联合循环建模与PID优化策略查重

1、联合循环的建模与孤网条件下的控制器优化绪论本文的选题背景及意义燃气-蒸汽联合循环仿真概念及发展现状仿真工具具Mattlabb/Simuulinnk本文主要要工作内内容和目目标OC60000EE控制系系统设计计2.1 新华介介绍2.2 方案设设计 第三章 联合循循环控制制系统的的建模3.1 建模的的目的及及联合循循环的原原理3.2 燃气轮轮机控制制系统建建模3.22.1 燃气轮轮机的工工作原理理3.22.2 燃气轮轮机负荷荷控制器器模型3.22.3 排气温温度控制制器3.22.4 转速控控制器3.22.5 加速度度控制器器3.22.6燃燃气轮机机整体模模型3.3 余热锅锅炉系统统模型3.4 蒸汽

2、轮轮机系统统模型3.5 联合循循环整体体模型第四章 基于粒粒子群优优化算法法的联合合孤网控控制策略略4.1 电站孤孤网运行行的特性性与控制制策略(频率/转速控控制)4.1 PIDD控制器器与粒子子群（PPSO）算算法原理理介绍4.2 优化PPID控制制器的步步骤与计计算第五章 联合循循环控制制的策略略的仿真真5.1 PID无优优化的仿仿真（汽汽轮机转转速控制制）5.2 优化的的PIDD仿真 （汽轮轮机转速速控制）5.3 整体模模型的仿仿真 （燃机机、汽轮轮机负荷荷变化）第六章 结论第一章 绪 论论课题的背背景和意意义西气东输输工程是是我国重重大的能能源项目目之一，其中的的二线管管道天然然气气源

3、源来自境境外，其其中包括括土库曼曼斯坦、哈萨克克斯坦等等中亚国国家。新新疆，宁宁夏，甘甘肃，陕陕西，河河南，湖湖北，湖湖南，江江西，广广西，广广东等地地，从天天然气到到新疆五五华虹桥桥西部中中西部农农村路线线，干线线全长约约49000千米米，全线线管道包包扩支线线总长度度超过991000千米。由于输输气距离离远较远远，输送送沿途压压损很大大，需要要在进行行沿程升升压以抵抵消压力力损失，在管线线沿途约约每间隔隔 2000公里里建设一一座天然然气升压压站（以以下简称称压气站站）。我我国西部部地区幅幅员辽阔阔，自然然环境恶恶劣，人人口相对对稀疏，在一些些偏远地地区缺少少电网的的覆盖，而压气气站大多多

4、建设在在这些地地区。因因此，采采用了燃燃气轮机机通过齿齿轮箱机机械拖动动压缩机机升压的的方式。燃气轮轮机运行行时会排排出高温温废气，温度在在47005000之间间，最高高能达到到5300。压压气站一一般配置置有GEE公司 PGTT25+SACC（额定定输出功功率311MW）以及罗罗罗公司司的RBB2111共三台台燃气轮轮机（22用1备备）。之之所以采采用这种种动力配配置是考考虑到压压气站所所处位置置的自然然条件，夏季环环境温度度高，极极端情况况下会导导致燃机机输出功功率由标标准工况况下（115）下下降为222MWW（45）。而压缩缩机的额额定功率率只有118MWW，在一一年中的的大多的的数时间

5、间内，燃燃机都处处于非额额定工况况运行，综合效效率低下下且造成成大量燃燃料浪费费。同时时，燃起起轮机的的高温尾尾未经处处理，气气直接排排放到大大气中，不仅造造成了空空气热污污染，更更是一种种热量的的浪费。这与当当今倡导导“节能能减排”型社会会的理念念不相符符合，有有必要对对这部分分热能进进行回收收利用。因此，有有方案提提出将压压气站其其中一台台燃气轮轮机改造造为燃气气-蒸汽汽联合循循环发电电，将压压气站改改造成一一个小型型孤网电电站，再再通过电电动机驱驱动2台台压缩机机。经过过计算，如果联联合循环环通过补补燃的方方式可以以输出约约44MW电力上上网，完完全可以以满足压压缩机约约36MW的电力力

6、需求。这样不不仅回收收利用了了废气的的余热，还减少少了一台台燃气轮轮机运行行带来的的燃料消消耗，提提高了压压气站的的整体运运行效率率。经核核算，每每年可节节约燃料料费3000050000万元元，减少少碳排放放5.44266.544万吨，改造方方案具有有良好的的经济价价值和社社会价值值。但是随之之改造方方案设计计的深入入，孤网网条件下下联合循循环的控控制与调调节成为为设计方方案的难难点与重重点。电电厂在孤孤网运行行条件下下的控制制策略尤尤其是二二次调频频/调速控控制一直直是电力力行业研研究的重重点。国内外研研究的现现状 孤网运运行频率率调节区分大电电网和小小电网，有一个个界限值值“8%”，这个个

7、数值是是电网中中的最大大单机容容量，如如果大于于这个数数值，我我们称这这个电网网为小电电网，反反之，如如果小于于这个数数值，我我们将这这个作为为大网络络。孤网网是孤立立的小网网，通过过一个“孤”字，就就可以明明白，它它从主网网中孤立立出来，不随大大电网的的性能而而转移，自己单单独成立立一个系系统独立立运行1。在我们们熟知的的大电网网中，当当其中的的任意一一台机组组发生故故障甩负负荷，都都可以从从锅炉中中的热备备用或者者转动惯惯量中的的旋转备备用中获获取能量量来弥补补2，容错错率高。而小网网由于总总容量小小，单机机容量就就显得很很大，发发生事故故对整个个孤网系系统冲击击明显，容错率率低33。但但

8、是大电电网有个个问题就就是不能能覆盖世世界的每每一个角角落，对对于这些些大电网网所不能能覆盖的的区域，小电网网的安全全稳定的的运行，就显得得尤为重重要44。再再比如说说，孤网网运行工工况还大大面积存存在于大大型的工工矿企业业，包括括对应的的自备电电厂和下下游的工工业负荷荷。再有有就是国国外的一一些不发发达或欠欠发达地地区，由由于技术术储备和和物质供供应较差差，电网网建设不不够健全全，这对对于出口口到该地地区的机机组就需需要有满满足孤网网运行的的要求【5】。发电机是是电力的的源头，其与孤孤网共同同构成了了电力系系统66。用用户和所所有的发发电机组组通过电电网联系系在一起起。发电电机组的的作用是是

