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1、电厂燃气轮机概论,第9章 燃气轮机组调节与控制系统,1,北京市高等教育精品教材立项项目,燃气轮机控制系统概述 燃气轮机主控系统 燃气轮机顺序控制系统 燃气轮机的IGV控制系统 燃气轮机的燃料控制系统,启动控制系统 转速控制系统 加速控制系统 温度控制系统 手动FSR控制系统 FSR的最小选择门,本章主要内容,一 、燃气轮机控制系统概述,功能： 使机组盘车把机组带动到清吹转速、点火，继续把转速提升到额定工作转速； 控制同期并网，燃气轮机加负荷满足工作要求。 减小燃气轮机热通道部件和辅助部件中的热应力。,四个功能子系统： 主控制系统；是控制系统核心部分。能够实现四项基本控制，即设定启动和正常的燃料
2、极限；控制燃气轮机转子加速；控制燃气轮机转子的转速；限制透平进口温度。采用FSR最小选择门控制燃料输入。 顺序控制系统；提供在启动、运行、停机和冷机期间轮机、发电机、启动装置和辅机的顺序控制。监测保护系统和其他主要系统；发出启停逻辑信号。 保护系统； 电源系统。,GE公司SPEEDTRONICTM的Mark-V数字控制系统特点：,采用当时最新技术：三冗余16位微机控制器、对关键控制及保护参数的三取二表决、软件容错技术等； 对关键控制和保护的测量探头信号均采用三冗余并由三个处理器分别表决； 系统的输出信号对关键电磁阀以继电器三取二进行表决，对其余触点输出信号在逻辑输出处进行表决； 对模拟控制信号
3、，用三线圈伺服阀表决；其他模拟信号采用中选方法表决。 .,二、燃气轮机主控制系统,概述： 主控系统是指燃气轮机的连续调节系统。包括启动控制系统、转速控制系统、加速控制系统、温度控制系统、停机控制系统、手动FSR控制系统。 主控制系统控制燃机燃料消耗率，每个主控系统输出燃料行程基准（FSR）指令。 与每个主控制系统对应的FSR量进入最小选择门，选出其中最小值作为输出，在该时刻实际执行用的FSR控制信号。,燃机控制原理示意图,启动控制系统,功能： 仅控制燃气轮机从点火开始到启动程序完成过程中的 燃料量，对应燃料行程基准为FSRSU。 启动过程中燃料需要量受压气机喘振及熄火极限或零功率所限。 考虑燃
4、气轮机温度变化不能产生太高应力，需选用合理的FSRSU。 属于开环控制，根据程序系统逻辑信号分段输出预设FSRSU。,燃机启动FSRSU控制曲线,工作过程与控制算法,点火：,20%额定转速，L14HM=1,L83SUFI=1,FSKSU_FI与CQTC相乘赋给FSRSU 建立点火FSR值,点火成功标志： 至少两个火焰检测器检测到火焰并超过2秒； 所有四个火焰检测器均检测到火焰。,暖机：,点火成功后：L83SUFI=0 L83SUWU=1,FSRSU=FSKSU_WU，建立暖机值,暖机FSRSU较点火FSRSU低，其间过渡采用一阶滤波器，时间常数为FSKSU_TC。,暖机过程中FSRSU保持不变
5、；转速逐渐上升，燃料流量随之缓慢增加，透平逐渐被加热。 暖机持续60秒后结束，给出暖机完成逻辑L2WX=1.,加速：,暖机结束后：L2WX=1 L83SUAR=1,FSRSU以FSKSU_IA为斜率进行增加，燃气轮机转速逐步提高。,FSRSU=FSKSU_AR,RISING=1 切断积分器输入,合闸后，L83SUMX=1,FSRSU以FSKSU_IM为斜率进行增加，直到FSRSU=FSRMAX,启动控制系统退出,逻辑控制算法保证L83SUFI、L83SUWU、LSUSUAR、L83SUMX在某个时刻只有一项为真。 FSRSU输出的变化必须在主保护允许逻辑L4为真的条件下才能实现。,转速控制系统
