CLCSO在燃气轮机控制策略中的应用分析

王东升

（北京航天测控技术有限公司成都分公司，四川 成都 610051）

1 前言

日本三菱燃气轮机在结构上最大的变化是：F5、F4与F3相比，燃烧器增加了顶环喷嘴（Tophat），顶环喷嘴位于燃烧器最外沿的一圈，它的预混度介于值班喷嘴（Pilot）和主喷嘴（MA/MB）之间。这样的结构会形成中心是值班喷嘴的扩散燃烧，中间是主喷嘴的低燃空比预混燃烧，最外层是顶环喷嘴的高燃空比预混燃烧，与F3比较，温度场分布更均匀，有效抑制了燃烧压力波动的幅值，使燃烧调整更加容易。

F5与F4比较，取消了空气旁路阀（Bypass Valve），空气旁路阀的作用是对进入燃烧器参与燃烧的空气量进行控制。取消空气旁路阀采用燃料阶段控制策略，减少了控制量，使燃烧调整更加容易。

在控制策略中，F5、F4引入了燃烧器功率控制信号输出（CLCSO）参考变量，这个变量使燃气轮机能更好地抑制因环境温度（T1C）变化带来的功率波动和燃烧压力波动的幅值。

2 三菱燃气轮机的控制策略

2.1 空气流量函数

根据压气机的工作特性有这样的结论：环境温度（T1C）和压气机入口导叶角度（IGV）决定了进入压气机的空气流量（Vair），即：

2.2 燃料流量函数

三菱燃气轮机控制系统的控制回路输出CSO(Control Signal Output)决定了燃料流量（Vgas），即：

2.3 燃烧器功率函数

燃烧器功率函数—CLCSO（Combustion Load Control Signal Output）为：

CLCSO其实反应的是透平入口温度（T1T），如图1所示。

图1 CLCSO与T1T的关系

所以T1T与CLCSO的关系为：

公式（3）中的GT Load@700degC和GT Load@100%Load的值由T1C和IGV共同决定，如表1、表2所示。所以，公式（4）可以转换为：

表1 GT Load @700degC

表2 GT Load @100% Load

2.4 透平入口温度（T1T）折算

在F3机型中没有引入CLCSO，T1T的估算是根据实时测量的叶片通道温度（BPT）、排气温度（EXT）和膨胀比折算出来的，公式如下：

式中，T2T为透平出口温度，即BPT的平均值，deg C；T1T为透平入口温度，deg C；P2为透平入口压力，MPa；P1为透平出口压力，MPa；n为空气因子常量，无量纲；P2/P1即膨胀比，无量纲。

通过这种方式折算出的T1T受温度传感器和压力传感器的精度及空气因子常数的影响较大，且空气因子n受环境温度影响，并非定值，这给T1T折算的准确度带来了不利影响。另外，BPT、EXT的测试是燃烧烟气通过透平做功后测量的，在时间上有一定的延迟，这给系统的实时控制带来了不利影响，可能会带来MW、T1T、燃烧压力等重要变量的波动。

3 CLCSO在控制策略中应用的分析

CLCSO反映的是在当前T1C和IGV条件下，T1T与MW的线性关系。由公式（5）可以猜想：功率（MW）与透平入口温度（T1T）高度相关，即通过调节T1T可以对MW进行控制。这个猜想可以通过以下几个燃机特性进行论证。

（1）当T1C下降时，功率输出增加，效率提高，如图2、图3所示。

图2 环境温度对功率输出的影响

图3 环境温度对效率的影响

当T1C下降时，空气密度增加，进入压气机的空气质量流量增加。如果功率仅仅与燃料流量相关，由公式2可以推理出CSO=F(MW)，那么，功率的增加是完全由燃料流量的增大带来的，而与空气流量无关，这就与燃机的运行特性矛盾。如果引入T1T这个参考量，可以这样进行解释，当燃料流量不变时，增大空气流量，根据能量守恒定律，T1T必定下降，如果要保证T1T不变，必须增大燃料流量，进而提高了输出功率。由于T1C变小，T1T不变，温比（T1T/T1C）提高，所以燃机效率提高，输出同样功率需要的燃料更少。