9、保证系系统电压压和频率率的稳定定，在电电网和负负荷之间间架起一一段平衡衡的桥梁梁7。发电机组组的调速速系统是是发电机机组的重重要环节节6，由理理论可知知，频率率的变化化与转速速相关，当下游游负荷突突然甩动动造成的的转速飞飞升，会会使频率率短时间间内大幅幅波动，这就要要求调速速系统对对其进行行控制，避免事事故的发发生，我我们通常常称之为为一次调调频77。每每台机组组的一次次调频中中相应的的控制参参数都不不一样，设计者者会因地地制宜，提供最最合理的的参数设设置，已已达到调调频性能能最优的的方案8。一旦发发电单元元中的控控制系统统已经决决定了FFM的性性能9，则在在没有发发电单元元的发电电机的情情况

10、下的的控制系系统，调调节的目目标是转转速，而而当发电电机组与与主网相相连接后后，调节节的对象象发生转转变，从从转速变变为电网网的频率率，主要要的调节节途径是是对发电电机的输输出进行行控制10，并和和其他机机组进行行相应的的通信连连接，保保证控制制方式的的即时可可靠，使使频率控控制在允允许的范范围内；同时，还会有有一些特特殊的状状况，就就是机组组的突然然跳闸，对于这这一事故故，调速速系统会会通过相相应的控控制方式式投入备备用的发发电机组组，保证证转速不不会突然然降低，从而使使电网平平稳的运运行111。随着科科学技术术的进步步，调速速系统也也在与时时俱进的的发展12，现阶阶段应用用最为广广泛的就就

11、是数字字电液调调速系统统，DEEH 在在最初的的机械液液压调速速系统中中做了明明显的改改进113，无论是是在装置置的选用用还是技技术的运运用，都都有明显显的提高高，但是是不得不不说的是是，DEEH 在在某总程程度上却却限制了了一次调调频的性性能。所所以我们们需要新新技术的的支持和和研究14，但也也要根据据系统的的实际情情况，合合理的增增减相应应的配套套装置，对于调调速系统统，我们们更应该该从两个个方面因因地制宜宜的加以以改进，一个是是参数的的设置15，另一一个就是是控制方方式的选选择116，是调速速系统发发挥调频频作用的的关键，也是一一项意义义非凡的的工作。同时，当当负荷波波动十分分剧烈特特殊

12、情况况下，一一次调频频调控范范围将受受到限制制177，即即便将限限幅全部部放开，勉强达达到调频频的目标标，也会会对电网网造成强强烈的冲冲击，对对孤网电电压造成成严重影影响，同同时也会会削减发发电机组组的寿命命188。在孤网运运行中事事故发生生的过程程中，开开始都是是局部的的小故障障，由于于不能及及时的解解决，从从而导致致事故的的无限的的扩展和和蔓延，最终的的结果就就是电网网解列和和整个孤孤网崩溃溃199。如如果故障障发生在在萌芽阶阶段，就就能通过过机组的的调节能能力和相相应的配配合装置置消灭隐隐患，迅迅速作出出调整，重建发发电侧和和用电网网侧的新新的平衡衡，使电电网的关关键性能能指标频频率和电

13、电压始终终保持着着合理的的区间，让事故故在最初初阶段就就被扼杀杀，不让让其无限限蔓延滋滋生220。现阶段国国内外对对于一次次调频的的调速系系统的结结构、参参数及其其运行方方式的研研究，重重点放在在应用电电力系统统仿真软软件，以以期结合合已有的的理论知知识，解解决实际际运行中中发生的的问题。文献221通通过在频频率和时时间两个个方面分分析得出出系统中中阻尼的的规律是是如何受受到调速速系统参参数的影影响，并并给出了了如何设设置相关关的参数数;文献222提提出的相相应方案案主要是是针对低低频低压压减载，通过对对实际生生产中模模型的建建立，反反复调节节关键参参数，得得到一组组是调频频性能最最优的方方案

14、，得得出的结结论是，调速系系统PIID 参参数设置置不当引引发系统统振荡的的主要原原因，同同时指出出系统频频率的稳稳定与否否与调速速系统参参数设置置的科学学性有直直接的关关系;文献223运运用了对对比法，通过不不同的试试验给出出的结论论是系统统参数设设置的不不合理和和控制方方式选用用不当，是调速速系统调调频性能能较差的的主要原原因，提提出在以以往的研研究中所所运用到到的模型型都比较较固化也也有大多多的简化化244，不不能很好好地反应应出实际际的效果果，没有有普遍的的适用性性，所以以在本文文的研究究，通过过一个科科学的方法找出出一种普普遍适用用的方案案解决调调速系统统中存在在的相关关问题，是本文

15、文研究的的重点，也是研研究的难难度之一一。孤网运行行中的有有功出力力和负载载侧的不不平衡，在火电电厂中，超速保保护装置置（OPPC）是是电液调调节系统统（DEEH）中中一项非非常重要要的功能能255，主主要的作作用是在在突然甩甩掉大负负荷的情情况下抑抑制汽轮轮机的转转速飞升升，保护护发电机机的安全全。但是是，如果果OPCC 的参参数设置置不合理理266，那那么脱离离大电网网的孤网网，在负负载波动动的情况况下，会会产生强强烈的功功率和频频率上的的震荡现现象，如如果这种种震荡不不能及时时的解决决，将会会给大电电网带来来巨大的的冲击27，所以以这时孤孤网及时时的脱离离主网将将是非常常重要的的举措。为

