（控制理论与控制工程专业论文）燃气轮机启动控制策略研究与仿真.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文着重对杭州萧山电厂燃气轮机的启动控制策略进行仿真研究，深入了解其 控制系统结构、特点和控制原理，基于s t a r 9 0 仿真支撑系统，搭建燃气轮机控 制系统模型，通过仿真实验得出启动全过程的转速图和实际转速曲线进行比较，基 本一致。针对燃气轮机的非线性和时变不确定性，对透平转速控制器进行改进，采 用一种具有自整定能力的，基于模糊理论和专家经验的透平转速模糊p i 控制器，根 据转速偏差e 以及偏差的变化率e c 通过模糊推理在线调整p l 控制器参数，仿真实 验结果显示改进后的透平转速控制精度提高、实时性增强、鲁棒性较好。 关键词：燃气轮机，模糊控制，控制策略，仿真 a bs t r a c t t h i sa n i c l ef o c u s e so ns t a r tc o n t r o ls t r a t e g yo fg a st u r b i n eo fh a n gz h o ux i a os h a n e l e c t r i cp o w e rp l a n t ，a n dd e t a i l st h ec o n t r o ls y s t e ms t l l j c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o l p r i n c i p l e s b a s e d0 ns 1 怂9 0s i m u l a t i o ns u p p o ns y s t e m ，e a t a l i s ht h em o d u l eo fc o n t r o l s y s t e m t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tr e s u l ts h o w e ds p e e dc u ci st h es a m ea st h ea c t u a l p 拿d b n n a n c e c o n s i d e r i n gt h en o n - l i n e a ra n dt i m e - v a r y i n gi n d e t e n n i n a c yo fg a st u r b i n e ，t h e p a p e rm a k et h ei m p r 0 v e m e n tt o t h et u r b i n er o t a t i o n a is p e e dc o n t r o l l e f ，a n dt h e np r o p o s e s r o t a t i o n a ls p e e df u z z yp ic o n t r o l l e rw h i c hp o s s e s s e sas e l f t u n i n gc a p a b i l i t i e s t h ec o n t r o l l e r i sb a s e do nf h z z yt h e o r ya n de x p e r te x p e r i e n c e s j f c c o r d i n gt or o t a t i o n a ls p e e dd e v i a t i o nea s w e u 嬲t h ed e v i a t i o nr a t eo fc h a n g ee c ，o n l i n ea d j u s t sp ic o n t r o l l e rp a r a m e t e r sl h r o u g hf u z z y r e a s o n i n g t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tr e s u l ts h o w e dt h a tt h ei m p r o v e dt u r b i n es p e e dc o n t r o l h a v eh i g l l e ra c c u r a c y ，s t r o n g e rr e a i - t i m ea n db e t t e rr o b u s t n e s s g u oh u i x i a ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t f o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f “c h a n g q i n g k e yw o r d s ：g a st u r b i n e ，f u z z yc o n t r o l ，c o n t r o is t r a t e g y ，s i m u l a t i o n 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文着重对杭州萧山电厂燃气轮机的启动控制策略进行仿真研究，深入了解其 控制系统结构、特点和控制原理，基于s t a r 9 0 仿真支撑系统，搭建燃气轮机控 制系统模型，通过仿真实验得出启动全过程的转速图和实际转速曲线进行比较，基 本一致。