GE 燃气轮机 速度控制算法与逻辑分析

GE 燃气轮机 速度控制算法与逻辑分析

陈频友

(广州珠江天然气发电有限公司 广东省 广州市 511000)

摘要：国内从90年代初开始引进美国GE公司燃气轮机，其燃气轮机控制系统从SPEEDTRONIC MARK IV，MARK V，进化到今天主流的MARK VIe。燃气轮机速度控制FSRN的算法和逻辑是燃机最重要的算法和逻辑，FSRN的算法和逻辑也在逐步优化和完善，但是其核心算法和逻辑没改变；对其研究、分析与优化的方法、思路没有改变。本文以9E机组MARK V中逻辑组态为主，并结合9FA 机组MARK VI中的组态为研究对象，分析FSRN的算法、逻辑和相关逻辑量的介绍，以及实际运行中FSRN和TNR的具体变化，速度控制升、降速度优化，供同行交流、学习和改进。

关键词：速度控制；FSRN；转速基准；TNR；

1 速度控制FSRN算法

国内从90年代初开始引进美国GE公司燃气轮机，其燃气轮机控制系统从SPEEDTRONIC MARK IV，MARK V，进化到今天主流的MARKVI。笔者经历了9E安装、调试、运行、检修和9FA机组的运行，对GE燃气轮机控制系统及其演进有较为深刻的理解。燃气轮机速度控制FSRN的算法和逻辑是燃机最重要的算法和逻辑，FSRN的算法和逻辑也在逐步优化和完善，但是其核心算法和逻辑没改变；对其研究、分析与优化的方法、思路没有改变。本文以9E机组MARK V中逻辑组态为主，并结合9FA 机组MARK VI中的组态为研究对象，分析FSRN的算法、逻辑和相关逻辑量的介绍，以及实际运行中FSRN和TNR的具体变化。速度控制是燃机的一种重要算法，从空载满速到燃机刚刚带满基本负荷，机组都一直处于速度控制之下。而速度控制FSRN的算法中，转速基准TNR是很重要的参数。

1.1 MARK VI中的速度控制FSRN的逻辑

图1 MARK VI中 FSRN

图1为MARK VI中的速度控制FSRN的逻辑，它的逻辑已经模块化，如果要研究其内部逻辑和算法，需要借助GE公司的帮助文档，有的模块已经美国GE公司已经保密，不再提供介绍文档，这对工程技术人员分析和研究带来了不便。

1.2 MARK V中的速度控制FSRN的逻辑

图2 MARK V中FSRN

图2为MARK V中的速度控制FSRN的逻辑，内部清晰透明，为工程技术人员研究美国GE公司FSRN的算法和逻辑带来了便利。本文根据逻辑组态图二（即MARK V中的逻辑）来研究分析FSRN，根据图2FSRN=（TNRL－TNH）×FSKNG＋FSR＝（TNR－DWDROOP－TNH）×FSKNG＋FSR＝（TNR－DWATT×DWKMN－TNH）×FSKNG＋FSR＝（TNR－DWATT×0.035%/MW－TNH）×10%/%＋FSR。

1.3 MARK V中的转速基准逻辑

图3 MARK V中TNR

图3为MARK V中的转速基准逻辑，以下分析根据MARK V 中的转速基准TNR逻辑（图3）。TNR根据工况由积分器计算。升、降逻辑（L70R、L70L）确定积分方向，速率逻辑（L83JDn）确定积分变化的斜率（TNKR1_n），从而计算出TNR。如因特殊原因，L70R、L70L同时为“1”，TNR按L70L信号执行。

