当前位置: 首页 > >

单轴联合循环发电机组的燃气轮机功率监测_图文

第 38 卷   1 期 第 Vol . 38 No . 1 热 力 透 平                    THERMAL TURBINE                    2009 年 3 月 Mar. 2009

单轴联合循环发电机组的燃气轮机功率监测
刘尚明1 ,虎   2 ,刘   2 煜 冰
( 1. 清华大学热能工程系 ? 热科学与动力工程教育部重点实验室 ,北京 100084 ; 2. 上海电气 电站设备有限公司上海汽轮机厂 ,上海 200240)

摘   : 随着燃气轮机单机容量的越来越大 ,防止燃气轮机超出最大可允许的功率水平也变得越来越重要 。本 要 文从燃气轮机原理的角度 ,探讨如何对单轴燃气蒸汽联合循环机组中的燃气轮机的功率进行实时计算与监测 。 最后对引进的西门子控制系统中的燃气轮机功率实时计算方法进行了详细介绍 。 关键词 : 单轴联合循环 ; 燃气轮机 ; 功率限制 中图分类号 : T K472       文献标识码 :A       文章编号 :1672 - 5549 (2009) 01 - 0061 - 04

(1. Key Laboratory for Thermal Science and Power Eng. of Ministry of Educ. , Dep . of Thermal Eng. , Tsinghua Univ. , Beijing 100084 , China ; 2. Shanghai Electric Power Generation Equipment Co . Ltd. Shanghai Turbine Plant , Shanghai 200240 ,China ) Abstract :  Wit h t he unit power o utp ut beco ming bigger ,it is mo re important to p revent gas t urbine rating f rom over loading . Based on t he gas t urbine t heory , t he real2time monitoring met hod of gas t urbine rating fo r single2 time mo nitoring met hod of gas t urbine rating used in Siemens cont rol system is also int roduced in detail. Keywords :   single2shaft co mbined cycle ; gas t urbine ; rating limit shaft gas2steam co mbined cycle set s has been investigated in t he paper. And t he gas t urbine power outp ut real2

0  引言

燃气轮机控制的特点是既与所带的负荷性质有关 ,同

时又与燃气轮机自身的特性有很大的依赖性 。作为一个 完整的动力装置 ,当扰动发生后 , 燃气轮机只能通过对整 个系统的控制 ,例如改变燃烧室燃料流量 , 依靠动力装置 各组成部件 ( 压气机 、 燃烧室 、 透平等) 参数之间的机械 、 气 动联系而改变包括带动负荷的透平在内的所有部分的运 行工况 。此外 ,燃气轮机的各个组成部件都有自己的允许 工况范围 ,在运行过程中必须将工况变化控制在允许的范 围之内 ,例如要求控制压气机在不喘振的范围 , 控制高温 燃气通道内不超温等 。显然 ,这些允许范围和它们自身的 特性密切相关 。 随着燃气轮机单机容量的越来越大 ,防止燃气轮机超

出最大可允许的功率水平也变得越来越重要 。本文从燃 气轮机原理的角度 ,探讨如何对单轴燃气蒸汽联合循环机
收稿日期 :2008 - 10 - 24

作者简介 : 刘尚明 (1964 - ) ,男 ,清华大学热能工程系动力机械及工程研究所副教授 , 主要从事热动力系统建模与仿真 , 以及自动控制系 统研究与设计方面的工作 。本文为 2008 年中国动力工程学会透平专委会论文研讨会宣读论文 。

? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

The Real2Time Monitoring of G Turbine Rating f or as Single2Shaf t Combined Cycle Sets
L I U S han g2m i n g , H U Y u , L I U B i n
1 2 2

