVERNOR或LOAD LIMIT）来自动调整调速器的参照点SPREF或负荷控制器的参照点LDREF。

在ALR ON 且GOVERNOR 方式下，机组接受ALR LOAD SET 的输出，从而自动调整调速器参照点SPREF，此时机组是基于转速控制，假如机组运行过程中转速降得太快，功率调节将承担起限制负荷过快增加的作用。在ALR ON 且LOAD LIMIT 方式下，机组接受ALR LOAD SET 的输出，控制系统将自动调整负荷控制器的参照点LDREF，此时机组是基于负荷控制，假如机组运行过程中转速升得太快，转速调节也将承担起限制转速过快增加的作用。

3.转速/负荷控制策略

3.1 转速控制

LOAD LIMIT方式是与GOVERNOR方式互斥的模式，系统控制方式不是GOVERNOR方式就是LOAD LIMIT方式。LOAD LIMIT的功率設定值加+5%的偏置，当电网频率突然快速下降时，LOAD LIMIT会限制负荷的快速增加。

转速控制的SPREF=(SPSET+100)*30，在LDON为零时，SPSET＝0.266，SPREF值约为3008r/min。SPSET加上100减去实际转速得到偏差值INPUT，对该偏差进行比例调节。

GVCSO＝INPUT * GV GAIN + NO LOAD CSO ,全速空载时NO LOAD CSO 输出值为35.1。GV GAIN 逻辑里为不等率4％与NO LOAD CSO运算关系所得到的结果。逻辑里GOVERNOR方式下具有一次调频功能。并网后采用转速控制来改变机组负荷，显然，这时机组是在进行一次调频。当电网频率升高时，GVCSO变小；当电网频率降得太快或频率值过低，GVCSO的输出急剧增大至大于LDCSO，负荷控制LDCSO则变为实际的CSO输出，维持负荷恒定，不再参与调频。直到频率稳定下来之后，机组再缓慢地调升负荷至调频要求的负荷值。

3.2 负荷控制（LOAD CONTROL）

对于负荷控制，当信号LOAD HOLD=1时，LDREF＝ACTLD；LOAD HOLD为0时，LDREF＝LDSET。LDSET是一個过程量，是根据CRT上的LOAD LIMIT SET来决定的。当LDSET小于CRT上的设定值时，则增加；反之则减小。

LDON为0时（升速过程），LDSET＝20MW，LDCSO为60，所以其不可能通过最小选门。同步时LDSET为下限值20MW，等到GVCSO使机组并网带负荷至该初始负荷后，则转由LDCSO进行控制，此时LDSET根据一定的升速率不断增加，则控制机组继续升负荷至操作员选定的LOAD LIMIT SET值。

机组进行调频时，主要控制由速度控制执行，即实际输出CSO＝GVCSO，而此时LDCSO＝CSO＋5，一旦频率降得太快或频率值过低，GVCSO的输出急剧增大至大于LDCSO，负荷控制LDCSO则变为实际的CSO输出，维持负荷恒定，不再参与调频。直到频率稳定下来之后，机组再缓慢地调升负荷至调频要求的负荷值。

4.温度控制策略

正常情况下，燃机透平进气温度T3越高，燃机的功率和效率越高，因此机组多希望在尽可能高的T3温度下安全运行。但是如果T3超出了合理的范围，将会对燃气轮机的安全造成威胁，因此在燃机运行过程中必须严格监控温度变化，保证T3不超过规定的限定值。但T3温度非常高，9F级燃机是1400摄氏度左右，要直接测量和控制都非常困难。而在大气温度不变的稳态工况下，T3和排气温度T4的变化趋势是相同的，而T4远低于透平前温T3，且T4的温度场也因燃气经过透平做功时有所混合而比较均匀，所以T4便于测量和控制。因此可以通过测量燃气轮机的排气温度T4来间接反映透平前温T3的大小。

M701F采用压气机出口压力（COMB.SHELL PRESS）作为修正参数，通过排气温度T4和压气机出口压力之间的温控基准线保证T3为常数。M701F温度控制具体分为两类，叶片通道温度限制控制和排气温度限制控制。相应的温度测点也分为两类：叶片通道温度测点和排气温度测点，为环型均匀布置。压气机出口压力有三个测点，取中值后作为温控基准函数的输入，温控基准函数的输出则做为排气温度T4的参考基准值（EXREF）。EXREF加上一个偏差量（BLADE PATH BIAS）作为叶片通道温度的参考基准值（BPREF）。温度控制系统分别根据参考基准值（EXREF和BPREF）与相应测量值的实际偏差值x，输入到有高低值限制的PI调节器，各自的输出则分别为BPCSO和EXCSO。当偏差为正值时（BPT/EXT均值比参照点低），控制器的输出为上限值：当前CSO加5，以跟踪当前的实际控制CSO。

