清华&东汽：东汽 50 MW 重型燃气轮机控制系统功能介绍

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摘要

目前世界上的主流商业燃机均已实现了机组一键启停自动运行保护的功能。而实现这一功能的主体便是燃机控制系统。燃机控制系统作为整个机组运行的神经中枢，是关系到燃机运行安全的核心部件。我国虽然通过“打捆”招标的方式引进了国外先进燃气轮机的制造技术，但控制系统的研发技术依然牢牢掌握在国外厂商手中。

东方汽轮机有限公司在研发国产重型燃机的过程中，同步推进控制系统的自主研发，通过开展专项试验研究，逐步开发出符合国产燃机特性的燃机控制系统。文章对控制系统的主要功能和研发过程中所开展的试验项目进行了简要介绍，为同类型控制系统的研发指明了有效的方向。

引言

经过多年的市场竞争和技术迭代，目前全球发电用重型燃气轮机市场逐渐被美国通用电气公司（GE），德国西门子公司和日本三菱公司三大厂商所占据。以上公司所研发的各系列燃机均实现了燃机本体的一键启停自动化运行功能，极大降低了电站机组的运行成本，同时也提高了机组运行的安全性和可靠性。燃机控制系统作为实现燃机自动化运行的指挥中枢，承担着保证燃机安全运行的核心控制功能。

三大燃机制造商都根据自己的机组特点研发了具备自主知识产权的燃机控制系统并作为核心部件与机组绑定销售。美国GE公司从1966年推出MARK-I系列控制系统，通过不断的技术升级和迭代，最近已经发展到MARK-VI系列。该系列采用三重冗余微处理器和多层冗余以太网架构，既适合于集中控制，又可适应于分散控制，具有极高的可靠性[1]。

德国西门子燃机采用最新一代的的电站自动化控制系统SPPA-T3000，替代上一代的TeleperM-XP产品[2]。新系统同时将所有自动化任务放在一个综合系统架构中实现，包括工程设计组态、调试运行和系统诊断。人机界面接口、控制系统组态、诊断、历史数据存储等功能由T3000的嵌入式组件服务程序（ECS）实现，建立了一个简单而强大的应用平台[3]。

日本三菱公司在M701F系列燃机上一直采用Dis- aysNetmation控制系统[4]，近期该系统将更新为最新一代的DisaysNetmationD-Ring控制平台。该控制平台的机柜数量在原平台的基础上减少了1/3，3个独立的MPS系统配置了三重冗余GTP系统。每个DPS可以访问和共享所有的输入和输出模块。

因此，新系统减少了CPU和I/O模块的数量。除了控制硬件外，三大燃机制造商最核心的控制技术还存在于燃机的控制策略和控制算法中[5]。任何一款燃机的控制程序都是伴随燃机共同研发的。当燃机在电站服役时，控制系统的软件和程序都是成熟状态，完成现场的基础设置和调试后即可投入使用。

东方汽轮机有限公司从2009年开始国产50MW重型燃气轮机（简称“G50”）的研发。除了不间断开展燃机三大核心部件压气机/燃烧器/透平的设计和试验工作，燃机控制系统的自主研发也同步推进。研发的重点首先聚焦于燃机控制策略和控制功能的开发与可靠实现。东汽在燃机研发过程中采用了至上而下的研发流程，整个燃机研发依次经历了总体参数选择、部件设计与验证、整机结构研发等过程。由于燃机的运行性能和安全边界都是燃机本身所具备的属性，作为其“中枢”的控制系统是无法通过简单的仿制和借鉴来开发的。

理解其他厂商燃机的控制策略比较容易，但逆向开发具体的控制算法和推导自主燃机控制设定是极其困难的，且独立的控制功能和燃机整体控制架构是相互关联的，控制功能的开发也需要按照至上而下的方式，逆向开发反而会对整体控制策略产生不利的约束。

所以，东汽G50燃机的控制系统从总体控制策略开始制定，按照燃机的运行性能模型和电站运行需求，从零开始定义和搭建控制功能模块，然后再通过开展专项试验来探索控制边界、验证控制性能。目前国内已经投运的进口燃机机组在运行过程中可能会出现控制设定和机组运行方式与业主发电供热需求不太匹配的情况。

由于外部技术支持的滞后，部分电站业主可能会尝试逆向探索机组控制算法和设定，以便能够自主优化机组运行性能。在没有仿真模型和机组试验数据支持的情况下开展这种尝试存在一定风险，需要谨慎考虑。

