1 概述
随着环境污染问题日益严峻，我国不断调整电力系统能源结构，在严格控制火电机组排放的同时，加大了清洁能源在发电机组中的比重，以减小发电机组对环境的污染，实现可持续发展。
燃气轮机以清洁能源天然气作为燃料，CO2、硫化物、NOx的排放量都远远低于火电机组，减小了对环境的污染。此外，燃气轮机还具有启停快、建设周期短等优点，可以用作深度调峰机组，提高电厂的上网电价议价能力。燃机还可被用为燃气-蒸汽联合循环机组，联合循环机组采用能源阶梯利用模式，将燃气轮机排放的高温燃气送入余热锅炉，二次利用燃机余热，能够有效提高能量的转化效率，其循环效率可以达到57%，远高于火电机组。
大力发展以燃气轮机为核心的联合循环发电，对于提高能源的利用率、降低污染排放具有重要意义。另外，燃气轮机所具有的快速升降负荷和快速启停的能力，可以降低风力发电和太阳能发电的发电波动对电网的影响，提高可再生能源的利用率。由此可见，重型燃气轮机对于调整能源结构、实现能源高效洁净生产、优化发电模式、构建智能电网具有无可替代的重要作用。
本文以GE的MS9001型燃机为例，对GE 9E级燃机的启动过程和启动仿真试验进行了介绍。
2 9E燃机启动控制
GE燃机的启动控制是一个一键启动的过程，整个启动过程是在顺序控制系统和启动控制系统的共同作用下完成的。顺序控制依次完成相应的检查和辅助设备的启动，启动控制完成从点火到全速空载的控制。以下从顺序控制和启动控制两个方面阐述燃机的启动流程。
2.1 顺序控制
顺序控制系统主要实现两个功能：
（1）启动前检查。确认机组是否具备启动条件。
（2）启停相关辅助设备。根据程序和燃机转速依次启停相应的阀门、电机等辅助设备，保证燃机安全地点火、加速，直到达到额定转速。
2.1.1 启动前检查
启动允许检查最终的出口信号为L3STCK，当满足所有的启动允许条件后，L3STCK的输出为1，此时燃机可以启动。
燃机的启动允许条件主要包括：母线电压检查；入口导叶IGV开度反馈检查；检查是否存在跳机信号；振动、转速、温度、压力、危险气体等的检查。当这些被检查项都满足条件时，L3STCK被置1。
2.1.2 辅助设备启停流程
当燃机满足启动条件后可以启动，启动过程主要依据燃机转速的大小依次启停各个辅助设备。燃机的启动过程中负荷LOAD、转速SPEED、燃料量Qfuel、入口导叶IGV及排气温度TTX的变化如图1所示，各个辅机随转速 变化的启停流程如图2所示。
图1 燃机启动曲线
图2 燃机启动流程
2.1.3 清吹
当TNH≥10%时，机组会自动进入清吹流程。清吹的主要目的是将上次非正常停机（跳机）时可能堆积在燃烧室和透平区域的燃料吹扫干净，保证机组安全启动。
在机组正常启动过程中，若选择Crank模式延时1s后L43CZ或未选择off/crank/cooldown模式的情况下，机组进入清吹流程，清吹计时器L2TV，清吹时间为10.6min，当清吹完成后，L2TV置1。
清吹结束后，进入惰走阶段。燃机转速下降至最小点火转速，机组进入点火流程。成功点火后，燃机会升速，随着转速增加到30%，顶轴油泵88QB退出；转速增加至60%，启动电机和液力变矩器退出；转速继续增加，IGV从34°增加到42°；当转速达到95%时，辅助润滑油泵88QA和辅助液压油泵88HQ退出运行，透平排气缸冷却风机88TK-1和88TK-2依次打开。
2.2 启动控制
当燃气轮机清吹完成，惰走至点火转速，并满足点火条件后，启动控制开始控制后续的点火、暖机、加速直到启动完成这一过程中燃料量FSR的大小。
燃机控制系统MARK VIe制启动过程中的燃料量，根据燃机所处的启动阶段（包括点火、暖机、升速三个阶段）来调整启动控制回路的出口燃料量信号FSRSU。FSRSU的值由点火燃料基准FSKSUFI、暖机燃料基准FSKSUWU、升速燃料基准FSKSUIA和启动最大燃料基准FSKSUIM四个燃料基准值决定，根据数字信号L83SUFI、L83SUWU、L83SUAR、L83SUMX判断燃机所处的阶段，FSRSU被依次设置为相应的基准值，在任意一个时刻只有一个基准值被输出，具体实现过程如图3所示。
