燃气轮机控制系统设计

燃气轮机控制系统的设计作 者 姓 名： helel指 导 教 师： 陈 教授单 位 名 称： 信息科学与工程学院专 业 名 称： 自动化东 北 大 学2010 年 6 月Design of a control system of gas turbine by Helel.YangSupervisor: Professor Chen Northeastern UniversityJune 2010东北大学本科毕业设计（论文） 任务书I毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：燃气轮机控制系统的设计设计(论文) 的基本内容：(1)了解燃气轮机系统的工作原理和发展现状； (2)燃气轮机系统的总体方案设计；(3)燃气轮机控制系统的硬件设计；(4)控制系统编程，实现燃气轮机系统的控制；毕业设计（论文）专题部分：题目： 设计或论文专题的基本内容：学生接受毕业设计（论文）题目日期第 2 周指导教师签字：2010 年 3 月 08 日东北大学本科毕业设计（论文） 摘要II燃气轮机控制系统的设计摘要燃气轮机是将燃料燃烧时产生的热能转化成机械能的一种热机，是当前世界上最新和最主要的动力机械。随着燃气轮机单机功率的增大，以及以燃气轮机技术为核心的动力装置的广泛使用，燃气轮机的控制系统性能显得越来越重要。在一定程度上，燃气轮机的控制系统性能决定着相应的动力装置的变工况性能、经济性和安全性能。所以燃气轮机自动控制策略是控制领域内一个重要的研究方向。本文总结了燃气轮机控制技术的发展和现状，介绍了目前比较常见的燃气轮机控制手段，对燃气轮机生产工艺进行了细致的介绍。包括燃气轮机的结构组成，燃气轮机的主控及顺序控制的要求等。并对燃气轮机的主要设备进行分析，将燃气轮机的主控系统按功能进行分块，根据燃气轮机的主控系统要求，分别设计了燃气轮机转速控制、燃气轮机温度控制等控制回路。同时介绍了有关 PLC 的资料以及利用 PLC 设计的的自动控制系统，重点介绍了此次课题选用的 S7-400。本文介绍了所设计控制系统的主要输入输出，有关控制系统的 IO 表，还详细叙述了用 PLC 的编程软件 STEP7 选择模块，填写符号表，并进行了硬件设计的过程。然后本文对燃气轮机的主控系统按功能进行分块，介绍了各个控制回路的控制原理，根据控制回路的控制要求设计了各个块的程序框图。然后在 STEP7 中创建了相应的程序块。本文还叙述了有关 PID 算法的资料，然后简单介绍了 MATLAB 的 SUMLINK 软件，并利用 SUMLINK 对相关控制回路算法进行了仿真。最后本文对此次设计做了总结，对燃气轮机的将来发展做了展望。关键词：顺序控制系统；主控系统；燃气轮机；PLC 自动控制东北大学本科毕业设计（论文） AbstractIIIDesign of a control system of gas turbine AbstractGas turbine is a kind of heat engine that make the thermal energy produced by burning fuel into mechanical energy, it is currently the worlds newest and most important power machinery.With the power of the single gas turbine increases,as well as the widespread use of power plant that use the gas turbine technology as the core, the performance of gas turbine control system become increasingly important . To some extent, the performance of gas turbine control system determines the design performance, economy and safety of the appropriate power plant.The automation controlling strategy of gas turbine is an important research area of control.This paper summarizes the development and the present situation of the automatic control technology of gas turbine, introducing the current common means of gas turbine control and the gas turbine production technology in detail. It includes the structure of the gas turbine, the requirement of the main control and the sequence control of the gas