M701F3型燃机升速动力不足过程分析和应对

摘 要：该文介绍了M701F3型燃气轮机机组的燃料供应系统及燃机启动过程，以及在启动过程中主要面临的可靠性问题。并结合现实遇到的案例，介绍分析了M701F3型燃气轮机启动阶段遇到升速动力不足问题时，从单体设备到系统，直至主控逻辑的检查全流程，以及相应的应对方案选择。该文对相同类型机组启动升速阶段升速动力不足问题分析有较好的参考意义。

关键词：燃气轮机 启动 升速力不足

中图分类号：TK14 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）04（a）-0046-03

1 机组概述

某电厂发电设备为M701F3型燃气蒸汽联合循环机组，由日本三菱重工/中国东方汽轮机厂联合制造。该类型的大型联合循环的燃气轮机机组的控制系统及设备都由主机机组的供应厂家提供。由于燃气轮机本体工艺结构复杂，设备集成性高，因此与之对应的燃机本体控制逻辑也高度的集成化，其集成化表现为：逻辑设计统一且大量黑箱化、控制方式部分开环、经验性参数大量使用。因此，设备使用方基本不会对燃机本体逻辑进行优化。该文将介绍一次针对燃气轮机主控逻辑的修改实例。

2 M701F型机组燃料控制系统和启动过程

2.1 燃料的供应和分配

M701F3型燃气轮机机组以天然气作为燃料。组成燃料控制系统的阀门共有5个，分别是主燃料压力控制阀-A、主燃料压力控制阀-B、主燃料流量控制阀、值班燃料压力控制阀、值班燃料流量控制阀。

压力控制阀调节流量控制阀前后压差，使其稳定在0.39 MPa，流量控制阀根据控制目标的不同调节开度以满足燃料的供应需求。

其燃料全程分配情况大致如图1所示。

从图1中可以看出，当转速达到3 000 rpm之前，值班燃料的燃烧提供了大量的转动力矩。

燃气控制的五个阀门均为油动伺服阀，每个伺服阀由两块伺服模块冗余控制。每个阀门控制环节从DCS发出的阀门需求指令开始至执行机构形成延时积分环节。每个控制回路各有一个独立的LVDT反馈装置。即每个阀门都由两个相互冗余的全套控制环节进行阀门定位。正常调试时阀门指令与反馈误差不超过1%。

2.2 单轴燃气轮机升速可靠性问题

M701F型燃气轮机的启动过程大概分为三个阶段：在第一阶段中燃气轮机依靠启动机SFC提供的转矩Mst把机组从静止状态加速到点火转速nig。这个阶段称为机组的“冷加速阶段”；第二阶段，点火成功后随着透平的前温T3*显著升高，燃机透平开始发出转矩Mt且以较快转矩增长率增升。这一阶段称为“热加速阶段”。在第二阶段中，机组依靠启动机和透平共同提供转矩开克服阻力矩（Mc+Mm，即压气机阻力和摩擦阻力）并有一定剩余供加速使用。当转速达到ns时，燃气透平提供的转矩Mt刚好等于阻力矩Mc+Mm，此时启动机可以脱扣了。但是，为了保险起见，起动机总在nb>ns的情况下才脱扣。第三阶段，又称为“继续热加速阶段”，这个阶段内机组完全依靠燃气透平提供的转矩Mt来克服阻力矩（Mc+Mm）加速的，它是机组的转速从nb增至n0。整个升速过程中的燃气轮机本体力矩变化图如图2所示。

启动升速过程中需要注意两个方面的问题：首先是燃料量的递增率过低导致的启动剩余力矩不足，转子升速过缓，导致启动失败。其次是燃料量供应过多或燃料量递增率过快，机组发生“热悬挂”。从转矩变化图中看，“热悬挂”最容易发生在机组脱扣阶段。如果在第三阶段前，燃料增加过快致使T3*比预定的高，那么机组的运行点将趋向于喘振边界，使压气机发生失速现象，压气机效率下降。此时起动机脱扣后，剩余转矩Mex可能突然变为零，转子会停止升速。这就是热悬挂现象。继续快速增加燃料，虽然T3*能进一步增加，但压气机效率也会进一步下降，仍然于事无补，最终使启动失败。