针对燃气轮机的非线性和时变不确定性，对透平转速控制器进行改进，采 用一种具有自整定能力的，基于模糊理论和专家经验的透平转速模糊p i 控制器，根 据转速偏差e 以及偏差的变化率e c 通过模糊推理在线调整p l 控制器参数，仿真实 验结果显示改进后的透平转速控制精度提高、实时性增强、鲁棒性较好。 关键词：燃气轮机，模糊控制，控制策略，仿真 a bs t r a c t t h i sa n i c l ef o c u s e so ns t a r tc o n t r o ls t r a t e g yo fg a st u r b i n eo fh a n gz h o ux i a os h a n e l e c t r i cp o w e rp l a n t ，a n dd e t a i l st h ec o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o l p r i n c i p l e s b a s e do ns 1 怂- 9 0s i m u l a t i o ns u p p o r ts y s t e m ，e a t a l i s ht h em o d u l eo fc o n t r o l s y s t e m t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tr e s u l ts h o w e ds p e e dc u ci st h es a m ea st h ea c t u a l p 拿r f o r m a n c e g o n s i d e r i n gt h en o n l i n e a ra n dt i m e v a r y i n gi n d e t e 咖i n a c yo fg a st u r b i n e ，t h e p a p e rm a k et h ei m p r o v e m e n tt ot h et u r b i n er o t a t i o n a ls p e e dc o n t r o l l e f a n dt h e np r o p o s e s r o t a t i o n a ls p e e df u z z yp ic o n t r 0 1 1 e rw h i c hp o s s e s s e sas e l f t u n i n gc a p a b i l i t i e s t h ec o n t r 0 1 1 e r i sb a s e d0 nf h z z yt h e o r ya n de x p e r te x p e r i e n c e s j 6 救o r d i n gt 0r o t a t i o n a ls p e e dd e v i a t i o nea s w e u 嬲t h ed e v i a t i o nr a t eo fc h a n g ee c ，o n l i n ea d j u s t sp ic 0 n t r o l l e rp a r a m e t e r sl h r o u g hf u z z y r e a s o n i n g t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tr e s u l ts h o w e dt h a tt h ei m p r 0 v e dt u r b i n es p e e dc o n t r o l h a v eh i g l l e ra c c u r a c y ，s t r o n g e rr e a i - t i m ea n db e t t e rr o b u s t n e s s g u oh u i x i a ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f l ic h a n g q i n g k e y w o r d s ：g a st u r b i n e ，f u z z yc o n t r o l ，c o n t r o is t r a t e g y ，s i m u l a t i o n 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文燃气轮机启动控制策略研究与 仿真，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 黝签名二达 日期：渊二 日期：呈塑! ：呈：! o 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章引言 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 轮机发电已经成为电力的发展趋势。