重型燃?xì)廨啓C(jī)控制發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)研究

何飛揚(yáng)

摘 要：重型燃?xì)廨啓C(jī)作為能源轉(zhuǎn)換的主要設(shè)備，是提高環(huán)境友好型、加強(qiáng)系統(tǒng)清潔控制的重要系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)重型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展速度較慢，受控制系統(tǒng)的核心技術(shù)發(fā)展限制，對(duì)應(yīng)氣輪機(jī)相關(guān)系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)十分關(guān)鍵。該文對(duì)重型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行系統(tǒng)分析，提出對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)要求和國(guó)外典型控制系統(tǒng)的要求，提出未來(lái)發(fā)展的主要方向和研究方向。

關(guān)鍵詞：重型燃?xì)廨啓C(jī) 控制發(fā)展 關(guān)鍵技術(shù) 發(fā)電行業(yè)

中圖分類號(hào)：TK473 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）04（a）-0043-02

國(guó)內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)的研究工作從20世紀(jì)30年代至今未停止，帶動(dòng)了該技術(shù)的不斷升級(jí)，對(duì)國(guó)內(nèi)發(fā)電行業(yè)而言具有重大意義。是提高連續(xù)循環(huán)合理性、提高發(fā)電效率的保證?，F(xiàn)階段，高效循環(huán)發(fā)電方法一般具有一定規(guī)模性。燃?xì)廨啓C(jī)相關(guān)技術(shù)較多，包括高效燃燒、超合金葉片、軸流冷卻等諸多方面。國(guó)內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)的主要能源是天然氣、石油，是各國(guó)電力行業(yè)的主要發(fā)展模式。據(jù)報(bào)道，隨著國(guó)家能源結(jié)構(gòu)框架的調(diào)整，天然氣為主的電廠將會(huì)逐漸增加，已及2020年國(guó)內(nèi)天然氣發(fā)電量將高達(dá)6 000萬(wàn)kW，為此，燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)具有重要影響價(jià)值。

1 重型燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)狀和發(fā)展需求

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

燃?xì)廨啓C(jī)在電力、管道和航海領(lǐng)域中發(fā)展廣泛，燃?xì)庵圃鞆S商經(jīng)長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)積累，已經(jīng)逐步形成一定發(fā)展模式。當(dāng)前壟斷狀況較為嚴(yán)重，如：GE、西門(mén)子等大型公司及其附屬企業(yè)是主要生產(chǎn)制造商。作為一項(xiàng)高科技含量的技術(shù)，燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)需要充分考慮管線、電力發(fā)展需求，根據(jù)國(guó)家相關(guān)政策，及時(shí)進(jìn)行有效動(dòng)態(tài)管理。如加強(qiáng)清潔能源的有效利用，提高天然氣利用效率。加強(qiáng)燃?xì)廨啓C(jī)核心技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化是當(dāng)下國(guó)內(nèi)學(xué)者的主要研究方向?，F(xiàn)階段，該行業(yè)核心控制部分主要借助進(jìn)口為主，關(guān)鍵技術(shù)仍為少數(shù)幾家國(guó)外公司所掌控。該行業(yè)的發(fā)展存在一定瓶頸狀況。避免產(chǎn)出過(guò)低、效益過(guò)差的狀況是國(guó)內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)廠家的關(guān)注重點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)重型燃?xì)廨啓C(jī)的控制發(fā)展對(duì)象十分明確，幾十年發(fā)展歷程中，其性能優(yōu)化、結(jié)構(gòu)調(diào)整工作已經(jīng)初步取得成效。其中壓氣機(jī)、渦輪機(jī)作為燃?xì)庠O(shè)備的主要部件，需要進(jìn)行效率升級(jí)、結(jié)構(gòu)改造處理，提高透平溫度等控制要求。新技術(shù)不斷涌入該行業(yè)市場(chǎng)的大環(huán)境下，加強(qiáng)電子控制、自動(dòng)化控制能力的融入，降低燃料用量是發(fā)展必然趨勢(shì)。

