燃气轮机起动过程原理

燃气轮机起动过程原理

(2007-12-25 22:02:35)

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杂谈

燃气轮机起动过程原理

2.1 燃气轮机启动运行原理

燃气轮机主机由压气机，燃烧室和透平三大部件组成。压气机需要从外部输入机械功才能把空气压缩到一定的压力供入燃烧室。透平则用高温高压的燃气做工质将其热能转变为机械能从而对外输出机械功。在正常运行的时候，压气机是由燃气透平来驱动的。一般讲，透平功率的2/3要用来拖动压气机，其余的1/3功率作为输出功率。显然存在一个问题，在启动过程中点火之前和点火之后透平发出的功率小于压气机所需的功率这一段时间内，必须由燃气轮机主机外部的动力来拖动机组的转子。换言之，燃气轮机的启动必须借助外部动力设备。在启动

之后，再把外部动力设备脱开。机组启动扭矩变化，如图3-1所示。图中MT曲线为透平自点心后所发出的扭矩；Mc曲线是压气在被带转升速过程中的阻力矩变化；Mn 是机组起动时所需要的扭矩特性，即由起动系统所提供的扭矩；n1为机组点火时的转速，即由起动带转机组转子所达到的转速。在n1转速下，进入燃烧室的空气在其规定参数下，由点火器并藉联焰管快速且可靠地点燃由主喷油嘴喷射出来的燃料，并且在机组起动升速过程中，不会发生熄火、超温和火焰过长等现象。n1转速通常为15%~22%SPD范围内，机组不同，n1数值亦不同。图3-1 机组启动扭矩变化

燃气轮机的起动是指机组从静止零转速状态达到全速空载并网状态，在起动过程中要求机组起动迅速、可靠、平稳和不喘振。为了防止压气机在起动过和中喘振，机组起动前和起动过程中某一阶段内气机进口导叶处于34度，即所谓关闭状态，放气阀处于打开放气位置。压气机进口可转导叶角度关小，能使压气机喘振边界线朝着流减小的方向变动，扩大了压气机的稳定工作范围。同时由于空气流量减小，因而减小了起动力矩，使起动机功率减小；在起动功率不变的情况下，可以缩短起动加速时间。防喘放气阀的放气是在于减小压气机高压级的空气流量而不致阻塞，同时又能增加压气机放气口前的气流流量，从而提出高了流速，也使压气机避免喘振。

机组起动过程中，压气进口导叶（IGV）角度，不能总在34度关闭状态；放气阀也不能总在放气位；因机组起动时工质设计参数的需要，6型机当转速为87%SPD时，IGV由34度打开增至57度，当机组转速达到满转速并且加负荷，直到所带负荷达到在约1.54万KW时，IGV继续打开直到84度。而放气防喘阀，当机组转速达到97.5%SPD（转速继电器具14HS 动作）时，即关闭停止放气。

机组起动运行包括起动、带负荷、遥控起动和带负荷。起动包括正常起动和快速起动。带负荷又分自动和手动进行。在起动运行过程中的控制调节又分转速控制、同期控制和温度控制阶段。

燃气轮机的起动过程可以分段进行，亦可以自动按程序控制进行，要分步调试过程中，可以分段进行。一旦分步调试正常后，便无需再分段进行机组起动，而是采用自动程序控制。机组起动过程分以下几步。

（1）起动前的检查准备阶段。在这一阶段中，主要是检查机组起动所必需满足的那些条件是否具备了。例如：润滑油辅油泵应投入，且润滑油的压力满面足运行条件，在各回油管路的观察窗处可以看到润滑油在流动；压气机可转导叶应关闭在最小角度位置，防喘放气应处于打开位置；起动失败泄油阀应打开等等。只有这些条件满足，程序控制系统中的保护继电器L4才带电，其逻辑信号变成…1?，机组才被允许起动。在机组起动前，应进行盘车。（2）起动盘车和拖动。主机转子在静止状态，需在起动装置有比较大的扭矩才能克服转子的惯性和静摩擦把转子缓慢转动起来。转子转动后，起动电机通过液力变扭器将转子升速。（3）清吹。清吹的目的是在机组点火之前，让机组在一定的转速下，利用压气机出口空气对机组进行一定时间的冷吹，吹掉可能漏进机组中的燃料气或因积油产生的油雾，清吹的时间要根据被清吹的排气道的容积来选择，至少能将整个排气道体积三倍的空气吹除掉，这样可避免爆燃。简单循环机组在初次启动时不需要清吹。但如果是重复启动，则在第二次点火前必须清吹。如果机组带有余热回收设备（即联合循环），则每次点火前都应进行清吹。（4）点火。清吹结束后，若机组达到点火转速，则进行点火。点火转速一般为机组额定转速的15%~22%。在机组中，有6个主要的转速继电器，其中转速继电器14HM就是点火转速继电器（又叫最小转速继电器）。它整定在920（+-20）转/分（额定转速的16%）触发，发出点火信号进行点火。为了保证点火成功，点火时给出的燃料行程基准FSR比较大，即相应的燃料量比较多。使燃烧室启动富油点火燃烧，同时冷却水系统的冷却风扇投运。（5）暖机。如果点火成功，火焰推测器探测到燃烧室中的火焰，控制系统便发出暖机信号，使机组进入暖机阶段。暖机的目的是让机组的高温燃气通道中的受热部件，气缸与转子有一个均匀受热膨胀的时间，减少它们的热应力以及保证机组在启动过程中有良好的热对称，并且防止转子与静子之间出现过大的相对膨胀而使转子与静子发生碰擦，从而安全启动机组，为此，在一分钟暖机期间，燃料行程基准FSR从点火值到暖机值，即暖机期间，供入机组的饿燃料量比点火时要少。

