CN104775914A - 一种用于气体燃料的燃气轮机控制方法与系统 - Google Patents
一种用于气体燃料的燃气轮机控制方法与系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于气体燃料的燃气轮机控制方法，包括：获取燃气轮机相关的多个传感器测量信号；通过控制算法计算气体燃料的燃气轮机中多个控制阀的开度指令信号；根据每个控制阀前压力与预设压力之间的误差作为负反馈修正开度指令信号。本发明具有抗干扰能力强，通过压力波动反馈修正，使得控制器对控制阀的燃料流量控制更加精准；设计简单，易于工程实现，无需对原有控制系统及天然气系统的就地控制盘进行大幅度修改，只需要在控制器中增加相应的控制组态逻辑即可；工程应用成本，校正算法可以在燃机控制器中采用纯软件实现，只需要在压力调节阀后的增加一个压力测量传感器，工程成本低。本发明还公开了一种用于气体燃料的燃气轮机控制系统。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机控制技术领域，尤其涉及一种用于气体燃料的燃气轮机控制方法与系统。
背景技术
目前，燃气轮机的气体燃料系统的控制核心就是流量控制，如图1所示。首先控制气体燃料的控制阀的开度，阀门开度越大，气体流量越大；其次就是保证控制阀前气体燃料的压力稳定，从而使得控制阀门的开度与燃料流量成线性关系，这样当控制系统通过一系列的数学运算得到燃料流量指令时，就可以换算为精确的燃料阀门开度指令。【楼华栋，陈小波，毛志伟，GE燃机DLN-2.6燃烧系统浅析，《浙江电力》2011年12期】中通用电气公司的干式低NOx燃烧控制中采用的天然气燃料控制方案就是通过燃气轮机转速来调节压力调节阀开度，从而间接调节控制阀前压力，然后再根据测量系统获取的传感器信号，通过低污染燃烧控制规律来调节控制阀开度；专利1【CN 101737169 A，通用电气公司，用于燃气涡轮的燃料控制系统和前馈控制方法】提出了一种采用PI控制器和控制阀的开度来前馈修正压力控制的方案，用来抑制控制阀调节过程中给阀门前压力带来的波动干扰。
带负荷下的燃气轮机燃烧室压力非常高，因此喷射而入的气体燃料需要保持很高的压力，而气体燃料本身的可压缩性和其工作环境的高压，会使得控制阀前的压力产生一定的幅值波动，进而带来进入燃烧室实际燃料流量的波动，现有的干式低NOx燃烧控制由于采用燃气轮机转速来调节压力控制阀无法消除燃料量波动的干扰；专利1【CN 101737169 A，通用电气公司，用于燃气涡轮的燃料控制系统和前馈控制方法】虽然利用控制阀的开度来前馈修正压力，会增加天然气系统就地控制盘的复杂性，而且需要获取各个控制阀的线性位移传感器LVDT的信号，也增加了系统设计的复杂性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种用于气体燃料的燃气轮机控制方法与系统，能够根据控制阀前的实际压力与设计压力的误差大小，运用自动控制程序，通过数学运算和负反馈实时的修正控制阀的开度指令，从而高效、精确的抑制燃料压力波动对控制性能的干扰的关键问题。
为此目的，本发明提出了一种用于气体燃料的燃气轮机控制方法，包括具体以下步骤：
S1：获取燃气轮机相关的多个传感器测量信号；
S2：通过控制算法计算气体燃料的燃气轮机中多个控制阀的开度指令信号；
S3：根据每个控制阀前压力与预设压力之间的误差作为负反馈修正所述开度指令信号。
具体地，所述多个传感器测量信号：转速信号、负荷信号、温度信号和/或压力信号。
具体地，所述每个控制阀前压力的获取具体为：通过在调节压力阀和控制阀之间安装的压力传感器进行实时测量。
具体地，所述预设压力为期望的固定压力设计值或随燃气轮机状态变化的期望压力设计值。
具体地，所述步骤S3具体包括：通过公式：
Uref＝K1×(Ps-Pref)+Uctrl
根据每个控制阀前压力与预设压力之间的误差作为负反馈修正所述开度指令信号，其中，Uref表示最终的输出到控制阀上的阀门开度指令，Uctrl表示控制规律计算出的控制指令，Pref是指设计压力模块的设定压力，Ps是指控制阀前压力的传感器测量值，校正参数K1
为此目的，本发明还提出了一种用于气体燃料的燃气轮机控制系统，包括：
测量信号获取模块，用于获取燃气轮机相关的多个传感器测量信号；
开度指令信号计算模块，用于通过控制算法计算气体燃料的燃气轮机中多个控制阀的开度指令信号；
修正模块，用于根据每个控制阀前压力与预设压力之间的误差作为负反馈修正所述开度指令信号。
具体地，所述多个传感器测量信号：转速信号、负荷信号、温度信号和/或压力信号。
具体地，所述每个控制阀前压力的获取具体为：通过在调节压力阀和控制阀之间安装的压力传感器进行实时测量。
具体地，所述预设压力为期望的固定压力设计值或随燃气轮机状态变化的期望压力设计值。
