CN106988894B - 一种燃气轮机甩负荷控制系统 - Google Patents

一种燃气轮机甩负荷控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃气轮机甩负荷控制系统，可解决燃气轮机发电机组在甩负荷过程中超速超调的问题。通过采用多回路反馈PI调节控制，第一副控回路，包括由燃调控制器模块与然调模块构成的闭环回路；第二副控回路，包括由燃气发生器控制器模块、所述第一副控回路及燃气发生器模块构成的闭环回路；主控回路，包括由动力涡轮控制器模块、所述第二副控回路及动力涡轮模块构成闭环回路，同时主控回路能够有效地将电流信号转换为负载变化率作为燃机甩负荷的前馈条件快速响应，能够在大幅度甩负荷扰动下减少调节时间，减小超调量，提高燃气轮机运行的稳定性和安全性。

Description

一种燃气轮机甩负荷控制系统
技术领域
本发明属于燃气轮机设计领域，具体涉及一种燃气轮机甩负荷控制系统。
背景技术
燃气轮机发电机组的甩负荷试验是考核机组调速系统动态特性最直接、最常用的方法，通常是突然短开发电机主开关，机组与电网解列，测取转速变化的过渡过程及计算相关动态特性参数，目的在于考核机组和各配套辅机及系统的设计、制造、安装、调试质量以及对甩负荷工况的适应能力。目前，国际上各燃气轮机制造商或电力公司均将甩负荷试验作为各种容量等级机组投产运行的必要条件。
燃气轮机发电机组的甩负荷试验是一项较为复杂和极其重要的试验，由于负载的变化形式为阶跃性突降，甩符负荷后机组的运行处于大动态非线性状态，传统的的单回路控制方法对的负载响应速度较慢，尤其在大幅度甩负荷扰动下，表现为较长的调节时间以及较大的超调量，甚至可直接导致燃气轮机动力涡轮飞转，轻则燃机紧停，发电机组跳闸，重则燃机转子叶片、轴承等严重磨损对机组的安全运行构成威胁。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃气轮机甩负荷控制系统，可解决燃气轮机发电机组在甩负荷过程中超速超调的问题。通过采用多回路反馈PI调节控制，并能够有效地将电流信号(可及时可靠的反映负载变化的可测信息)转换为负载变化率作为燃机甩负荷的前馈条件快速响应，能够在大幅度甩负荷扰动下减少调节时间，减小超调量，提高燃气轮机运行的稳定性和安全性。
本发明燃气轮机甩负荷控制系统，主要包括：
第一副控回路，包括由燃调控制器模块与然调模块构成的闭环回路，所述燃调控制器模块根据给定的第一燃油流量以及燃调模块反馈的第二燃油流量进行燃油流量调控；
第二副控回路，包括由燃气发生器控制器模块、所述第一副控回路及燃气发生器模块构成的闭环回路，所述燃气发生器控制器模块根据给定的第一燃气发生器转速以及燃气发生器模块反馈的第二燃气发生器转速进行燃气发生器转速调控，进而向所述第一副控回路输出第一燃油流量，所述第一副控回路内的燃调模块连接所述燃气发生器模块；
主控回路，包括由动力涡轮控制器模块、所述第二副控回路及动力涡轮模块构成闭环回路，所述动力涡轮控制器模块根据给定的第一动力涡轮转速及所述动力涡轮模块反馈的第二动力涡轮转速进行动力涡轮转速调控，所述第二副控回路内的燃气发生器模块连接所述动力涡轮模块；
所述主控回路还包括电流信号采集模块以及负载变化率处理模块，所述电流信号采集模块用以采集与燃气轮机动力涡轮连接的发电机输出的电流信号，所述负载变化率处理模块设置在所述动力涡轮控制器模块与所述第二副控回路之间，用于根据动力涡轮转速调控信息与所述电流信号生成所述燃气轮机的负载变化率，并根据所述负载变化率向所述第二副控回路输出所述第一燃气发生器转速。
优选的是，所述燃调控制器模块包括燃调PI控制器，其根据所述第一燃油流量及所述第二燃油流量的偏差值执行燃调PI闭环控制。
