CN108678861B - 分轴式燃气轮机与水力测功器联调方法 - Google Patents

分轴式燃气轮机与水力测功器联调方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种分轴式燃气轮机与水力测功器联调方法，包括：步骤A：采用部件法进行分轴式燃气轮机的总体仿真获取其功率特性；步骤B：结合分轴式燃气轮机的功率特性、超转限制和超扭限制以及水力测功器的功率特性，获得分轴式燃气轮机‑水力测功器系统的工作区间；步骤C：将所述水力测功器与所述分轴式燃气轮机的动力涡轮同轴连接，并启动所述分轴式燃气轮机；以及步骤D：基于上述工作区间，逐步调整分轴式燃气轮机至额定工况，并实时监测提升过程中分轴式燃气轮机的工作状况。本公开提供的分轴式燃气轮机与水力测功器联调方法可以为燃气轮机与水力测功器联调提供工作区间，并保证安全可行地将燃气轮机提升至额定功率。

Description

分轴式燃气轮机与水力测功器联调方法
技术领域
本公开涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种分轴式燃气轮机与水力测功器联调方法。
背景技术
分轴式燃气轮机包括燃气发生器和动力涡轮两部分，由动力涡轮输出功率。开展整机试验时，将水力测功器与动力涡轮相连，即可由水力测功器吸收和测量动力涡轮的功率，从而获得整个燃气轮机的功率特性。
相比于单轴燃气轮机，分轴式燃气轮机由于多了一个转子，其控制变量和限制参数增多；并且分轴式燃气轮机应用于发电系统需考虑并网状态，会发生控制变量在燃气发生器转速NG与动力涡轮转速NP的切换，因此分轴式燃气轮机的控制规律更为复杂；另外，分轴式燃气轮机与水力测功器的整机试验系统中包括了燃机控制系统以及水力测功器控制系统，其中水力测功器又具有开环、恒转速和恒扭矩等多种控制模式，也就是整个系统具有两个大脑，使得整机试验联调难度增加。
因此整机动态调节需要同时考虑分轴式燃气轮机和水力测功器的参数与特性。特别是新机在调试过程中，应在满足安全限制的前提下逐步考核分轴式燃气轮机在不同状态下的控制系统和结构可靠性，而目前尚无一个综合上述考虑的联调方法可参考。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述技术问题，本公开提供一种分轴式燃气轮机与水力测功器联调方法，以缓解现有技术中没有一种能够同时考虑分轴式燃气轮机和水力测功器的参数与特性的整机动态调节方法的技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种分轴式燃气轮机与水力测功器联调方法，包括：步骤A：采用部件法进行分轴式燃气轮机的总体仿真获取其功率特性；步骤B：结合分轴式燃气轮机的功率特性、超转限制和超扭限制以及水力测功器的功率特性，获得分轴式燃气轮机-水力测功器系统的工作区间；步骤C：将所述水力测功器与所述分轴式燃气轮机的动力涡轮同轴连接，并启动所述分轴式燃气轮机；以及步骤D：基于上述工作区间，逐步调整分轴式燃气轮机至额定工况，并实时监测提升过程中分轴式燃气轮机的工作状况。
在本公开的一些实施例中，其中：以为横坐标，Power为纵坐标建立坐标系；所述步骤A中，所述分轴式燃气轮机的功率特性满足如下关系式：
所述步骤B中，水力测功器的功率特性满足如下关系式：
其中，f1、f2为该坐标系中功率与的函数对应关系，Power为功率，为动力涡轮的实时转速与额定转速之比，为燃气发生器的实时转速与额定转速之比；结合f1、f2、超转限制和超扭限制，获得分轴式燃气轮机-水力测功器系统的工作区间。
在本公开的一些实施例中，其中，f2的约束参数包括：转子特性约束，最大扭矩限制，最大功率限制和最大转速限制。