3 M701F型机组启动升速阶段主控逻辑

3.1 启动升速逻辑与升速过程的关系

M701F3型机组的启动逻辑从发出启动指令开始，经历了启动机带速清吹、降速点火、点火暖机、升速和定速五个阶段。这五个阶段与升速过程的三大阶段有一定的对应关系。前三个阶段属于升速过程的第一阶段。当点火后，燃机并没有马上进入定速率升速，其次将燃料量稳定在点火燃料量，对燃气轮机进行暖机。待当前动力矩（Mt+Mst）与阻力矩（Mc+Mm）接近相等后，机组进入升速阶段，按照固定升速率需求增加燃料以提升Mt。这一阶段属于升速过程的第二阶段。当速率升至2 000 rpm时，发出SFC脱扣指令，进入升速过程第三 阶段。转速升至2 940 rpm时，燃机进入定速阶段，按照设定值3 008 rpm进行基于反馈偏差的比例调节。

3.2 启动升速阶段的主控逻辑算法

主控一般指调速系统和燃料控制的逻辑。对于联合循环机组而言就是燃料和主汽压力的控制，对于单独的燃气轮机而言就是燃料的控制。

M701F燃气轮机主控信号为CSO（Control Signal Output），综合考虑点火过程、起动过程、负荷控制、转速控制和温度控制等多个过程和需求生成。启动升速阶段的主控信号由点火值、GVCSO、FLCSO三个值相互切换实现。

首先输出的是点火值，即图中高选门前的MDO、FIRE、WUP、MIN时序数组。这个时序数组是开环信号，根据经验直接给定。随着转速的升高，FLCSO越来越大超过点火值，从高选门中被选出，进而控制燃料的量。

计算公式为：FLCSO=FLMT+NLMT=FLMT+K（SPREF-SPEED）。一般情况下，SPREF由SPEED信号经过升速率限制（R/LMT）获得，总是小于或等于SPEED，因此NILMT为负偏差。从计算机控制系统的特点来看，电厂MPS系统常规运算周期为50 mS，因此计算流程如下：给定FLMT并通过NILMT修正为FLCSO，50 mS内将检测到转速快速上升。这个快速上升过程将在50 mS后通过R/LMT的限值作用产生信号NILMT，用于限值FLCSO的输出。逻辑中NILMT前的Limiter限值NILMT信号不能大于0。整个过程类似于FLMT负责输出大燃料，NILMT负责轻踩刹车。为了确保安全，FLMT的大燃料输出是受限制的，因此FX_1曲线是个限制曲线，而是與转速相关的函数。转速越大变化越平缓，最大值为45%。

隨着转速的进一步升高，FLCSO越来越大。当转速接近2 940 rpm时，原本很大的GVCSO从高值越来越接近FLCSO，最终小于FLCSO并接管燃料的控制。GVCSO的计算公式如下：

GVCSO=（SPREF-SPEED）（GV GAIN +NO LOAD CSO）

其中NO LOAD CSO =35.1，GV GAIN=11.975。这两个参数由机组的额定转速空转燃料量和转速不等率决定，属于匹配机组本体运行特性的基本参数。GVCSO控制过程属于比例调节，其控制过程在燃机阻力矩与动力矩平衡时结束。由于压气机阻力Mc随着转速升高而增大，因此，定速时的转速可以从一定层面反映阻力矩与动力矩的相互变化情况。

实现这一系列切换过程依赖的是三个值各自独立的算法。除此之外，机组运行全程受叶片通道温度调节和排气温度调节限制。这两个限制确保了T3*不会因为燃料增大而过高。

4 升速不足现象的分析及处理

4.1 现象及分析过程

#3机组在一次冷态起机的升速过程中，转速升至1 800 rpm附近时发出转速升速率不足自动停机信号，机组自动停机。事后检查燃机燃料控制系统、燃料供应情况及起动机，均未发现设备故障或异常。因此，需要对燃机本体起动过程进行分析。

