CN107783427A - 一种燃气轮燃料控制系统仿真装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明搭建了一种燃气轮机燃料控制系统的仿真装置，并设计了其测试方法，具体的是：1）搭建了可以模拟燃气轮机燃料控制系统的电液伺服系统，其子物理过程与电厂运行的燃机完全一致，可以有效的为仿真测试提供硬件支持。有别于现有技术，本发明可以提供执行机构/传感器等对控制系统的影响；2）设计了仿真测试方法，利用该方法可以找出现有技术所不能发觉的问题，为控制系统的优化提供一种方便、快捷、有效的途径。

Description

一种燃气轮燃料控制系统仿真装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域。尤其涉及一种燃气轮燃料控制阀仿真装置及其测试方法。

背景技术

凭借较高的热转化率，重型燃气轮机在舰船、地面发电和工业驱动等多个领域得到了广泛的应用。重型燃气轮机的研发获到了国家层面的大力支持，自2003年以来，国家发改委先后组织了多次“打捆招标”期望以市场换技术，但目前诸如热端部件制造、DLN燃烧以及自动控制系统等核心技术仍被国外公司垄断。因此，研发拥有完全独立自主知识产权的重型燃气轮机控制系统刻不容缓。

燃机控制系统在研发过程中为了节约成本、降低风险、缩短调试周期，其性能的仿真测试将是必不可少的部分。目前，GE、西门子、三菱等燃气轮机制造厂商均搭建了相应的仿真测试平台。GE委托Emprise公司搭建了针对“9H”燃气轮机的仿真测试平台，可以用来模拟冷却、启动等操作；西门子利用SIMATIC S7-400 PLC搭建了一个HIL仿真测试平台，该平台自带实时非线性燃气轮机模型，采用分布式控制策略具备按需增删IO测试点的能力，可全方位对控制系统进行性能验证；三菱搭建的燃气轮机仿真实验室包括监控区域、仿真测试区域以及人员培训区域，在对控制系统进行验证的同时也可以满足用户进行岗前培训、在岗轮训等。国内相关科研院所也进行了燃气轮机仿真测试台的搭建，但主要集中在舰载燃气轮机，用于电厂的燃气轮机较少^[1]。可见，搭建一个可以模拟真实燃气轮机执行机构/传感器的装置，并设计相应的仿真测试方法对控制系统的研发是不可或缺的。

发明内容

根据技术背景可知，搭建一个可以真实模拟燃气轮机执行机构/传感器的装置，并设计相应的仿真测试方法是研发燃机控制系统不可缺少的。本发明将提供一个可以模拟燃气轮机燃料控制阀的电液伺服系统，和一个用来进行仿真测试的方法。

用来模拟燃气轮机燃料控制阀的电液伺服系统（见图1）包含：

执行部分：采用液压缸及操纵座。

控制部分：采用伺服阀控制液压缸，具备快速关闭功能及危急遮断功能。

动力部分：主泵采用恒压变量泵。

辅助部分：油箱、基础座、测压装置、风冷装置、油位油温报警等。

系统具有精密调节、快关、危急遮断功能。

配合燃气轮机控制系统主控设备，可以实现液压系统标定和伺服调节，油温报警，泵远方控制功能。

1、本系统为中高压系统，执行机构体积小，油站整体外形较小。

2、采用高频响伺服阀控制，系统响应快速。

3、选用低噪音泵，低噪音电机，且系统整体与地面之间使用隔震隔声材料隔离。

4、主泵为恒压柱塞泵，节能设计。在执行机构不动作时泵只提供系统的内泄漏等需要的流量，此时损耗功率极低。

5、柱塞泵运行过程中，壳体泄漏油经过风冷却器进行冷却。

6、系统安置过滤器，过滤精度≤5μ，管道清洗后管路内精度≥7级。

7、介质采用阻燃抗磨液压油。

8、系统所有密封采用耐油耐压密封，管接头为进口优质管接头，设计为不允许漏油设计。

系统性能指标

伺服机构调节速率：≥100mm/s

伺服机构重复定位精度：≤±0.5%

伺服机构响应速度：<50ms

快关时间：<0.3s

整机噪声≤70分贝

此模拟燃机燃料控制阀的电液伺服系统与控制系统及上位机界面的联系结构见图2，包含：

燃气轮机模型计算机：内置高精度实时燃气轮机模型。

操作员计算机：根据电厂和控制系统需要绘制燃气轮机上位机界面，包括：主画面、启动检查、遮断保护、燃料、进口导叶、发电机、轴瓦温度、排气温度、负荷齿轮箱、润滑油、冷却密封等页面。操作员可在此上位机界面上完成燃气轮机全部的启、停与正常运行等控制。