16、进一一步研究究孤网运运行的稳稳定性，本文建建立了孤孤网的数数学模型型，并仿仿真孤网网运行负负荷震荡荡的特殊殊工况。对OPPC 控控制逻辑辑进行了了改进，结果表表明增加加限幅或或者去除除限幅的的限制，能更好好的利用用OPCC 保证证孤网运运行的安安全和稳稳定228。近几年年，大容容量电力力系统是是世界各各地发展展的大趋趋势，但但因电气气设备故故障或其其他的故故障，为为避免造造成大电电网的崩崩溃，大大电网会会在没有有预知的的情况下下解列成成孤立的的小网。小网的的容量不不大，但但在解列列后仍能能正常运运行。孤孤网运行行最值得得关注的的特点是是负荷控控制一匝匝频率控控制和控控制系统统具有满满足要求求的

17、静态态特性29，具有有良好的的稳定性性和动态态响应特特性， 保持自自动电网网周波数数的稳定定300。在在中国电电网发展展的初期期，电网网结构比比较简单单，许多多电厂都都就自给给自足，然后将将过剩的的电能发发到主网网中去以以平衡冗冗余功率率311。电电缆型号号普遍是是1100KV 的，如如果主网网电压升升高，那那么地方方从孤网网上取电电就相对对容易些些322。如如果主网网电压是是2200KV，那么孤孤网就要要通过发发电机的的参与是是电压达达到1110KVV。孤网网运行发发生的概概率随着着主网的的电压升升高而升升高333。另一方方面，当当震荡发发生在一一个特定定的电网网上，那那么这个个电网要要自动

18、解解列以阻阻止更大大范围为为的震荡荡带来不不良的后后果。目目前，OOPC 控制逻逻辑是汽汽轮机电电液调节节系统（DEHH）的一一个重要要组成部部分334，但发生生在世界界各地的的许多停停电事故故表明，在一些些特定的的情况下下，OPPC 的的控制逻逻辑的参参数整定定是不合合理的。在这种种情况下下，OPPC 控控制逻辑辑可能无无法实现现超高速速控制，导致调调节阀停停止和频频繁打开开，以至至于造成成功率和和频率的的震荡，这对汽汽轮机和和电网都都会带来来不良后后果。由OPCC 的控控制原理理可知35，当转转速超过过30990 转转（超过过额定转转速的1103%）时，DEHH 通过过关闭高高压和中中压阀

19、门门进行调调节。当当转速低低于额定定转速时时，DEEH 系系统去除除“关阀”的信号号，转为为调速系系统调节节阀进行行控制36。设置置OPCC 控制制逻辑主主要是为为了防止止在负荷荷突然甩甩掉的情情况下抑抑制转速速飞升和和频率的的震荡。那孤网网不稳定定的原因因主要是是因为其其容量和和旋转备备用容量量都相对对于大电电网要小小很多37，在发发生短路路等极端端情况下下，功率率震荡会会更为剧剧烈，严严重的情情况会导导致整个个电网的的瘫痪，严重威胁胁到企业业的正常常生产和和居民的的生活。因此，一次调调频和OOPC 控制参参数的研研究对孤孤网频率率稳定性性控制有有着重要要的意义义233 ，它能避避免不必必要

20、的停停电耽误误生产和和生活，还能为为正常安安全的用用电提供供指导。经常用用到这个个水轮机机的数学学模型来来分析仿仿真其在在额定状状态下的的动态特特性，由由于甩负负荷状态态是一个个比较强强烈的波波动工况况，我们们必须研研究其非非线性特特点和OOPC控控制逻辑辑信号来来考虑孤孤网的稳稳态性能能388。出出于这个个目的，两个重重要的问问题首先先要被解解决339。第一，在额定定条件，负荷扰扰动较小小的情况况下，可可以用更更加精确确的数学学模型将将扰动线线性化加加以分析析。在大大的扰动动下，这这个模型型将因为为非线性性特性不不可以再再进行使使用。第第二，汽汽轮机进进气口的的开度会会随着转转速、功功率、压

21、压力信号号的指示示而变化化400，同同时，在在出现大大负荷扰扰动的情情况下，OPCC 系统统将成为为主导，对转速速进行控控制，OOPC 会痛快快快速的的关闭调调节阀来来抑制转转速飞升升和系统统的震荡荡。其起起OPCC 装置置过渡动动作，文文献441就就提出了了两台某某厂实际际运行中中，就是是由于OOPC 的过渡渡动作导导致电网网频率的的频繁振振荡，最最后引起起全厂停停电的事事故。文文献442介介绍了在在目前国国内一些些孤网运运行的电电厂中通通过改变变设置相相应参数数改进DDEH 一次调调频的性性能。还还有一个个问题就就是孤网网运行时时，现场场人员必必须参与与，而且且技术储储备和知知识储备备跟大

22、电电网相比比都相对对匮乏，有一定定的局限限性443；再有就就是主要要通过实实验的方方法，来来研究处处理突发发状况的的途径，但是却却局限在在某种特特定的情情况，并并且实验验本身还还存在一一定的风风险。所所以无论论是从理理论还是是技术出出发，对对孤网调调频系统统的研究究，都显显得尤为为重要44。联合循环环的控制制装置通常情况况，燃气气-蒸汽汽联合循循环电站站由燃气气汽轮机机机组和和蒸汽轮轮机机组组分别发发电并网网，但无无论是那那种发电电机组，控制系系统中都都包括了了很多PPID控制制回路。PIDD控制器器可谓由由来已久久且被广广泛的应应用于全全世界各各国的工工业控制制及自动动化领域域。在我我国的工

23、工业领域域发展应应用中，PIDD 控制制器也具具有无可可取代的的重要位位置119。PIDD 控制制规律没没有复杂杂繁琐的的原理，操作简简单，易易于掌握握，具有有良好的的通用性性和控制制性能。通过应应用合理理有效方方法，可可以整定定得出效效果良好好的控制制参数，从而更更好的满满足控制制要求。在计算算机应用用技术逐逐渐发展展起来的的今天，您可以以提供使使用计算算机，数数字平台台过滤器器 - PIDD积分隔隔离PIID控制制，寻找找像优秀秀的PIID控制制方式20。初始始普通正正常仪表表在现场场进行现现场控制制，并在在人工操操作控制制器时进进行控制制，有许许多要求求和技术术都不能能达到，然而采采用以