首先需要通过对燃机的燃烧情况进行检查。主要集中在热通道温度（BPT）、排气温度（EXT）和燃烧室压力波动三组信号上。检查发现各燃烧室温度分布比较均匀，压力波动正常。其中BPT和EXT平均温度较过往记录略低。这个现象可以排除燃烧问题，也可以排除起动过程中对机组危害最大的“热悬挂”可能性。

当时主控CSO为FLCSO，转速1 800 rpm前后时的FLCSO接近等于FLMT，裕量与其他机组的情况相差较远。如果冷态启动时，由主控提供的燃料将会给到了理论的最大值，但是动力矩依然不足以克服阻力矩并提供足够加速度。

随后检查过往运行记录，发现这一现象从该年度大修后就长期存在，且自大修后，在起动过程转入GVCSO控制时定速为2 997 rpm，略低于其他机组的3 006 rpm，且此时该机组CSO为39.5%，远高于其他机组的37.5%。这种现象表明该机组动力矩对阻力矩盈余较小，因此较早进入力矩平衡。

产生这种现象的原因复杂多样，例如：阀门流量特性偏差、压气机效率较低、轴承阻力偏大、汽轮机及发电机阻力过大等。除阀门流量特性偏差外，其他情况作为整体可以通过对轴承回油温度、轴承振动和机组惰走的观察来进行评估。在经过数据分析后，基本排除严重的阻力变大情况。最终判断为最大可能是阀门实际流量特性（C-v曲线）与逻辑内修正之间出现了不匹配的现象，引起燃料流量不足而导致的起动过程动力不足。

4.2 处理方法

阀门C-v曲线是调阀的属性，如果要查明原因，则需要将阀门送回生产厂家重新进行检测。M701F型燃气轮机在大修结束后会进行燃烧调整。燃烧调整针对的是燃烧室的燃烧状况，能够降低NOx的排放，确保机组运行过程中燃烧的稳定并提高燃气轮机的整体最大出力。虽然进行机组整体调试和燃烧调整时，C-v曲线可能不匹配，但是整个机组已经针对现有的燃气供应特性进行了控制系统的调校。机组的调节控制已经满足了《DL/T 824-2002 汽轮机电液调节系统性能验收导则》《DL/T 711-1999汽轮机调节控制系统试验导则》《DL/T 656-2006火力发电厂汽轮机控制系统验收测试规程》厂家的相关规定。在这种情况下，如果重新修正C-v曲线，需要进行阀门的拆除检测和机组的整体调和燃烧调整各个项目。这些工作将耗费大量的人力和物力和社会资源。

另一个方案是将转速逻辑中的FX-1函数整体抬高5%。这种方案的优点是对系统影响小且方便可行。更改后仅在需要保持转速升速率时提供恰好够用的燃料增量，其他时候完全不改变原有工作方式。执行时只需要在控制逻辑中进行简单的参数修改就能实现。缺点是没有从根本上解决问题。造成这个现象的根本原因是燃料供应的能力不足，其影响是多方面的。在闭环无差控制环节可能在一定程度造成调节震荡。而在有差控制和开环环节可能会引起平衡工况点的改变。其中相关的表现可能有：定速转速偏低、并网初负荷不足、一次调频能力下降、负荷稳定后震动可能偏大等。之所以能采用这种方法是因为整个机组上述问题都在整体调试时进行了调校，在目前情况下可以满足相关规定和各种技术要求。

5 结语

造成燃气轮机升速不能达到要求的原因是多样的。要解决这类问题必须熟悉燃气轮机的本体工作过程和特点，明确启动过程中机组面临的风险和常见问题。控制方面要明确各种控制环节的工作特定和具体逻辑。当此类问题涉及到燃机核心控制和设备时，要在处理后对BPT和燃烧情况进行严格监控。

参考文献

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