CN102979630B - 基于模块化能量控制的燃气轮机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模块化能量控制的燃气轮机控制系统，属于燃气轮机控制领域，该系统包括微型燃气轮机、功率控制模块和燃料控制分系统；燃料控制分系统包括燃料控制模块和燃料细分设备；不同燃料类型的燃料控制分系统中，燃料控制模块和燃料细分设备的器件不同。功率控制模块进行如下计算：根据实际功率、给定功率计算给定转速；根据实际转速、给定转速计算给定排温；根据给定排温、实际排温计算给定能量；根据给定能量和燃料热值计算所需燃料量。功率控制模块将通过以上计算确定燃料控制指令发送到燃料控制模块，燃料控制模块根据指令进行相应控制。本发明根据能量决定燃料量，可实现燃料的低排放燃烧，适用于燃气轮机的燃烧控制。

Description

基于模块化能量控制的燃气轮机控制系统

技术领域

本发明涉及一种基于模块化能量控制的燃气轮机控制系统，属于燃气轮机控制领域。

背景技术

微型燃气轮机发电站作为一种实用性强、低污染、低维护的发电系统，在燃气轮机发电系统的控制领域应用广泛。

为了能够达到令燃料进行低排放燃烧的目的，

传统的微型燃气轮机控制系统，往往将微型燃气轮机输出功率简单视为与转速的线性关系，设定排气温度的极限报警值，建立基于转速和燃料供应量对应关系的调节规律。

功率是微型燃气轮机控制的目标参数，由于传统的微型燃气轮机控制系统简单地将微型燃气轮机发电系统的输出功率视为与转速的线性关系，并通过转速控制燃料供应量，这种线性控制系统使得微型燃气轮机发电系统的输出功率一旦变化即可导致微型燃气轮机的转速的变化，从而燃料供应量随之改变，导致微型燃气轮机工作不稳定。

而且现有方案中，往往一个微型燃气轮机发电系统对应一个控制系统，若微型燃气轮机发电系统需要改变燃料类型，比如由燃气改为燃油，则需要完全替换控制系统，无法实现多燃料适应的目的。

可见，现有技术中，没有一种微型燃气轮机的控制方案，既能够控制燃气轮机的低排放燃烧，同时还能实现对多种类型燃料的适应。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了基于模块化能量控制的燃气轮机控制系统，本发明能够控制燃气轮机处于稳定的工作状态，同时还能够实现多燃料适应。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于模块化能量控制的燃气轮机控制系统，包括微型燃气轮机、功率控制模块和燃料控制分系统；所述燃料控制分系统包括燃料控制模块和燃料细分设备；燃料细分设备包括开关阀、流量调节阀、分流器、预混室、n个喷嘴和管路；n为整数；预混室具有空气入口；

功率控制模块通过通讯线路连接微型燃气轮机和燃料控制模块，燃料控制模块通过通讯线路连接开关阀、流量调节阀、分流器；燃料进口通过管路连接分流器的入口，该管路上依次设有开关阀和流量调节阀；分流器的其中n个出口分别通过管路直接连接n个喷嘴；分流器的其中1个出口通过管路连接预混室，预混室的其中n个出口分别通过管路直接连接n个喷嘴；

根据当前所使用的燃油类型选择对应的燃料控制分系统；不同燃油类型的燃料控制分系统中，燃料控制模块的程序不同，燃料细分设备的器件和管路类型不同；

功率控制模块，接收微型燃气轮机发来的信息，包括：微型燃气轮机的实际功率、实际转速和实际排温；接收用户输入的所用燃料热值和给定功率，所述给定功率为用户电网负载所需功率；从燃料控制模块中获得当前使用燃料的类型，根据燃料类型，选择对应的算法进行如下处理：

功率控制模块根据实际功率、给定功率结合功率与微型燃气轮机转速之间的关系，计算欲达到给定功率微型燃气轮机所需的转速，即为给定转速，并控制微型燃气轮机按照给定转速转动；