6、,是燃气轮机最基本的控制系统，分为有差控制和无差控制。并网运行应选用有差控制。,功能及算法：根据要求的转速基准信号TNR与实际转速TNH之差，正比例的改变FSR。,FSRN: 有差转速控制的输出FSR; FSRN0：额定转速空载的FSR，作为控制常数存入存贮单元； KDroop：决定有差转速控制不等率的控制常数。,FSRN由FSRN0增加到额定负荷值FSRNB，转速变化量为额定负荷条件下(TNR-TNH)，有差转速控制不等率为：,转速基准TNR信号增减，机组静态特性做上下平移。机组尚未入网，轮机转速TNH随之改变；机组入网则改变机组出力。,转速基准TNR,由中间值选择输出； 最大限制值为107
7、%n0，保证电网频率高达103%时，机组仍能带满负荷。超速试验上限为113%。 最小限制值由逻辑信号L83TNROP决定。L83TNROP=1，STARTUP进入中间值选择，作为下限。L83TNROP=0，OPERATING进入中间值选择作为下限。 TNR升降由数字积分器控制。由逻辑信号控制积分速率和积分方向。,工作过程 启动完成，L83TRESI=1，TNR=PRESET=100.3%以备并网。并网后L83TRESI=0。 并网后通过改变TNR增减机组出力； 发电机断路跳闸，L83TRESI=1，TNR=100.3%，为下次并网做准备。,加速控制系统,工作原理： 对实际转速信号TNH对时间求
8、导，计算转子角加速度TNHA。如TNHA超过给定基准TNHAR，则减小加速控制FSRACC。如TNHA小于给定值，则不断增大FSRACC，迫使加速控制系统退出。 仅限制转速增加的动态过程的加速度，对稳态及减速过程不起作用。,加速控制作用的两个加速过程 燃机突然甩负荷后帮助抑制动态超速。 启动过程中限制轮机加速率，以减小热部件的热冲击。 转速控制系统输出FSRN=(TNR-TNH) FSRN2+FSRN1。 启动过程中FSRN总是大于FSKRN1。 在运行转速附近通过加入加速度控制限制加速度，延缓到达运行转速的加速过程，间接抑制温度上升，缓和启动结束阶段温度变化。,加速控制算法： 经中间值选择门
9、输出FSRACC信号； 三个输入： FSRMAX-给定的最大极限； FSRMIN-可变的最小极限FSR值。启停过程不同阶段所给定的限 制曲线，经压气机进气温度修正系数CQTC修正后输出。防止 过渡过程燃烧室贫油熄火。 通过一系列运算后经加法器的输入。,启动过程中TNHAR的获取 是燃气轮机转速TNH的函数。 TNHAR应能产生温和上升的点火温度；低转速时慢慢上升；到达设计 转速较快上升。接近满速时减小，以利于向全速空载过渡而不超 调；到达全速后，加速基准被设定为常数TAKR1，防止在甩负 荷或其他扰动是超速。 点火和暖机期间选择固定基准，防止加速控制进入FSR控制。,温度控制系统,引入温度控制
10、保证承受高温、高速部件在安全环境下工作。 功能： 燃气温度超过允许值时，发出信号去减少燃料量。 必要时（尖峰运行和尖峰超载运行），可逐渐提高温度限制值。 和超温保护系统一起，在各通道所测温度值的差额超过某一定值时发出警报。,控制原理 工作温度高，无法测量；通常通过测量透平排气温度和压气机出口压力，计算得到工作温度。,温度控制简化原理图,经算法处理后代表温度反馈的计算排气温度平均值TTXM与温控基准 TTRX在减法器相减。差值与FSR在加法器中相加之和作为中间值选 择的一个输入。 另外两个输入为FSRMAX和FSRMIN，代表中间值选择设置的最大和最 小值极限。 排气温度超过温控基准，FSRTF
11、SR，温度控制系统进入控制，每一个 采样周期FSR减小一个TTRX-TTXM，直到为零。 排气温度低于温控基准，FSRT被最小选择门阻止，温控系统退出控制。 排气温度随负荷增加而升高，通常在最大功率附近进入温度控制。并网机组 提高转速基准TNR增加功率，到一定值时，进入温度控制。若再提高 TNR，FSRN为最小选择门所阻止，转速控制系统退出。,排气温度信号处理 采用18或24对热电偶测量排气温度； 热电偶输出信号接入模块的TBQA卡，再分别送到、的TCQA卡，卡件提供冷端补偿和热电偶异常偏置信号。最后得到反映排气温度的TTXD向量。,1、4、722 TTXDR 2、5、823 TTXDS 3、