2019年10月东汽G50燃机顺利完成首次点火试验，2020年底达到满负荷试验工况，在近1年的探索和调试过程中，控制系统也伴随燃机试验不断的调整和测试。到目前为止控制系统的主要功能和控制设定已经基本完善。下文将主要对G50燃机主体控制功能以及实现方式进行介绍。

燃机保护系统

1.1 控制系统架构简介

燃机保护系统的开发通常以控制系统硬件架构为基础，提出适宜的保护策略。目前，G50燃机控制系统硬件主要由3个相对独立的子系统构成，如图1所示，分别为燃机控制系统TCS、燃机保护系统TPS和监视系统TSI系统，这和传统的火电机组控制架构类似。

TCS系统主要接受燃机本体和辅助系统的模拟量信号、状态信号和指令信号。燃机的运行控制和监视主要由TCS系统承担。

TPS系统主要接受机组安保元件和其他系统传递的开关量信号。通过简单的逻辑运算后TPS系统将发出跳机指令到跳机总出口。TPS系统和TCS系统硬件均采用双冗余CUP、双冗余总线网络和双冗余供电系统，确保系统运行稳定可靠。

TSI系统主要对机组振动、转速和火焰状态进行实时监视和保护。

1.2 保护项目的分级

G50燃机的保护项目按照风险高低分为3个层级，分别由不同的系统来判断和执行，TCS、TPS和TSI将在不同的保护项目中发挥着各自的作用并组成有机的整体共同保证燃机的运行安全。

第一层：安全等级最高的保护项目，要求系统动作及时可靠。包括火灾、燃气泄漏、紧急停机等情况。触发装置发出的开关量指令将直接串进电磁跳机总出口，不经过控制器的逻辑判断直接发出，整套动作环节简单可靠。

第二层：通过TPS保护系统进行基础逻辑判断后，输出指令到电磁跳机出口的保护项目。包括燃气压力低低、润滑油压力低低、燃机排气压力高高等。

第三层：通过TCS控制系统判断后输出的跳机指令，需要通过模拟量计算和复杂逻辑判断的保护项目均在第三层。项目包括：燃机排气温度保护、执行机构动作异常判断、关键测点质量判断等。

1.3 主要的保护项目和内容

燃机保护系统所包含的保护项目是通过危险源识别的方法开发的。通常情况下燃机将被严格约束在安全边界内运行，不会进入危险工况。保护系统主要在异常情况发生时对机组进行保护遮断。G50燃机保护项目举例见表1。

所有的保护项目在开发过程中都通过信号模拟的方式进行仿真，部分特殊和关键的保护项目通过专项试验进行测试，具体包括：燃机超速保护试验、燃烧脉动保护试验、燃烧器熄火保护试验等。试验过程中，通过手动或测试程序操作燃机至保护项目触发的状态，真实确定保护装置的动作情况，确保保护系统的可靠性。

燃机主控制器

2.1 主控制器原理介绍

在目前主流的燃机控制系统中，都会存在一个主控制器，用于控制燃机在不同运行状态下的给定燃料量。通常该控制器都会以最小选择器作为核心逻辑算法。通过不同的燃料计算模块输出的燃料量都将进入最小选择器。小选的目的是选出最保守安全的燃料量作为燃机当下唯一的燃料给定值。不同的燃机机组其核心小选逻辑块的输入输出项目是不同的。东汽G50燃机的主控制器依然以小选控制逻辑为主，根据控制系统的总体功能架构，建立了输入输出项目，其主要原理如图2所示。

从图2可以看出，G50燃机的主控制器有7个燃料输入模块。分别为排气温度限制器、透平入口温度限制器、压气机排气压力限制器、燃机发电功率限制器、燃机转速控制器、燃机功率控制器和燃机启动控制器。小选控制器将从这7个燃料输入项目中选取数值最小的参数作为燃机的燃料指令，经过变化率限值模块的处理后输出到燃料分配控制器。

2.2 主控制器输入输出项目说明

要理解主控制器的工作原理，需要对每个燃料输入子控制器的作用和设计理念进行说明。

排气温度限制器直接限制燃机排气温度。根据燃机高温部件的运行温度限制、排气道的设计耐温限制和联合循环运行时锅炉的进气温度限制得到燃机排气温度的限制函数。通过函数计算出的限制值将和燃机实际排气温度进行比较，通常情况下燃机排气温度应小于排气温度限制值，此时温度控制器闭环输出会不断积分达到上限并被小选控制器阻挡。

透平入口温度限制器是防止燃机高温部件运行超温的关键控制功能。由于G50燃机在额定工况下的透平进口温度在1300℃以上，商用机组无法通过常规测量手段监测该温度，因此采用间接测量的方法计算透平入口温度。间接测量参数包括：透平进口压力Pin，燃机排气温度Tout和燃机排气压力Pout。运用热力学公式可以得出透平入口温度为：