24、计计算机技技术为基基础的 PIDD 控制制方式，可实现现对于被被控对象象的模糊糊控制和和控制参参数的在在线自整整定。对对于联合合循环装装置的控控制而言言，采用用 PIID控制制可提高高效率，环保节节能，达达到更高高的控制制要求和和控制功功能。本文任务务回顾孤网网运行的的控制策策略以及及燃气-蒸汽论论联合循循环机组组控制策策略及控控制装置置。基于新华华OC660000e提出出压气站站改造控控制系统统设计方方案3) 建建立燃机机-蒸汽汽联合循循环的数数学模型型及控制制模型4）（模模糊控制制？）粒粒子群PPSO优化化PIDD控制器器5）仿真真验证孤孤网条件件下的控控制策略略及粒子子群优化化PIDD控

25、制器器第二章 基于新新华OCC60000e系系统的控控制系统统方案2.1 新华OOC60000ee介绍组态软件件是一个个模块化化建模及及运行的的集成环环境，其其以图形形化模块块为基本本单位，通过模模块间输输入输出出的连接接来实现现中间数数据的传传递，以以此来构构建数据据交互和和系统分分析的整整个过程程。该联联合循环环机组性性能监测测诊断系系统是依依托GEE新华控控制工程程公司的的OC660000e 组组态平台台，利用用该软件件平台的的自带数数据库及及其系统统配置、组态建建模和图图形界面面的编辑辑功能，实现机机组运行行时的性性能监测测和故障障诊断。OC660000e 软软件是美美国通用用集团在在

26、其既有有的分散散式控制制系统的的基础上上，结合合其在电电站控制制方面的的工程经经验所研研发的控控制系统统，如图图4 所示示2.2 联合循循环控制制系统的的设计2.2.1 动动力配置置将现有一一台燃机机改为燃燃机-蒸蒸汽联合合循环机机组通过过余热锅锅炉回收收部分高高温烟气气的热量量。必要要时通过过补燃的的方式就就可为余余热锅炉炉提供能能量，从从而汽机机处于全全额发电电状态，为电网网提供足足够电力力。新系系统动力力配置如如图1所示。考虑到到设备效效率因素素，联合合循环上上网功率率可达444MWW,可以以满足两两台压缩缩机366MW的的需要。图1 动动力配置置示意图图Fig.1 PPoweer cc

27、onffiguurattionn scchemmatiic方案中燃燃气轮机机发电机机组为一一用一备备，增加加燃气进进气冷却却系统，确保机机组在极极端环境境温度条条件下的的功率输输出，最最大限度度提高燃燃气轮机机的出力力。同时时配置双双压补燃燃型余热热锅炉，确保蒸蒸汽轮机机的出力力。增加加两台电电动机用用以驱动动现有压压缩机。改造后后的压气气站工艺艺流程如如图2所所示 。2.2.2 主主设备参参数（一）燃燃气轮机机参数表表参数名称称符号单位怠速状态态最大状态态极限运行行值余热锅炉炉参数名称参数数值产品类型型双压余热热锅炉主汽蒸汽汽量t/h32主汽蒸汽汽压力MPa3.5主汽蒸汽汽温度43810补气

28、蒸汽汽量t/h9补气蒸汽汽压力MPa0.155补气蒸汽汽温度140余热锅炉炉效率%75.77(三) 蒸汽轮轮机参数数名称参数数值额定功率率KW90000额定转速速r/miin30000额定进汽汽压力及及变化范范围 MPa3.433-0.20.2 (绝对)额定进汽汽温度及及变化范范围435-15+10额定进汽汽流量t/h32补汽温度度140补汽压力力MPa0.155背压kPa5额定补汽汽流量t/h9汽轮机本本体重量量t462. 33 控制制系统构构成本改造造方案为为压气站站新增的的蒸汽轮轮机控制制系统、水处理理及水循循环系统统、余热热锅炉（HRSSG）控控制系统统、进气气冷系统统却等由由一套双双

29、冗余分分散控制制系统（DCSS）进行行控制，在原厂厂DCSS系统通通讯时，同时将将MARRK VVIe控控制系统统升级为为燃气轮轮机控制制系统的的MARRK VVIEWW，控制制系统结结构如图图3所示示。图2 压压气站工工艺流程程图Fig.2 Proocesss ffloww chhartt off prresssuree sttatiion新增的DDCS系系统采用用GE新新华公司司OC660000e一体体化控制制平台系系统。控控制系统统的网络络分为一一下两个个部分：(1) PDHH分类信信息网络络：冗余余约1000 MMbpss，FTT实时高高速以太太网。实实时高速速以太网网在容错错的基础础

30、上采取取多重冗冗余技术术；(2) UDHH 单元元控制信信息网：1000Mbpps 实实时控制制信息网网用于控控制器之之间的通通讯，不不直接对对外开放放。它提提供燃机机控制器器、汽机机控制器器等系统统间的高高速端与与端对等等的通讯讯。带有稳定定PDHH双稳态态双通道道通信网网站的DDCS MARRK VVIe系系统的实实现。 采用以以太网TTCP-IP GSMM通信协协议。 Marrk VVIe系系统配置置站在GGSM冗冗余接口口上，站站在DCCS系统统安装的的多功能能接口上上，所有有接口站站有两个个网。整整个通信信系统构构成四个个通信通通道，任任何时刻刻有一个个通道保保持工作作，其他他三个为

31、为备用通通道，保保证压气气站DCCS 系系统与MMARKK VIIe系统统间的数数据通讯讯的可靠靠性。新增DCCS控制制系统同同样采用用双冗余余控制网网络，与与压气站站原DCCS系统统通过PPDH信信息网进进行数据据通讯。两个操操作员站站在一起起，一个个工程师师站和累累积站。新增的汽汽轮机控控制系统统（ETTS、TTSI、DEHH）、进进气冷却却系统、余热锅锅炉控制制系统、水循环环控制系系统等均均布置于于新增DDCS系系统中。配置1 套GPSS网络时时间服务务器，向向全站各各控制系系统发送送标准同同步时钟钟信号。图3 压压气站DDCS系统统结构图图Fig.3 SStruuctuure diaa