由此可以猜想：

（2）当频率增大时，输出功率增加，效率提高，如图4、图5所示。

图4 频率对功率输出的影响

图5 频率对效率的影响

当频率增大时，燃机转速上升，进入压气机的空气流量增大，后面的推理与特性1相同。

如果猜想成立，联合公式（5）、公式（6）可以得到：

即CSO与MW，T1C和IGV相关，不是仅仅与MW相关，即在调节功率时不能仅仅靠调节CSO，需要IGV来配合来保证功率对应的T1T，因为合适的T1T是提高效率的保证。

在T1C、IGV一定时，CSO与MW为线性关系，如图6所示。

图6 燃料流量与转速/功率的关系

此时，燃料流量与功率之间的关系的固定斜率的直线，当T1C或者IGV变化时，由于燃机效率的变化引起斜率发生变化。

所以，当T1C或者IGV变化时，首先引起T1T的变化，进而引起MW的变化，如果把MW作为控制目标，在响应速度上会有延后，如果在发生MW波动前进行T1T的控制则能更好地抑制功率波动。

所以，三菱在引入CLCSO这个参考变量是为了把T1T作为控制目标，把MW作为反馈，可以把CSO和IGV联合起来在当前的T1C下同时进行控制，在保证燃机效率的同时，提前抑制MW波动。T1T和 MW波动的抑制必定会使燃烧更加稳定，即燃烧压力波动幅值得到削弱，提高了燃机运行的安全性。

4 CLCSO在燃烧调整中应用的分析

燃烧调整的目的有两个：一是减少NOx排放；二是减小燃烧压力波动。这两个目标是一对矛盾，因为扩散燃烧的效果的燃烧稳定，燃烧压力波动小，但是NOx排放高；预混燃烧的效果是NOx排放低，但是火焰不稳定，带来强烈的燃烧压力波动的。所以，燃烧调整就是在这对矛盾中寻找一个平衡点，既要满足环保要求的NOx排量，又要满足燃机的安全运行，即动态调节扩散燃烧和预混燃烧的比例及参与燃烧的空气量与燃料量的比例。

不同的机型燃烧调整的策略不同，图7所示为F3机型的值班燃料调节曲线，它是参考总燃料量（CSO），这样的调节策略两点不足之处：一是CSO不能准确地反映燃烧器内燃烧的情况；二是CSO确定后燃料量就确定了，进入燃烧器后进行燃烧，然后，才能通过压力传感器测量燃烧后压力波动，在时间上有一定的延迟，所以调节的准确性及实时性较差。

图7 F3机型燃烧调整中值班流量的调节曲线

图8、图9分别表示F4、F5机型中燃烧调整的调整参数值班流量（Pilot）、顶环流量（Tophat）与CLCSO的关系。因为CLCSO所表示的T1T能更早更准确地表征了燃烧器内部的燃烧情况，通过这个参考量来调节Pilot和Tophat能更快更准确地对燃烧进行调整。

图8 F5、F4机型燃烧调整中值班流量的调节曲线

图9 F5、F4机型燃烧调整中顶环流量的调节曲线

5 结语

日本三菱燃气轮机控制策略中以CLCSO折算出的T1T代替由排气温度和膨胀比折算出的T1T，由其折算出的T1T的准确度和快速性带来了以下两点优越性能。

功率波动幅值减小，在T1C和IGV不变的情况下，T1T与MW一一对应，通过控制T1T来调节CSO，使燃料量更快速地跟随T1T变化，进而达到快速有效抑制功率波动的目的。

由于CSO快速跟随T1T的变化，使得T1T和MW波动幅值大幅减小。T1T的波动会使燃烧压力波动放大，所以减小T1T波动幅值会有效地抑制燃烧压力波动，为燃机的安全运行和燃烧调整带来益处。