由于理论计算值和实际温度存在一定的误差，因此需要对计算结果进行修正。修正的依据来自于整机试验过程中对透平入口温度和透平叶栅金属温度的实际测量值。G50燃机在满负荷试验过程中采用多种测试手段对透平入口温度和叶片表面金属温度进行测量，包括采用叶型总温受感部、叶片表面微细热电偶和喷涂示温漆等多种测试手段。考虑到示温漆需要在试验完成后判读而热电偶的测量位置较为局限，在试验过程中还利用红外光学高温计对叶身区域温度进行扫描以取得实时的试验数据。

透平温度的限制值来自于总体性能要求和试验后对透平叶片状态的检验。当燃机在运行过程中透平入口温度达到限制值时，燃机负荷将无法继续提高，燃机进入温控模式。

压气机排气压力限制器主要是防止燃机压气机运行至失速的工况区域。限制函数的设置依据来自于压气机的部件性能试验。该试验在东汽2013年建成的压气机试验台上实施，在近2年的试验周期中，取得了详细的压气机运行图谱。

燃机发电功率限制器是对燃机可以发出的最大机械功进行限值，限制依据来自于燃机结构和机械强度设计的边界限定。通常情况下燃机不会触碰到功率上限值，但在外界温度极低时可能会出现透平未超温但燃机出力已经达到最大限定的状态。

燃机启动控制器主要负责燃机在点火和升速阶段的燃料给定，给定方式为开环控制模式。当燃机转速超过自持转速并达到顺序控制器（见第4部分）投入转速时，燃机燃料控制由启动控制器切换至燃机转速控制器，此时燃机转速依靠转速控制器闭环控制并逐步升速至额定转速。当燃机发电机完成准同期并网后，机组切换至负载控制器控制模式并运行至基础载荷。负载控制器除了控制燃机达到机组设定载荷外，同时也承担一次调频的功能。

G50燃机有8个独立的燃烧筒，每个筒都有三路燃料供应管道，分别命名为主A燃料、主B燃料和值班燃料。燃料分配控制器的作用是将总燃料按照一定比例分配到燃烧器的三路燃料管道中。燃机在运行和变工况过程中除了严格控制燃料和空气的比例关系外，三路燃料的分配比例也是不断变化的。其变化规律需要精心的调试，否则燃机将面临回火和热声振荡的风险。

燃料分配控制器的核心算法和函数是基于大量的燃烧调整试验数据得出的，该试验主要在东汽燃烧器试验台上开展。目前的计算和仿真手段无法精确的预计燃烧器在不同工况下的火焰状态。由于每台燃机的生产制造偏差和运行的环境条件不完全相同，在电站调试时通常需要进行燃烧调整，因此燃料分配控制器也具备在线燃调的功能，以满足工程应用的需求。

燃料定量控制模块

燃机主控制器给出的燃料指令经过燃料分配控制器分配后进入燃料定量控制模块。该模块的主要作用是控制燃料阀组的开度，使进入燃机的实际燃料流量与燃料指令一致。G50燃机的燃料阀组系统如图3所示。

G50燃机燃料流量调节由三路流量调节阀和两个压力调节阀构成。三路流量调节阀分别对应燃烧器三路燃料，而压力调节阀的目的是控制和稳定流量调节阀前压力，使流量调节阀可以持续工作在流量特性较为线性的开度。燃机从点火到满负荷的燃气流量变化范围极大，通过大小两个压力控制阀对流量阀前压力进行控制和调节，可以提高流量控制阀的控制范围和精度。

当主控制器输入燃料流量指令后，燃料定量控制模块会根据阀门固有的流量特性曲线和阀组前后差压以及天然气状态参数计算出当前流量所对应的流量调节阀的开度。燃料定量控制模块的精度取决于压力控制阀组和流量控制阀组的配合，以及阀门流量特性的准确性。因此阀门特性的选取和标定是燃料系统设计的重要技术准备工作。

燃机顺序控制模块

燃机顺序控制模块的主要作用是控制燃机自动启机和停机，是实现电站自动化运行的主要控制功能。东汽G50燃机在整机试验期间已经实现燃机一键启停的功能，顺序启动的主要步骤如下：

（1）各系统和执行机构自检；

（2）燃机辅机系统自动运行；

（3）燃机低速盘车；

（4）SFC投入启动；

（5）燃机升速至高速盘车吹扫；

（6）燃机转速调整至点火转速；

（7）燃机完成点火；

（8）燃机升速至额定转速空载运行；

（9）燃机完成准同期后并网；