【史上最全】燃气轮机控制系统设计-北极星火力发电网

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第一部分

1.1背景及意义

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气透平等组成。压气机有轴流式和离心式两种，轴流式压气机效率较高，适用于大流量的场合。在小流量时，轴流式压气机因后面几级叶片很短，效率低于离心式。功率为数兆瓦的燃气轮机中，有些压气机采用轴流式加一个离心式作末级，因而在达到较高效率的同时又缩短了轴向长度。燃气轮机的工作过程是，压气机(即压缩机)连续地从大气中吸入空气并将其压缩;压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气透平中膨胀做功，推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋转;加热后的高温燃气的做功能力显著提高，因而燃气透平在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。

燃气轮机凭借其污染小、热效率高、调峰性能好、启动快捷、建设周期短、占地少、投资省等优点，日益受到人们的青睐，近年来在世界范围内发展迅猛，燃气轮机发电己经成为电力的发展趋势。世界重型燃气轮机制造业经过60多年的研制、发展和竞争，目前己形成了高度垄断的局面，即以GE、西门子/西屋、三菱和阿尔斯通等主导公司为核心，其他制造公司多数与主导公司结成伙伴关系，合作生产或购买制造技术生产。在我国，国家发改委提出统一组织国内资源，集中招标，引进技术，促进国内燃气轮机产业的发展和制造水平的提高，即通过捆绑式招标，实施“市场换技术”，旨在引进国外先进的燃气轮机设备的同时引进重型燃气轮机的制造技术，先后组织了3次F级和E级燃气轮机的捆绑招标，引进了GE、三菱、西门子公司的燃气轮机制造技术，总容量达1600万KW，为组织消化吸收、掌握这一高新技术，形成自我开发能力打下坚实基础。

燃气轮机控制系统的性能决定着相应的动力装置的变工况性能、经济性和安全性能，正因为控制系统的特殊重要性，各大公司也推出了相应的燃气轮机控制系统，比较著名的有GE公司的Speed tronie TM Mark控制系统，西门子公司的TELEPERMXP控制系统等。燃气轮机的迅速发展对电站的自动控制系统提出了更高的要求，随着燃气轮机单机功率的增大，以及以燃气轮机技术为核心的动力装置的广泛使用，燃气轮机的控制系统性能显得越来越重要。在一定程度上，燃气轮机的控制系统性能决定着相应的动力装置的变工况性能、经济性和安全性能。燃气轮机控制系统是电站的神经系统，以保证机组的安全和可靠运行，除了配备先进的主机设备外，完善的调节控制系统更能充分发挥燃气轮机的最大优越性，而燃气轮机起动控制具有不同于一般变工况的特性，是燃气轮机控制系统的重要组成部分，其特性对于提高燃气轮机的使用寿命具有很重要的意义。在我国，对于燃气轮机发电的研究还正处在发展阶段，尚不具备燃气轮机控制系统的自主研发能力，国内相应的燃气轮机电站大多直接进口国外的控制系统，但随着国内燃气轮机技术的不断发展燃气轮机的国产化程度逐步提高，必然对控制系统的可靠性和自动化程度提出更高的要求。

1.2 燃气轮机及其控制系统的发展概况

燃气轮机是一项多技术集成的高技术，其传统的提高性能途径：不断地提高透平初温、相应地增大压气机压比和完善有关部件。50年代初，透平初温(t3 )只有600℃-700℃，靠耐热材料性能的改善，平均每年上升约10℃;60年代后，还藉助于空气冷却技术，t3平均每年升20℃。从70年代开始,充分吸取先进航空技术和传统汽轮机技术，沿着传统的途径不断提高性能,现已开发出一批“F”、“FA”、“3A”型技术的新产品，它们代表着当今商业化的工业燃气轮机的最高水平：t3 为1300℃，压气机压比ε= 10– 30，简单循环效率ηsc = 36 - 40 %，联合循环效率ηcc = 55 % - 58 %。近期将把t3提高到1430℃，这也许是传统的冷却技术和材料所能达到透平初温的极限。正在开发的新一代产品的主要特征是采用蒸汽冷却技术，高温部件的材料仍以超级合金为主，采用先进工艺(定向结晶,单晶叶片等)，部分静部件可能采用陶瓷材料。初温有较大提高t3=1400℃-1500℃，将应用智能型微机控制系统，并更加重视环保性能。对未来燃气轮机的构思将基于采用革命性新材料，发动机处于或接近理论燃烧空气量的条件下工作，t3将达1600℃- 1800℃,现采用的熔点1200℃、密度为8g/cm3的叶片超级合金将被淘汰,新的高级材料应是小密度(< 5g/cm3)的、有更好的综合高温性能,也许陶瓷材料是一种选择。近50年来，我国燃气轮机的研究、设计、制造已经有了相当的基础,积累许多使用的经验，取得了很大成绩。先后研制过的燃气轮机型号达数十种,功率等级从数百kW到36MW。我国工业型燃气轮机，从两方面平行发展:一是航空陆用途径，即航机改型;另为机械部所属汽轮机厂通过自行设计制造与国际合作等各种途径来发展。试验研究方面在国内也有一定的基础，取得相当水平的科研成果。不过,由于地面燃气轮机的研制在80年代前后停顿，造成很大损失，我国燃气轮机技术与国外先进水平的差距明显，至今不具备设计制造大型高性能燃气轮机的能力。

燃气轮机控制系统硬件平台的发展经历了一个漫长的过程。走过了从液压机械式控制、模拟式电子控制到数字式电子控制的发展道路，早期的燃气轮机控制器是采用测量元件直接控制燃气轮机执行机构的直接作用式，至30年代己发展为相当完善的机械液压型控制结构，其控制策略均采用比例积分型控制结构。随着电力系统发展对自动化水平要求的提高，伴随着计算机技术的发展，人们开始研究用微机实现调节和控制方案，微机调节器调节规律由PID型发展到众多PID改进型，其硬件发展经历了单片机、STD总线式工业控制机、PLC可编程控制器、工业PC以及现在流行的DCS分散控制系统和FCS现场总线控制系统等微机系列的应用过程，其中STD总线式工业控制机、PLC可编程控制器及DCS系统为现在的主流产品，具有高可靠性和计算快速、多任务及编程通用化的特点，能够实现复杂的控制任务。高性能控制平台为先进、复杂的控制策略开发研究和实际应用提供了硬件支持。

原标题：技术干货——燃气轮机控制系统的设计

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