功率控制模块根据实际转速与微型燃气轮机的排温之间的关系，计算微型燃气轮机的排温，即为给定排温；

功率控制模块将给定排温与实际排温进行比对，计算欲达到给定排温所需能量，即为给定能量；

功率控制模块根据实际功率确定燃料的喷射模式和所使用的喷嘴的数量；所述燃料的喷射模式包括直喷模式和预混模式；所述直喷模式为：燃料通过分流器之后，经由选定数量的喷嘴直接通入微型燃气轮机的燃烧室；所述预混模式为：燃料通过分流器后，首先在预混室中与空气进行预混，然后经由选定数量的喷嘴喷入微型燃气轮机的燃烧室；当实际功率大于设定的功率限值时，采用预混模式，否则采用直喷模式；在确定了喷射模式之后，在各自喷射模式中，实际功率越大，所使用的喷嘴数量越多；

功率控制模块根据给定能量和燃料热值计算所需燃料量；

功率控制模块根据所需燃料量计算流量调节阀的打开程度；

将所确定的喷射模式、喷嘴数量和所述打开程度作为燃料控制指令发送到燃料控制模块；

所述燃料控制模块，接收到燃料控制指令后，首先打开开关阀，然后根据燃料控制指令，控制流量调节阀的打开程度、控制分流器各出口的打开或者关闭以及控制预混器各出口的打开或者关闭。

功率控制模块和燃料控制模块采用两个控制器实现，或者在同一控制器中实现。

有益效果：

1、本发明在对微型燃气轮机发电系统进行控制的时候，加入了对排气温度的考虑，基于反馈转速计算维持该反馈转速的给定排气温度，并根据给定排气温度和反馈排气温度计算目标燃料量，则无论系统的转速变化率大小如何，目标燃料量均为缓慢变化，则可以实现系统的稳定工作。这进一步保证了本发明能够适应大工况变化的工作条件。

2、本发明采用模块化的设计方法，设计了功率控制模块和燃料控制分系统，当燃料类型不同时，可以通过替换燃料控制分系统实现对不同类型燃料的适用，而不需要更改燃气轮机及其功率控制模块，因此该系统具有多燃料适应的能力而且，该方案对功率控制模块和燃料控制模块的升级和测试更加方便；

3、本发明充分考虑到微型燃气轮机的实际功率，采用灵活的方式，当功率需求较高时，采用预混模式，反之，采用直喷模式，并可控制喷嘴使用数量，这种设计使本发明能够结合实际情况来灵活确定燃烧模式，提高了燃烧效率。

附图说明

图1为基于模块化能量控制的燃气轮机控制系统示意图；

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了基于模块化能量控制的燃气轮机控制系统，图1为本发明的一个实施例，本实施例采用模块化控制，一种基于模块化能量控制的燃气轮机控制系统，其特征在于，包括微型燃气轮机1、功率控制模块2和燃料控制分系统；所述燃料控制分系统包括燃料控制模块3和燃料细分设备4；燃料细分设备4包括开关阀41、流量调节阀42、分流器43、预混室44、n个喷嘴45和管路；n为整数；预混室44具有空气入口，保持空气持续不断地进入预混室。

功率控制模块2通过通讯线路连接微型燃气轮机1和燃料控制模块3，燃料控制模块3通过通讯线路连接开关阀41、流量调节阀42、分流器43；燃料进口通过管路连接分流器43的入口，该管路上依次设有开关阀41和流量调节阀42；分流器43的其中n个出口分别通过管路直接连接n个喷嘴44，分流器43的其中1个出口通过管路连接预混室44，并由预混室的n个出口分别通过管路直接连接n个喷嘴44；