世界重型燃气轮机制造业经过6 0 多年的研制、 发展和竞争，目前已形成了高度垄断的局面，即以g e 、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g e 、三菱、西门 子公司的燃气轮机制造技术，总容量达1 6 0 0 万k w ，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g e 公司的s p e e dt r o n i ct mm a r k 控制系统，诬门子公司的t e l e p e r m x p 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，而燃气轮机启动控制具 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 1 。 g e 的燃气轮机进入国内较早，尤其是9 e 机组及其m a r kv 控制系统，因此对它的 分析与研究也已经比较全面。但对于西门子公司的t e l e p e r mx p 控制系统的研究 则很少，因此本文以杭州萧山电厂的西门子v 9 4 3a 型燃气轮机及其联合循环机组 为对象，分析研究燃气轮机控制系统，重点研究了燃气轮机启动控制策略，并借助 于s t a r 9 0 仿真支撑系统进行仿真实验，希望能够有助于大家对v 9 4 3a 控制系统 华北电力大学硕士学位论文 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 燃气轮机控制系统发展概况 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3 0 年代已发展为相当 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p i d 型发展到众多p i d 改进型，其硬 件发展经历了单片机、s t d 总线式工业控制机、p l c 可编程控制器、工业p c 以及 现在流行的d c s 分散控制系统和f c s 现场总线控制系统等微机系列的应用过程， 其中s t d 总线式工业控制机、p l c 可编程控制器及d c s 系统为现在的主流产品， 具有高可靠性和计算快速、多任务及编程通用化的特点，能够实现复杂的控制任务。 高性能控制平台为先进、复杂的控制策略开发研究和实际应用提供了硬件支持【2 1 。 2 0 世纪7 0 年代，g e 公司的l m1 5 0 0 燃气轮机配套使用由美国大陆公司研制 的模拟式电子控制器实现了逻辑顺序控制，而燃油控制仍然由液压机械式控制器实 现。直到2 0 世纪9 0 年代，燃气轮机开始全面配置数字电子控制系统。经过十多年 的发展，燃气轮机控制已有多种数字控制系统，例如：s & s 公司成套的l m6 0 0 0 机 组和t p m 公司成套的f t 8 机组等采用了美国w o o d w a r d 公司的n e t c o o n 5 0 0 0 系列燃气轮机控制系统，西门子公司采用的t e l e p e r mx p 控制系统以及g e 公司 的p g 6 0 0 0 系列机组则采用了g es p e e dt r o n l c 的m a r kv 。1 9 9 8 年，g ep o w e r s y s t e m 和g e f a n u c 联合开发的m a r kv l 控制系统在北美市场推出，该控制系统可 带现场总线和远程i o ，可实现全厂一体化控制，操作系统也从m a r kv 的d o s 升级到w i nn t 。并且，燃气轮机的数字电子控制系统已经实现了标准化、系列化 的发展，硬件实现了模块化，配置了菜单式的开发软件。总之，在燃气轮机控制系 统4 0 多年5 4 0 0 多台机组的实践应用中，电子控制技术占了2 6 年，应用机组4 4 0 0 余台，电子控制技术得到不断发展1 3 j 。 国内在2 0 世纪8 0 年代发展轻型燃气轮机的同时，迅速地开展了燃气轮机数控 系统的研制。w j 6 ，w j 5 ，w p 6 和w z 5 等燃气轮机数控系统已应用于工业现场， 最近推出的q d l 0 0 ，q d l 2 8 ，q d 7 0 也都配置了数控系统，但总体上还处于量身裁 衣、单台定制的初级阶段。燃气轮机数控系统的研制一般采用两种方式，一种方式 是软硬件全部自行研制，这种方式针对性强，批产成本低，但研制费用高，较适用 于有批量的燃气轮机。