turbine. According to requirements of the main control system of the gas turbine,this paper resigns temperature control, speed control of gas turbine. It also introduces the PLC automation system. This task uses PLC-400.This article describes the input and output of the designed control system, the IO table of the control system, describing in detail with the process of using modules STEP7 of PLC programming software and filling in symbol table. And it makes the hardware configuration. It carries out according to the functions of block for the system of gas turbine, introducing the control principle of the various control loops, designing each block diagram in accordance with the requirements of control procedures of Control loop. It creates the corresponding block in STEP7. This paper describes the information about PID Algorithm, and describes something about SUMLINK of the MATLAB. At the last of the paper, describes the Simulation of the control algorithm.At last this paper summarizes for this design, prospecting the future development of gas turbine. Key words：Sequence Control System；Main Control System；Gas Turbine；PLC Automatic Control东北大学本科毕业设计（论文） 目录IV目录毕业设计（论文）任务书 .I摘要 .IIAbstract.III第一章 绪论.51.1 课题背景及意义.51.2 燃气轮机及其控制系统的发展概况.51.3 课题主要内容.5第二章 燃气轮机工艺及 PLC 概述 .52.1 燃气轮机系统及工作原理概述.52.2 燃气轮机控制要求.52.3 PLC 概述 .52.3.1 PLC 发展及现状 .52.3.2 STEP7 概述 .52.3.3 PLC400 概述 .52.4 本章小结.5第三章 燃气轮机控制系统的设计.53.1 燃气轮机顺序控制系统.53.1.1 起动程序控制.53.1.2 正常停机程序控制.53.2 燃气轮机主控系统子系统.53.2.1 燃气轮机起动控制.53.2.2 转速控制.53.2.3 加速控制.53.2.4 温度控制.53.2.5 停机控制.53.2.6 手动控制.53.2.7 FSR 最小值选择 .53.3 燃料控制系统.53.4 硬件设计.53.4.1 燃气轮机主要输入输出.53.4.2 控制系统硬件实现.53.5 本章小结.5第四章 软件设计及仿真.54.1 燃气轮机主控系统软件设计.54.1.1 STEP7 模块概述 .5东北大学本科毕业设计（论文） 目录V4.1.2 程序结构设计.54.1.3 软件设计.54.2 PID 算法仿真 .54.2.1 PID 算法概述 .54.2.2 算法仿真.54.3 本章小结.5第五章 结论.5参考文献.5致谢.5东北大学本科毕业设计（论文） 0 绪论- 1 -第一章 绪论1.1 课题背景及意义燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气透平等组成。压气机有轴流式和离心式两种，轴流式压气机效率较高，适用于大流量的场合。在小流量时，轴流式压气机因后面几级叶片很短，效率低于离心式。功率为数兆瓦的燃气轮机中，有些压气机采用轴流式加一个离心式作末级，因而在达到较高效率的同时又缩短了轴向长度。燃气轮机的工作过程是，压气机(即压缩机)连续地从大气中吸入空气并将其压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气透平中膨胀做功，推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气的做功能力显著提高，因而燃气透平在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。