1.4 MARK VI中的转速基准逻辑

图4 MARK VI中TNR

图4为MARK VI中的转速基准逻辑，它的逻辑也已经模块化，如果要研究其内部逻辑和算法，任然需要借助GE公司的帮助文档，

2 L70L逻辑

图5 MARK V中L70L

根据图5 MARK V中L70L逻辑。L70LX2，为机组在基本负荷时，FSR为温度控制时，选了尖峰负荷，对应速率逻辑L83JD3，积分斜率TNKR1_3为2%/min。L70LX4，如机组未并网，则为手动降速度控制，对应速率逻辑L83JD3，积分斜率TNKR1_3为2%/min；若机组已并网，则为手动降负荷，对应L83JD2，TNKR1_2根据锅炉的冷态、稳态、热态分别为为0.2%/min、0.4%/min、0.6%/min。分以下三种情况：L70R4L_CPB，点“Speed/Load Control”下的“Lower”手动调TNR，会发出一个脉冲信号，维持时间为1秒。L3TNRERRX（即为ALM252“燃机功率太低而不能支持TNR，TNR下降”）：TNH≥99.5%且TN_ERR>0.7%，延时5S；（TN_ERR= TNR－DWATT×0.035%/MW－TNH）。L94GEN（ALM157“GENERATOR VENTILATION TROUBLE SHUTDOWN”，发电机通风故障自动停机）。L70LX5，对应于L83JD4， TNKR1_4根据锅炉的冷态、稳态、热态分别为为0.1%/min、0.2%/min、0.3%/min，分以下五种情况：L90LL：这是一般情况下，机组带预选负荷时的自动调节，如DWATT－L90PSEL（预选负荷参考值）＞LK90DB2（2MW），则“db2”接通，L90LL为“1”，TNR下降；若│L90PSEL－DWATT│≤LK90DB1（0.3MW），则“db1”断开，L90LL为“0”，TNR不再下降。L30TXA：排气超温保护，TTXM>TTXRB＋TTKOT3（13.9℃）。L70LX5X：L30LTA为“1”（ALM311“负荷通道温度高”），即3#轴瓦壳体温度TTIB1＞250℃。L90TKL：88TK1、2压力低开关动作，L63TK1L、L63TK2L同时为“1” （ALM210“”排气框架冷却系统故障——降负荷）。L94X：已有很多文章做过相关论述，不作重复。但需注意， L94AX2下的L86BTX的逻辑中，如是L84TL为“0”且L86BT为“1”导致L86BTX为“1”，则L83MSPD为“1”， 对应的速率逻辑为L83JD3，而不是L83JD4）。L70LX6，机组同期并网过程中，DF（机组频率）－SFL1（网上频率）－LK60TNMO（0.07Hz）＞LK60TNMD（0.05Hz），即DF－FSL1>0.12Hz；L70LX7，L70LFPL为“1”，对应速率逻辑为L83JD3。L70LX 7：L70LFPL为“1”，对应速率逻辑为L83JD3，积分斜率TNKR1_3为2%/min，具体又细分为三种情况（这三种情况都有先决条件L84TG为“1”，即机组完全在烧气情况下）：L3FG_P2X：在机组并网后，FPG2＜FPRG－0.69bar，延时0.25S（ALM533“气体燃料P2压力低”）；L63FGL：关断阀打开20秒后，FGUP＜19.58bar。FSGRH：速比阀开度FSGR＞90%，延时5秒（ALM487“速比阀开度超过90%”）。

3 L70R逻辑

图6 MARK V中L70R

根据图6 MARK V中L70R逻辑。L70RX4：如机组未并网，则为手动升速度控制，对应L83JD3，TNKR1_3为2%/min；若机组已并网，则为手动升负荷，对应L83JD2，TNKR1_2根据锅炉的冷态、稳态、热态分别为为0.2%/min、0.4%/min、0.6%/min。L70R4R_CPB：点“Speed/Load Control”下的“Raise”手动调TNR，会发出一个脉冲信号，维持时间为1秒。L70RX5，对应于L83JD4， TNKR1_4根据锅炉的冷态、稳态、热态分别为为0.1%/min、0.2%/min、0.3%/min。L90LR：这是一般情况下，机组带预选负荷时的自动调节，如预选负荷参考值L90PSEL－DWATT＞LK90DB2（2MW），则“db2”接通，L90LR为“1”，TNR下降；若│L90PSEL－DWATT│≤LK90DB1（0.3MW），则“db1”断开，L90LL为“0”，TNR不再上升。L70RX6，机组同期并网过程中，DF－SFL1－LK60TNMO（0.07Hz）＜－LK60TNMD（0.05Hz），即DF－FSL1＜0.02Hz。

