燃气轮机电厂AGC控制系统
供稿：江苏华海测控技术有限公司
- 关键词：燃气轮机电厂AGC控制系统
- 作者：华海
一. 燃气轮机概述
（一） 燃气轮机发电机组的发展
随着国内、外电力技术的发展，燃气轮机以及燃气-蒸汽联合循环发电机组的容量和效率已远高于一般燃煤发电机组。而且由于燃气动力设备具有环境污染少、调峰能力强等优点，使得燃气轮机在发电设备中的占有率不断提高。国外近几年来燃气轮机及其联合循环机组的制造和运行得到了较大的发展，目前全世界每年新的发电机组中燃机机组占到了1/3。我国虽然燃气轮机制造能力较差，但燃气轮机以及联合循环机组的投产运行规模还是发展较快的，己有近百家国内发电厂采用燃机及其联合循环机组发电。因此燃气轮机在互联电网发电中的实际应用和控制技术的研究将会得到越来越来多的重视。
近年来，发达国家每年新增的联合循环装机容量约为火力发电量机组新增总容量的 40%-50%。根据美国能源部信息局预测，1998年-2007年十年内计划新装机组52044MW，其中燃煤机组2559MW(4.9%)，燃油机组1444MW(2.8%)，燃气机组46181MW(88.7%)，燃油和燃气机组中大部分为燃气轮机及联合循环机组。按照我国能源发展规划，到2010年和2020年，燃气轮机发电机组在电源结构中的比重将分别达到6.1%和11%，即装机容量将分别达到3000万kW和8000万kW。
我国的燃机技术发展也是比较早的，特别是航空发电机中使用的燃机。我国电站燃机研究开始于50年代，但由于国家经济情况及燃料政策等原因一直发展较慢。目前国内仅有南京汽轮机厂引进技术生产GE公司的6B系列燃机，其他一些大型发电设备制造厂主要作为国外公司的分包商加工一些燃机部件。但是，在国内电力系统应用领域，燃机机组的投运近年来却在不断增多，从80年代开始，国内引进投产的发电燃机机组得到了迅速发展，目前全国有100处左右电厂近200台燃气轮机机组投入运行。
特别是近年我国从新疆至上海的“西气东输”工程的全面开工建设，燃气-蒸汽联合循环机组今后将会成为我国发电设备的大力发展对象。目前与“西气东输”工程同步进行的先进燃气-蒸汽联合循环机组联合招标工作也已经全面展开，第一批就有二十多台F级燃气轮机立项建设，未来几年我国燃机发电必将有一个大的发展。按照我国能源发展规划，到2010年和2020年，燃气轮机发电机组在电源结构中的比重将分别达到6.1%和11%，即装机容量将分别达到3000万kW和8000万kW。
随着我国燃气-蒸汽联合循环技术的不断发展，机组需要量的不断增加，了解燃气轮机以及联合循环机组的技术特点、研究他们在今后发电电网中的控制方法是一项十分有意义的工作。本节将首先对先进燃气轮机技术进行介绍，然后介绍和分析燃气-蒸汽联合循环发电的技术特点。随后的章节将进一步介绍燃气轮机以及联合循环机组的启动特性、控制特性以及与AGC控制的关系和影响。
（二） 燃气轮机发电技术
燃气轮机技术的发展从20年代进入工业应用，40年代在航空发电机上得到了较大的发展。70年代在舰用燃机上又得到了广泛应用。从1939年瑞士推出了世界上第一台发电用燃气轮机后，燃机在发电领域也得到了广泛应用，90年代以来，由于联合循环技术的成熟发展，机组效率整体得到较大提高，燃机在发电领域中得到了迅速发展，至今已成为电网中发电设备的重要组成部分，这是一种目前应用较广的先进发电技术。
燃气轮机机组一般由压气机、燃烧室和燃气透平组成，如图1。燃气轮机发电原理不同与常规的采用朗肯（RANKIE）循环的蒸汽轮机发电技术，它是采用布雷顿（BRAYTON）循环。主要是根据布雷顿循环原理将燃料的化学能通过透平-发电机系统转换为电能。机组运行中主要存在四个热力过程。即压气机中的空气压缩过程、燃烧室中的燃气加热过程、透平中的燃气膨胀过程，以及燃气轮机排气在大气中的放热过程。如图1所示，大气被压气机吸入进行压缩，达到一定的压力后进入燃烧室与燃料进行燃烧加热，形成高温燃气。最后具有一定压力的高温燃气进入透平通过静、动叶片膨胀做功，由此带动发电机发电。做功后的烟气排向大气。
图1 燃气轮机系统组成示意图
燃气轮机经过近几十年来的发展，目前发展已经相当成熟。燃机发电的主要过程是压缩和加热燃烧过程，因此燃机的关键技术也主要在提高压气机效率、燃烧室燃烧温度、以及如何使透平安全可靠的在高温下运行等方面。
燃气轮机相对燃煤机组具有以下特点：
1. 投资少，建设周期短：由于燃机设备小、布置紧凑，制造厂家 一般采用集装箱式的设备组装结构发货到现场，因此现场安装方便，并且机组系统简单，辅助设备少，因此能够在较小的场地、在较短的时间内完成安装，使机组很快地投入运行。
2. 运行灵活性好：机组启动快，自动化程度高，燃气轮机调峰性能特好，一般仅10多分钟可并入电网参与负荷调节。虽然采用联合循环后调峰特性下降一些，但还是好于常规燃煤机组的启动性能。