1.2 發(fā)展需求

從燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展控制系統(tǒng)出發(fā)，其指標(biāo)主要為：轉(zhuǎn)速、功率和排氣溫度的有效控制。在保證重型燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行穩(wěn)定的基礎(chǔ)之上，加強(qiáng)市場(chǎng)行業(yè)的分析，提高控制系統(tǒng)改善方向，充分滿足市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和控制需求相匹配的要求，一般需要考慮下述幾點(diǎn)問(wèn)題。

第一，功能性要求。重型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展中，需要加強(qiáng)效率、功率的有效提升，避免結(jié)構(gòu)改造不合理、部件數(shù)量過(guò)多、維護(hù)不便等狀況。如低壓排放燃燒室中，需要考慮燃燒控制、葉尖間隙控制等方面要求，提高控制系統(tǒng)輸入、輸出的合理性，避免數(shù)量不全、變量耦合結(jié)果差等狀況的發(fā)生，提高整體控制的清晰性、邏輯性、簡(jiǎn)潔性，以期充分滿足新功能的要求。

第二，低成本要求。當(dāng)代重型燃?xì)廨啓C(jī)的經(jīng)濟(jì)效益增長(zhǎng)主要體現(xiàn)在下述幾點(diǎn)：（1）熱端構(gòu)件的維修和替換；（2）燃?xì)廨啓C(jī)維護(hù)、調(diào)試工作的費(fèi)用。對(duì)應(yīng)未來(lái)發(fā)展的控制方向分析上，需要考慮成本價(jià)格、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)管理等級(jí)等，避免費(fèi)用過(guò)高、管理不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力下降。如航空燃?xì)廨啓C(jī)的控制中，需要提高控制系統(tǒng)的效率，及時(shí)維護(hù)，并根據(jù)相關(guān)參數(shù)可進(jìn)行預(yù)見(jiàn)性故障分析，避免機(jī)組穩(wěn)定性過(guò)低的狀況，可采取手段包括：線氣位置的診斷、熱端部件的調(diào)整和故障預(yù)測(cè)，將燃?xì)廨啓C(jī)過(guò)高的維修費(fèi)用合理降低。此外，借助當(dāng)前已經(jīng)成型的模型、規(guī)律條件等進(jìn)行合理優(yōu)化，如啟停階段的有效控制，避免性能下降等引起的設(shè)備壽命縮短。保證燃?xì)廨啓C(jī)作業(yè)周期范圍內(nèi)有效提高效率的目標(biāo)。

第三，可靠性要求。工業(yè)環(huán)節(jié)中，在保證氣輪機(jī)運(yùn)行要求、工作效率的基礎(chǔ)之上，需要充分考慮運(yùn)行穩(wěn)定性，即可靠性。為此，對(duì)應(yīng)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向需要從傳統(tǒng)雙重冗余改變?yōu)槿蒎e(cuò)的三層冗余，但是需要引起注意的是，硬件冗余與原件可靠性相關(guān)性較高。硬件冗余過(guò)重將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備復(fù)雜狀況更為嚴(yán)重，引起整體設(shè)備的可靠性受到威脅。此外，非相似性的軟件冗余需要考慮成本、可靠度要求，現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)氣輪機(jī)控制中，可靠性一般可高達(dá)上萬(wàn)小時(shí)。

此外，還需要注意環(huán)?？刂频囊螅澜绺鲊?guó)已經(jīng)充分意識(shí)到氣輪機(jī)排放物對(duì)環(huán)境的威脅，加強(qiáng)電廠環(huán)評(píng)工作的全面落實(shí)，避免排放物有害物質(zhì)超標(biāo)，提高氮硫化物的有效處理能力，是當(dāng)下燃機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必然要求。

當(dāng)代燃?xì)廨啓C(jī)的市場(chǎng)中，非控制要求比例逐漸增加。重型燃?xì)廨啓C(jī)將朝著高效、低成本、低維護(hù)費(fèi)用方向發(fā)展。同時(shí)需要保證系統(tǒng)的可靠性、適用性滿足行業(yè)要求，整體設(shè)計(jì)難度將大幅增加。未來(lái)燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展將會(huì)提出更多高難度問(wèn)題。當(dāng)下主要研究難點(diǎn)為：電子控制器技術(shù)性能要求、控制規(guī)律設(shè)計(jì)、多變量設(shè)計(jì)等以及傳感設(shè)備的冗余設(shè)計(jì)等工作。

