CN107666256A - 一种燃气轮机吹扫的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃气轮机吹扫的控制方法，该方法包括如下步骤：燃气轮机主控制系统控制启动静止变频器；静止变频器带动燃气轮机吹扫燃气轮机的炉膛；启动燃气轮机。本发明提供的静止变频器启动方式大大减少了系统中的旋转设备，降低了设备维护量，提高了启动系统的安全性和稳定性。

Description

一种燃气轮机吹扫的控制方法

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机静止变频启动技术，具体涉及一种燃气轮机摆频吹扫控制方法。

背景技术

燃气电站，是指利用生产出来的剩余煤气为燃料，循环发电的电厂。燃气电站既可以解决焦炉煤气焚烧排空造成的大气污染，又可以实现焦炉煤气的合理利用。

发电时燃气轮机、汽轮机和发电机是一个轴系，启动轴系的转矩大；燃气轮机本身无法自启动，天然气点火也需要一个基本的转速，因此，燃气轮机在启动时，须要有外部动力启动整个轴系转动，使燃气轮机按照启动程序旋转、点火、升速、完成燃气轮机的启动。随着燃气轮机容量的增大及电力电子技术的发展，目前已将静止变频启动作为燃气轮机启动的首选方式。作为燃气电站自动控制系统及成套设备中的关键启动设备的静止变频器(static frequency converter)，对于保证大型燃气轮机组的快速可靠启动和燃气电站或燃气蒸汽联合循环电站的稳定运行具有重要意义。

燃气轮机的静止启动变频器是一种利用交-直-交变频技术实现同步电机软启设备，在燃气轮机启动过程中，静止变频器需要与励磁系统、燃气轮机涡轮控制系统和保护系统紧密配合，实现燃气轮机机组由静止状态加速启动至自持转速的全过程控制。

燃气轮机静止变频器的动作过程包括投励、脉冲换相运行、换相方式切换过渡过程控制、负载换相、清吹、点火、暖机加速和水洗；为防止锅炉炉膛内可能存在的天然气发生爆燃，启动前，燃气轮机需在某一给定转速下高速盘车并的清理和吹扫燃气轮机及锅炉。吹扫过程中，燃气轮机根据燃气轮机主控系统的要求，在一定频率范围内转动。燃气轮机发电机组的这种变频启动系统复杂、旋转启动设备多、不便于设备的维护，因此需要提供一种便于使用、维护成本低廉的技术方案。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种提高燃气轮机吹扫过程中转速控制的精度和稳定性的配置方式灵活、简单、可靠的控制方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案如下：

一种燃气轮机吹扫的控制方法，所述方法包括如下步骤：

1)燃气轮机主控制系统启动静止变频器；

2)所述静止变频器带动燃气轮机吹扫燃气轮机的炉膛；

3)启动燃气轮机。

所述启动静止变频器包括所述燃气轮机主控系统向静止变频器发出启动指令，所述静止变频器检测转子的初始位置并进入脉冲换相控制和自然换相控制。

所述燃气轮机达到吹扫转速下限时，所述燃气轮机主控系统向静止变频器发出吹扫指令，静止变频器进入吹扫流程并向燃气轮机主控系统反馈吹扫模式指令。

所述燃气轮机达到吹扫转速上限时，所述静止变频器向整流器发出逆变运行指令，降低燃气轮机转速；所述燃气轮机达到吹扫转速下限时，所述静止变频器向整流器发出整流方式运行指令，提高所述燃气轮机转速。

所述燃气轮机收到待机指令时，进入待机状态；

所述待机状态的静止变频器按接收到的停机或启动指令运行。

所述燃气轮机的吹扫转速为其额定转速的25％～27％。

所述吹扫，由主控系统远程控制所述静止变频器，或按本地人机通讯界面设定的吹扫时间和吹扫转速进行吹扫。

所述静止变频器为由整流桥、平波电抗器和逆变桥组成的6－6脉波拓扑结构或12－6脉波拓扑形式的电流源型静止变频器。

与最接近的现有技术比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1、本发明提供的静止变频器启动方式减少了系统中的旋转设备，减少了设备维护量，提高了启动系统的安全性和稳定性；