4 自动降负荷与自动停机的区别：

L3TNRERRX、L94GEN、L30TXA、L70LX5X （L30LTA）、L90TKL、L70LFPL（L3FG_P2X、L63FGL、FSGRH）以上都属于自动降负荷的情况，与L94X引发的自动停机，有以下不同：

4.1自动停机

L94X为“1”后，因L1S为“0”，L94X会自保持为“1”。94X为“1”后，L69PF为“0”，机组退出功率因素控制，并通过L60VSL、L60VSR逻辑，降发电机电压，使-0.5MW≤DVAR≤0.5MW。如机组在烧重油，L94X为“1”导致L83FU为“0”，机组自动切轻油；降TNR的速率，根据锅炉的冷、温、热态分别为0.1%/min、0.2%/min、0.3%/min。机组负荷下降到1.5MW后，将因逆功率跳发电机出口开关，机组解列后，L94SD为“1”，FSR由FSRN控制转为FSRSD控制，进入停机程序。处理方法：导致自动停机的原因排除后，点“START”，使L1S为“1”，L94X自保持解除，L69PF变回“1”，投入功率因素控制，设置功率因数，然后重新选择“Base Load”或者“Preselect Ld”。

4.2自动降负荷

无自保持，导致自动降负荷的原因排除后，TNR不再下降。不会退出功率因素控制。不会导致切轻油。L3TNRERRX、L94GEN、L70LFPL（L3FG_P2X、L63FGL、FSGRH）：降TNR的速率为2%/min；L30TXA、L70LX5X （L30LTA）、L90TKL：降TNR的速率，根据锅炉的冷、温、热态分别为0.1%/min、0.2%/min、0.3%/min。机组负荷下降到-2.3MW延时3S后，将因逆功率跳发电机出口开关，机组解列后，由于L94SD为“0”，机组不会转入停机程序，仍为FSRN控制。由于L52GX为“0”，L3TNRERRX、L94GEN、L30TXA、L70LX5X （L30LTA）、L90TKL以及L70LFPL下的L3FG_P2X、FSGRH都不会继续降低TNR，机组保持FSNL状态。而L70LFPL下的L63FGL为“1”，将使TNR下降，TNH随之下降。当TNR降至95%，此时L33CDMN为“1”，L70L为“0”，TNR不在下降，TNH保持在95%。处理方法：导致自动降负荷的原因排除后，重新选择“Base Load”或者“Preselect Ld”。

