重型燃气轮机控制发展趋势及未来关键技术

重型燃气轮机控制发展趋势及未来关键技术

发表时间：2017-11-01T11:36:42.450Z 来源：《电力设备》2017年第18期作者：王锋

[导读] 摘要：重型燃气轮机是21世纪乃至更长时期内能源高效转换与洁净利用系统的核心动力装备。它对于能源系统的高效、清洁和安全都具有重要意义。

（中国电建集团核电工程公司调试运营公司山东济南 250102）

摘要：重型燃气轮机是21世纪乃至更长时期内能源高效转换与洁净利用系统的核心动力装备。它对于能源系统的高效、清洁和安全都具有重要意义。

关键词：重型燃气轮机；发展现状；关键技术；发展趋势

1.前言

燃气轮机广泛应用于发电、机械驱动、船舶动力等领域。作为热功转换的动力装置，具有比功率大、起动及负荷变化快、可燃用多种燃料等优点，是实现能源高效洁净转换的核心装备。

2.我国重型燃气轮机发展现状

我国重型燃气轮机发展的早期(1950～1970s)是以前苏联技术为基础而开展自主研发的阶段。当时自主设计、试验和制造了一系列200～25000kW燃气轮机。这其中包括了200kW车载燃气轮机、1500kW重型燃气轮机和4000HP机车燃气轮机。当时清华大学、哈尔滨汽轮机厂(哈汽)、上海汽轮机厂(上汽)、南京汽轮机厂(南汽)、中国北车集团长春机车厂(长春机车)、青岛汽轮机厂(青汽)、杭州汽轮机厂(杭汽)等单位都投入到了我国燃气轮机早期研制阶段。到了1980s～2000年，我国的燃气轮机产业走上了仿制与合作生产的道路，不再自行研究、设计和试验燃气轮机产品。当时以南汽为主测绘、仿制了GE公司MS5001(23MW)燃气轮机，与GE合作生产了PG6581(6B/36MW)燃气轮机。

自2002年打捆招标以来，我国重型燃气轮机产业进入到新的发展时期，引进了当代先进的F/E级技术，希望以此推动消化吸收、再创新。在2001～2007年的6年间，我国以3次“打捆招标、市场换技术”方式，引进了GE、MHI、Siemens公司的F/E级重型燃气轮机50余套共2000万千瓦，由哈汽－GE、东汽－MHI、上汽－Siemens、南汽－GE等4个联合体实行国产化制造，目前国产化率接近70%。同时，以西气东输和进口液化天然气(LNG)为标志，保证了燃气轮机的燃料供应。

3.重型燃气轮机的关键技术

3.1自适应控制技术

由于实际工作环境和使用寿命的变化，重型燃气轮机的部件不可避免地会出现叶片结垢、间隙增大、侵蚀和腐蚀等问题，这将导致部件较设计点出现性能退化，而控制系统通常都是基于理想的额度工况性能进行设计的。这种不匹配性会随着燃气轮机运行时间的累积而加速燃气轮机寿命的消耗。一种可行而有效的解决办法就是自适应控制技术，即通过在线自适应模型和观测器技术使得燃气轮机在部件出现性能衰竭或低强度的异常时，能够自动调节相应的控制参数，保证控制系统与性能衰减后模型的匹配性，从而消除使用期退化造成的性能差异对燃气轮机运行的消极影响。与航空燃气轮机自适应控制机理相似，自适应控制系统通常会采用燃气轮机中的传感器测量数据，利用观测器技术对不可测的性能退化参数进行实时估计，具体的估计方法可以采用简单的卡尔曼滤波器、未知输入观测器，或者复杂的神经网络、支持向量机等非线性智能技术。

此种控制方案的自适应鲁棒性很大部分取决于装载的在线实时模型，在线实时模型应能够对燃气轮机气路故障、传感器和执行机构故障等进行诊断、隔离和重构，同时具有较强的抗干扰能力。即使是在燃气轮机出现物体打伤等严重损伤的情况下，也能够通过控制策略判定受损燃气轮机的运行状况，并能采用自适应重构控制回路，确保燃气轮机的安全停机等。由于燃气轮机的受损的判断十分复杂，采用专家系统和智能决策技术是一种可行方案。

3.2主动间隙控制技术

主动间隙控制技术是现代燃气轮机技术的代表之一，是一项通过控制透平叶尖间隙的变化来降低燃气轮机燃料消耗率、提高可靠性和延长使用寿命的重要技术措施，同时对减少污染物的排放也有较大的贡献。目前该技术已在航空发动机特别是民用航空发动机上获得了普遍的应用，如著名的CFM56系列发动机就基本采用这种技术。美国NASA的研究结果表明，透平叶尖间隙每减少0．25mm，燃料消耗量可减少0．8%～1%。从重型燃气轮机的运行过程来看，启动过程中，当燃气轮机由静止启动到全速空载状态时，此时由于转速突然上升，轮盘和叶片的离心变形瞬间增大;而透平内缸由于热容的效应而尚未达到最高温度，热变形的响应非常小。这种变形的不一致导致在启动过程中透平叶尖间隙突然变小。而随着燃气轮机进入全速空载状态后，透平内缸逐渐受热膨胀，叶尖间隙逐渐变大。在加/减负荷阶段，间隙略有变化，但由于转速变化不剧烈，叶尖间隙变化较少。

这使得透平叶尖与透平内缸之间的间隙设计非常困难，如果叶尖间隙设计过大，在叶片压力面和吸力面之间存在的压差作用下，燃气会产生泄漏，从而降低燃气轮机的工作效率，增加燃料消耗量。而叶尖间隙过小又会导致叶片和透平内缸之间产生摩擦，降低燃气轮机的工作寿命。为解决这个技术难题，目前比较常用的控制方式是采用主动热控制方法。其工作原理是在燃气轮机工作过程中，利用从压气机中抽取的冷气对透平内缸及透平外环支撑件进行冲击冷却，通过控制冷却空气的流量和温度，改变透平内缸热膨胀量，进而控制其径向位移，使转子叶片与透平内缸之间的间隙达到预期值。

4.对我国发展重型燃气轮机技术发展趋势分析

开展系统的燃气轮机基础研究，发展燃气轮机技术，进行关键技术的验证，建立部件的设计、试验、制造平台，是发展燃气轮机产业的基础。从我国60年发展燃气轮机技术的历程，特别是近十年的发展历程来看，为了推动燃气轮机技术的发展，必须接受经验教训，开展机制体制创新。这十年来，尽管以重型燃气轮机型号为引领，开展了相关的燃气轮机高技术研发;但是这些高新技术的原创性不高、系统性不足，所建立的设计体系不够成熟、完备，没有完全建立起发展关键技术的能力。而且对于引进的技术没有进行充分的技术消化吸收。

另外从行业角度来看，机械航空部门壁垒分明，没有各取所长，充分融会贯通。技术开发过程中企业和高校、研究院所的联合不够紧密，科研与技术研发有一定的脱节。要推动我国燃气轮机技术的全面发展，首先要全面开展燃气轮机各项先进技术的研究，包括:先进的燃气轮机总体设计技术，高性能压气机的设计制造技术，高性能透平设计制造技术，先进的热端部件冷却技术，燃料适应性强、高效、低污