重型燃气轮机控制发展与关键技术研究

何飞扬

摘 要：重型燃气轮机作为能源转换的主要设备，是提高环境友好型、加强系统清洁控制的重要系统。国内重型燃气轮机发展速度较慢，受控制系统的核心技术发展限制，对应气轮机相关系统的优化升级十分關键。该文对重型燃气轮机进行系统分析，提出对应设计要求和国外典型控制系统的要求，提出未来发展的主要方向和研究方向。

关键词：重型燃气轮机 控制发展 关键技术 发电行业

中图分类号：TK473 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）04（a）-0043-02

国内燃气轮机的研究工作从20世纪30年代至今未停止，带动了该技术的不断升级，对国内发电行业而言具有重大意义。是提高连续循环合理性、提高发电效率的保证。现阶段，高效循环发电方法一般具有一定规模性。燃气轮机相关技术较多，包括高效燃烧、超合金叶片、轴流冷却等诸多方面。国内燃气轮机的主要能源是天然气、石油，是各国电力行业的主要发展模式。据报道，随着国家能源结构框架的调整，天然气为主的电厂将会逐渐增加，已及2020年国内天然气发电量将高达6 000万kW，为此，燃气轮机产业的核心技术具有重要影响价值。

1 重型燃气轮机现状和发展需求

1.1 发展现状

燃气轮机在电力、管道和航海领域中发展广泛，燃气制造厂商经长期经验积累，已经逐步形成一定发展模式。当前垄断状况较为严重，如：GE、西门子等大型公司及其附属企业是主要生产制造商。作为一项高科技含量的技术，燃气轮机行业需要充分考虑管线、电力发展需求，根据国家相关政策，及时进行有效动态管理。如加强清洁能源的有效利用，提高天然气利用效率。加强燃气轮机核心技术的国产化是当下国内学者的主要研究方向。现阶段，该行业核心控制部分主要借助进口为主，关键技术仍为少数几家国外公司所掌控。该行业的发展存在一定瓶颈状况。避免产出过低、效益过差的状况是国内燃气轮机厂家的关注重点。

国内重型燃气轮机的控制发展对象十分明确，几十年发展历程中，其性能优化、结构调整工作已经初步取得成效。其中压气机、涡轮机作为燃气设备的主要部件，需要进行效率升级、结构改造处理，提高透平温度等控制要求。新技术不断涌入该行业市场的大环境下，加强电子控制、自动化控制能力的融入，降低燃料用量是发展必然趋势。

1.2 发展需求

从燃气轮机的发展控制系统出发，其指标主要为：转速、功率和排气温度的有效控制。在保证重型燃气轮机运行稳定的基础之上，加强市场行业的分析，提高控制系统改善方向，充分满足市场竞争和控制需求相匹配的要求，一般需要考虑下述几点问题。

第一，功能性要求。重型燃气轮机发展中，需要加强效率、功率的有效提升，避免结构改造不合理、部件数量过多、维护不便等状况。如低压排放燃烧室中，需要考虑燃烧控制、叶尖间隙控制等方面要求，提高控制系统输入、输出的合理性，避免数量不全、变量耦合结果差等状况的发生，提高整体控制的清晰性、逻辑性、简洁性，以期充分满足新功能的要求。

第二，低成本要求。当代重型燃气轮机的经济效益增长主要体现在下述几点：（1）热端构件的维修和替换；（2）燃气轮机维护、调试工作的费用。对应未来发展的控制方向分析上，需要考虑成本价格、运营和维护管理等级等，避免费用过高、管理不当等导致的市场竞争能力下降。如航空燃气轮机的控制中，需要提高控制系统的效率，及时维护，并根据相关参数可进行预见性故障分析，避免机组稳定性过低的状况，可采取手段包括：线气位置的诊断、热端部件的调整和故障预测，将燃气轮机过高的维修费用合理降低。此外，借助当前已经成型的模型、规律条件等进行合理优化，如启停阶段的有效控制，避免性能下降等引起的设备寿命缩短。保证燃气轮机作业周期范围内有效提高效率的目标。

第三，可靠性要求。工业环节中，在保证气轮机运行要求、工作效率的基础之上，需要充分考虑运行稳定性，即可靠性。为此，对应控制系统的发展方向需要从传统双重冗余改变为容错的三层冗余，但是需要引起注意的是，硬件冗余与原件可靠性相关性较高。硬件冗余过重将会导致设备复杂状况更为严重，引起整体设备的可靠性受到威胁。此外，非相似性的软件冗余需要考虑成本、可靠度要求，现阶段，国内气轮机控制中，可靠性一般可高达上万小时。

此外，还需要注意环保控制的要求，世界各国已经充分意识到气轮机排放物对环境的威胁，加强电厂环评工作的全面落实，避免排放物有害物质超标，提高氮硫化物的有效处理能力，是当下燃机系统设计的必然要求。

当代燃气轮机的市场中，非控制要求比例逐渐增加。重型燃气轮机将朝着高效、低成本、低维护费用方向发展。同时需要保证系统的可靠性、适用性满足行业要求，整体设计难度将大幅增加。未来燃气轮机的发展将会提出更多高难度问题。当下主要研究难点为：电子控制器技术性能要求、控制规律设计、多变量设计等以及传感设备的冗余设计等工作。

1.3 发展特点

第一，改性发展速度快。燃气轮机的控制优化中，需要充分考虑设计软件、模块升级等方法。对应一台重型燃气轮机的改造一般需要时间为5年，但是燃气轮机控制部件的改造相对难度较大。需要经过详细前期研究，对内部控制结构、系统要求全面了解，再进行数字控制系统的研发优化，该过程一般需要充分考虑软件升级的要求。为此，加强辅机控制要求的分析，以期提高燃气轮机控制技术的合理性。辅机要求包括：进气、排汽、通风、清洗和电气仪控系统等。还需要考虑硬件搭建、硬件网络、控制要求等方面系统要求。