组中的燃气轮机的功率进行实时计算与监测 。最后对引 进的西门子控制系统中的燃气轮机功率实时计算方法进 行详细的介绍 。

1  燃气轮机功率限制系统

在发电用单轴燃气轮机的运行过程中 ,除了受压气机

喘振的限制外 ,还受到高温零部件材料耐热能力的限制以 及受到转动部件离心应力的限制 ,亦即通常所述的燃气轮 机即不能超温 ( T33 ≤T3max ) 也不能超速 ( n ≤nmax ) 的限制 。 图 1 所示为大气温度变化时发电用单轴燃气轮机的 运行范围变化 。    由燃气轮机原理可知 ,当大气温度 Ta 升高时 , 空气的比 容增加 , 压气机的进口空气流量 G1 减少 ,燃气轮机的功率 N e 下降。如果保持机组的功率 N e 为额定值不变 , 则必须增大 进入燃烧室的燃料流量 Gf , 从而可能导致透平进口燃气温度
3 T33 过高 ,出现温度超限情况 ( T33 ≥T3max ) 。

http://www.cnki.net

62

单轴联合循环发电机组的燃气轮机功率监测

独立变量 , 则燃气轮机的功率 N e 可以写为 :
N e = N e ( T43 , P23 )

图1  单轴燃气轮机运行范围随大气温度变化图 当大气温度 T a 降低时 , 空气的比容减少 , 压气机的进 口空气流量 G1 增加 , 燃气轮机的功率 N e 上升 , 透平进口 燃气温度 T33 降低 。如果保持机组的透平进口燃气温度
N emax ) 情况 。
3 3 以后 , 燃料流量 Gf 的稳态值完全由 T 33 = T3max 的要求决 3 T33 = T3max 不变 , 则必须增大进入燃烧室的燃料流量 Gf ,

从而可能导致机组的功率 N e 过高 , 出现功率超限 ( N e ≥ 综上所 述 , 在 燃 气 轮 机 控 制 系 统 中 必 须 设 置 温 度
3 需要说明的是 , 发电用单轴燃气轮机进入 T3max 限制

T3max 限制和功率 N emax 限制功能的子系统 。

定 , 转速控制系统对稳态工况失去作用 。此时 , 机组的工
3 况落在 T33 = T3max 线上 。当燃气轮机并网发电时 , 进入 3 T3max 限制以后 , 使用同步器增大转速给定值 ns 时 , 机组的 3 3 T3max 限制以后 , 如果电负荷再增加 , 则沿 T33 = T3max 线降 3 = T3max 线减少功率 。当燃气轮机用于孤立发电时 , 进入

图 3 所示为单轴燃气轮机的通用性能曲线示意图 。 当大气温度 T a 、 大气压力 Pa 变化时 , 单轴燃气轮机就具 有四个独立参变量 , 此时 , 燃气轮机的功率 N e 可以写为 : 写为折合参数形式时 ,为 :
Ne P1
3

功率并不增加 。而在电网频率降低时 , 机组反而沿着 T33 低转速和功率 。

2  单轴联合循环机组中的燃气轮机功率限

或 

制系统的特点

或  =f δθ
3

   在单轴燃气蒸汽联合循环装置中 ,只有一个共同的功

率测量装置来测量燃气轮机和蒸汽轮机的功率 ,亦即这两 个轮机通过同一个轴系驱动同一个发电机 。因此 ,只有在 蒸汽轮机的离合器没有啮合 ( 如果有的话 ) , 亦即 , 蒸汽轮 机没有发出驱动扭矩时 ,所测量的电功率才等于燃气轮机 的功率 。一旦蒸汽轮机开始并网发电 ,则所测量的电功率 是燃气轮机和蒸汽轮机的联合功率 ,不能用作燃气轮机功 率 。此时 ,必须通过计算方法得到燃气轮机的功率值 , 才 能对燃气轮机的功率进行有效的限制 。 图 2 所示为给定大气条件时单轴燃气轮机的性能曲

线示意图 。由燃气轮机原理可知 , 在确定的大气条件下 , 单轴燃气轮机的所有工况参数都是两个独立变量的函数 。 如果选择压气机出口压力 P23 和透平排气温度 T43 作为

? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

式中 , T1 = T a 为压气机进口温度 ; P13 为压气机进口压 力 , 近似等于大气压力 Pa ;θ=
Ta Pa ,δ= , T ao 、 ao 为设计 P T ao P ao

状态对应的大气温度与大气压力 , 通常为 ISO 条件 。 就可以对燃气轮机的功率进行实时控制与限制 。
(1) 实验法

因此 ,如果能够得到上述关系式的准确数学表达式 , 一般可以通过如下方法整理出相应的数学表达式 :

在给定大气温度与大气压力下 ,选定一系列 N e 值 , 测得
N e = N e ( T43 , P23 )

相应的 T43 、23 值 ,并整理出相应的数学关系表达式 : P http://www.cnki.net

然后 , 针对不同的大气温度与大气压力 , 对上面整理出

来的关系式进行大气温度影响修正与大气压力影响修正。

N e = N e ( T43 , P23 , T a , Pa ) T1 Ne Pa Ta Ne
3

=f

= f

T43

θ

,

P23

δ

T43 P23 3 , 3 T a Pa

T43 P23 , T13 P13

第 1 期                      力 透 平 热
( 2) 变工况计算法

63

(1) 如果蒸汽轮机的离合器啮合 ,即汽轮机轴离合器

首先建立燃气轮机的变工况计算模型 ; 给定大气温度 与大气压力 , 选定一系列 N e 值 , 计算相应的 T43 、 23 值 , P 并整理出相应的数学关系表达式 :
N e = N e ( T43 , P23 )

啮合信号 KU P E = 1 时 ,积分环节的输入值跳变到 0 % ,则 积分环节的输出结果 P GT310 将平稳地由当前值减少到
0 % 。亦即 ,测量功率 PEL 的影响退出 ; (2) 如果蒸汽轮机的离合器脱开 ,即汽轮机轴离合器

改变大气温度与大气压力 ,重复上面的计算与整理过

啮合信号 KU P E = 0 时 ,积分环节的输入值跳变到 100 % , 则积分环节的输出结果 P GT310 将平稳地由当前值增加 到 100 % ,亦即 ,完全采用测量功率 PEL 值 。
3. 2   燃气轮机功率计算值 P GT340 计算

程 ,得到相应的大气温度影响修正函数与大气压力影响修 正函数 。 (3) 实验与变工况计算综合法

上述两种方法各有利弊 。最合理的方法是两种方法综

燃气轮机功率计算值 P GT340 的值就是由压气机出 口压力监测到的燃气轮机发电功率 PPV II 值 。为了保证 最终计算得到的燃气轮机功率计算值 P GT340 不至于太 小 ,设置一个最大值选择环节 , 其相应的逻辑处理关系如 下所示 :
PGT340 = max ( P EL GL ×EL E163 , P PV I I)

合使用。即通过有限的实验来测试与完善变工况计算模型 的有效性 ;同时利用准确的变工况模型计算来克服实验法 的不足 。

3  西门子单轴联合循环机组中的燃气轮机

功率监控介绍

式中 , P EL GL 为使用天然气的基本负荷的功率实际值 , 其 值为 286 . 29MW ; EL E163 为由压气机出口压力确定的功 率值 ( 最小值) , 其值为 0 . 229 ; 代入所有已知数据后 , 上式可写为如下形式 : PG T340 = max ( 286. 29MW × . 229 , P PV I I) 0
= max (65. 56MW , P PV I I)

下面简单介绍我国引进的西门子单轴联合循环机组控 在西门子单轴联合循环机组中 ,发电机的实际功率采

制系统中的燃气轮机功率监控方法 。

用 2 个独立的功率传感器来测量 。2 个测量值都直接送入 燃气轮机控制器的模块 PEL 中 , 在这里 ,较大者被选为功 率的实际测量值 PEL ,用于控制系统的进一步处理 。 在单轴装置中 , 只有一个共同的功率测量装置来测