根据当前所使用的燃油类型选择对应的燃料控制分系统；本发明中燃料控制模块通过通讯线路向功率控制模块发送识别信息，功率控制模块通过识别信息确定该燃料控制模块所使用的是的燃料控制器的类型，例如液体燃油控制器或者天然气控制器，因此如需更换燃料，则只需对燃料控制模块进行更换即可，无需更换功率控制模块以及微型燃气轮机，由此可见该系统能够实现多燃料的适应。

不同燃油类型的燃料控制分系统中，燃料控制模块的程序不同，燃料细分设备的器件和管路类型不同；例如当燃料控制模块为液体燃油控制程序，其流量调节阀42为液体燃油泵；而对于当燃料控制模块为天然气控制程序的情况，流量调节阀42为比例阀。

功率控制模块1，接收微型燃气轮机发来的信息，包括：微型燃气轮机的实际功率、实际转速和实际排温；接收用户输入的所用燃料热值和给定功率，所述给定功率为用户电网负载所需功率；从燃料控制模块中获得当前使用燃料的类型，根据燃料类型，选择对应的算法进行如下处理：

功率控制模块根据实际功率、给定功率结合微型燃气轮机的功率控制策略计算欲达到给定功率微型燃气轮机所需的转速，即为给定转速，并控制微型燃气轮机按照给定转速转动；

功率控制模块根据实际转速与微型燃气轮机的排温的关系，计算微型燃气轮机的排温，即为给定排温；

功率控制模块将给定排温与实际排温进行比对，计算欲达到给定排温所需能量，即为给定能量；

功率控制模块根据实际功率确定燃料的喷射模式和所使用的喷嘴的数量；

燃料的喷射模式包括直喷模式和预混模式；若所确定的喷射模式为直喷模式，则功率控制模块控制分流器连接预混室的出口关闭，燃料通过分流器之后，经由喷嘴直接通入微型燃气轮机的燃烧室；若所确定的喷射模式为预混模式，则功率控制模块控制分流器连接预混室的出口开启，燃料通过分流器后，由管路进入预混室，燃料在预混室中与空气进行预混，然后喷入微型燃气轮机的燃烧室。对于天然气燃料，天然气可在预混室中直接进行预混；而对于液体燃油类燃料，液体燃油在预混室内雾化并与空气进行预混，因此液体燃油类燃料可以雾化形式进入喷嘴，进行预混后喷射。

功率控制模块设定功率限值，当实际功率大于设定的功率限值时，采用预混模式，否则采用直喷模式；在确定了喷射模式之后，在各自喷射模式中，实际功率越大，使用的喷嘴数量越多，例如功率限值范围之内，判定燃料的喷射模式为直喷模式，且在直喷模式的功率范围之内，在较低功率的情况下，采用一个喷嘴，在较高功率情况下采用三个喷嘴；当功率超过功率限值处于大功率情况下时，则需要采用预混模式，此时则对预混室的喷嘴数量进行控制，功率越高使用的喷嘴数量越多。

功率控制模块根据给定能量和燃料热值计算所需燃料量；

功率控制模块根据所需燃料量计算流量调节阀的打开程度；针对液体燃油的控制，可计算其电子燃油泵的开关打开程度；针对天然气的控制，则需要计算比例阀所在位置；因此对于不同的燃料类型，功率控制模块的算法不同。

将所确定的喷射模式、喷嘴数量和所述打开程度作为燃料控制指令发送到燃料控制模块；

燃料控制模块，接收到燃料控制指令后，首先打开开关阀，然后根据燃料控制指令，控制流量调节阀的打开程度、控制分流器各出口的打开或者关闭以及控制预混器各出口的打开或者关闭。

例如，当所确定的喷射模式为直喷模式，喷嘴数量为1，流量调节阀的打开程度为50%时，则分流器关闭通向预混室的出口，且打开其中1个喷嘴；而流量调节阀打开至50%的位置；当所确定的当所确定的喷射模式为预混模式，喷嘴数量为1，流量调节阀的打开程度为80%时，则分流器打开通向预混室的出口，且打开预混室的其中1个喷嘴；而流量调节阀打开至80%的位置；由此能够实现对燃料使用量以及燃料的燃烧方式的精准控制。