32、graam oof DDCS sysstemm主要控制制功能2.4.1机组启停停过程的的顺序控控制主要要包括：辅机运运行，机机组启动动前准备备，按压压缩机/余热锅锅炉/火火/涡轮轮机顺序序启动，机组正正常停机机，机组组急停。联合循环环机组在在孤网条条件下运运行，根根据需求求，特别别是锅炉炉，锅炉炉和涡轮轮机的苹苹果酒系系统停止止逻辑和和旁路系系统保护护逻辑。系统启动动总体顺顺序：黑启动（柴油发发电机启启动）燃机辅助助系统启启动燃机发电电机启动动，燃机机启动，稳定后后并网余热锅炉炉和汽轮轮机辅助助系统启启动燃气余热热送至余余热锅炉炉余热锅炉炉启动汽轮机满满足启动动条件启启动，稳稳定后并并网单台压

33、缩缩机辅助助系统启启动单台压缩缩机高压压变频稳稳定启动动第二台压压缩机辅辅助系统统启动第二台压压缩机高高压变频频稳定启启动2.4.2 回回路控制制主要控制制进气冷冷却，压压缩机，并控制制燃料的的速度/负荷/燃料/温度/同步控控制，锅锅炉水位位/温度度/压力力控制，汽轮机机转速/负载/同步控控制、孤孤网电压压控制等等。2.4.3 负负荷控制制（详细细说明控控制策略略）燃气轮机机负载的的变化可可以最终终改变，从而可可以制造造燃料行行程标准准FSRR。燃气气轮机 MARRK VVI控制制系统通通过接收收负荷中中心的指指令自动动调整燃燃料基准准运行模模式来改改变功率率输出。燃气轮轮机在联联合循环环机组

34、负负荷控制制中起主主要作用用。余热锅炉炉的负荷荷变化主主要取决决于燃气气轮机的的排烟温温度和流流量变化化，由于于三通挡挡板为全全开、全全关式，无法调调节烟气气流量，因而余余热锅炉炉在联合合循环机机组负荷荷控制中中起的作作用有限限。汽轮机的的功率负负荷变化化是通过过改变调调节汽门门开度来来改变进进汽量，进而控控制汽轮轮机出力力。在系系统运行行中汽轮轮机DEEH系统统通过接接收负荷荷中心的的指令自自动调节节进汽量量来改变变功率输输出，由由于汽轮轮机的进进汽量需需要余热热锅炉来来保证，从源头头讲汽轮轮轮机的的负荷变变化仍然然依托燃燃气轮机机的负荷荷变化，在联合合循环机机组负荷荷控制中中起少量量辅助作

35、作用。在孤网条条件下，系统只只需要接接收操作作员输入入的升负负荷指令令，自动动调节负负荷分配配；而遇遇到甩负负荷情况况时，机机组的负负荷控需需要更快快速的响响应时间间。2.4.4 频频率控制制 （详详细说明明控制策策略）孤网容量量小，负负荷变化化频繁且且复杂，在传统统的奥术术导航中中，最突突出的特特点就是是用户的的负载经经常在变变化的情情况下保保持自动动电网周周波的稳稳定，以以保证每每周一次次的负载载控制频频率控制制。一旦旦FM成成为燃气气轮机面面临的主主要问题题，当电电网出现现功率负负荷不平平衡后，在控制制系统设设置不变变的情况况下，通通过燃气气轮机调调节系统统的反馈馈动作改改变输出出速度，

36、使功率率负荷达达到新的的平衡，频率恢恢复稳定定。另外外，综合合考虑燃燃气轮机机热部件件、余热热锅炉的的寿命等等因素，对燃气气轮机满满负荷一一次调频频功能进进行限制制设置：以保证证在机组组能够承承受的范范围。这这种设置置可以确确保燃气气轮机、余热锅锅炉等设设备安全全。在FM的的动作之之后，稳稳定的频频率最终终转移到到了等级级。通过过手动修修改，KKreiis系统统的系统统和系统统控制系系统的设设置是额额定范围围，二次次控制。2.4.5 控控制系统统（BPPS）旁路系统统包括控控制、阀阀门及电电动执行行机构。在机组组启动过过程中，必须先先启动高高速启动动，启动动时间短短，汽轮轮机损坏坏前的高高压旁

37、路路，以满满足机组组的要求求，汽轮轮机跳闸闸等保护护动作 高压旁旁路也必必须快速速打开，保护锅锅炉汽包包超温超超级压力力。两种类型型的旁路路控制“自动”和“远远程控制制手册”，优先先于前者者，并且且在两种种类型之之间相互互跟随和和无干扰扰之间切切换。旁路系统统具备以以下护功功能：发电机甩甩负荷发电机油油开关跳跳闸汽轮机跳跳闸，自自动主汽汽门关闭闭蒸汽压力力设置为为安全保保护设置置值（安安全阀跳跳闸值略略低）。方案的难难点和问问题：孤孤网条件件下，电电网负荷荷变化大大，波动动频繁，在遇到到甩负荷荷情况时时，燃机机控制系系统 MMARKK VII 能够够完成本本能够一一次及二二次调频频的工作作，但

38、是是对于补补燃型余余热锅炉炉与汽轮轮机的发发电机组组来说 ，需要要对调速速调速系系统及策策略进行行验证和和优化，并在研研究联合合循环整整体的环环境下进进行测试试。第三章 联合循循环控制制系统的的建模联合循环环的原理理联合循环环装置主主要由三三部分组组成，即即燃气轮轮机、蒸蒸汽轮机机和余热热锅炉，并且包包括其所所驱动的的负载和和一些辅辅助组成成部分。为了建建立数学学模型及及仿真模模型，并并对其负负荷变化化时的控控制策略略和特性性进行仿仿真研究究打下基基础，首首先对联联合循环环装置的的工作原原理和运运行特性性进行研研究。联合循环环装置将将燃气轮轮机做功功后排出出燃气所所产生的的余热利利用起来来，通