3. 环保指标好：燃气轮机主要燃料为天然气，它是属于清洁能源，对环境污染少，机组排放NOx一般可小于102.5mg/m3(50ppm)，而常规火电厂的排放是该数据的十倍左右。即使是燃油燃气轮机机组，其排放也明显低于燃煤机组。
目前世界上燃机制造厂家大大小小的有100多家，实际上真正技术独立的大型燃气制造技术主要有四家，即美国GE公司、美国SIEMENS/WH公司、德国SIEMENS、瑞士ABB，其他几家制造商多为从这四家引进技术进行生产的。当然，其它一些制造商通过技术的消化、引进和发展，有些已经有了自己的技术特性，甚至具有一定的代表性。例如日本MHI已经成为原美国WH技术的代表。目前国际上的燃气轮机机组水平大致可以分为三个等级，即：
1. 普及机组：以GE公司E系列为代表的十万千瓦(110-190MW)等级机组，包括SIEMENS/WH公司的E系列、SIEMENS公司到2A系列、ABB公司的GT13等机组。国际上这些机组的使用已经较普及，目前在我国也已经有10多台投入发电运行。
2. 主力机组：以GE公司F系列为代表的二十万千瓦(200-260MW)等级机组，包括SIEMENS/WH公司的F系列、SIEMENS公司到3A系列、ABB公司的GT26等机组。这些都是目前国际上发电燃机的主力机组，也是我国目前正在计划大力发展燃气-蒸汽联合循环首选的先进机组。
3. 发展机组：以GE公司G/H系列为代表的三十万千瓦(300 MW以上)等级机组，包括SIEMENS/WH公司的G、H系列等机组。这些机组代表了目前国际燃机的最先进水平，也是燃机的发展方向。特别是H系列机组，在美国国家能源部资助的先进燃机透平系统计划(ATS)中也使用该系列机组。
（三） 燃气-蒸汽联合循环发电技术
燃气轮机显然是一种先进发电技术，但由于它的排气太高，放热损失较大，单机效率受到了限制，燃气轮机单机效率仅为37%左右。为了提高燃气轮机机组的效率，采用燃气-蒸汽联合循环发电技术。随着燃机技术的发展，以及联合循环技术水平的提高，目前最新技术的燃气-蒸汽联合循环机组效率达到了60%，亚临界、超临界燃煤发电机组也仅40%左右，可见燃气-蒸汽联合循环机组效率远高于燃煤机组。为此国内外相应制造和投产了许多先进的燃气-蒸汽联合循环机组。
图2为典型的燃气-蒸汽联合循环发电机组系统组成图。它在燃气轮机机组上增加了余热锅炉和蒸汽轮机，余热锅炉吸收燃机的高温排气产生蒸汽，并通过蒸汽轮机继续作功，使整个机组的热效率提高。
图2：典型的联合循环机组系统组成图
正是由于燃气-蒸汽联合循环具有许多优点，使他在发电领域一直在不断发展，世界燃气轮机及其燃气-蒸汽联合循环的发展大致经历了以下四个阶段：
1. 60年代开始建设燃气-蒸汽联合循环电厂，但当时燃机初温较低，联合循环效率也较低，约35%。
2. 70年代燃机初温提高到1000OC左右,联合循环效率达到40-45%，已接近或超过大型汽轮发电机组。
3. 80年代出现100MW等级的燃气轮机，燃机初温达到1100-1288OC，排气温度达到500-600 OC，这使得联合循环效率超过了50%。
4. 90年代至今，这是燃气轮机的全面发展阶段。由于联合循环的明显优越性，大功率高效率的燃机不断出现，燃机透平的初温达到了1300 O C，单循环燃机效率就可达36-38%。单循环燃机容量200MW以上的机组已经投入正常商业运行，联合循环机组的效率达到了60%左右。
90年代以来，我国发电领域的燃机以及联合循环机组也得到了较大应用。国内燃机发电不仅在机组容量上大幅提高，而且在机组性能水平上也不断发展。以深圳、上海、浙江等地引进的GE公司的PG9000E系列10台燃机为例，单机功率达123MW，效率达到33%。其中许多机组实施了联合循环技术，其效率达到了50%以上。目前与“西气东输”工程配套进行的燃机联合招标工作二十多台F级燃气轮机项目中也基本上是联合循环机组。
二. 燃机的启动和负荷调节性能
（一） 燃机的启动特性
1. 燃气轮机单机启动过程和特性
燃气轮机具有较快的启动特性。一般燃机启动从盘车开始，经过冲转、吹扫、点火、加速、全速、并网，然后加负荷到预定值几个过程。对于燃烧重油的燃气轮机，由于启动一般采用轻油，由此还存在一个轻、重油切换负荷。单循环燃气轮机一般从启动到全速仅十几分钟，到额定负荷约需要20分钟左右，而燃煤机组需要几小时。表2列出了单循环燃机、联合循环机组和常规燃煤机组的大致的启动时间。从表可以发现，单循环燃气轮机的启动时间明显少于联合循环机组和燃煤机组，联合循环机组由于余热锅炉和蒸汽轮机的加入，启动时间比单循环机组有所增加，但启动仍然比常规燃煤机组快，特别是冷态启动有较大的优势。因此燃气轮机及其联合循环在电网负荷调节中具有较<