2、本发明技术方案提供的静止变频器启动方式适用范围广、运行模式灵活、调试简单、参数可调范围大。

3、本发明提供的技术方案可以减少燃气轮机的吹扫时间，提高燃气轮机吹扫过程中的控制精度。

附图说明

图1为本发明实施例中的燃气轮机静止变频器6-6脉波主回路拓扑图；

图2为本发明实施例中的燃气轮机静止变频器12-6脉波主回路拓扑图；

图3为本发明扫控制方法的流程图；

图4为本发明实施例中的燃气轮机典型吹扫启动曲线图；

图5为本发明实施例中的燃气轮机摆频吹扫启动曲线图；

图6为采用本发明控制方法启动燃气轮机摆频吹扫运行曲线图；

图7为采用本发明控制方法启动燃气轮机恒频吹扫运行曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明提供了一种基于静止变频器的燃气轮机摆频吹扫控制方法，包括如下步骤：

A、所述静止变频器(static frequency converter)接收燃气轮机主控系统(TCS：turbine control system)发出的启动指令后，变频器检测转子初始位置并进入脉冲换相控制，当机组转速达到10％转速时，变频器进入自然换相控制；

B、TCS读取燃机转速，当其转速达到燃机吹扫转速时TCS发出吹扫指令和指定的吹扫时间给SFC，SFC确认收到吹扫指令时进入吹扫流程，同时反馈吹扫模式指令给TCS；否则SFC继续使电机加速；

C、SFC通过机端电压测量机组转速，当机组转速大于吹扫转速上限值时，SFC将整流器触发角推至90度以上，使整流器按逆变方式运行，通过能量回馈方式使机组转速降低；否则SFC继续加速电机；

D、降速过程中SFC通过机端电压测量机组转速，当机组转速小于吹扫转速下限值时，SFC整流器触发角通过转速电流双闭环计算得出，使整流器按整流方式运行，同时逆变器根据电机转子位置发送逆变器触发角，使电机加速；否则SFC继续以回馈方式运行，使燃机降速；

E、吹扫过程中如果SFC收到待机指令时，SFC将整流器推至逆变运行，封锁脉冲后进入待机状态；否则的话SFC继续步骤C和D；

F、在过程E执行中，如果收到停机指令，则SFC停机；如果没收到停机令，但是收到了启动指令，则SFC再次启动，按TCS要求使燃机加速至自持转速；如果没收到停机令和启动令，则继续执行E流程。

通过步骤C和D，实现了燃气轮机在TCS给定的安全吹扫转速范围内均匀的摆频吹扫，使吹扫曲线更加符合TCS控制系统的要求，并且该吹扫范围可以根据不同类型燃机的要求实时修改；另外，当吹扫转速给定值为一定值时，SFC也可实现恒频吹扫。

步骤C中，当收到吹扫指令时，SFC使整流器以逆变方式运行，逆变器以整流方式运行，可将机组侧能量回馈给电网，达到回馈制动效果；该方法可根据不同类型燃机的吹扫要求实现制动加速度的实时调节；步骤D中通过转速电流双闭环实现吹扫过程中的加速控制：首先外环转速控制器根据TCS要求的加速时间和速度范围通过PI控制计算出整流器电流控制给定值，然后内环电流PI控制器将给定值与实时电流值相比较计算出整流桥触发角，实现吹扫阶段加速控制；该方法可根据不同类型燃机的吹扫要求实现吹扫阶段加速度的实时调节；步骤D中转速电流双闭环中转速控制环用于稳定机组转速，使其按燃机主控系统规定的速度曲线运行；所述的电流控制环用于计算整流器触发角，用来控制直流侧电流值。