本发明公开一种用于气体燃料的燃气轮机控制方法，获取燃气轮机相关的多个传感器测量信号；通过控制算法计算气体燃料的燃气轮机中多个控制阀的开度指令信号；根据每个控制阀前压力与预设压力之间的误差作为负反馈修正开度指令信号。本发明具有抗干扰能力强，通过压力波动反馈修正，使得控制器对控制阀的燃料流量控制更加精准；设计简单，易于工程实现，无需对原有控制系统及天然气系统的就地控制盘进行大幅度修改，只需要在控制器中增加相应的控制组态逻辑即可；工程应用成本，校正算法可以在燃机控制器中采用纯软件实现，只需要在压力调节阀后的增加一个压力测量传感器，工程成本低。本发明还公开了一种用于气体燃料的燃气轮机控制系统。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了现有气体燃料的控制系统的结构示意图；
图2示出了本发明实施例中的一种用于气体燃料的燃气轮机控制方法的步骤流程图；
图3示出了本发明实施例中的一种用于气体燃料的燃气轮机控制系统的结构框图；
图4示出了本发明另一实施例中的一种用于气体燃料的燃气轮机控制系统的结构框图；
图5示出了本发明实施例中的一种用于气体燃料的燃气轮机控制系统中的气体燃料控制系统与现有技术的控制效果对比示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。
为了更好的理解与应用本发明提出的一种用于气体燃料的燃气轮机的控制方法与系统，以如下附图示例进行详细说明。
如图2所示，本发明提供了一种用于气体燃料的燃气轮机控制方法，包括具体以下步骤：
步骤S1：获取燃气轮机相关的多个传感器测量信号。其中，多个传感器测量信号：转速信号、负荷信号、温度信号和/或压力信号。由此，提高了获取燃气轮机相关的多个传感器测量信号的多样性。
步骤S2：通过控制算法计算气体燃料的燃气轮机中多个控制阀的开度指令信号。
步骤S3：根据每个控制阀前压力与预设压力之间的误差作为负反馈修正开度指令信号。其中，预设压力为期望的固定压力设计值或随燃气轮机状态变化的期望压力设计值，且每个控制阀前压力的获取具体为：通过在调节压力阀和控制阀之间安装的压力传感器进行实时测量。
进一步地，在气体燃料系统中，在调节压力阀和控制阀之间至少安装有一个压力传感器，可以实时测量控制阀前压力，优选地，至少安装2个或2个以上的传感器作为双冗余容错保护。
更进一步地，通过公式：
Uref＝K1×(Ps-Pref)+Uctrl
根据每个控制阀前压力与预设压力之间的误差作为负反馈修正所述开度指令信号，其中，Uref表示最终的输出到控制阀上的阀门开度指令，Uctrl表示控制规律计算出的控制指令，Pref是指设计压力模块的设定压力，Ps是指控制阀前压力的传感器测量值，校正参数K1
优选地，可以采用试错法，通过不断修正上述该参数的大小，来保证阀门的调节速度和抗干扰性达到最佳状态。
本发明公开一种用于气体燃料的燃气轮机控制方法，获取燃气轮机相关的多个传感器测量信号；通过控制算法计算气体燃料的燃气轮机中多个控制阀的开度指令信号；根据每个控制阀前压力与预设压力之间的误差作为负反馈修正开度指令信号。本发明具有抗干扰能力强，通过压力波动反馈修正，使得控制器对控制阀的燃料流量控制更加精准；设计简单，易于工程实现，无需对原有控制系统及天然气系统的就地控制盘进行大幅度修改，只需要在控制器中增加相应的控制组态逻辑即可；工程应用成本，校正算法可以在燃机控制器中采用纯软件实现，只需要在压力调节阀后的增加一个压力测量传感器，工程成本低。
为了更好的理解与应用本发明提出的一种用于气体燃料的燃气轮机控制方法，本发明从上述方法中抽象出一种用于气体燃料的燃气轮机控制系统。
如图3所示，本发明提供了一种用于气体燃料的燃气轮机控制系统10，包括：测量信号获取模块101、开度指令信号计算模块102以及修正模块103。
具体地，测量信号获取模块101用于获取燃气轮机相关的多个传感器测量信号。其中，多个传感器测量信号：转速信号、负荷信号、温度信号和/或压力信号。由此，提高了获取燃气轮机相关的多个传感器测量信号的多样性。
开度指令信号计算模块102用于通过控制算法计算气体燃料的燃气轮机中多个控制阀的开度指令信号；修正模块103用于根据每个控制阀前压力与预设压力之间的误差作为负反馈修正开度指令信号。其中每个控制阀前压力的获取具体为：通过在调节压力阀和控制阀之间安装的压力传感器进行实时测量，且预设压力为期望的固定压力设计值或随燃气轮机状态变化的期望压力设计值。
本发明公开一种用于气体燃料的燃气轮机控制系统，通过测量信号获取模块获取燃气轮机相关的多个传感器测量信号；继而通过开度指令信号计算模块通过控制算法计算气体燃料的燃气轮机中多个控制阀的开度指令信号；最终通过修正模块根据每个控制阀前压力与预设压力之间的误差作为负反馈修正开度指令信号。本发明具有抗干扰能力强，通过压力波动反馈修正，使得控制器对控制阀的燃料流量控制更加精准；设计简单，易于工程实现，无需对原有控制系统及天然气系统的就地控制盘进行大幅度修改，只需要在控制器中增加相应的控制组态逻辑即可；工程应用成本，校正算法可以在燃机控制器中采用纯软件实现，只需要在压力调节阀后的增加一个压力测量传感器，工程成本低。