第二，提高后期兼容性。重型燃气轮机一般可进行衍生改造处理，对应满足要求、发展方向也需要考虑后期平台的设计，提高产品系列化能力，避免机型差异过大，无法进行扩展、兼容扥处理，提高控制系统的合理性。必要时需要加强核心参数的前期规划，保证电力企业的控制系统可不断进行升级。

第三，技术门槛的提升。传统燃气轮机发展中，长期作业环境已经实现了经验积累、工程案例积累。加强先进技术和前期数据的整合，同时对控制系统的规律性进行全面分析。可提高控制系统的可靠度和性能要求。燃气控制系统的难点主要在于：监测、原理、辅机结构等方面。一般燃气轮机的辅机工艺流程复杂度高，关联程序多，加强连锁反应对后期仪表、设备设施等的牵连影响分析是十分必要的。可提高信号反应速度、优化设备运行效率。

第四，信息行业快速发展，对应控制系统已经不可局限于传统单一化的发展方向，需要结合多个控制目标进行优化，同时充分考虑远程监控、综合控制能力的落实。

2 关键技术

2.1 低排放燃烧控制技术

重型燃气轮机的性能不断升级，同时社会大众对环境保护的意识逐渐加深，为了避免燃气轮机污染过重等带来的社会负面效应，需要充分考虑燃气轮机的排放物特点，一般燃烧过程中，氮氧化物、碳氧化物等生成主要与燃烧温度相关。温度过高将会生成大量氮氧化物，过度低温状况下生成CO。一般情况下，天然气燃料的燃烧温度为1 430 ℃～1 530 ℃之间，该状况下燃料空气的混合比可满足行业排放的最低要求。

2.2 主动间隙控制技術

该技术是当代燃气轮机技术的主要考虑方向之一。借助对叶尖间隙的有效控制实现燃气轮机能耗量的减低，可提高设备可靠性、使用寿命，同时可降低污染排放过多的状况。该技术在航空领域中的发动机中应用较多，包括CFM56系列的发动机设备就是采用该种形式进行设计。从气轮机运行工艺流程的角度分析，启动环节中，燃气轮机从静止到空载状况下，对应转速增加、离心变形增加，而此时透平刚内部的热容还未达到温度最高，电热变形响应不足。对应轮盘和透平缸无法同时变形的状况，将会引起叶尖间隙瞬间变小。燃气轮机全速运转后，对应透平缸内部将会因受热而导致间隙增加。负荷变化引起工况变化状况下，将会导致间隙发生变化，一般在转速尚未达到范围之外状况下，对应叶尖间隙将会明显下降。该状况导致叶尖间隙的设计难度增加。

为了解决上述问题，一般采用主动热控制手段进行改进。工作原理为：燃气轮机控制中，从压气机进行冷空气抽取，进而对透平缸内外支撑结构实现冷却处理，提高空气流量、空气温度的有效控制，降低缸体膨胀过多引起的危害，提高径向位移的精确控制，保证叶片、缸体的间隙满足规定范围要求。如GE公司就采取该方法在H型燃气轮机中进行间隙控制。

2.3 延寿控制技术

重型燃气轮机的系统控制中，一般对考虑性能最优的设计模式，对应使用寿命的考虑略有不足。延寿控制设计中，需要保证燃气轮机运行稳定的基础之上，将内部核心部件，如热端部件进行优化目标进行控制，提高系统动态、静态指标的合理化，避免使用寿命过低、安全稳定性差的状况。如：系统在超载、转速增加的状况下，对应透平进口温度将会有所提高，降低过渡状况下峰值的影响，可延长核心部件的使用寿命。该方法属于闭环控制、短期控制的方法，在航空领域的燃气轮机上已经实现了应用。

2.4 自适应技术

受工作环境等外界因素变化的影响，重型燃气轮机的部件可能发生结构变质、性能退化的状况，如：腐蚀、锈蚀或风化等带来的损伤。此时控制系统仍按最佳额定工况进行操作。整体不匹配状况导致运行时间、寿命、核心部件的性能等均会大打折扣。为此，借助自适应技术进行调整是十分必要的方法。可实现对控制系统的有效控制，提高控制系统的适应能力，可合理调节，实现与衰减模型相匹配的作业方法，避免性能退化等导致的伤害。提高燃气轮机传感设备的精确性、合理性、稳定性。

3 结语

重型燃气轮机中，控制系统的发展十分关键，提高其性能有效控制、降低成本耗费状况，已经成为发展的必然趋势。该文对重型燃机的发展状况、特点和关键技术进行了分析，提出优化对象和改进目标，旨在为相关技术人员提供更加合理的理论指导，带动该行业长期稳定发展。

参考文献

[1] 李孝堂.燃气轮机的发展及中国的困局[J].航空发动机，2011，37（3）：1-7.

[2] 中国华电集团公司.大型燃气—蒸汽联合循环发电技术丛书： 控制系统分册[M].北京：中国电力出版社，2009.

[3] 顾伟，乔剑，陈潇，等.民用航空涡扇发动机涡轮叶尖间隙控制技术综述[J].燃气轮机技术，2013，26（1）：1-4.

[4] 蒋洪德.重型燃气轮机的现状和发展趋势[J].热力透平，2012，41（2）：83-88.

[5] 刘红，蔡宁生.重型燃气轮机技术进展分析[J].燃气轮机技术，2012，25（3）：1-5.