（6）升速。暖机时间由一个暖机计时器记录，暖机阶段结束时，由暖机计时器发出信号，使机组进入升速阶段。在这一阶段中，燃料行程基准FSR由控制系统按控制规范的规定上升。这时起动机的功率和透平发出的功率会使主机转速迅速上升。但在起动控制系统中，有加速度限制控制，使机组转速上升时的加速度不超过预先给定的限值。当机组转速加速到某个值时，继电器14HA动作，这时机组进入转速控制。

（7）脱扣。随着机组转速的上升，通过压气机的空气流量增加，压气机出口压力也增加，供入机组的燃料量也增加，因此透平的输出功率也增大了。当机组转速在启动机的帮助下继续升速到额定转速的50%~60%范围，透平已有足够的剩余功率使机组升速时，就可以停掉启动机了。转速继电器14HX整定在额定转速的60%时触发，发出信号，卸掉液力变扭器中的工作油，使启动机与主机转子之间的液力联接脱开，然后停掉启动电机。

（8）全速空载。机组转速达到97.5%SPD时，运行转速继电器14HS投入发出信号，此时压气机防喘放气阀关闭，辅助滑油泵88QC停止运转，透平排气框架通风马达88TK-1，88TK-2相继启动。机组继续加速进入全速空载状态运行，此时的FSR=20%FSR，FSR略有增加，使机组转速略高于电网频率。

（9）同期阶段。一般当机组进入全速空载状态后，即向发电机发出的交流电，其频率，电压和相位与电网的这三个参数相适应，这种情况下就叫做同期或同步。当同期条件满足时，发电机断路器自动闭合（称之为并网）.并网完成后，一个完整的启动过程就完成了。在此之后，机组进入转速控制，并且可以执行自动带负荷和手动升降负荷的操作。

图3-2 启动曲线

总之，启动过程是由启动系统（硬件）和启动控制系统（软件）的协同配合共同实现的。启动过程中FSR，TNH，TTXD的变化如图3-2所示。从图上，我们看到FSR在升速过程中

有两次减少，这是因为在启动过程中，原来冷的部件已经“吸足”了热量因而不再从燃气中“吸收”热量，因此稍小一点的FSR仍能满足机组加速的需要。再者，当机组到达了运行转速以后，不需要再继续升速，因而对透平的输出功率要求减小，所以FSR可以又减少一些。同时，FSR在加速过程中的两次减少，也有利于透平燃气温度不会降低得过于急剧。因为燃气温度的急剧升高和急剧降低都会对受热部件造成热冲击，而这种“暴热暴冷”都会影响受热部件的使用寿命或产生不安全的运行因素。

三、当机组达到全速空载，并完成同期并网后，机组由同期控制转为转速控制。根据操作者指令，机组可进行如下方式带负荷：

（1）如果操作者没有下达带负荷指令，并网后，则机组自动加载旋转备用负荷。其值为4MW。（2）如果操作者选择自动带基本负荷运行指令，则机组按规定的升荷率自动加载，此时机组仍为转速控制，FSR升到62.3%FSR，升荷率为（25%满负荷）/分。4分钟后当机组带满基本负荷，机组由转速控制进入温度控制状态。

（3）如果操作者选择旋转备用负荷和基本负荷之间的某一负荷值进行加载，则首先要通过控制盘MARK Ｖ将这一负荷值调定下来,然后再按预选值进行加载,FSR逐渐增大;机组仍以(25%满负荷)/分的转速进行加载.。但机组的控制始终为转速控制，因没有达到基本负荷，机组不进入温度控制状态。