第二种方式是选用标准的工业控制硬件配上自行开发的控制 2 华北电力大学硕士学位论文 软件，该方式研制周期短，但适应性差，而且有时还不得不制作一些电子硬件接口， 一般适合于量少或功率等级较大的燃气轮机控制系统【9 1 。 1 3 仿真环境的介绍 从安全性和经济性考虑，我们不可能在电厂的实际燃气轮机上进行操作或研 究，通过仿真手段来做研究是一种很好的方法。对于复杂的大系统的仿真和建模过 程，必需要有一个使用方便和功能完备的仿真支撑系统，作为仿真研究开发的技术 平台。利用仿真技术的最新成果，在高水平的仿真支撑环境下进行二次开发，能有 效减少重复劳动，快速提高仿真技术应用水平。s t a r 9 0 一体化仿真支撑系统是华 北电力大学仿真与控制技术研究所在吸收国外先进技术的基础上，于1 9 9 0 年推出 的国内第一套仿真和工程模块化建模集成环境，经过十几年不断地发展，已经成功 地应用于数百套仿真培训和研究系统中。其在线模型开发环境和仿真模型模块化结 构并辅以智能化图形建模手段，为复杂过程模型的开发与调试提供了强有力的技术 支撑。本文的研究工作就是在s t a r 9 0 一体化仿真支撑系统软件平台上进行的 1 4 研究内容 本文是以燃气轮机控制系统为研究对象，在s t a r 9 0 仿真支撑系统下建立了燃 气轮机仿真模型并对燃气轮机启动控制策略进行分析研究，对控制系统中的转速 负荷控制系统做了重点研究并提出了一种改进的控制方法，而且通过仿真实验做了 详细验证。本人主要做了以下几个方面的工作： ( 1 ) 第一章：介绍了燃气轮机启动控制策略研究的背景及意义，燃气轮机控 制系统的发展概况，对研究平台s t a r 9 0 仿真支撑系统进行了简要说明； ( 2 ) 第二章：首先分析了燃气轮机系统的工作原理；然后主要分析了燃气轮 机控制系统，详细说明了燃气轮机的程序控制和主控逻辑功能，介绍了燃气轮机控 制系统的硬件配置； ( 3 ) 第三章：在第二章燃气轮机控制系统研究的基础上，对燃气轮机启动控 制策略进行了深入的分析研究，并在s t a r 9 0 仿真支撑系统下建立燃气轮机控制系 统模型，做到了一键启动燃气轮机，得出燃气轮机启动全过程的转速曲线； ( 4 ) 第四章：针对燃气轮机的非线性、时变不确定性，以燃气轮机转速为研 究对象，对其启动控制系统中的转速控制系统采用模糊p i 控制器进行优化，并在不 同工况下进行仿真实验和实时监测，将仿真结果与传统p l 控制做比较分析，最后得 出结论。 3 华北电力大学硕士学位论文 1 5 本章小节 本章简单介绍了燃气轮机启动控制策略研究的背景和意义，国内外燃气轮机控 制系统的发展概况；对本文用到的研究平台s t a r 9 0 仿真支撑系统做了必要的说 明；最后是对本文的研究内容作了总结。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章燃气轮机系统及控制系统概述 2 1 燃气轮机系统及工作原理概述 图2 1 燃气轮机系统结构图 p o w e r 燃气轮机由压气机、燃烧室、透平组成。燃气轮机正常工作时，工质顺序经过 吸气压缩、燃烧加热、膨胀做功以及排气放热等四个工作过程而完成一个由热变功 转化的热力循环。图2 1 所示为开式简单循环燃气轮机工作原理图。压气机从外界大 气环境吸入空气，并逐级压缩，压缩后的空气被送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧 产生高温高压的燃气，然后再进入透平膨胀做功，最后是工质放热过程，透平排气 可直接排到大气，自然放热给外界环境，也可通过各种换热设备如余热锅炉来回收 利用部分余热，这样就形成了联合循环。连续重复完成上述循环过程的同时，发动 机也就把燃料的化学能连续地部分转化为有用功。 2 2 燃气轮机控制系统综述 燃气轮机控制系统采用主从两套控制器，燃气轮机控制器为一个一个的模块组 成，是冗余结构，如果主通道出现故障，则从主通道自动切换到辅助通道。图2 2 为v 9 4 3a 型燃气轮机控制系统的控制策略框图： 5 华北电力大学硕士学位论文 图2 2 燃气轮机控制系统图 从图2 2 可看出燃气轮机的控制系统由程序控制系统和主控制系统组成。程序 控制为开环控制，包括燃气轮机的启动和停机控制，采用s g c 子组控制算法来实现 对燃气轮机和各辅助系统的启停顺序控制。主控制系统是闭环控制，包括转速负荷 控制、启动升速控制、排气温度控制、负荷限制、冷却空气限制、压气机压比限制 和压气机进口导叶控制等子系统，各个子系统的输出通过最小值选择器到下级阀位 控制器调节进入燃气轮机的燃料量，它们都是通过控制燃料量来改变燃气轮机运行 工况的。每一时刻只有一个控制器起作用，也就是只能有一个指令被燃料控制系统 接纳，当几个控制系统所要求的燃料流量不同时，就会出现矛盾而无法同时满足， 矛盾的解决就是通过最小值选择器来完成的，谁的输出值小，谁将通过低选作为最 小燃料信号值。这样的处理可以实现各控制回路之间实现无扰切换。