1.3 發(fā)展特點(diǎn)

第一，改性發(fā)展速度快。燃?xì)廨啓C(jī)的控制優(yōu)化中，需要充分考慮設(shè)計(jì)軟件、模塊升級(jí)等方法。對(duì)應(yīng)一臺(tái)重型燃?xì)廨啓C(jī)的改造一般需要時(shí)間為5年，但是燃?xì)廨啓C(jī)控制部件的改造相對(duì)難度較大。需要經(jīng)過(guò)詳細(xì)前期研究，對(duì)內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)要求全面了解，再進(jìn)行數(shù)字控制系統(tǒng)的研發(fā)優(yōu)化，該過(guò)程一般需要充分考慮軟件升級(jí)的要求。為此，加強(qiáng)輔機(jī)控制要求的分析，以期提高燃?xì)廨啓C(jī)控制技術(shù)的合理性。輔機(jī)要求包括：進(jìn)氣、排汽、通風(fēng)、清洗和電氣儀控系統(tǒng)等。還需要考慮硬件搭建、硬件網(wǎng)絡(luò)、控制要求等方面系統(tǒng)要求。

第二，提高后期兼容性。重型燃?xì)廨啓C(jī)一般可進(jìn)行衍生改造處理，對(duì)應(yīng)滿足要求、發(fā)展方向也需要考慮后期平臺(tái)的設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品系列化能力，避免機(jī)型差異過(guò)大，無(wú)法進(jìn)行擴(kuò)展、兼容扥處理，提高控制系統(tǒng)的合理性。必要時(shí)需要加強(qiáng)核心參數(shù)的前期規(guī)劃，保證電力企業(yè)的控制系統(tǒng)可不斷進(jìn)行升級(jí)。

第三，技術(shù)門(mén)檻的提升。傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展中，長(zhǎng)期作業(yè)環(huán)境已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了經(jīng)驗(yàn)積累、工程案例積累。加強(qiáng)先進(jìn)技術(shù)和前期數(shù)據(jù)的整合，同時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)的規(guī)律性進(jìn)行全面分析?？商岣呖刂葡到y(tǒng)的可靠度和性能要求。燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)的難點(diǎn)主要在于：監(jiān)測(cè)、原理、輔機(jī)結(jié)構(gòu)等方面。一般燃?xì)廨啓C(jī)的輔機(jī)工藝流程復(fù)雜度高，關(guān)聯(lián)程序多，加強(qiáng)連鎖反應(yīng)對(duì)后期儀表、設(shè)備設(shè)施等的牽連影響分析是十分必要的。可提高信號(hào)反應(yīng)速度、優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行效率。

第四，信息行業(yè)快速發(fā)展，對(duì)應(yīng)控制系統(tǒng)已經(jīng)不可局限于傳統(tǒng)單一化的發(fā)展方向，需要結(jié)合多個(gè)控制目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)充分考慮遠(yuǎn)程監(jiān)控、綜合控制能力的落實(shí)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 低排放燃燒控制技術(shù)

重型燃?xì)廨啓C(jī)的性能不斷升級(jí)，同時(shí)社會(huì)大眾對(duì)環(huán)境保護(hù)的意識(shí)逐漸加深，為了避免燃?xì)廨啓C(jī)污染過(guò)重等帶來(lái)的社會(huì)負(fù)面效應(yīng)，需要充分考慮燃?xì)廨啓C(jī)的排放物特點(diǎn)，一般燃燒過(guò)程中，氮氧化物、碳氧化物等生成主要與燃燒溫度相關(guān)。溫度過(guò)高將會(huì)生成大量氮氧化物，過(guò)度低溫狀況下生成CO。一般情況下，天然氣燃料的燃燒溫度為1 430 ℃～1 530 ℃之間，該狀況下燃料空氣的混合比可滿足行業(yè)排放的最低要求。

2.2 主動(dòng)間隙控制技術(shù)