在本公开的一些实施例中，所述步骤C中逐步调整分轴式燃气轮机至额定工况包括：步骤C1：启动所述分轴式燃气轮机，基于NG开环控制加速至慢车状态，并调整所述分轴式燃气轮机进入NG闭环控制；步骤C2：调整所述分轴式燃气轮机进入NP闭环控制；步骤C3：控制NP升转至设计转速，所述分轴式燃气轮机达到并网条件；以及步骤C4：保持NP恒定在设计转速，控制NG升转至设计转速，所述分轴式燃气轮机进入额定工况；其中，NG为所述分轴式燃气轮机中燃气发生器的转速，NP为所述水力测功器以及所述分轴式燃气轮机中动力涡轮的转速，所述NP闭环控制包括：燃气轮机NP闭环控制和水力测功器NP闭环控制。
在本公开的一些实施例中，所述燃气轮机NG闭环控制和所述燃气轮机NP闭环控制根据如下条件进行切换：当NG≥NG慢车后，切入NG闭环控制；当NG≥NG’且NP≥NP’，并持续100ms，切入NP闭环控制；以及当NP＜0.8NP’并持续100ms，切入NG闭环控制；其中，NG慢车为燃气轮机慢车转速，NG’和NP’为根据所述分轴式燃气轮机自身特性决定的常数，NG慢车＜NG’。
在本公开的一些实施例中，所述步骤C1中：启动所述分轴式燃气轮机，基于NG开环控制提升NG值至慢车状态的过程中，水力测功器设置为恒转速控制，设定转速为NPC1，使NPC1值满足所述分轴式燃气轮机进入NG闭环控制的要求。
在本公开的一些实施例中，其中：
NPC1＜min[N′P，NP1]
其中，NP1为慢车状态下动力涡轮的最高允许转速，即等转速线与所述分轴式燃气轮机-水力测功器系统工作区间右边界的交点。
在本公开的一些实施例中，所述步骤C2包括：步骤C21：水力测功器设置为恒转速控制，维持慢车状态NP值不变，通过NG闭环控制提升NG值，直至所述NG值满足所述分轴式燃气轮机进入NP闭环控制的要求；步骤C22：通过NG闭环控制维持NG值不变，水力测功器设置为开环控制，降低水力测功器的扭矩，提升NP值直至所述NP值满足所述分轴式燃气轮机进入NP闭环控制的要求，所述分轴式燃气轮机进入NP闭环控制。
在本公开的一些实施例中，所述步骤C21中，通过NG闭环控制提升NG值至NGC21，其中：
NG′＜NGC21＜NG1
其中，NG1为动力涡轮转速为NPC1条件下燃气发生器的最大允许转速，即NPC1等转速线与所述分轴式燃气轮机-水力测功器系统工作区间的上边界的交点。
在本公开的一些实施例中，其中：所述步骤C3中：通过燃气轮机NP闭环控制逐步提升NP值，直至水力测功器设置为开环控制，在提升NP值的过程中控制水力测功器扭矩，使得NG值不变，所述分轴式燃气轮机达到并网条件；所述步骤C4中：通过燃气轮机NP闭环控制维持NP值不变，水力测功器设置为开环控制，逐步提升水力测功器的扭矩，直至所述分轴式燃气轮机进入额定工况；其中，在所述分轴式燃气轮机进入NP闭环控制后，且所述NG值达到额定转速前，通过NP闭环控制维持NP值不变，水力测功器设置为开环控制，逐步提升水力测功器的扭矩，使所述NG值提升至小于额定转速的中间状态。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的分轴式燃气轮机与水力测功器联调方法具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)提供了一种分轴式燃气轮机与水力测功器联调方法，该方法首先通过部件法总体仿真获得燃气轮机功率特性；其次，结合燃气轮机功率特性、水力测功器工作区间、超扭限制和超转限转以获得整个系统的工作区间；再次，基于上述工作区间的特点以及燃气轮机和水力测功器的控制模式，将燃气轮机提升至额定功率；该方法可以为燃气轮机与水力测功器联调提供工作区间，并保证安全可行地将燃气轮机提升至额定功率；
(2)通过建立坐标系，将分轴式燃气轮机中燃气发生器和动力涡轮的功率特性利用图像直观地表现在坐标系中，便于联调过程中把握调节程度，提高设备稳定性；
(3)根据实际情况设置水力测功器为恒转速控制或开环控制，能够降低转速波动，并且避免超调；