为了更好的理解与应用本发明提出的一种用于气体燃料的燃气轮机控制方法与系统，结合图4-5进行以下示例，且本发明不仅局限以下示例。
具体地，如图4所示，在调节压力阀和控制阀之间安装压力传感器，用于控制器获取控制阀前压力；增加校正模块，获取控制阀前压力与设定压力的实时误差作为负反馈来修正最终的控制阀调节指令；整个校正算法的实现是在控制器中采用软件组态方式实现。进一步地，以某重型燃气轮机的一个天然气控制阀为例，首先在调节压力阀和控制阀之间安装压力传感器，并在控制器中根据本发明所述，在原有的燃气轮机控制逻辑上加入压力修正模块和设定压力模块，设定的压力为一个随燃气轮机转速变化的线性函数Ps＝SPD*Pd，其中SPD为燃气轮机转子转速，单位为％，Pd为控制阀厂商提供的设计点压力值；通过试错法得到K1＝2.8时，整个控制系统动态响应和抗干扰能力最佳。模拟燃气轮机从脱扣转速76％，加速到额定转速100％，然后如图5所示，与现有技术进行效果对比，可以看到本发明技术控制性能更好，转速波动幅度明显低于现有技术，更好的抑制了燃料压力波动对燃气轮机转速控制的干扰。
本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者系统程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
本文中所称的“一个实施例”、“实施例”或者“一个或者多个实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或者特性包括在本发明的至少一个实施例中。此外，请注意，这里“在一个实施例中”的词语例子不一定全指同一个实施例。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干系统的单元权利要求中，这些系统中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
此外，还应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (9)
1.一种用于气体燃料的燃气轮机控制方法，其特征在于，包括具体以下步骤：
S1：获取燃气轮机相关的多个传感器测量信号；
S2：通过控制算法计算气体燃料的燃气轮机中多个控制阀的开度指令信号；
S3：根据每个控制阀前压力与预设压力之间的误差作为负反馈修正所述开度指令信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个传感器测量信号：转速信号、负荷信号、温度信号和/或压力信号。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述每个控制阀前压力的获取具体为：通过在调节压力阀和控制阀之间安装的压力传感器进行实时测量。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设压力为期望的固定压力设计值或随燃气轮机状态变化的期望压力设计值。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：通过公式：
Uref＝K1×(Ps-Pref)+Uctrl
根据每个控制阀前压力与预设压力之间的误差作为负反馈修正所述开度指令信号，其中，Uref表示最终的输出到控制阀上的阀门开度指令，Uctrl表示控制规律计算出的控制指令，Pref是指设计压力模块的设定压力，Ps是指控制阀前压力的传感器测量值，校正参数K1。
6.一种用于气体燃料的燃气轮机控制系统，其特征在于，包括：
测量信号获取模块，用于获取燃气轮机相关的多个传感器测量信号；
开度指令信号计算模块，用于通过控制算法计算气体燃料的燃气轮机中多个控制阀的开度指令信号；
修正模块，用于根据每个控制阀前压力与预设压力之间的误差作为负反馈修正所述开度指令信号。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述多个传感器测量信号：转速信号、负荷信号、温度信号和/或压力信号。
8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述每个控制阀前压力的获取具体为：通过在调节压力阀和控制阀之间安装的压力传感器进行实时测量。
9.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述预设压力为期望的固定压力设计值或随燃气轮机状态变化的期望压力设计值。
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