下面对燃气轮 机控制系统的子系统分别介绍。 2 2 1 程序控制 燃气轮机程序控制系统包括启动程序控制和停机程序。启动程序控制是从启动 变频器s f c 带动燃气轮机转子转动、燃气轮机点火、转子加速直到额定转速的过程， 其中包含了一系列的辅助系统和燃料控制系统的程序命令。燃气轮机控制系统得到 启动命令后，程序控制发出按预定方式启动的逻辑信号，这些逻辑信号包括转速信 号，转速设定点控制，负荷能力选择，启动设备控制和计时器信号等，通过燃气轮 机顺序控制主程序的执行，按照实际需要自动启动如锅炉吹扫、盘车系统、天然气 系统及各辅助系统。这样在各子系统正常工作的基础上就实现了燃气轮机的顺序启 动控制。 6 华北电力大学硕士学位论文 图2 3 子组控制器工作原理图 图2 3 为s g c 子组控制器的工作原理图。子组控制器中的每个步序在“步程序 程序”块中都是可以单独编程的。“步程序程序”块包括：步序号、等待时间、监视 时间、允许步程序执行的逻辑和输出命令。步序号告诉操作员s g c 执行到了程序中 的哪一步。输入信号被称为步程序允许执行的条件，满足以下两个条件之一，开始 执行这一步：上一个步序必须已经完成且先前的逻辑已满足或可选的旁路逻辑必须 满足，当满足步程序的允许执行标准时，步序模块首先查看作用于下一步的随后逻 辑，在这一步开始执行之前，如果随后逻辑已经满足，就跳过这一步( 没有命令输 出) 并且至下一步输出信号置1 ，如果满足步程序的允许执行标准，但随后的逻辑 不满足时，输出命令置1 ，当执行下一步时，上一步的输出命令置0 ，步程序输出 命令发出后，至下一步的输出信号立即置1 ，当执行下一步时，上一步至下一步的 输出信号置0 ，当步程序允许执行的标准满足时，等待时间和监视时间开始计时。 达到等待时间之后，至随后逻辑的输出信号置1 ，在监视时问内，如果未能进入下 一步，s g c 被认为在这一步“停滞”，并发一个错误信息给控制系统的o m 6 5 0 ，燃气 轮机启动停止，进入停机程序控制。 2 2 2 升速控制 燃气轮机的升速控制是根据燃气轮机转速来调节燃料控制阀，以保证燃气轮机 正常启动，另外还具有监视升速的保护功能。启动过程中的燃料量采用开环控制， 根据启动工况对应的逻辑信号给出不同阶段的燃料设定值。燃气轮机在没有点火之 7 华北电力大学硕士学位论文 前由静态启动变频装置器( s f c ) 拖动升速，达到点火转速，启动升速控制使燃气 轮机燃料量设为点火值，s f c 和燃气轮机点火启动的合力拖动燃气轮机升速，根据 转速的变化升速控制系统不断调节燃料量，直到自持转速多一些，s f c 停止，燃料 增加燃气轮机加速到额定转速。根据选择燃料和启动方式的不同，启动方式分为普 通方式和黑启动方式，启动曲线的斜率是不同的。该模块的输出还有一个从保护逻 辑来的限幅，防止在实际转速下的燃料过量。在转速控制器开始工作前，通过最小 逻辑门的方式，由该模块控制燃料的分配。 2 2 3 转速负荷控制 转速负荷控制器是一个带p i 结构的两用的控制器。对燃气轮机来说，要求发 电机发出的交流电的频率保持不变，即在发电机加载过程中或负荷经常变化的情况 下保持机组的转速为一定值。如果电负荷发生了变化，而进入燃烧室的燃料量不随 着改变的话，那么原有的功率平衡就被破坏，就必然引起转速的变化。例如电负荷 增加将引起转速下降；电负荷减少，转速将上升。这样在电负荷大幅度变化时，燃 气轮发电机组的转速也将随着大幅度变化，这对发出的交流电的频率和转子的强度 来看都是不允许的。为了解决这个问题，随着电负荷的变化，转速偏离额定值，必 须有一套装置来增加或减少燃料的喷入量，既然我们要保持不变的参数是转速，那 就可以直接根据转速变化来进行调节控制，当转速小于额定值时意味着电负荷大而 燃气轮机的功率不足，要使转速回到额定值就应增加燃料喷入量，反之，如果转速 大于额定值就应减少燃料喷入量。最原始的办法是在燃气轮机转子上装一个转速 表，根据转速表的读数手动地改变进入燃烧室的燃料喷入量，使转子转速保持在额 定值附近。燃气轮机的转速自动调节系统就是完成上述转速表和操作人员的工作， 只不过反应得更快，动作更准确而已。用燃气轮机发电机组转速调节的要求概括起 来有：1 、在单机运行时，当电负荷变化以后，在调节终了时保持机组的转速基本 不变；2 、在单机运行时能根据操作者的意图在一定范围内改变机组的转速，在并 网运行时能按运行人员的意图改变机组的功率；3 、在电负荷突然甩去时机组不会 熄火，也不会超速很多，并能很快地平稳下来。 2 2 4 排气温度控制 排气温度控制器控制透平的排气温度在有效的温度设定点内。作为一种极限值 控制器，温度控制器可确保燃烧室、透平和排气系统不会超出规定的最高温度。当 达到基本负荷温度和压气机进口导叶( i g v ) 控制器全开时，排气温度控制器将控制燃 气轮机，它通过改变燃料供应、限制燃气轮机进口温度的方法，调整燃气轮机排气 温度，使之符合温度基准。当运行在联合循环运行方式下，该模块可以用来降低燃 气轮机排气温度，使之与锅炉匹配，或者在某个负荷区间下与蒸汽轮机匹配；当温 8 华北电力大学硕士学位论文 度较低，进口导叶仍处于关闭时，可以实现对锅炉的暖炉。