I/O接口：专门的燃气轮机控制柜，实现控制器、执行机构和传感器等的硬接线，保持与电厂实际使用设备完全一致。

控制器：采用与电厂使用完全一致的高性能控制器，满足本发明燃气轮机燃料控制阀的仿真测试要求。

仿真测试方法设计过程中，遇到以下问题：

1）燃气轮机使用气体燃料，其温度、压力的建模难度较大；

2）燃气轮机模型采用容积法对燃烧室进行建模，且主要关心的是某一时刻进入燃烧室的燃料总量，而不需要了解此时刻每个控制阀的工作情况；

3）控制阀从接到控制指令到实际动作过程中存在响应时间和跟随精度的问题，该部分建模难度较大。

考虑上述问题，本发明中的仿真测试方法设计时对整个系统做如下处理：

1）将多个控制阀构成的控制阀组等效为1个控制阀。虽然其响应时间和跟随精度不能完全与实际燃气轮机的控制阀组一致，但该等效处理可以将真实阀门的响应时间和跟随精度等问题引入燃料控制系统中。相对于纯数字仿真，该处理在一定程度上弥补了燃气轮机模型的不足，有利于优化燃气轮机控制系统逻辑及控制参数；

2）控制阀开度采用百分比的形式表示，由于控制阀在实际应用中主要使用阀门特性趋近线性变化的部分，如果燃料行程基准（Fuel Stroke Reference，FSR）也采用百分比的形式，那么在数值上也等同于FSR，所以控制阀的开度直接使用FSR来表示；

3）进入燃烧室的燃料温度恒定。

为了将控制器发出的阀门开度指令转为燃气轮机模型需要的燃料量，燃气轮机燃料控制阀仿真测试时在IO接口处编辑部分算法，其主要利用的关系有：

则有：

其中表示转速；为速比/截止阀与控制阀间压力。

参考某燃机实际运行数据，可将与和FSR的关系近似计算得出，具体关系式如下：

通过上式的计算，可将阀门开度FSR及转速换算成对应的信号传递给燃气轮机模型。

燃料控制系统程序设计

燃气轮机从冷态启动开始，启动控制模块、加速度控制模块、转速控制模块、温度控制模块、发电机功率及功率因数控制模块、压比控制模块和手动控制模块将实时计算出各自的FSR，控制系统根据最小FSR来进行模块切换，最小值选择模式如图3所示。

基于图3的燃料控制系统框架图，参考国外成熟机型的经验，本发明所讨论的燃料控制系统程序的设计思路为：启动控制模块为开环控制；其他控制模块为闭环控制（采用工业生产上常用的PID方式）。

启动控制模块的燃料量输出是由启动过程中不同的启动状态触发的，具体分为：点火状态、暖机状态、小加速状态和大加速状态等，详细过程如图4所示。

燃料控制系统涉及其他闭环控制模块：加速控制模块、转速控制模块、温度控制模块和压比控制模块等均采用相似的闭环控制器控制。由于控制器设计原理相似，以转速控制模块为例，转速控制器的设计如下：

式中：为转速控制燃料行程基准；FSR为燃料行程基准；为转速目标值与转速实际值的偏差；为调节系数；为一阶惯性时间常数。

启动控制模块及闭环控制模块经最小值选择的控制方式进行输出。最小值选择控制是各个闭环控制模块在当前的FSR基础上进行运算，实现启动控制模块向闭环控制模块无扰切换和闭环控制模块之间无扰切换，保证控制模式切换过程中燃料较稳定的输入燃烧室。

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示出了模拟燃气轮机燃料控制系统的电液伺服系统；

图2示出了本发明搭建的电液伺服与控制系统以及上位机界面的结构关系；

图3示出了燃气轮机燃料控制系统的FSR最小值选择方式；

图4示出了燃气轮机在启动控制下开环控制的燃料量变化曲线；

图5示出了本发明设计的燃气轮机燃料控制阀的仿真测试流程。

图6示出了本发明的燃气轮机燃料控制系统参数优化流程；

图7示出了本发明设计的仿真测试方法发现了现有技术无法发现的控制系统的缺陷；

图8示出了本发明设计的仿真测试方法对燃料控制系统关键控制参数的优化。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例及你选哪个详细描述。

为了更好的理解与应用本发明提出的仿真设备及测试方法，本发明在搭建好的模拟燃气轮机燃料控制阀的电液伺服系统上进行仿真测试，其测试方法如图5所示。

操作员点击启动按钮，燃气轮机从零转速开始，经过清吹、惰走、点火、暖机、加速直到全速空载。当清吹、惰走完成后，启动控制模块根据启动状态依次建立点火FSR、暖机FSR，通过最小值比较得到点火FSR和暖机FSR数值较低，启动FSR进入控制；燃气轮机暖机完成后进入加速状态后，控制器接收测量系统反馈的燃气轮机状态信号并在内部计算转速、加速度、排气温度和压比等对应的FSR。启动FSR和加速度FSR分别按其设定的加速速率上升，通过最小值选择器使得燃气轮机由启动控制和加速度控制中FSR上升速率较小者控制。当燃气轮机进入全速空载状态后，转速FSR小于启动FSR，转速FSR进入控制。