图3 启动控制
控制量L83SUFI、L83SUWU、L83SUAR、L83SUMX都是在主保护L4=1的前提下实现的，因此以下的逻辑图都是在L4=1的前提下简化得来的。
2.2.1 点火流程
点火控制简化后的逻辑如图4所示，最终的出口信号为L83SUFI。当清吹完成（即L2TV=1）或转速达到L14HS（即L14HSX=1，该逻辑主要用于DLN1.0燃烧器再点火，在启动程序中不起作用）时，点火允许L2TVX=1；当L2TVX=1或检测到火焰时，点火控制输出L83SUFI=1，由经过压气机进气温度修正值CQTC修正后的点火FSR基准值来决定FSR值，同时点火计时器L2F开始点火计时；若点火计时器L2F已经到达（点火持续时间K2F一般为30s或60s），若未能建立稳定的火焰，则会发出点火失败报警并切断燃料供给。
图4 L83SUFI简化控制逻辑
2.2.2 暖机流程
暖机的目的是减小点火开始阶段轮机热通道部件的热应力。暖机过程在点火之后，当检测到机组点火成功后，暖机阶段控制信号L83SUWU被置1，简化后的暖机控制逻辑如图5所示。
图5 L83SUWU简化控制逻辑
当燃烧I区和II区任意一区的火检探头检测到火焰（即L28FDX=1），L28FDX=1表示燃烧室中已经建立了稳定的火焰值，此时暖机计时器L2W开始计时，延时2秒后，可以触发L83SUWU，或当I区的四个火检探头均检测到火焰并维持2S（L28ALL=1），也可以触发L83SUWU。当L83SUWU=1时，FSR值由经过压气机进气温度修正值CQTC修正后的暖机FSR基准值来决定FSR值，暖机过程共持续60s。
2.2.3 升速流程
在完成暖机程序后，升速阶段控制信号L83SUAR被置1，燃机进入升速控制阶段，升速控制简化逻辑如图6所示。
图6 L83SUAR简化控制逻辑
进入升速控制阶段后，启动控制FSRSU在暖机燃料量的基础上以预定的速率FSKSUIA斜升到加速控制的燃料量最大值FSKSUAR。当机组并网后，发电机出口断路器合闸使L83SUMX置1时，L83SUAR被置0，FSRSU以更大的速率FSKSUIM增加，直到达到最大值FSRMAX。
3 启动仿真试验
如上文所述，燃气轮机的启动通常都是一键启动，对于新建机组在所有辅助设备调试完成的情况下，就需要进行启动仿真试验，模拟燃机控制系统一键启动去实际动作所有辅助设备，验证整个燃机系统的启动控制回路正确性。
通过启动仿真试验可以对燃气轮机机组的启动及停机流程进行检查，对相关辅助设备、阀门的动作进行确认，是燃机首次点火前的一个重要试验。
3.1 准备工作及注意事项
一般地，本试验在新建燃气轮机机组调试阶段展开。因此，要求调试的机组已经完成以下工作，使机组具备启动条件。
（1）所有机务安装及相关调试工作，包括设备的安装、相关系统验收、油系统冲洗等。
（2）所有热控及电气相关工作，包括仪表安装、回路校验、控制系统调试等。
（3）完成所有辅助设备的相关联锁保护试验。
（4）为确保试验的安全，试验前请确认天然气系统已采取相应隔离措施。
3.2 试验流程简介
试验时通过信号发生器模拟转速变化，在画面和就地检查相关设备和阀门的动作情况。表1为某厂进行启动仿真试验时（模拟盘车状态至全速空载状态）的操作流程，供参考。
表1 某厂进行启动仿真试验时的操作流程
| No. | 操作 | 检查项目 |
| 1 | 启动前检查 | 1) 辅助润滑油泵88QA运行，润滑油压力正常 2) 辅助液压油泵88HQ运行，液压油压力正常 3) 盘车88TG运行 4) 任1台顶轴油泵88QB运行 5) 任1台DLN阀站风机88VL运行 6) 防喘放气阀33CB-1/2/3/4处于全开状态 |