该模块在形式上通常是 一个p i 控制器，它经过开度设定点构成中的最小值选择器调节燃料供应，和i g v 控制器一起协调控制，限制燃料的质量流量，使透平排气温度不超过允许值，限定 燃气轮机热应力不能超过极限。 2 2 5 负荷限朱0 控韦0 负荷限制控制器是用于防止燃气轮机在运行时超过最大允许功率。当负荷设定 点设置值很高时，这种现象会出现，燃气轮机的气体质量流量快速增加，对策是降 低外界温度，或者喷水减温运行。负荷限制控制器通过中心最小值选择器的输出限 制燃料供应直到其它的控制器激活。这个模块一般情况不会动作，主要是为了防止 燃气轮机超过最大负荷。 2 2 6 压气机压比限制控制 压气机压比限制控制器的功能是防止压气机进入不允许的工作状态发生喘振。 因此，为了防止压气机喘振，规定了一条带安全裕度的限定曲线作为非稳定运行的 限制曲线，此曲线一定不能被超越。这个控制器用来防止达到或者超过限定曲线时 的压气机喘振。如果到达了此限定曲线，必须连续执行以下措施：1 、如果压比接 近的速率比较缓慢，为了通过i g v 位置控制器控制排气温度，压气机的i g v 位置 通过控制偏差信号逐步开大，然后相应减少燃料流量；2 、如果压比接近的速率很 快，打开进口导叶不足于降低压比到允许值，则适当减少燃料流量，引起压气机的 出口压力降低。通过这些措施，在紧急情况发生之前就可以达到限制压比的目的。 最大允许的压比是个变化的值，这取决于压气机入口温度，实际转速，进口导叶的 位置等。压气机出口压力除以压气机进口压力为当前的压气机压比。 2 2 7 冷却空气限制控制 冷却空气限制控制器的功能是规范运行工况，用来防止在不当的操作状况下， 冷却空气不足以冷却燃气轮机叶片。这种情况通常发生在压气机进口温度较低，或 燃气轮机在超频运行期间。在上述工况下为确保透平叶片获得充足的冷却空气量， 冷却空气限制控制器采取以下措施：1 、如果i g v 还没有完全打开，为了通过i g v 位置控制温度，温度设定点通过作用于i g v 位置控制器上的冷却空气控制器适当微 调，促使i g v 打开空气质量流量增加，提高叶片的冷却效果；2 、如果i g v 已经完 全打开，冷却空气温度限制控制器通过中心最小逻辑门的输出减少燃料供应，降低 透平叶片上的热负荷，从而改善叶片的冷却效果。 2 2 8 燃气轮机ig v 控制 燃气轮机i g v 控制由进口导叶i g v 温度控制模块和进口导叶的位置控制模块 9 ， ， 华北电力大学硕士学位论文 共同完成。进口导叶i g v 温度控制模块通过改变进口导叶的角度位置，改变进入燃 烧室的空气流量，从而控制燃气轮机的排气温度。通过在规定的、允许范围内调节 压气机进口导叶倾斜角度来控制穿过压气机的空气流。i g v 的实际可调角度为4 2 度，在运行期间，绝对不能停止空气供应，“i g v 关闭”不意味着空气流量被关断， 正确的说是到它的最小位置，大约是7 0 流量，在i g v 全开时大约是1 0 0 流量。 在带恒定负荷稳定运行期间，也就是燃料量不变，如果i g v 减少，排气温度将上升， 反之亦然，这意味着即使负荷和燃料量改变，通过改变i g v 位置可以维持排气温度 不变。这个特性有以下优点：1 ) 下游部件也就是透平叶片和余热锅炉不会遭受因 负荷变化而导致的温度变化。2 ) 即使发电机负荷很低，余热锅炉仍运行在较高温 度，因此整个联合循环的效率仍然很高，虽然燃气轮机的效率因i g v 的关闭而有所 降低。3 ) 同时改变燃料量和空气量意味着燃空比保持不变。因此预混燃烧的运行 范围扩大到约5 0 负荷。如果没有空气流量控制器，预混燃烧只能在9 0 1 0 0 负荷范围内运行。 在燃气轮机启动和停机期间，i g v 位置选择关闭是为了将压气机叶片的振动降 到最小。燃气轮机转速达2 2 8 0 r p s 时，l g v 设定并保持在最小位置，直到燃气轮机 同期并网带负荷并达到排气温度控制器设定点。带负荷运行期间i g v 控制器使排气 温度随负荷变化逐渐增大，达到额定负荷时，i g v 就在最大位置。 进口导叶的位置控制模块控制压气机进口可转导叶的位置，该模块从属于进口 导叶温度控制模块。当进口导叶温度控制模块处于o n 状态时，位置控制器的指令 由它提供，否则就是手动方式，由操作员输入指令。i g v 的位置反馈是旋转角度， 在某些特定的情况下，为保证机组安全，i g v 会自动定位在某个定值或者全开。模 块的输出指令，通过外部供电回路，驱动i g v 的位置伺服电机。 2 3 燃气轮机控制系统的硬件配置 任何软件都得依托于硬件，西门子燃气轮机控制系统包括了e s 工程师站、o t 操作员终端、p u 和s u 服务器、w i n t s 系统、g p s 主时钟装置、a p 开环控制柜、 s i m a d y n 闭环控制柜、s 5 9 5 f 故障安全型保护柜、m e a s u r e m e n t 测量柜、远程i 0 柜 及网关等与外界的接口装置，提供整个过程控制的管理，将电厂监视、连续控制、 顺序逻辑和一系列控制系统组合成一个网络，提供过程监视和控制、常规目标计算 和分析、透平和发电机以及它们的辅助设备操作的人机界面。 