优选的是，所述燃气发生器控制器模块包括燃气发生器PI控制器，其根据所述第一燃气发生器转速及所述第二燃气发生器转速的偏差值执行燃气发生器转速PI闭环控制。
优选的是，所述动力涡轮控制器模块包括动力涡轮PI控制器，其根据所述第一动力涡轮转速及所述第二动力涡轮转速的偏差值执行动力涡轮转速PI闭环控制。
优选的是，当所述燃气轮机的负载变化率大于或等于拐点值时，且所述动力涡轮转速高于设定的危机保安器动作值，所述负载变化率处理模块首先将所述第一动力涡轮转速降低，之后再计算燃机输出功率，并根据所述燃机输出功率与燃气发生器转速之间的关系插值得到所述第一燃气发生器转速，否则，直接根据所述负载变化率计算燃机输出功率，并根据所述燃机输出功率与燃气发生器转速之间的关系插值得到所述第一燃气发生器转速，
其中，降低后的第一动力涡轮转速满足依此计算得到的燃气轮机的负载变化率小于所述拐点值，所述危机保安器动作值为动力涡轮额定转速的116％～118％。
本发明燃气轮机甩负荷控制系统，能够在燃机大幅甩负荷过程中减少调节时间，减小超调量，提高燃气轮机运行的稳定性和安全性。
附图说明
图1为按照本发明燃气轮机甩负荷控制方法的一优选实施例的燃气轮机甩负荷系统原理图。
图2为本发明图1所示实施例的负载变化率降低动力涡轮转速示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
本发明提出了一种燃气轮机甩负荷控制系统，可解决燃气轮机发电机组在甩负荷过程中超速超调的问题。
本发明燃气轮机甩负荷控制系统采用多回路反馈PI调节控制，如图1所示，采用三个闭环控制系统，外侧回路Loop A是主控回路，作用是保持动力涡轮转速np恒定；内侧回路Loop B是副控制回路，作用是调节燃气发生器的转速ng；内侧回路Loop C是副控制回路，作用是调节燃油流量控制转速。
所述外侧回路Loop A包括动力涡轮PI控制器模块、电流信号采集模块、负载变化率处理模块。
所述动力涡轮PI控制器模块，用于接收给定的动力涡轮转速np_0及动力涡轮实际反馈转速np，并生成控制信息(根据动力涡轮转速偏差执行动力涡轮PI闭环控制，并得到燃气发生器转速给定ng_0)。
需要说明的是，本实施例上述及下述的给定值np_0、ng_0、LVDT_0分别对应第一动力涡轮转速、第一燃气发生器转速及第一燃油流量；上述及下述的实际值np、ng以及LVDT分别对应第二动力涡轮转速、第二燃气发生器转速及第二燃油流量。
所述电流采集模块用于采集与燃气轮机动力涡轮连接的发电机输出的电流信号。
所述负载变化率处理模块，接收动力涡轮PI控制器模块输出的控制信息和电流采集模块输出的电流信号，并对其进行处理，生成燃机负载变化率(见公式1、公式2)。
当负载变化率处理模块判断负载变化率小于拐点时(根据燃气轮机动态特性结合甩负荷试验视情给出)，负载变化率处理模块将依据公式1计算燃机输出功率P，然后根据燃气发生器转速ng－燃机输出功率P的关系表(控制系统预先设定)，插值得到当前功率P下的燃气发生器转速，将其作为目标给定转速(ng_0)传递至燃气发生器PI控制器模块。
当负载变化率处理模块判断负载变化率大于或等于拐点时，且持续一定的时间，动力涡轮最大飞升转速接近或高于危急保安器动作值，负载变化率处理模块自动将动力涡轮转速给定值由np_a(a点值)直接拉低至np_b(b点值)，并重新根据动力涡轮转速偏差执行动力涡轮PI闭环控制，得到燃气发生器转速给定，传递至燃气发生器PI控制器模块，ng_b值可视情况增减。
燃机输出功率
负荷变化率dP/dt＝f(I) (2)
U为电压值(恒定)单位V，I为电流值单位A，为功率因素。