| 2 | “Start-up”画面中，在“ModeSelect”中选择“AUTO” | 检查“Start Check”画面，“READY TO START”被点亮 |
| 3 | “Start-up”画面中选择“Start”，启动机组 | 1) 辅机间闪光警示30s（K3SLIZ=30） 2) 启动电机88CR启动 3) 盘车88TG退出 4) 液力变矩器88TM启动，将角度由43°变至68° 5) TCS发出辅助液压油泵88HQ启动信号 6) 任1台油雾分离器88QV启动 7) 任1台轮机间冷却风机88BT启动 |
| 3 | 模拟燃机转速到达252rpm（8.4%TNH，14HT） | 任1台负荷间冷却风机88VG启动 |
| 4 | 模拟燃机转速到达300rpm（10%TNH，14HM） | 1) 任1台发电机间冷却风机88GV启动 2) 液力变矩器88TM启动，将角度由68°变至50° 3) 前置模块排放阀关闭，关断阀开启 4) 清吹计时开始 |
| 5 | 模拟燃机转速到达750rpm（25%TNH），直到清吹计时结束 | 清吹程序，共10.6min（K2TV） |
| 6 | 模拟燃机转速下降至320rpm左右（点火转速）*1 | 1) 清吹计时结束 2) 液力变矩器88TM启动，将角度由50°变至22° 3) 燃料速比阀VSR，燃料控制阀VGC开启 |
| 注：*1）燃机点火转速在10%～12%TNH | ||
| 7 | 燃机转速达到点火转速后，在10s（L2F）内*1强制L28FD=1，模拟点火成功 | 1) 点火变压器投入，开始点火 2) 液力变矩器88TM启动，将角度由22°变至68° |
| 注：*1）为保证有充足的时间确认点火变压器是否动作，可以强制L84TL=1，将点火时间修改为30s | ||
| 8 | 模拟燃机转速到达900rpm（30%TNH） | 顶轴油泵88QB退出 |
| 9 | 模拟燃机转速到达1800rpm（60%TNH，14HC） | 1) 启动电机88CR退出 2) 20TU-1电磁阀失电，机组进入自持状态 |
| 10 | 模拟燃机转速到达2500rpm左右 | IGV开始动作，角度从34°开至42° |
| 11 | 模拟燃机转速到达2850rpm（95%TNH，14HS） | 1) 辅助润滑油泵88QA退出 2) 辅助液压油泵88HQ退出 3) 透平缸冷却风机88TK-1启动，10s后88TK-2启动 4) IBH投入 |
| 12 | 模拟燃机转速到达3000rpm（100%TNH） | 空载全速FSNL |
3.3 结果
图7为某厂的仿真试验曲线。从图7可以看出，随着转速的变化，燃料信号FSR、IGV开度、IBH开度、燃料控制阀GCV-1的开度和控制逻辑及启动流程图是一致的，机组具备了初次点火的条件。
图7 仿真试验曲线
4 结语
本文根据GE燃机的Mark VIe系统逻辑，从启动顺序控制和启动控制逻辑两方面介绍了GE 9E级燃机的启动流程，并对燃机的仿真试验进行了介绍，为相关的调试和运行人员提供参考。
参考文献
[1]徐慧宁．燃气轮机产业现状与技术发展趋势[C]．全国各省区市机械工程学会.以创新驱动为引领，加快“中国制造2025”战略实施研讨会暨2016年第六届全国地方机械工程学会学术年会论文集．全国各省区市机械工程学会，2016.
[2]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）.
[3]中国华电公司．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．
[4]李勇辉．GE燃气轮机MARK VI控制系统研究及调试[D]．杭州：浙江大学，2007.
收稿日期：2017-09-29
作者简介：张驰，男，安徽巢湖人，供职于中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东分公司，研究方向：燃气轮机控制。