步骤E和F可以实现基于SFC启动的燃气轮机在吹扫模式结束后在待机模式、停机模式和再次启动模式之间自由切换，可保证当燃机异常情况下随时切换模式或停机。步骤E中所述待机指令是指燃机主控系统要求结束吹扫时，使变频器转入热备用状态，此时变频器输出功率为0。如果此时燃机燃烧室燃气纯度尚未达标，变频器可根据主控系统要求再次进入步骤C，继续执行吹扫流程；否则变频器继续待机，等待燃机点火指令或停机指令。步骤F中所述自持转速典型值为80％额定转速，当变频器使燃气机组加速至在75％额定转速时，变频器输出功率按指定斜率梯次减小至0，当收到主控系统发出的变频器停机指令后，变频器退出并停机。

不同的燃气轮机厂家规定的吹扫转速、吹扫时间、吹扫转速下限和吹扫转速上限会有所不同，需要根据燃气轮机的型号及产品手册确定。在吹扫过程中可根据不同类型燃机对吹扫的速度要求，由TCS远程下发或通过本地人机通讯界面预设吹扫时间和吹扫加速度；

本发明所提出的一种基于静止变频器的燃气轮机吹扫控制方法，应用于图1所示基于6-6脉波电流源型变频器或图2所示12-6脉波电流源型变频器的燃气轮机变频启动过程中吹扫运行阶段。如图3所示，该方法具体包括以下步骤：

1)计算转子初始位置角并进入脉冲换相

静止变频器收到燃机主控系统发出的启动指令后，静止变频器开始计算转子初始位置并进入脉冲换相控制阶段。静止状态转子初始位置角计算方法如下：在燃气轮机处于静止状态时，对转子突加励磁，使励磁电流上升，在励磁电流上升的过程中，实时检测定子三相绕组感应出的线电压Uab、Ubc、Uca，并计算准转子初始位置角θ。之后变频器解锁，进入脉冲换相控制。在脉冲换相阶段整流桥以整流方式运行，并通过电流闭环实现输出电流控制，逆变桥根据转子位置角所属的区间，给机组对应的两相定子绕组通电；当电机转子扇区发生改变时，使整流桥以逆变方式运行使变频器输出电流降至零，实现逆变桥换相控制。本步骤中，使绕组通电的方法是：给该两相绕组所对应的晶闸管桥臂发出触发脉冲。

2)进入自然换相阶段后等待吹扫指令

静止变频器将燃气轮机组加速至10％转速时，则由脉冲换相控制切换至自然换相控制模式。在自然换相模式下，整流桥以转速电流双闭环模式进行控制，逆变桥通过检测机端电压过零点来实现转子扇区判断，实现燃气轮机加速控制，并等待燃机主控系统发出的“控制模式”指令。

3)吹扫模式中的降速控制

当静止变频器收到燃机主控系统发出“吹扫模式”指令时，静止变频器通过机端电压计算机组转速，并开启计时器计时。如果此时燃气轮机转速高于吹扫转速上限值，则静止变频器将整流桥触发角推至90度以上，使整流桥以逆变方式运行，同时使逆变桥触发角降低至90度以内，以整流方式运行。通过以上方式，可实现燃气轮机能量回馈制动。

4)吹扫模式中的升速控制

在吹扫模式结束之前，如果燃气轮机转速低于燃机主控系统给定的吹扫转速下限值，则静止变频器切换至升速控制方式。具体实现方式为：整流器以整流方式运行，通过转速电流双闭环控制燃气轮机加速度；逆变器通过机端电压过零点判断转子所处扇区，并发出对应的逆变触发脉冲。