燃气轮机控制系统是由多个子系统组成的一个组合型控制系统。每个子系统完 成一个规定的功能。图2 4 阐述了控制系统的子系统结构： 1 0 华北电力大学硕士学位论文 l 操作和监控系统 爵磊i 汀石奈、 旦兰警掣至篓( 芏霍饕计系统) s i 曩a t i cn e t 工业以太网 b s6 7 0 、一c t6 7 5 诊断系统l调试工具 图2 4 控制系统结构图 t x p 过程控制系统的子系统是： a s6 2 0 ：自动化系统，a u t o m a t i o ns y s t e m 的简写，用于过程自动化。 s i n e c ：西门子网络通讯，s i e m e n sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n 的简写，用于通 讯。 o m6 5 0 ：操作和监控系统，o p e r a t i o n & m o n i t o r i n gs y s t e m 的简写，用于过程 控制和运行、监控系统的信息处理。 e s6 8 0 ：工程设计系统，e n g i n e e r i n gs y s t e m 的简写，用于组态和调试。 d s6 7 0 ：诊断系统，d i a g n o s t i c ss y s t e m 的简写，诊断系统可选配。 2 3 1 0 m 6 5 0 一操作和监控系统 o m 6 5 0 操作和监控系统是燃气轮机控制系统的人机界面( m m i ) 。它提供了设 备和操作人员之间的接口，使得操作人员能够在中央控制室控制、监视各设备的运 行状态。另外，本系统还提供过程事件发生的全部记录日志和数据存档所需的全部 功能。o m 系统设计为层次型结构，操作终端( 0 t ) 和处理单元( p u ) 通过终端总 线实现通讯，这个结构有很高的自由度，操作终端不需要直接分配给处理单元，每 个操作终端可以配备最多4 个显示屏。 2 3 2 e s 6 8 0 一工程设计系统 e s 6 8 0 工程设计系统是燃气轮机控制系统的中央组态系统。它用来配置组态 a s 6 2 0 自动化控制系统、o m 6 5 0 操作和监控系统、s i n e ch 1 总线系统和系统硬件。 为了配置这些系统，在e s 6 8 0 内有一个可用的组态软件包，集中管理所有的组态数 据，因此这些数据只需录入一次。根据性能要求，e s 6 8 0 可以在过程控制系统( p c ) 和工作站上运行。 华北电力大学硕士学位论文 2 3 3d s 6 7 0 诊断系统 d s 6 7 0 诊断系统为燃气轮机控制系统的可选部件，为了详细监控和诊断a s 、 0 m 、l 埘和d s ( 自诊断) 系统部件，d s 6 7 0 诊断系统在集中式或分布式诊断终端 上提供了所有需要的功能。它能引导运行人员到达故障出现的地点，也能显示故障 的原因，及如何快速消除故障。 2 3 4a s 6 2 0 自动控制系统 a s 6 2 0 自动控制系统是t x p 的基本子系统，执行单项控制级和组控制级内的任 务。它从过程控制( 执行器) 内获得测量值和状态信号，进行开环、闭环控制，并 将最终控制命令发送到过程控制( 执行器) 。同时，a s 6 2 0 充当了过程控制( 执行 器) 和其它t x p 系统之间的接口。它将来自0 m 6 5 0 操作和监视系统的命令传送到 过程控制( 执行器) ，从过程控制( 执行器) 读入0 m 6 5 0 系统需要信息并传送到 操作和监视级。 2 4 本章小结 本章首先介绍了燃气轮机的系统构成以及工作原理，简要阐述了燃气轮机控制 系统，最后是描述了西门子实际使用的硬件系统。主控制系统是燃气轮机控制系统 的重要组成部分，也是本文重点研究的内容。 ， 1 、燃气轮机系统：燃气轮机由压气机、燃烧室、透平组成；燃气轮机是经过吸气 压缩、燃烧加热、膨胀做功以及排气放热等四个工作过程而完成一个由热能转变为功的 热力循环； 2 、燃气轮机控制系统：燃气轮机的控制系统主要包括程序控制和主控制系统， 主控制系统又包括转速负荷控制、升速控制、排气温度控制、负荷限制、冷却空气 限制、压气机压比限制和压气机进口导叶控制等子系统； 3 、燃气轮机控制系统的硬件：是由多个子系统组成的一个组合型系统，每个 子系统完成一个规定的功能。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 第三章燃气轮机启动控制策略分析与研究 燃气轮机启动过程由启动程序控制和主控制系统配合完成的。启动程序控制为 开环控制，按预定方式顺序启动燃气轮机设备和辅助系统如锅炉吹扫、盘车系统、 天然气系统等。