5 机组在各种情况下，TNR及FSRN的变化

在机组起机，点“START”后，L83PRES2为“1”，TNR＝100.2％，L14HM为“1”后，L83PRES2变为“0”，TNR保持为100.2%并保持直至FSNL。在机组起机过程的前期，由于受FSRMAX（100%）的限制，FSRN为100％，当机组转速上升约至92.7%时，FSRN输出值小于100％，FSRN随着TNH的上升而逐渐下降，在机组达到95％TNH后，约40秒后，FSR转为FSRN控制（L30F_ND变为“1”）。机组选同期准备并网时，机组通过比较机组频率DF和网上频率SFL1的差值，使L70LX6或L70RX6为“1”，以此来调节TNR，使燃机转速（也就是频率）满足并网条件。速率逻辑L83JD8，积分斜率TNKR1_8。在机组并网后，选预选负荷后，如预选负荷参考值L90PSEL与实际负荷DWATT差值小于LK90DB1（0.3MW），则TNR不作调节，FSRN不变。如预选负荷参考值L90PSEL与实际负荷DWATT差值大于LK90DB1（2MW），则L90LR或L90LL为“1”，机组自动升降负荷，与预选负荷相匹配。速率逻辑L83JD4，积分斜率TNKR1_4。机组选“Base Load”后，预选负荷参考值L90PSEL退出控制，LK90MAX参与控制（170MW，相当于把预选负荷参考值设为170MW），L90LR为“1”，FSRN开始上升。当FSRN上升到一定程度，机组转为温度控制FSRT。之后FSRN继续上升，如FSRN－FSRT>3％，则“inhibit raise”接通，L90LR为“0”，FSRN不再增加，保持不变。若FSRT有所下降，导致FSRN－FSRT＞6％，则“lower”接通，L90LL为“1”，FSRN开始下降，直至FSRN－FSRT≤6%。即在基本负荷运行时，3%＜FSRN－FSRT≤6%。机组由基本负荷状态降负荷，点“Preselect Ld”后，LK90MAX退出控制，预选负荷参考值L90PSEL参与控制，L90LL为“1”，TNR开始下降，FSRN随之下降，当FSRN小于FSRT，机组由温度控制转为速度控制，此时机组的负荷才真正开始下降。速率逻辑L83JD4，积分斜率TNKR1_4。机组解列后，随着TNH的下降，FSRN快速上升，大约经过5秒， FSRN退出控制，转为停机FSRSD控制。而TNR继续下降，到机组熄火，L4为“0”，L70LX5变为“0”，TNR停止下降，保持不变；速率逻辑L83JD4，积分斜率TNKR1_4。

六 结论

随着GE燃气轮机蓬勃发展，国内引进的GE的机组从最初的6B，到后来的9E、9F，一直到目前国内最先进的9H机组；同时与之配套的控制系统，从MARK IV、到MARK V、MARK VI 及MARK VIe，逻辑组态设计从最初的T形图、模块化设计、到目前主流MARK VIe基于模型控制理念。自动化程度越来越高，技术保密也越来越高，很多逻辑算法在最新的MARK VIe系统中已经完全保密（逻辑进入黑盒子无法查看），这对技术人员研究带来了困难。但是其中的速度控制FSRN的算法和逻辑从MARK V起就基本没有改变。根据多年运行、调试经验在并网后手动升、降负荷速率，通过TNKR1_2来改变，根据锅炉的冷、温、热态最佳值分别为0.2%/min、0.4%/min、0.6%/min。并网后自动升、降负荷速率可以通过TNKR1_4来设定，根据锅炉的冷、温、热态最佳值分别为0.1%/min、0.2%/min、0.3%/min。本文基于MARK V系统中的逻辑和算法，对速度控制FSRN及相关逻辑量进行了详细的分析，为同行术人员深入研究和分析GE机组的控制算法和逻辑提供参考，为每个厂根据自身的设备情况，通过对速度控制FSRN算法的深入分析，为改善燃机各种运行工况下的转速升降速率，各种工况下的负荷升降速率提供了优化的经验借鉴和方法。

参考文献 ：

[1]国内外燃气轮机发电技术的进展与前景[J]. 阎保康.  浙江电力. 2000(03):10-12

[2]SpeedtronicTM MARKⅥ控制系统在合成氨装置中的应用[J]. 赵亮,董传红.  石油化工自动化. 2005(03):15-18

[3]燃气轮机控制系统MARK VI介绍[J]. 杨惠新.  华东电力. 2004(08):18-17

[4]LPG燃气轮机控制系统技术改造[J]. 焦玉清,张桂香,任文明,刘金斗,张万勇.  油气田地面工程. 2004(01):23-32

[5]Mark V控制系统[J]. 于鹏娟.  山东电力技术. 2003(05):34-38

[6]GE公司F级燃气轮机[J]. 董卫国.  电力设备. 2002(04):38-40

[7]SPEEDTRONIC Mark V Steam Turbine Control System. GER3687c :200-210

[8]CONIROL SYSTEM TOOLBOX --For a mark Vi turbine controller. GEH-6403J :221-256

[9]SPEEDIRONIC mark vi turbine control system guide. GEH-6421F :314-357

6