該技術(shù)是當(dāng)代燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的主要考慮方向之一。借助對(duì)葉尖間隙的有效控制實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)能耗量的減低，可提高設(shè)備可靠性、使用壽命，同時(shí)可降低污染排放過(guò)多的狀況。該技術(shù)在航空領(lǐng)域中的發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用較多，包括CFM56系列的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備就是采用該種形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。從氣輪機(jī)運(yùn)行工藝流程的角度分析，啟動(dòng)環(huán)節(jié)中，燃?xì)廨啓C(jī)從靜止到空載狀況下，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速增加、離心變形增加，而此時(shí)透平剛內(nèi)部的熱容還未達(dá)到溫度最高，電熱變形響應(yīng)不足。對(duì)應(yīng)輪盤(pán)和透平缸無(wú)法同時(shí)變形的狀況，將會(huì)引起葉尖間隙瞬間變小。燃?xì)廨啓C(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)后，對(duì)應(yīng)透平缸內(nèi)部將會(huì)因受熱而導(dǎo)致間隙增加。負(fù)荷變化引起工況變化狀況下，將會(huì)導(dǎo)致間隙發(fā)生變化，一般在轉(zhuǎn)速尚未達(dá)到范圍之外狀況下，對(duì)應(yīng)葉尖間隙將會(huì)明顯下降。該狀況導(dǎo)致葉尖間隙的設(shè)計(jì)難度增加。

為了解決上述問(wèn)題，一般采用主動(dòng)熱控制手段進(jìn)行改進(jìn)。工作原理為：燃?xì)廨啓C(jī)控制中，從壓氣機(jī)進(jìn)行冷空氣抽取，進(jìn)而對(duì)透平缸內(nèi)外支撐結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)冷卻處理，提高空氣流量、空氣溫度的有效控制，降低缸體膨脹過(guò)多引起的危害，提高徑向位移的精確控制，保證葉片、缸體的間隙滿足規(guī)定范圍要求。如GE公司就采取該方法在H型燃?xì)廨啓C(jī)中進(jìn)行間隙控制。

2.3 延壽控制技術(shù)

重型燃?xì)廨啓C(jī)的系統(tǒng)控制中，一般對(duì)考慮性能最優(yōu)的設(shè)計(jì)模式，對(duì)應(yīng)使用壽命的考慮略有不足。延壽控制設(shè)計(jì)中，需要保證燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行穩(wěn)定的基礎(chǔ)之上，將內(nèi)部核心部件，如熱端部件進(jìn)行優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行控制，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)指標(biāo)的合理化，避免使用壽命過(guò)低、安全穩(wěn)定性差的狀況。如：系統(tǒng)在超載、轉(zhuǎn)速增加的狀況下，對(duì)應(yīng)透平進(jìn)口溫度將會(huì)有所提高，降低過(guò)渡狀況下峰值的影響，可延長(zhǎng)核心部件的使用壽命。該方法屬于閉環(huán)控制、短期控制的方法，在航空領(lǐng)域的燃?xì)廨啓C(jī)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。

2.4 自適應(yīng)技術(shù)

受工作環(huán)境等外界因素變化的影響，重型燃?xì)廨啓C(jī)的部件可能發(fā)生結(jié)構(gòu)變質(zhì)、性能退化的狀況，如：腐蝕、銹蝕或風(fēng)化等帶來(lái)的損傷。此時(shí)控制系統(tǒng)仍按最佳額定工況進(jìn)行操作。整體不匹配狀況導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)間、壽命、核心部件的性能等均會(huì)大打折扣。為此，借助自適應(yīng)技術(shù)進(jìn)行調(diào)整是十分必要的方法?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的有效控制，提高控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，可合理調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)與衰減模型相匹配的作業(yè)方法，避免性能退化等導(dǎo)致的傷害。提高燃?xì)廨啓C(jī)傳感設(shè)備的精確性、合理性、穩(wěn)定性。

3 結(jié)語(yǔ)

重型燃?xì)廨啓C(jī)中，控制系統(tǒng)的發(fā)展十分關(guān)鍵，提高其性能有效控制、降低成本耗費(fèi)狀況，已經(jīng)成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。該文對(duì)重型燃機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r、特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，提出優(yōu)化對(duì)象和改進(jìn)目標(biāo)，旨在為相關(guān)技術(shù)人員提供更加合理的理論指導(dǎo)，帶動(dòng)該行業(yè)長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展。

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