图3 1 为燃气轮机主控制系统结构图，主控制系统包括升速控制、 速度负荷控制、排气温度控制、负荷限制控制、冷却空气限制控制和压气机压比限 制控制，各个子系统的输出通过最小值选择器到下级阀位控制器调节进入燃气轮机 的燃料量，进而改变燃气轮机的运行工况。 i 升速控制器 l 速度，负荷控制器l - 最 小 l 负葡限制控糨 值 阀门开度 选 控制器 l 排气温度控制器 择 器 l 棚空铘剐蒯器卜 l 压气机压比限制控制器卜 图3 1 燃气轮机主控制系统结构图 3 1 燃气轮机启动控制系统 阀 燃气轮机允许启动后手动操作燃气轮机的启动步程序s g cg a st u r b i n e 运 行，燃气轮机程序控制发出按预定方式启动的逻辑信号，采用s g c 子组控制算法来 实现对燃气轮机和各辅助系统的自动启动顺序控制。 图3 2 为燃气轮机正常启动时的启动控制分析图，我们可以看到燃气轮机正常 启动过程的不同阶段分别由不同的控制器来控制。总的来说燃气轮机启动控制是由 程序控制、升速控制、转速负荷控制共同作用完成的。 华北电力大学硕士学位论文 3 1 1 程序控制 1 0 0 5 0 0 启动程序控制 启动升速控制转速颀荷控制。排气温度控制 并网时问 图3 2 燃气轮机启动控制分析图 燃气轮机程序控制系统是开环控制，包括启动程序和停机程序。采用s g c 子组 控制算法来实现对燃气轮机和各辅助系统的启停顺序控制。启动程序控制是保证燃 气轮机从启动变频器s f c 带动燃气轮机升速、燃气轮机点火、转子加速直到额定转 速的过程，其中包含了一系列的辅助系统和燃料控制系统的程序命令。燃气轮机得 到启动命令后，程序控制发出按预定方式启动的逻辑信号，这些逻辑信号包括转速 信号，转速设定点控制，负荷能力选择，启动设备控制和计时器信号等，通过燃气 轮机顺序控制程序的执行，按照实际需要自动启动如锅炉吹扫、盘车系统、天然气 系统及各辅助系统。这样在各子系统正常工作的基础上就实现了燃气轮机的顺序启 动控制，图3 3 为燃气轮机启动过程总图。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 图3 3 燃气轮机启动过程总图 当g to v e r v i e w 画面显示“r e a d yf o rs t a r t ”指示灯亮，燃气轮机允许启 动。燃气轮机的启动步程序s g cg a st u r b i n e 运行，各设备和系统按顺序启动1 、 程序检查s f c 启动模式在正常状态；2 、压气机进口防潮加热器退出运行，i g v 温 度控制器激活，压气机进口挡板启动，燃气轮机主液压油泵启动运行，如果主液压 油泵故障，则备用油泵启动，润滑油及顶轴油系统启动，滑油及顶轴泵试验启动， 天然气系统运行模式处于激活状态，但未处于运行，l g v 位置管理器激活，天然气 扩散管道疏水系统启动，自动打开疏水阀，将收集的凝结水排出疏水箱，流入下游 系统等待处理：3 、发电机电压控制投入自动，s f c 启动，拖动燃气轮机升速；4 、 程序自动检查天然气疏水已准备，燃气轮机液压盘车小齿轮未合，滑油供应系统无 故障，压气机进口挡板已打开，第5 级底部、项部防喘放气阀已打开，第9 级底部 防喘放气阀已打开：5 、余热锅炉清吹启动，如果余热锅炉清吹需要，则s f c 预选 在模式1 ，燃气轮机自动启动清吹，由s f c 拖动到6 9 0 r p s 左右，清吹1 0 分钟，等 待余热锅炉控制系统的吹扫程序结束反馈信号。如果不需要余热锅炉的吹扫程序， s f c 预选在模式2 ，则s f c 直接拖动到点火转速；6 、清吹结束后，s f c 出口开关 断开，燃气轮机惰走，转速下降到点火转速3 9 6 r p s ，天然气系统启动，紧急关断阀 1 5 华北电力大学硕士学位论文 打开，天然气供应在最小点火流量o 3 7 k g s ，点火变压器通电点火，s f c 启动；7 、 点火成功后，燃气轮机进入升速阶段，燃气轮机速度 2 3 1 6 r p s ，s f c 出口开关断开， s f c 停止运行；8 、燃气轮机速度 2 9 8 2 r p s ，发电机等待并网。 3 1 2 升速控制 燃气轮机升速控制的作用是经过最小值选择器到下级阀调节燃气轮机的燃料 量。图3 1 为燃气轮机的主控制系统结构图，从燃气轮机点火开始到转速2 8 5 0 r p s 这一期间，转速负荷控制器、排气温度控制器和负荷限制控制器的输出设定为大值， 压气机压比限制控制器的功能是防止压气机进入不允许的工作状态即防止压气机 喘振，冷却空气限制控制器的功能是规范运行工况，用来防止在不当的操作状况下， 冷却空气不足以冷却燃气轮机叶片，在燃气轮机正常启动过程中不起作用，输出均 为大值，所以由升速控制器经过最小值选择器去调节燃气轮机的燃料量。升速控制 器根据燃气轮机转速调节燃料量。点火转速3 9 6 r p s 时，升速控制逻辑提供点火燃料 流量0 3 7 k s ，燃气轮机转速升到6 6 0 r p s 时，控制扩散气调节阀按规定热负荷梯度 1 打开，2 m i n ，转速升到1 5 6 0 r p s 时，扩散气调节阀按热负荷梯度2 ：4