39、过过余热锅锅炉的换换热，产产生过热热蒸汽带带动蒸汽汽轮机发发出功率率，从而而利用了了余热多多发出一一部分功功来驱动动负载。联合循循环装置置将处于于上层高高温热力力循环的的燃气轮轮机和处处于中低低温热力力循环的的蒸汽轮轮机以一一定的方方式联结结，组成成一个总总的能量量利用系系统224。它通过过将燃机机和汽机机这两个个早己成成熟的动动力装置置结合起起来，以以达到将将能量阶阶梯式利利用的目目的。图图 2-1 为联联合循环环装置温温熵图。图 2-1 联联合循环环装置温温熵图由图中可可以看出出，A11代表燃燃气轮机机发出的的功，AA2代表表蒸汽轮轮机发出出的功，B与B2的面面积之和和为整个个联合循循环装

40、置置向外界界散失的的能量，联合循循环装置置的整体体循环效效率ccc= (A11+ AA2)/(A11+ AA2+ B1+ B22)。所所以，相相比于单单独的燃燃气轮机机或蒸汽汽轮机，采用联联合循环环装置可可以更充充分的利利用热能能，将二二者结合合在一起起的循环环效率要要显著的的高于单单独使用用某一个个机组。目前，普普通燃气气 - 蒸汽联联合循环环系统采采用的余余热锅炉炉燃烧式式燃烧和和再燃烧烧式。 非再燃燃式余热热锅炉，回收锅锅炉回收收燃气轮轮机废气气余热，结构简简单，投投资少，由于额额外加油油，所以以没有燃燃烧系统统，因此此它是高高度可靠靠的，但但燃气轮轮机 置置换量，温度限限制，余余热锅炉

41、炉蒸汽的的蒸汽参参数难以以控制。 燃气气轮机的的压力太太高，蒸蒸汽参数数的参数数不容易易。 这这种类型型的余热热锅炉出出生蒸汽汽量低，对于非非再燃式式余热锅锅炉，至至少相同同的蒸汽汽发生流流量消耗耗燃料锅锅炉比平平时的778。【】在联合国国流通体体系中，每个设设备都有有各种功功能。 由于外外界环境境的负荷荷和温度度的变化化，燃气气轮机总总是处于于运行状状态，燃燃气轮机机的排气气量和温温度变化化幅度大大，速度度快，汽汽轮机所所需蒸汽汽热力参参数要求求稳定 现在还还为时过过早，即即使滑动动压力正正在运行行，也没没有太大大的变化化。 接接收燃气气轮机排排气参数数配合汽汽轮机和和所需的的蒸汽参参数，同

42、同时需要要余热锅锅炉运行行，以适适应燃气气轮机的的变化，满足汽汽轮机的的需求，余热锅锅炉 模模式执行行期间的的热结构构设计，系统控控制等。本文中中改造方方案为补补燃型余余热锅炉炉，在电电网负荷荷小范围围变化时时，燃气气轮机负负责对负负荷变化化进行调调整，余余热锅炉炉通过补补燃方式式继续保保证蒸汽汽轮机稳稳定在额额定工况况运行。在电网网发生550%及以以上甩负负荷工况况时，余余热锅炉炉停止补补燃，蒸蒸汽轮机机滑压运运行。因因此在余余热锅炉炉的建模模过程中中，将参参照非补补燃型余余热锅炉炉的特点点进行设设计，并并在控制制系统模模型中加加入两种种模型的的切换。图2-11 联合合循环控控制系统统示意图

43、图在图中22-2联合循循环发电电系统由由燃气轮轮机和余余热锅炉炉/汽轮轮机组成成，燃气气轮机控控制系统统主要由由负荷/速度控控制系统统，温度度控制系系统，加加速控制制系统和和压缩机机进口的的领导者者 控制制系统，燃气轮轮机可调调量：燃燃油流量量w，压压缩机进进口导向向开度（IGVV）。燃燃油流量量是通过过速度控控制系统统，温度度控制系系统和加加速度控控制系统统完成的的低级设设计师。加速度度控制系系统在其其中，实实际加速速度极限限，燃气气涡轮机机的加速速过程以以限制系系统，甩甩负荷或或启动燃燃气轮机机瞬态过过程中的的旋转速速度控制制系统，以帮助助动力学学后的效效果在允允许范围围内，温温控人员员实

44、际限限制其系系统，调调节系统统调节燃燃气轮机机燃油流流量的超超热燃烧烧，保证证燃气轮轮机正常常运行和和使用寿寿命。高高效率，预期的的燃烧排排气温度度，接近近已知变变化的规规律逼近近废热锅锅炉进气气温度的的设计。通过调调节该要要求，制制成压缩缩机入口口导管IIGV，并且在在燃气轮轮机的模模式期间间，当设设定涡轮轮排气温温度保存存背心。为此，联合国国循环机机构的工工作方法法形成以以下一部部分：1)负荷荷调节：响应于负负载参考考速度，通过负负载控制制器负载载快速增增加通过过减少给给定单元元的负载载输出控控制达到到燃料标标准，通通过改变变负载非非负载控控制器，负载控控制器来来改变速速度控制制器设置置值

45、 ，消防单单位材料料的用途途。2)转速速控制：必须采取取联合发发电燃气气轮机，控制系系统，并并通过调调整方法法进行负负荷调整整。 调调节系统统是一个个比例调调节器，与调节节器的输输出，调调节器的的输入，转速参参考值与与调节器器输入的的输入之之间的偏偏差成正正比。 在实际际协调运运行中，转速控控制系统统是调节节燃气轮轮机输出出的最基基本的方方式。 调整速速度参考考值（图图中的SSET点点 - 返工期期间的SSET点点），输输出的燃燃油参考考值改变变调整参参考速度度与实际际实际转转速之间间的偏差差，根据据负载调调整。3)加速速度控制制：为了限制制燃气轮轮机机组组的安全全性，对对燃气轮轮机加速速度控