如图6所示，本发明设计了一种燃气轮机燃料控制系统优化的仿真测试方法，包括具体以下步骤：

步骤S1：利用现有技术得出控制系统（关键参数以设定）；

步骤S2：将S1中得到的控制系统串入本发明搭建的燃气轮机燃料控制系统中（包含模拟燃料控制阀的电液伺服系统、控制器等）。

步骤S3：通过修改控制系统的关键参数对控制系统进行优化，直至达到目标控制性能。

为了更好的理解与应用本发明提出的一种模拟燃气轮机燃料控制系统的电液伺服系统及仿真测试方法，结合图7进行以下示例，且本发明不仅局限以下示例。

具体地，如图7所示，1）启动到点火前，燃气轮机由SFC拖动，此阶段FSR一直为零值；

2）t =49 s时，燃气轮机进入点火阶段，虚线代表的FSR迅速达到点火给定值，实线代表的FSR出现了延迟的现象（详见局部放大部分）；

3）t =158 s时，燃气轮机进入全速空载阶段，此时图中虚线较为平滑，而图中实线则出现等幅振荡现象，燃料量输出波动较大。

出现以上现象的主要原因是由于本发明接入了真实的阀门执行机构和传感器，同时也将执行机构的执行时间、机械扰动、传感器采集延时等难以建模的影响因素引入，进而触发了现有技术仿真测试时未发现的控制系统设计问题，从而体现了本发明的意义。

为了消除这些扰动，本发明设计了相应的仿真测试方法，对控制系统的控制参数进行优化调整，主要的步骤可参看图6。

对燃料控制部分的时间参数T _C进行4组测试，其测试结果如图8所示。

图8是燃料控制中T _C取不同参数时燃气轮机从启动到全速空载的燃料曲线对比图。当T _C =2时，FSR曲线出现等幅振荡现象；当T _C =6时，FSR曲线经过一段时间的调整后收敛；当T _C =10时，FSR曲线经过较短时间的调整后维持在设定转速下；当T _C=20时，FSR曲线超调量较大。

由以上对比可见，当T _C =10时燃气轮机仿真系统可以稳定地输出燃料，从而保证燃气轮机转速被控制在设定范围内，也即是T _C=10为最佳控制参数。

采用本发明设计的燃气轮机燃料控制仿真测试方法优于现有技术方法，可以有效对关键控制参数进行优化，进而提高控制系统的鲁棒性。

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，或者以他们的组合实现。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分布式控制器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执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序。

本文中所称的“一个实施例”、“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或者特性包含本发明的至少一个实施例中。此外，请注意，这里“在意个实施例中”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，本发明的实施例控制在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实践中，并未详细示出公知的方法、结论和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

此外，还应当注意，本说明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形，这样的修改和变形均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (9)

1.一种模拟燃气轮机燃料控制的装置，其特征在于，包括：

执行部分：采用液压缸及操纵座；

反馈部分：采用LVDT反馈操纵座位置信息；

控制部分：采用伺服阀控制液压缸，具备快速关闭功能及危急遮断功能；

动力部分：主泵采用恒压变量泵；

辅助部分：油箱、基础座、测压装置、风冷装置、油位和油温报警等；

系统具有精密调节、快关、危急遮断功能。

2.如权利要求1所述的装置结构，其特征在于，采用恒压变量泵提供动力，带动液压缸及操纵座的方式来模拟燃料控制系统的执行机构部分。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，采用LVDT的方式接收位置信号，通过控制器实现执行机构的动作，并且由于操纵座的设计可实现快速关闭、危机遮断的功能。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，配合燃气轮机控制系统主控设备，可以实现液压系统标定和伺服调节，油温报警，泵远方控制功能。

5.一种模拟燃气轮机燃控控制系统的仿真测试方法，其特征在于，包括：

将多个控制阀构成的控制阀组等效为1个控制阀；控制阀开度采用百分比的形式表示；采用曲线拟合的方式将燃料流量、转速和FSR联系起来；设计一个PI转速控制器，采用最小值选择的方式，实现对燃料系统的精确控制。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，虽然其响应时间和跟随精度不能完全与实际燃气轮机的控制阀组一致，但该等效处理可以将真实阀门的响应时间和跟随精度等问题引入燃料控制系统中。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，由于控制阀在实际应用中主要使用阀门特性趋近线性变化的部分，如果燃料行程基准(Fuel Stroke Reference，FSR)也采用百分比的形式，那么在数值上也等同于FSR，所以控制阀的开度直接使用FSR来表示。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，根据成熟机型的运行数据，采用曲线拟合的方法近似求出料流量、转速和FSR关系，实现阀门开度与燃料量的转化。

9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，设计一个转速控制器：

式中：为转速控制燃料行程基准；FSR为燃料行程基准；为转速目标值与转速实际值的偏差；为调节系数；为一阶惯性时间常数，通过对关键参数的优化，可以提高控制系统的鲁棒性，相对于现有技术，本发明在一定程度上弥补了燃气轮机模型以及执行机构模拟的不足，有利于优化燃气轮机控制系统逻辑及控制参数。