（4）当操作者先择手动加负荷，则通过发电机控制盘上调节速度控制整定点升/降开关70R4/CS来进行，该开关向右拨是加负荷；置于中间的位置是停止加载；向左拨是减负荷。手动加负荷开始是按（3.3%满负荷）/秒加载率进行，等到负荷已加到期1/4满负荷以上时，加载率将不能大于25%满负荷/分。在加有功负荷程中，适当增加无功负荷。以确保功率因素在良好的数值，手动加载其加载数值只能加载到基本负荷以内。

四、遥控起动和带负荷

燃气轮机发电机组的起动和加载操作可以从控制间转换到中央控制室去遥控进行，转换后其起动、同期和加载的具体操方法与在控制间相同。

遥控的需要和可能要根据机组的功用、数量、安装情况以及轮机控制盘操作员接口所能附带电缆长度来决定。一般情况，作为发电用燃气轮机发电机组，在电厂内相对比较集中，中央控制室与燃机控制室靠得很近，但一台主操作接口可以操作8台燃气轮机和8台汽轮机，因此，由中央控制室到每台机组控制室之间的电缆铺设比较复杂，其长度也各不一样。例如电缆长度50英尺（15.2m）；采用不同调制解调器时电缆长达1500英尺（457m）；用不带调制解调器的光导纤维连接的光缆长度可达9600英尺（2926m）。

燃气轮机在油田输油管道上用作泵油动力时，在整个管网上燃气轮机的分布是很分散的，每台机组之间的距离较远，由中央控制室操纵、控制、监视几台机组运行，势在必行。

五、快速起动和快速加载起动

在某些情况下要求机组尽快投入运行，甚至牺牲一些透平的寿命，为了实现快速起动，必须改变以下几个参数：

（1）重新调整最小转速继电器14HM触发转速，使其在10%~12%SPD动作，发出信号，进行点火；

（2）减小或取消暖机时间；

（3）提高加速时FSR的上升速率；

（4）把排气温度上升速率由5F/秒改为15F/秒；

（5）机组加速率限制从每秒1%SPD改为2%SPD；

（6）加大起动机的功率；

快速起动对起动机寿命不利，所以非不得已不要采用。

快速加载起动，仅仅在加载时的加速率与手动加载相同，而起动过程和正常起动是一样的。

六、转速控制

对燃气轮发电机组来说，要求发电机发出的交流电的频率保持不变，亦即在发电机加载过程中或负荷经常变化的情况下保持机组的转速为一定值。怎样才能达到这个要求呢？当一台燃气发电机组单独供电给用户，如果开始时机组在额定转速运行，燃气机组发出的电功率等于用户的电负荷，整个转子处于功率衡，转速保持不变，但如果整个电功率发生了变化，而进入燃烧室的燃料不随着改变的话，那么原有的功率平衡就被破坏，就必然引起转速的变化，例如电负荷增加将引起转速的下降；电负荷减少，转速将上升。这样，在电负荷大幅度变化时，燃气轮发电机组的转速也将随着大幅度，这对发出的交流电频率和转子的强度角度来看都是不允许的。怎么办？随着电负荷的变化，转速成偏离额定值，必须有一套机构来增加或减少喷入燃烧室的燃料量，从而使转速保持基本不变，这就是转速调节的目的。根据什么来增加或减少燃料量呢？既然我们要保持不变的参数是转速，那么就可以直接根据转速变化来进行调节；当转速小于额定值时意味着电负荷大而燃气轮机的功率不足，要使转速回到定值就应增加燃烧喷入量。反之，如果转速大于定值就应减少燃料喷入量。最原始的办法是在燃气轮机转子上装一个转速表，根据转速表的读数手动地改变进入燃烧室的燃料喷入量，使转子转速保持在额定值附近。燃气轮机的转速自动调节系统就是完成上述转速表和操作人员的工作，只不过反应得更快，动作更准确而已。

用燃气轮机发电机组，转速调节的要求概括起来有：

（1）在单机运行时，当发电负荷变化以后，在调节终了时保持机组的转速基本不变；（2）在单机运行时能根据操作者的意图在一定范围内改变机组的转速。在并网运行时能按操作者的意图改变机组的功率；