46、制制系统起起到非常常重要的的作用，在某些些特殊情情况下保保证其设设定值不不超过转转子的角角加速度度。 在在同一温温度控制制系统中中，加速速度控制制系统效效果有限限，一般般情况下下无效，燃气轮轮机突然然断电威威慑动态态速度和和启动过过程限制制了汽轮轮机的启启动加速速率热量量部分的的热量减减少 影影响行动动。 由由于比例例积分，加速燃燃油标准准。 根根据实际际的加速速度，积积分结果果降低到到燃料标标准的加加速设定定值，燃燃料量减减少，加加速度增增加受限限。4)温度度控制：温度控制制系统的的主要作作用是保保持进口口限制涡涡轮机温温度T33，在一一定温度度下涡轮轮机进口口叶片损损坏受损损。 在在排气温

47、温度下团团队对涡涡轮进口口温度的的具体反反应，即即T3高，T4也升升高；TT3低，T4也降降低。同同时，由由于T33过高，对其进进行测量量的困难难很大。因此，温度控控制系统统并不直直接对TT3进行行控制，而是对对T4进行行控制，从而间间接实现现对T33进行调调节。温度控制制在联合合循环发发电厂中中起着非非常重要要的作用用。 温温度控制制正常压压缩机进进气口调调节泄漏漏和调节节燃油流流量来调调节温度度，温度度控制器器未调节节，通常常压缩机机进气口口调节优优先进行行燃油控控制。 压缩机机进口叶叶片改变变风量调调节燃烧烧器废气气温度接接近已知知规定的的变化设设计废热热锅炉进进气温度度。 确确保联合合

48、循环具具有较高高的热效效率。根据以上上分析，Uppper先先生的控控制系统统诞生了了，燃油油标准，这个燃燃油参考考指令被被选为最最小值选选择器，燃油供供给系统统的燃油油参考指指令最少少。 从从动态特特性的角角度来看看，燃气气轮机和和汽轮机机有许多多不同点点。 一一个明显显的区别别是燃气气轮机必必须保持持维持大大部分燃燃料流量量所需的的燃料流流量。5)余热热锅炉和和汽机系系统：（补燃型型 所以以输出蒸蒸汽联恒恒定）与传统的的锅炉涡涡轮式火火力发电电机组相相比，再再燃烧式式余热锅锅炉无法法实现的的燃料调调节转化化为被动动提供燃燃气轮机机排气的的热力涡涡轮机的的机械性性能，同同时， 由于联联合循环环

49、机组产产出比例例较小（约300201），通常对对汽轮机机的控制制通常是是简化的的，以控控制一般般的汽轮轮机，最最大余热热利用气气体， 汽轮机机集成循循环只适适用于压压力控制制设计模模式，而而且更为为普遍。但是对于于燃机轮轮机排气气温度（5033）较较低的本本系统选选择补燃燃型余热热锅炉可可以保证证汽轮组组的最大大出力，从而保保证电网网有足够够的电力力拖动两两台压缩缩机。补补燃新余余热锅炉炉的输出出蒸汽量量可以视视为恒定定值。3.2 燃气轮轮机控制制系统建建模3.2.1 燃燃气轮机机的模型型燃气轮机机是联合合循环装装置最主主要组成成部分之之一，为为建立合合理的数数学模型型，现做做出以下下假设：1

50、）进入入压气机机的空气气的温度度等于外外界环境境温度；2）进入入压气机机和透平平内作为为工质的的气体被被认为是是理想气气体； 3）气体体作为工工质与外外界进行行热量交交换的过过程中，焓的变变化相对对很小，热传递递量可以以忽略不不计； 4）燃料料在燃烧烧室内充充分燃烧烧。 燃气轮机机模型的的建立分分为多个个模块，通过将将各个部部件的模模块分别别建模，然后连连结成为为整体的的燃气轮轮机模型型。（一）压压气机模模块压缩机的的作用是是对空气气中的压压缩进行行恒定的的压力，然后与与燃烧室室和燃料料混合。 提高高燃料对对高压空空气的燃燃烧效率率的工作作原理是是通过气气体的增增压强度度和能量量向高速速旋转叶

51、叶片逐渐渐提供燃燃烧室完完全燃烧烧。若将压气气机内部部作为工工质的空空气在流流动时的的质量和和动量视视为近似似于零，且认为为压气机机内部与与外界的的能量损损失和压压气机内内部的容容积可以以忽略不不计，则则压气机机部件的的特性方方程可确确定如下下： c=f1(GinT1P1 ,n/T1 ) (4-1)c=f2(GinT1 P1,n/T1) (4-2)式中1，2是压气气机特性性函数，可由压压气机特特性曲线线获得本文采用用模块库库中的二二维查表表函数模模块方式式，通过过设置离离散点的的数值，采取线线性插值值法计算算压气机机工作特特性，然然后采用用外插查查表模块块的方式式对其特特性进行行描述。然后，通

52、过与与不同的的转换速速度不同同的转换换流量来来计算压压缩机的的压缩比比效率。其中n/T1为折合合转速，GinT1/P1为折合合流量，Gin为进口口流量，T1为进口口温度，P1为进口口压力，c为压比比，c为效效率。T1= TaT2= T11+ckc-1kc-1c (44-4) P1=Pa1-1 (4-5)P2=cP1 (4-6) Nc=GinCpa(T2-T1) (4-7)式中，1为为压力损损失系数数，Pa为大大气压力力，Ta为大大气温度度，T2为出出口温度度，kc为空空气比热热比，P2为为出口压压力，Cpa为为空气的的定压比比热，Nc为为压气机机功耗。（二）容容积模块块在各个部部件之间间，工质

53、质流动时时，其连连接空间间可近似似看作一一个整体体部分35，即为为容积模模块。由由于工质质在不同同部件间间迅速流流动，滞滞留的时时间短，所以近近似的认认为工质质向外界界环境的的热量损损失以及及进出容容积模块块的压差差可以忽忽略不计计。对于于连接部部分工质质的纯流流动，计计算容积积模块入入口和出出口之间间的流量量差而产产生的压压力差，认为容容积内工工质的平平均压力力为 PP，容积积模块的的数学方方程为：dpoutdt=RTinv(Gin-Gout) (44-8)式中，PPoutt为容腔腔出口总总压，RR 为气气体常数数，Tin为容容腔进口口总温，V 为容容积，tt 为时时间，GGin、Goutt