5)吹扫结束后的模式转换

当静止变频器吹扫计时器达到燃机主控系统给定的吹扫时间时，静止变频器输出电流降为零，进入热备用状态。在热备用状态中如果收到停机指令，则静止变频器封锁脉冲并进入停机流程；如果没收到停机令，但是收到了启动指令，则静止变频器再次进入自然换相模式，按燃机主控系统要求使燃机加速至自持转速；如果没收到停机令和启动令，静止变频器则继续待机。

仿真示例：

下面参照附图并结合F型燃气轮机联合循环系统对本发明作进一步详细描述。F型燃气轮机配备静止变频器为12-6脉波拓扑结构，如图2所示，并采用MARK VI燃机主控系统。结合F型燃气轮机静止变频器实际参数，如图4所示给定的典型的吹扫启动曲线；如图5所示摆频吹扫运行典型曲线，其吹扫范围介于25％～27％额定转速之间。

采用电力系统实时数字仿真器(RTDS)对F型燃气轮机静止变频启动系统建立实时数字仿真模型，对此发明的方法进行了仿真验证。按照本发明所提出的控制步骤，设定吹扫转速下限值为25％，即12.5Hz；吹扫上限值为27％，即13.5Hz；吹扫时间设定为10分钟。图6给出了摆频吹扫仿真速度曲线，图7给出了恒频吹扫仿真运行曲线。可以看出，吹扫过程中燃机转速在上下限范围内均匀的摆动，可达到了燃机主控系统的吹扫要求。

综上所述，本发明所提出的一种基于静止变频器的燃气轮机吹扫控制方法，只需要根据燃气轮机主控系统发出吹扫转速上下限值和吹扫时间，简单调整一个非电气量参数——摆频吹扫加速度设定值，即可实现燃气轮机的摆频吹扫控制。该控制策略适用范围广，运行模式灵活，参数调试简单易行，是基于静止变频器的燃气轮机吹扫有效的控制方法。并可以通过吹扫加速度的优化调整，达到改善及提高机组吹扫阶段变频启动时间特性及优化吹扫阶段转速曲线的目的。

需要声明的是，本发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。

Claims (8)

1.一种燃气轮机吹扫的控制方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

1)燃气轮机主控制系统启动静止变频器；

2)所述静止变频器带动燃气轮机吹扫燃气轮机的炉膛；

3)启动燃气轮机。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机吹扫的控制方法，其特征在于，所述启动静止变频器包括所述燃气轮机主控系统向静止变频器发出启动指令，所述静止变频器检测转子的初始位置并进入脉冲换相控制和自然换相控制。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机吹扫的控制方法，其特征在于，所述燃气轮机达到吹扫转速下限时，所述燃气轮机主控系统向静止变频器发出吹扫指令，静止变频器进入吹扫流程并向燃气轮机主控系统反馈吹扫模式指令。

4.根据权利要求1所述的燃气轮机吹扫的控制方法，其特征在于，所述燃气轮机达到吹扫转速上限时，所述静止变频器向整流器发出逆变运行指令，降低燃气轮机转速；所述燃气轮机达到吹扫转速下限时，所述静止变频器向整流器发出整流方式运行指令，提高所述燃气轮机转速。

5.根据权利要求1所述的燃气轮机吹扫的控制方法，其特征在于，所述燃气轮机收到待机指令时，进入待机状态；

所述待机状态的静止变频器按接收到的停机或启动指令运行。

6.根据权利要求3或4所述的燃气轮机吹扫的控制方法，其特征在于，所述燃气轮机的吹扫转速为其额定转速的25％～27％。

7.根据权利要求1所述的燃气轮机吹扫的控制方法，其特征在于，所述吹扫，由主控系统远程控制所述静止变频器，或按本地人机通讯界面设定的吹扫时间和吹扫转速进行吹扫。

8.根据权利要求1所述的燃气轮机吹扫的控制方法，其特征在于，所述静止变频器为由整流桥、平波电抗器和逆变桥组成的6－6脉波拓扑结构或12－6脉波拓扑形式的电流源型静止变频器。