这里 , 由压气机出口压力监测到的燃气轮机发电功率
P PV I I 值按照如下数学关系式计算 : P PV I I = PG T70 ×PG T80

量燃气轮机和蒸汽轮机的功率 , 亦即这两个轮机通过同 一个轴系驱动同一个发电机 。因此 , 只有在蒸汽轮机的 离合器没有啮合 , 亦即 , 蒸汽轮机没有发出驱动扭矩时 , 所测量 的 电 功 率 PEL 才 等 于 燃 气 轮 机 的 功 率 实 际 值
PGT 。一旦蒸汽轮机开始并网发电 , 则所测量的电功率 PEL 不能再用作燃气轮机功率实际值 PGT 。此时 , 需要

式中 , PG T70 为压气机出口压力对应的功率值 ; PG T80 为 压气机进口温度对功率的修正系数 。
3. 3   压气机出口压力对应的功率值 P GT70 计算

压气机出口压力对应的功率值 P GT70 的计算关系式 如下 :
PG T70 = P EL GL ×PG T50 PV I × PA N + U KO R 08 ×( PG T42 - T TA T89)

立即开始从测量燃气轮机功率无扰切换到计算燃气轮机 功率 ,从而得到燃气轮机的功率实际值 PGT 。具体算法 在 PGT 模块实现 。
3. 1   燃气轮机功率监测值 PGT 计算

式中 , PV I 为压气机进口压力信号 ; PA N 为压气机进口压 力的额定值 , 其值为 1 . 013bar ; P EL GL 为使用天然气的基 本负荷的功率实际值 , 其值为 286 . 29MW ; U KO R 08 为透 平排气温度对功率计算影响的修正因子 , 其值为 0 . 62 ;
T TA T69 为 计 算 燃 气 轮 机 功 率 的 基 准 温 度 , 其 值 为

只要蒸汽轮机的离合器没有啮合 ,亦即蒸汽轮机没有 输出功率 ,所测量的电功率就是等于燃气轮机功率 。一旦 蒸汽轮机开始并网发电 ,则所测量的电功率不能再用作燃 气轮机 功 率 的 测 量 值 , 必 须 采 用 燃 气 轮 机 功 率 计 算 值
PGT340 。

579 ℃。 PG T42 为中间信号 , 它是透平排气温度 修正 值 A T K 与常值 350 ℃ 二者之间的较大者 ; PG T50 为中间信

号 , 它实际上是压气机出口压力对燃气轮机功率的影响系 数 。下面将单独进行分析 ; 代入所有已知数据后 , 上式可写为如下形式 :
PG T70 =

为了保证从功率测量值 PEL 与功率计算值 PGT340 间的无扰切换 ,算法中通过一个时间常数为 10s 的积分环 节来调节测量功率影响系数 P GT310 的方式来实现 。其计 算关系式可写为 :
PGT = PGT340 ×( 100 % - PGT310) + P EL ×PGT310

286. 29MW ×PG T50 PV I 1 . 013bar × + 0 . 62 ×( PG T42 - 579 ℃ ) 286. 29MW ×PG T50
PV I

其中 ,PEL 为功率测量值 ; P GT340 为燃气轮机功率计算 值。 具体实现过程如下 :

=

1 . 013bar × + 0 . 62 ×

max ( 350 ℃, A T K) - 579 ℃

由上式不难分析得出 : PG T70 实际上是功率与压气 http://www.cnki.net

? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

64

单轴联合循环发电机组的燃气轮机功率监测

机进口压力 ( 这里为 PV I) 、 压气机出口压力 ( 这里为 PV 2 , 在 PG T50 中体现) 、 与透平排气温度 ( 这里为 A T K) 的函 数关系式 。
3. 4   中间信号 P GT50 计算

  (1) 首先 , 将压气机进口温度 4 个测量值的平均值
TV I 信号经过一个时间常数为 60s 的一阶惯性环节处理 。
( 2) 根据一阶惯性环节的输出结果 , 按照如图 5 所示