燃气轮机凭借其污染小、热效率高、调峰性能好、启动快捷、建设周期短、占地少、投资省等优点，日益受到人们的青睐，近年来在世界范围内发展迅猛，燃气轮机发电己经成为电力的发展趋势。世界重型燃气轮机制造业经过 60 多年的研制、发展和竞争，目前己形成了高度垄断的局面，即以 GE、西门子/西屋、三菱和阿尔斯通等主导公司为核心，其他制造公司多数与主导公司结成伙伴关系，合作生产或购买制造技术生产。在我国，国家发改委提出统一组织国内资源，集中招标，引进技术，促进国内燃气轮机产业的发展和制造水平的提高，即通过捆绑式招标，实施“市场换技术” ，旨在引进国外先进的燃气轮机设备的同时引进重型燃气轮机的制造技术，先后组织了3 次 F 级和 E 级燃气轮机的捆绑招标，引进了 GE、三菱、西门子公司的燃气轮机制造技术，总容量达 1600 万 KW，为组织消化吸收、掌握这一高新技术，形成自我开发能力打下坚实基础。 燃气轮机控制系统的性能决定着相应的动力装置的变工况性能、经济性和安全性能，正因为控制系统的特殊重要性，各大公司也推出了相应的燃气轮机控制系统，比较著名的有 GE 公司的 Speed tronie TM Mark 控制系统，西门子公司的 TELEPERMXP控制系统等。燃气轮机的迅速发展对电站的自动控制系统提出了更高的要求，随着燃气轮机单机功率的增大，以及以燃气轮机技术为核心的动力装置的广泛使用，燃气轮机的控制系统性能显得越来越重要。在一定程度上，燃气轮机的控制系统性能决定着东北大学本科毕业设计（论文） 0 绪论- 2 -相应的动力装置的变工况性能、经济性和安全性能。燃气轮机控制系统是电站的神经系统，以保证机组的安全和可靠运行，除了配备先进的主机设备外，完善的调节控制系统更能充分发挥燃气轮机的最大优越性，而燃气轮机起动控制具有不同于一般变工况的特性，是燃气轮机控制系统的重要组成部分，其特性对于提高燃气轮机的使用寿命具有很重要的意义。在我国，对于燃气轮机发电的研究还正处在发展阶段，尚不具备燃气轮机控制系统的自主研发能力，国内相应的燃气轮机电站大多直接进口国外的控制系统，但随着国内燃气轮机技术的不断发展燃气轮机的国产化程度逐步提高，必然对控制系统的可靠性和自动化程度提出更高的要求 1。本文分析研究了燃气轮机控制系统，希望能够有助于大家对燃气轮机控制系统的了解和认识，探讨燃气轮机的自动控制技术的未来发展，将有助于我国开发具有自主知识产权的燃气轮机控制系统。1.2 燃气轮机及其控制系统的发展概况燃气轮机是一项多技术集成的高技术，其传统的提高性能途径：不断地提高透平初温、相应地增大压气机压比和完善有关部件。50 年代初，透平初温(t 3 )只有 600- 700，靠耐热材料性能的改善，平均每年上升约 10；60 年代后，还藉助于空气冷却技术，t 3 平均每年升 20。从 70 年代开始,充分吸取先进航空技术和传统汽轮机技术，沿着传统的途径不断提高性能,现已开发出一批“F” 、 “FA”、 “3A”型技术的新产品，它们代表着当今商业化的工业燃气轮机的最高水平：t 3 为 1300，压气机压比 = 10 30，简单循环效率 sc = 36 - 40 %，联合循环效率 cc = 55 % - 58 %。近期将把 t3 提高到1430，这也许是传统的冷却技术和材料所能达到透平初温的极限。正在开发的新一代产品的主要特征是采用蒸汽冷却技术，高温部件的材料仍以超级合金为主，采用先进工艺( 定向结晶 ,单晶叶片等)，部分静部件可能采用陶瓷材料。初温有较大提高t3=1400-1500，将应用智能型微机控制系统，并更加重视环保性能。对未来燃气轮机的构思将基于采用革命性新材料，发动机处于或接近理论燃烧空气量的条件下工作，t3 将达 1600- 1800,现采用的熔点 1200、密度为 8g/cm3 的叶片超级合金将被淘汰,新的高级材料应是小密度( 5g/cm3)的、有更好的综合高温性能,也许陶瓷材料是一种选择。近 50 年来，我国燃气轮机的研究、设计、制造已经有了相当的基础,积累许多使用的经验，取得了很大成绩。先后研制过的燃气轮机型号达数十种,功率等级从数百 kW到 36MW。我国工业型燃气轮机，从两方面平行发展: 一是航空陆用途径，即航机改型；东北大学本科毕业设计（论文） 0 绪论- 3 -另为机械部所属汽轮机厂通过自行设计制造与国际合作等各种途径来发展。试验研究方面在国内也有一定的基础，取得相当水平的科研成果。不过,由于地面燃气轮机的研制在 80 年代前后停顿，造成很大损失，我国燃气轮机技术与国外先进水平的差距明显，至今不具备设计制造大型高性能燃气轮机的能力 2。燃气轮机控制系统硬件平台的发展经历了一个漫长的过程。走过了从液压机械式控制、模拟式电子控制到数字式电子控制的发展道路，早期的燃气轮机控制器是采用测量元件直接控制燃气轮机执行机构的直接作用式，至 30 年代己发展为相当完善的机械液压型控制结构，其控制策略均采用比例积分型控制结构。随着电力系统发展对自动化水平要求的提高，伴随着计算机技术的发展，人们开始研究用微机实现调节和控制方案，微机调节器调节规律由 PID 型发展到众多 PID 改进型，其硬件发展经历了单片机、STD 总线式工业控制机、PLC 可编程控制器、工业 PC 以及现在流行的 DCS 分散控制系统和 FCS 现场总线控制系统等微机系列的应用过程，其中 STD 总线式工业控