所述内侧回路Loop B，即燃气发生器PI控制器，用于接收负载变化率处理模块输出的信息(燃气发生器转速目标给定转速ng_0)以及燃气发生器实际反馈转速，并生成控制信息(根据燃气发生器转速偏差，执行燃气发生器分段式模糊自适应PI参数修正，并依据修正后的参数进行闭环控制，得到燃油流量给定)。
所述内侧回路Loop C，即燃调PI控制器模块，用于接收燃气发生器PI控制器输出的控制信息(燃油流量给定)以及燃调(燃油控油装置)反馈的信息，并对燃调进行调控(根据燃油流量偏差执行燃调PI闭环控制)。
本实施例中，上述危急保安器动作值是燃气轮机额定转速的116％～118％，该系统中通过设置危急保安器动作值，在甩负荷过程中确保燃机动力涡轮最大飞升转速低于危急保安器动作值。
本实施例中，所述燃调控制器模块、燃气发生器控制器模块以及动力涡轮控制器模块均采用PI调节器进行调节，所述PI调节器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例(P)和积分(I)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种燃气轮机甩负荷控制系统，其特征在于，包括：
第一副控回路，包括由燃调控制器模块与然调模块构成的闭环回路，所述燃调控制器模块根据给定的第一燃油流量以及燃调模块反馈的第二燃油流量进行燃油流量调控；
第二副控回路，包括由燃气发生器控制器模块、所述第一副控回路及燃气发生器模块构成的闭环回路，所述燃气发生器控制器模块根据给定的第一燃气发生器转速以及燃气发生器模块反馈的第二燃气发生器转速进行燃气发生器转速调控，进而向所述第一副控回路输出第一燃油流量，所述第一副控回路内的燃调模块连接所述燃气发生器模块；
主控回路，包括由动力涡轮控制器模块、所述第二副控回路及动力涡轮模块构成闭环回路，所述动力涡轮控制器模块根据给定的第一动力涡轮转速及所述动力涡轮模块反馈的第二动力涡轮转速进行动力涡轮转速调控，所述第二副控回路内的燃气发生器模块连接所述动力涡轮模块；
所述主控回路还包括电流信号采集模块以及负载变化率处理模块，所述电流信号采集模块用以采集与燃气轮机动力涡轮连接的发电机输出的电流信号，所述负载变化率处理模块设置在所述动力涡轮控制器模块与所述第二副控回路之间，用于根据动力涡轮转速调控信息与所述电流信号生成所述燃气轮机的负载变化率，并根据所述负载变化率向所述第二副控回路输出所述第一燃气发生器转速；
当所述燃气轮机的负载变化率大于或等于拐点值时，且所述动力涡轮转速高于设定的危机保安器动作值，所述负载变化率处理模块首先将所述第一动力涡轮转速降低，之后再计算燃机输出功率，并根据所述燃机输出功率与燃气发生器转速之间的关系插值得到所述第一燃气发生器转速，否则，直接根据所述负载变化率计算燃机输出功率，并根据所述燃机输出功率与燃气发生器转速之间的关系插值得到所述第一燃气发生器转速，
其中，降低后的第一动力涡轮转速满足依此计算得到的燃气轮机的负载变化率小于所述拐点值，所述危机保安器动作值为动力涡轮额定转速的116％～118％。
2.如权利要求1所述的燃气轮机甩负荷控制系统，其特征在于，所述燃调控制器模块包括燃调PI控制器，其根据所述第一燃油流量及所述第二燃油流量的偏差值执行燃调PI闭环控制。
3.如权利要求1所述的燃气轮机甩负荷控制系统，其特征在于，所述燃气发生器控制器模块包括燃气发生器PI控制器，其根据所述第一燃气发生器转速及所述第二燃气发生器转速的偏差值执行燃气发生器转速PI闭环控制。
4.如权利要求1所述的燃气轮机甩负荷控制系统，其特征在于，所述动力涡轮控制器模块包括动力涡轮PI控制器，其根据所述第一动力涡轮转速及所述第二动力涡轮转速的偏差值执行动力涡轮转速PI闭环控制。
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