可以看出本发明提供的这种控制系统能够使燃气轮机对燃料控制更容易，且能够根据给定能量以及燃料量来调节燃烧方式，从而能够高时效地实现对燃料的低排放燃烧。

该控制系统中所提出的功率控制模块以及燃料控制模块可以采用功率控制器和燃料控制器两种控制器实现，也可以在采用交替运行的方式在一个控制器里用模块化的控制结构实现。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于模块化能量控制的燃气轮机控制系统，其特征在于，包括微型燃气轮机(1)、功率控制模块(2)和燃料控制分系统；所述燃料控制分系统包括燃料控制模块(3)和燃料细分设备(4)；燃料细分设备(4)包括开关阀(41)、流量调节阀(42)、分流器(43)、预混室(44)、n个喷嘴(45)和管路；n为整数；预混室(44)具有空气入口；

功率控制模块(2)通过通讯线路连接微型燃气轮机(1)和燃料控制模块(3)，燃料控制模块(3)通过通讯线路连接开关阀(41)、流量调节阀(42)、分流器(43)；燃料进口通过管路连接分流器(43)的入口，该管路上依次设有开关阀(41)和流量调节阀(42)；分流器(43)的其中n个出口分别通过管路直接连接n个喷嘴(45)；分流器(43)的另外1个出口通过管路连接预混室(44)，预混室(44)的其中n个出口分别通过管路直接连接n个喷嘴(45)；

根据当前所使用的燃油类型选择对应的燃料控制分系统；不同燃油类型的燃料控制分系统中，燃料控制模块的程序不同，燃料细分设备的器件和管路类型不同；

功率控制模块(2)，接收微型燃气轮机(1)发来的信息，包括：微型燃气轮机的实际功率、实际转速和实际排温；接收用户输入的所用燃料热值和给定功率，所述给定功率为用户电网负载所需功率；从燃料控制模块中获得当前使用燃料的类型，根据燃料类型，选择对应的算法进行如下处理：

功率控制模块(2)根据功率与微型燃气轮机转速之间的关系，通过实际功率和给定功率，计算欲达到给定功率微型燃气轮机所需的转速，即为给定转速，并控制微型燃气轮机按照给定转速转动；

功率控制模块(2)根据实际转速与微型燃气轮机的排温之间的关系，计算微型燃气轮机的排温，即为给定排温；

功率控制模块(2)将给定排温与实际排温进行比对，计算欲达到给定排温所需能量，即为给定能量；

功率控制模块(2)根据实际功率确定燃料的喷射模式和所使用的喷嘴的数量；所述燃料的喷射模式包括直喷模式和预混模式；所述直喷模式为：燃料通过分流器之后，经由选定数量的喷嘴(45)直接通入微型燃气轮机的燃烧室；所述预混模式为：燃料通过分流器后，首先在预混室(44)中与空气进行预混，然后经由选定数量的喷嘴(45)喷入微型燃气轮机的燃烧室；当实际功率大于设定的功率限值时，采用预混模式，否则采用直喷模式；在确定了喷射模式之后，在各自喷射模式中，实际功率越大，所使用的喷嘴数量越多；

功率控制模块(2)根据给定能量和燃料热值计算所需燃料量；

功率控制模块(2)根据所需燃料量计算流量调节阀的打开程度；

将所确定的喷射模式、喷嘴数量和所述打开程度作为燃料控制指令发送到燃料控制模块；

所述燃料控制模块，接收到燃料控制指令后，首先打开开关阀，然后根据燃料控制指令，控制流量调节阀的打开程度、控制分流器各出口的打开或者关闭以及控制预混器各出口的打开或者关闭。

2.如权利要求1所述的一种基于模块化能量控制的燃气轮机控制系统，其特征在于：所述功率控制模块(2)和燃料控制模块(3)采用两个控制器实现，或者在同一控制器中实现。