54、分别为为容腔进进出口流流量。图 容积积，模块块（三）燃燃烧室模模块在燃烧室室中，高高压的空空气被持持续不断断的送入入，与燃燃料混合合后并充充分燃烧烧，产生生作为工工质的高高温燃气气，以驱驱动透平平发出功功率。燃燃烧室的的出口压压强P3=P2b (4-99)式中，PP2、PP3分别别为燃烧烧室进出出口压强强，bb为燃烧烧室压力力恢复系系数。 燃烧室室的出口口温度为为：T3=GincpT2+LHVbGf(Gout+Gf)cpT2+LHVbGfGoutcp (4-10)式中，GG为燃燃料流量量，Giin、GGoutt分别为为进、出出口空气气流量，cp为燃气气比热， b为燃烧烧室效率率，LHHV 为为

55、燃料低低位发热热值。图 燃烧烧时模块块（四）透透平模块块在燃烧室室中产生生的燃气气进入透透平中作作为工质质发出功功率。燃燃气轮机机的透平平产生的的功可以以分为两两部分，一部分分功用来来带动压压气机持持续不断断的压缩缩进入的的空气，另一部部分功传传递给动动力透平平，输出出功率带带动负载载工作。可见，燃气在在透平中中发出的的功一定定包含了了带动压压气机给给空气升升高压力力的那部部分功，剩下的的一部分分功用来来传递给给动力涡涡轮输出出给外界界负荷。透平入口口流量和和透平效效率与透透平膨胀胀比的关关系为：Gcor=f3(t)t=f4(t) (4-11)Gin=GcorpinTin (44-122)式中

56、，TTin为为透平入入口温度度，Pin为透平平入口压压强，t为透平平的膨胀胀比。透透平发出出的功率率为：Nt=GinCPTin-Tout (4-13)透平的出出口温度度为：Tout=Tin(1-|1-tRCP|t) (44-144)式中，TTin，Touut分别别为透平平入口和和出口的的温度，cp为燃燃气定压压比热，R 为气气体常数数， GGin为透平的的入口流流量。透透平出口口压力为为：Pout=Pint (4-115)（五）转转子模块块转子存在在于燃气气轮机的的高、低低压压气气机涡轮轮和动力力涡轮，其中压压气机部部分转子子的负荷荷为压气气机消耗耗的功，动力涡涡轮转子子的负荷荷为外界界负载所

57、所需要的的功率。转子具有有的转动动能随转转子转速速的大小小而改变变。当转转子的转转速稳定定不发生生变化时时，转子子发出的的功与转转子消耗耗的功相相互平衡衡366。当当转子上上发出和和消耗的的功不能能相互平平衡时，转子的的转速就就处于变变化过程程中。由动量守守恒关系系得出，转子的的动态方方程可表表达为：式中， Nt、Nl分别别为转子子输出的的功率和和负荷消消耗的功功率。Jddt=Nt-N1 (44-166)=2n60 (4-17)图 转子子模块模模型（六）燃燃气轮机机整体模模型燃气轮机机整体模模型由压压气机、燃烧室室、高、低压透透平、动动力透平平、容积积模块、转子模模块等部部分所构构成，图图 4

58、.6 为为将子系系统封装装的燃气气轮机整整体模型型。图 4.6 燃气轮轮机整体体仿真模模型余热锅炉炉-汽轮轮机系统统模型本文以某某单压无无补燃余余热锅炉炉为研究究对象。余热锅锅炉的换换热过程程实际上上是利用用燃气轮轮机的排排气所产产生的余余热，加加热水产产生过热热蒸气的的过程37。在废废热锅炉炉中，为为了吸收收果酒机机械的热热值，由由于废热热锅炉烟烟气和废废气烟气气之间的的热量差差，可以以建立热热平衡关关系，以以此建立立余热锅锅炉的数数学模型型。 为最终终做到准准确合理理的对余余热锅炉炉模块进进行数学学描述，在建立立模型之之前先做做以下假假设： （1）从给给水泵的的给水不不含蒸汽汽； （2）认

59、认为水是是不可压压缩的流流体，各各部件间间不饱和和水的密密度近似似相等；（3）省省煤器内内冷水比比热为常常数； （4）考考虑到蒸蒸汽锅筒筒壁的温温度和饱饱和蒸汽汽锅筒内内部的温温度是相相同的，即在动动力学过过程中工工件与壁壁之间传传热的蒸蒸汽锅筒筒； （5）认认为烟气气是理想想气体，不考虑虑烟气流流动时的的阻力，并且进进入和流流出余热热锅炉的的烟气流流量相等等。余热锅炉炉和汽轮轮机工艺艺流程图图，余热热锅炉利利用余热热预热加加热汽轮轮机旋转转工作，供水发发电，汽汽轮机，联合国国循环发发电厂的的功率密密度约为为30 循环环发电厂厂的重要要组成部部分。由图 44.7 的余热热锅炉汽汽机简要要流程图

60、图中可以以看出，余热锅锅炉吸收收燃气轮轮机的排排烟热量量，在汽汽包及过过热器中中产生蒸蒸汽m，再经经过进汽汽控制阀阀，进入入蒸汽轮轮机作功功。 燃气放放出的热热量Qgg取决于于燃气轮轮机的排排气流量量和温度度。Qg=mgas(CpinTgasin-CpoutTgasout)其中：Cpin和和Cpout为进口口燃气的的定压比比热，mgas为为燃气质质量流量量，Qg为燃燃气热量量，Tgasin和Tgasout分别为为燃气进进出口温温度。水水在余热热锅炉中中吸热变变成水蒸蒸汽，吸吸热量为为Q。Q = Qg HRRSG其中HRSSG换热热效率，焓值升升高，即即：Q=mshs-mwhw式中hs为主主蒸汽