燃气轮机发电机组并联优化设计

燃气轮机发电机组并联优化设计

张超贤

中电投珠海横琴热电有限公司 广东省珠海市 519000

摘要：近年来，经济的发展，促进我国科技水平的提升。随着燃气轮机技术的不断创新发展，加之燃气轮机技术为核心的清洁动力装置的广泛使用，燃气轮机的型谱可谓是越来越丰富，发电机组综合控制系统的运行模式也越来越多，如单机运行、多机并列组成孤网运行，还有的则是并入规模比较大的区域甚至是国家电网运行，多种模式的切换，实际上也对机组的控制系统提出了更高的要求。为了更好的提升燃气轮机发电机组综合控制系统的作用效果。本文就燃气轮机发电机组并联优化设计展开探讨。

关键词：燃气轮机；发电机组；综合控制系统

引言

案例分析：某船舶电站由左电站和右电站组成，每个电站各设2台可以长期并联运行的燃气轮机发电机组，两电站的发电机之间只能短时间并联运行用于负载转移。2台发电机的发电量即可满足全船负载用电的需求，但有些大负载需要在两发电机并联供电的情况下才能投入运行，所以当两电站都只有1台发电机组可用时，则不能满足全船负载用电的需求，而这种情况时有发生，可见该电站的设计远达不到现代船舶供电生命力指标的要求。

1燃气轮机的发展现状

当前，燃气轮机的单机最大功率、最高透平进气温度、压气机最高压比及最高效率等参数都有了显著提升。先进的燃气轮机已经普遍应用模块（箱装体）结构，维修和更换都较为便捷，而且采取了孔探仪、振动和温度监控、熄火保护等措施，提高了整机可靠性和使用率。其控制系统已经应用微机处理器，显著优化了启动、停机等过程，实现了无人或遥控操纵运行。燃气轮机的燃烧效率很高，排气干净。与柴油机等动力装置相比，未燃烧的碳氢化合物（UHC）、CO、SO₂等排放物相对较低。采用注水或注蒸汽抑制燃烧或在排气管路安装选择催化还原装置（SCR），可使NO_x的排放量显著降低。以干式低NO_x燃烧技术为例，通过该项技术无需向燃烧室注水或蒸汽，而是应用合理的燃烧室结构和恰当的燃烧过程，来减少NO_x的排放量，并充分满足严格的环保标准要求。

2燃气轮机发电机组并联优化设计

2.1调压原理

调压的实质是对励磁电流的调节。使用电压调节与保护装置来测量发电机输出的端电压，与设定值作比较，得到电压偏差；以电压偏差值调节相复励装置的励磁电流，使发电机的输出电压等于设定值，见图1。调节过程为：电压↑→Ue↑→UC↑→励磁电流↓→电压↓；或电压↓→Ue↓→UC↓→励磁电流↑→电压↑。该调节结果存在微小的静态误差，接近无差调节。由图1可知，差率开关断开时，可接通差率调节电路。调压电路中各参数的向量见图2。虚线为三相电压向量，各相的位差为120°，电流滞后于电压φ。由图2b)和图2c)可看出，当负载为纯阻性时，φ=0°，UC为Ue与UR的向量和，UC的大小近似于Ue；而在纯感性负载时，φ=90°，UC为Ue与UR的代数和，数值增加较多。在无功电流偏大时，由于UC的增大，发电机的励磁电流将减小，这与维持恒压的相复励作用正好相反；使发电机的电压调差系数变大，也就是电压调节特性曲线斜率增加，可构成有差调节。调节电阻R的阻值，可改变电压调差系数，当R=0时（相当于接通差率开关），可变成无差调节。单机运行时，一般采用无差调压特性，即需将差率调节电路切除，否则会使电压发生较大的变化。

图1发电机电压调节原理

图2差率调节环节向量图

2.2降低污染物排放

燃气轮机排放的污染物包括高温燃烧形成少量的氮氧化物NQ_x、燃料中的碳因不完全燃烧而产生少量的一氧化碳CO、未燃尽的烃（UHC）、燃烧产物二氧化碳CO₂、燃料中的其他杂质（如硫）在燃烧过程中生成的污染物（如SO_x）等。其中减少CO₂的唯一途径就是提高燃气轮机的热效率，即为产生同样的出力而尽量消耗较少的燃料；SO_x只能通过对燃料进行预处理（脱除杂质）或对然烧产物进行处理来加以消除，对燃气轮机而言，更主要的措施是控制燃料品质。

2.3油气分离

油井开采出的原油通常为高压下的油气混合物，需逐级减压至大气压力，每一次减压过程中都有一些天然气自然分离出来，可通过压气机组将其压缩至适当的压力，从而供向输气管线或天然气回注装置。用于该领域的压气机组以燃气轮机驱动较为适宜，其燃料可直接取用分离出来的天然气，有着较高的便利性。

2.4调频调载

调频调载装置通过3条控制通道稳定频率和平均分配有功功率。由“基本型/被动型”和“单机/并联”开关设定发电机组的工况，接通不同的控制通道，进而构成“基本型”和“被动型”2种控制模式。（1）频率偏差调节通道，用于稳定电网频率。在单机运行和并联时的基本型机组中接通。以频率偏差调节发电机组的转速，使其频率稳定在给定值。该通道采用PI调节，可消除频率调节的静态误差。（2）负载调节通道，用于对负载扰动的校正。单机运行和并联运行时均接通。当发电机组的负载发生变化时，按事先设定的“负载—控制电流”函数对应关系输出控制电流，驱动比例电磁体，从而调节供油量。（3）有功功率分配通道，用于平均分配有功功率。仅在并联时的被动型机组接通。当发电机的有功功率与给定负载的功率有静态偏差时，调节油门，改变发电机的输出有功功率，使其与给定负载的功率相等。

2.5燃气轮机发电机组运行控制模式的选择

在运行过程中，机组组网模式一旦发生改变，运行控制模式也需要合理地进行切换，在切换的过程中不应该对机组的运行状态进行影响，所以在暂时不会发生变化的控制算法中必须保证有一个参数能够对机组当前的运行状态进行跟踪，这一参数也就是跟踪参数。

结语

发电机组并联运行是提高船舶供电生命力的重要手段，发电机组并联需要解决的主要问题是将无功功率和有功功率按比例进行分配的同时，仍能保持电网电压与频率的稳定。当发电机组电压和/或频率为无差特性时，需采取均压连接和/或均功连接措施达到上述目的。

参考文献

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