倘若出现负值的偏差（BPT/EXT均值比参照点高），控制器将削减自己的燃料控制信号CSO（BPCSO/EXCSO），直至达到正值的偏差为止。

5.燃机控制系统工作状况分析

本文分五种情况对CSO进行分析，详细结果如下。

5.1点火前

点火前（MDO时）FLCSO输出被钳制在－5％，所以最小选门输出为－5％，高选门的限制值也是－5％，因此实际CSO＝－5％。

5.2点火时

点火时（FIRE），FLCSO应该小于0，所以最小选门输出为FLCSO，但是在进入MIN状态前，高选门的输入限制值为16或18.5（根据FUEL GAS HEATER OUTLET TEMP HI的状态），因此实际CSO为16或18.5，维持燃料流量以取得可靠点燃。。

5.3点火后的升速阶段（WUP）

1）EXREF为602度，BPREF为612度，而实际值都比较低，所以偏差量很大，因此通过相应PIQ模块的输出BPCSO和EXCSO很大，应该为其高限值RCSO（CSO＋bias）。

2）当LDON为0时(LDON信号＝MD2 or MD3)，LDCSO的输出为60和CSO＋5之间的较小值，在点火及升速时，实际输出值应该为CSO＋5。

3）对于GVCSO，LDON为0时，SPSET处于被跟踪状态，SPSET＝0.266(%)，加上100后为100.266，减去实际转速得到偏差值INPUT。

GVCSO＝INPUT * GV GAIN + NO LOAD CSO

4）对于FLCSO，在580r/min－2500r/min，FLCSO随着转速的增加线性地增大（1/76.8r/min）。因此可以分别计算升速阶段GVCSO和FLCSO的输出以进行比较。

当转速为1600r/min时，GVCSO>FLCSO＝33.3，所以最小选输出仍然为FLCSO。

转速为2500r/min时，GVCSO>FLCSO＝38.5，此时最小选输出仍然为FLCSO。

在额定转速左右，GVCSO＝36.4，FLCSO＝45（由函数决定），此时由速度控制接替燃料限制控制作为实际的CSO输出，控制燃机转速在3008r/min附近。

5.4同期并网

并网操作可由APS自动实现，也可以在同步断点时由操作员确认后手动投入使 ASS AUTO REQUEST为1，控制系统则将 ASS AUTO REQUEST转换为GEN.SYN AUTO SELECT并送至GCP（GENERATOR CONTROL PANEL），由其自动调节转速设定值SPSET，实现与电网的同步，闭合发电机出口断路器GCB，从而实现并网。发电机出口断路器的闭合信号（52G CLOSE）由就地测点三选二进入控制系统，作为MD3成立的逻辑判断条件。

在以上过程中，正常情况应该尚未进入温度控制（叶片通道温度或排气温度尚未达到或超过相应温度基准）。此时BPCSO和EXCSO的输出都被限定为RCSO（RCSO＝CSO＋bias），对当前的实际控制输出CSO进行跟踪。一旦进入温控模式，则由相应的BPCSO或EXCSO作为最小选门的输出，自动接管控制功能。

5.5带负荷过程

带上负荷后，FLCSO变成略小于100，即最大，不可能通过最小选。并网后的一段时间内，GVCSO的转速设定值增加了一个5％的MD3偏置，因此转而由负荷控制接替，使燃机继续升负荷至负荷设定值。此后的控制模式则根据选定的ALR模式选择、以及GOVENOR CONTROL 或LOAD CONTROL的模式，由GVCSO和LDCSO交替发挥作用。如果机组带额定负荷运行或负荷高于一定程度时，温度控制模式则会自动投入，使燃机T3温度控制在温控基准线上。

6.结 语

本文详细分析了三菱公司M701F型燃气轮机控制系统的原理、框架构成及其设计思想，结合各子系统相关控制逻辑图详细研究了燃机负荷自动调节控制策略、转速控制策略、温度控制及燃机整个启机过程的控制策略，对其他电厂深入了解和分析燃机控制系统策略有一定参考价值。

参考文献

[1]周小力.燃机控制系统优化与改进.燃气轮机控制技术,2008,21(2):66-72

[2]陈华东,黄红艳.燃机控制系统 MARK V.浙江电力,2000,3:25-34

[3]刘万琨.燃气轮机与燃气-蒸汽联合循环.化学工业出版社,2006

[4]林汝谋.燃气轮机发电动力装置及应用.中国电力出版社,2004

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