12、6、924 TTXDT,各控制机把温度信号按实际位置排列成TTXD1_n；再按从高到低顺序编排新的向量TTXD2_n，直接送往燃烧监测保护。 TTXD2_n剔除故障热电偶信号，再去除最高值和最低值后，对剩余温度信号进行平均得到TTXM。,温度控制基准 温控基准随环境温度而变化。 等排气温度温控线； TTKn_I=常数 压气机排气压力CPD偏置温控线 TTRXP=TTKn_I-CPD-TTKn_CTTKn_S FSR或DWATT偏置温控线。 TTRXS=TTKn_I-FSR-TTKn_KTTKn_M 或TTRXS=TTKn_I-DWATT-TTKn_LDTTKn_LG,Mark-V选取三种温控线
13、中最小值作为实际执行的温控基准TTRX。 通常TTRXP被选出，称作主工作温控基准或执行温控基准， TTRXS为后备温控基准，TTKn_I仅在很高环境温度下或启动 时可能被选出。,CPD信号丢失故障： 机组全速后，压气机出口压力信号低于运行转速计算的最小值，这 一故障以 CPD信号丢失报警。允许备用温度偏置在接近额定燃烧 基准温度运行，至故障排除。,实际算法软件中还要考虑压气机进口温度修正CT_BIAS和蒸汽喷注降 低NOx温度控制补偿WQJG，温控基准计算方法需进行修正。 CPD偏置：,TTRXP=TTKn_I-CPD-TTKn_CTTKn_S+CT_BIAS+WQJG,FSR偏置： TTR
14、XS=TTKn_I-FSR-TTKn_KTTKn_M+CT_BIAS+WQJG,DWATT偏置： TTRXS=TTKn_I-DWATT-TTKn_LDTTKn_LG+CT_BIAS+WQJG,三种温控基准输入最小值选择门取出最小值TTR_MIN，经微分器得到温控基 准TTRX变化率，通过中间值选择门限制温控基准变化率在TTKRXR1 和TTKRXR2之间，保证TTXM最小，而且不允许有太大变化速率。,停机控制系统 过程及功能： 操作员选择STOP命令，控制系统给出停机信号L94X开始。数字给定点以正常速率下降以减少FSR和负荷，直到逆功率继电器动作使发动机断路器开路，FSR将逐步下降、减速。
15、通过控制系统控制停机过程中FSRSD的递减速率来合理控制热应力的大小。,停机控制算法 停机过程中FSRSD渐变速率FSKSDn分别由渐变控制逻辑L83JSD1-L83JSD5和FSRMIN控制。,停机FSR曲线,停机逻辑L94X为假，L83SDR为真： 主保护L4为真 控制逻辑L83JSD1为真 FSRSD变化速率为FSKSD1。 L4为假 L83JSD2为真 FSRSD变化速率为FSKSD2。 对应失去主保护出现遮断，较快速率增加FSRSD使其推出控制。FSR钳位于零。,发电机断路器打开： FSRSD以设定速率FSKSD3向下斜降至FSRMIN，FSRSD取代FSRMIN。 L60SDM为真
16、，L83JSD3为假：以修正速率斜降至界限值K60RB以下： 燃机没有熄火，L83RB为真，使得L83JSD4为真，FSRSD斜降速率为FSKSD4。 火焰检测器检测到任意一个失去火焰，延时1秒，控制逻辑L28CAN反转，L83JSD5为真，FSRSD以FSKSD5速率斜降，直到熄火关闭燃料。,FSRMIN的设置： FSRMIN是持续维持燃烧室中燃烧的最小流量燃料，设置其是为了确保其他形式的FSR控制不会发出引起熄火的燃料水平的命令。 利用线性插值法计算FSRMIN，是修正转速TNHCOR的函数。,停机过程中，如果发电机解列后，延时8分钟机组仍在运行，机组被遮断； 如果熄火前机组转速降到K60RB，延时30秒也将被遮断。,手动FSR控制系统 一般仅在控制器故障或调试时使用。也将作为最小选择门的输入之一。,中间值选择门输出为FSRMAN； 输入包括FSRMAX和零，构成FSRM