的曲线 , 进行线性插值得到由压气机进口温度确定的功率 修正因子 PG T80 。

中间信号 P GT50 是根据中间信号 P GT49 按照如图 4 所示的函数关系 ,通过线性插值计算得到的结果 。 这里 ,中间信号 P GT49 ( 压气机出口压力修正值 ) 的 计算式如下 :
PA N ×PV 2 PV I PG T49 =

max ( 350 ℃, A T K) - T TA T69
PV 2 GL

× KO R 7 U

式中 , PV I 为压气机进口压力信号 ; PA N 为压气机进口压 力的额定值 , 其值为 1 . 013bar ; PV 2 为压气机出口绝对压 力信号 ; PV 2 GL 为使用天然气的基本负荷下的压气机出 口压力 , 其值为 18 . 11bar ; A T K 为透平排气温度修正值 ;
T TA T69 为 计 算 燃 气 轮 机 功 率 的 基 准 温 度 , 其 值 为

图5  压气机进口温度对燃气轮机功率的影响系数

579 ℃。U KO R 07 为透平排气温度对功率计算影响的修正

因子 , 其值为 0 . 01 。

4  结论
随着燃气轮机单机容量的越来越大 , 防止燃气轮机超 出最大可允许的功率水平也变得越来越重要 。本文从燃 气轮机原理的角度 , 探讨了对燃气轮机的功率进行实时计 算与监测的方法 。 最后 , 结合引进的西门子燃气轮机控制系统中的燃气 轮机功率实时计算方法进行了相应的介绍 。通过分析不 难得出 :
( 1) 通过设置一个带积分环节的切换因子 , 可以保证

西门子燃气轮机控制系统中的燃气轮机功率由测量值到 图4  压气机出口压力对燃气轮机功率的影响系数 代入所有已知数据后 , 上式可写为如下形式 :
1. 013bar
PV I PGT49 =

计算值的无扰平稳切换 ;
( 2) 将大气压力 、 大气温度的影响引入燃气轮机的功

×PV2 -

max(350 ℃, A T K ) - 579 ℃ 18. 11bar

× 01 0.

不难看出 ,压气机出口压力修正值的计算关系式中 , 将大气压力 ( 即压气机进口压力 PV I 信号 ) 、 透平排气温 度 ( 这里为 A T K) 和压气机出口压力 ( 这里为 PV 2) 的影响 进行了综合考虑 。
3. 5   压气机进口温度对功率的修正系数 P GT80 计算

压气机进口温度对功率的修正系数 P GT80 的计算过 程如下 :

( 上转第 72 页) 具材料的合理选用 、 刀具几何参数确认 、 对

刀形式 、 加工程序的编制等方面进行了综合性考虑 , 最终 将变形控制在设计范围内 ,既保证了内外环的尺寸精度和 加工质量 ,又确保了分度的精确性 。目前 , 燃气轮机压气 机静叶环 16 级内外环加工已经全部结束 ,实践证明 ,我们

? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

率计算关系式 N e = N e ( T43 , P23 ) 中 ,可有效地保证功率计 算的准确性 。 参考文献 :
[ 1 ] 赵士杭 . 燃气轮机循环与变工况性能 [ M ] . 北京 : 清华大学出

版社 ,1993 年 7 月 .
2003 年 6 月 .

[ 2 ] 焦树健 . 燃气 — 蒸汽联合循环 [ M ] . 北京 : 机械工业出版社 ,

[ 3 ] H Cohen , G F C Rogers , H I H Saravanamuttoo . Gas
T urbi ne T heory [ M ] . Harlow : Longman , 1996.

制造 、 生产的内外环全部满足图纸设计要求 。 266MW 重型燃气轮机压气机静叶环内外环加工的成 功不仅实现了压气机静叶环国产化的第一步 ,也为以后进 行批量加工压气机静叶环积累了一定的经验 ,而且取得了 极明显的经济效益 ,降低了制造成本 。 http://www.cnki.net




友情链接: hackchn文档网 营销文档网 爱linux网 爱行业网 时尚网