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 。
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 。
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 。
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 。
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.
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 ,
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 。
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 。
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IFT(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
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 。
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 。
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 。
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
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
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 。
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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
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 。