（3）在电负荷突然甩去时机组不会熄火，也不会超速很多，并能很快地稳定下来。

七、温度控制

燃气轮机的透平叶轮和叶片在高温、高速下工作，它们不仅承受高温，而且还承受巨大的离心应力。叶片、叶轮的材料的强度随着温度的上升显著降低，对一般现代的燃气轮机来说，这些受热零件的强度余量本来就不大，所以在运行中必须使透平进气温度限制在一定范围内。不然的话，就会引起透平叶片烧毁、断裂等严重事故。即使叶片、叶轮一时没有破坏，超温也会使透平受热部件的寿命大大降低。此外，由于超温，会大大加速对叶片的腐蚀。从各国燃气轮机运行的事故来看，有很多是由于超温引起的，所以温度控制是燃气轮机调节的主要任务之一。

温度控制系统的作用有：

（1）在燃气温度超过允值时，发出信号去减少燃料喷入量，使燃气温度不超过允许值。（2）在必要时（尖峰运行和尖峰超载运行）可以提高温度的限制值，但这个限制值的提高是逐渐引的，使机组的受热部件有较小的热应力。

（3）和超温保护系统一起，在各通道所测的温度值的差额超过某一定值时发出报警。

机组不论用何种加载方式加载，一旦机组进入温度控制时，使会自动切断加载电路，停止加载。

2.2 起动控制原理及分析

燃机启动过程是在程序控制系统和起动控制系统共同作用下完成的。起动控制控制从点火开始直到起动程序完成这一过程中燃料量Gf（在MARK V系统中通过起动控制系统输出FSRU）。

燃机起机过程中燃料需要量变化范围相当大。其最大值受压气机喘振（有时还受透平温度）所限，最小值则受零功率所限。这个上下限随着燃机转速大小而变，在脱扣转速时这个上下限之间的范围最窄。沿着上限控制燃料量可使起动最快，但燃机温度变化剧烈，会产生较大的热应力，导致材料的热疲劳而缩短使用寿命。对重型燃气轮机尤为重要。对于发电的重型

燃气轮机，其起动时间要求不高。困此GE公司对重型燃气轮机起动过程中燃料的目标一般偏低、变化偏缓以求较小的热应力减轻热疲劳。

MARK V以开环方式控制起动过程中FSR当燃机被起动机带到点火转速（约16%额定转速，L14HM=1）并满足点火条件时，起动控制系统把预先设置好的FSR点火值作为FSRSU输出。若点火成功，FSRSU立刻降到暖机值进行暖机，在暖机期间FSRSU保持暖机值不变，轮机的转速则逐渐上升，实际燃料流量Gf也在增加。通常完成一分钟暖机后，FSRSU以预先设置的变化率随时间斜升到加速值，随后在以另一个预先设置的速率继续斜升。整个启动控制的规律如图3-3表示。

图3-3 起动控制曲线

以下用逻辑信号来分段分析FSRSU的输出随时间的变化关系。图3-4为MARK V CSP的SEQU-Q2.SRC文件中的《Rung Number 99》。它是用于计算STARTUP FSR的控制算法，计算启动控制时的燃料行程基准FSRSU。在阶梯图左侧为输入信号。包含了6个控制常数和一些逻辑量。

如果满足条件L83SUFI=1，受其控制的伪触点闭合，控制常数FSKSU-FI（典型值为17.5%FSR）和压气机气流温度系数CQTC（通常为0.9~1.25）相乘通过NOTMAX最终赋给FSRU,以建立点火FSR值.自此开始轮机暖机过程,此间FRRU值保持不变，转速缓慢增加，燃料也随之缓慢增加，使处于冷状态的轮机逐渐被加热，一般持续60秒暖机结束。由起动程序给出暖机完成逻辑：L2WX=1，Rung96中使起动加速逻辑L83SUAR=1。受其控制的4个触点动作。其中图下部的常开触点的闭合使FSKSU-IA控制常数（典型为值为0.05%FSR/S）作为斜升率进入积分器的输入端。使得FSRU输出在暖机值的基础上逐渐增加。随着燃眉之急油量的增加燃机进一步加速。控制常数FSRUAR（典型值为30.6%）规定了FSUR积分斜升率的上限值。一旦达到该值，图中上部比较器条件成立，使RISING置1，受控触点动作切断了积分器的输入。FSKSUAR的常驻数值通过NOT MAX直接送入下部作为FSRSU输出。从Rung 96可知只有在合闸后L83SUMX才置1,随着伪触点的动作上部比较器又将置0。又可以通过积分器输入斜升量，使FSRSU继续上升，其斜升速率为FSKSU-IM （典型值为5%FSR/S）。一直斜升到

图3-4 起动控制算法

控制常数FSRMAX给定的最大FSR值作为FSRSU输出。至此起动控制系统自动退出控制。