(4)在分轴式燃气轮机进入NP闭环控制后，且NG值达到额定转速前，将NG值提升至小于额定转速的中间状态，能够为NG值的提升过程提供缓冲，提高分轴式燃气轮机-水力测功器系统的稳定性。
附图说明
图1为本公开分轴式燃气轮机与水力测功器联调方法中获取分轴式燃气轮机-水力测功器系统工作区间的示意图。
图2为在图1中获取的分轴式燃气轮机-水力测功器系统工作区间中逐步调整分轴式燃气轮机至额定工况的示意图。
具体实施方式
本公开实施例提供的分轴式燃气轮机与水力测功器联调方法中，通过部件法获得燃气轮机功率特性；结合燃气轮机和水力测功器工作特性获得整个系统的工作区间；基于上述工作区间的特点，将分轴式燃气轮机安全、稳定地提升至额定功率。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开提供一种分轴式燃气轮机与水力测功器联调方法，包括：步骤A：采用部件法进行分轴式燃气轮机的总体仿真获取其功率特性；步骤B：结合分轴式燃气轮机的功率特性、超转限制和超扭限制以及水力测功器的功率特性，获得分轴式燃气轮机-水力测功器系统工作区间；步骤C：将水力测功器与分轴式燃气轮机的动力涡轮同轴连接，并启动分轴式燃气轮机；以及步骤D：基于上述工作区间，逐步调整分轴式燃气轮机至额定工况，并实时监测提升过程中分轴式燃气轮机的工作状况。
图1为本公开分轴式燃气轮机与水力测功器联调方法中获取分轴式燃气轮机-水力测功器系统工作区间的示意图。
在本公开的一些实施例中，其中：如图1所示，以为横坐标，Power为纵坐标建立坐标系；步骤A中，分轴式燃气轮机的功率特性满足如下关系式：
步骤B中，水力测功器的功率特性满足如下关系式：
其中，f1、f2为该坐标系中功率与的函数对应关系，Power为功率，为动力涡轮的实时转速与额定转速之比，为燃气发生器的实时转速与额定转速之比；结合f1、f2、超转限制(包括动力涡轮的超转限制和燃气发生器的超转限制)和超扭限制，获得分轴式燃气轮机-水力测功器系统的工作区间(如图1中阴影部分所示)。
在本公开的一些实施例中，其中，f2的约束参数包括：转子特性约束，最大扭矩限制(由水力测功器中的光盘直径决定)，最大功率限制(由水道大小决定)和最大转速限制(由轴承决定)。
图2为在图1中获取的分轴式燃气轮机-水力测功器系统工作区间中逐步调整分轴式燃气轮机至额定工况的示意图。
在本公开的一些实施例中，步骤C中逐步调整分轴式燃气轮机至额定工况包括：
步骤C1：启动分轴式燃气轮机，基于NG开环控制加速至慢车状态，并调整分轴式燃气轮机进入NG闭环控制(如图2中0-a段所示)；步骤C2：调整分轴式燃气轮机进入NP闭环控制(如图2中a-c段所示)；步骤C3：控制NP升转至设计转速，分轴式燃气轮机达到并网条件(如图2中c-e段所示)；以及步骤C4：保持NP恒定在设计转速，控制NG升转至设计转速，分轴式燃气轮机进入额定工况(如图2中e-f段所示)；其中，NG为分轴式燃气轮机中燃气发生器的转速，NP为水力测功器以及分轴式燃气轮机中动力涡轮的转速，NP闭环控制包括：燃气轮机NP闭环控制和水力测功器NP闭环控制。
在本公开的一些实施例中，燃气轮机NG闭环控制和燃气轮机NP闭环控制根据如下条件进行切换：当NG≥NG慢车后，切入NG闭环控制；当NG≥NG’且NP≥NP’，并持续100ms，切入NP闭环控制；以及当NP＜0.8NP’并持续100ms，切入NG闭环控制；其中，NG慢车为燃气轮机慢车转速，NG’和NP’为根据分轴式燃气轮机自身特性决定的常数，NG慢车＜NG’。
在本公开的一些实施例中，如图2所示，步骤C1中：启动分轴式燃气轮机，水力测功器设置为恒转速控制，设定水力测功器的转速为NPC1，基于NG开环控制提升NG值至慢车状态的过程，，从而使分轴式燃气轮机切入NG闭环控制。
在本公开的一些实施例中，其中：
NPC1＜min[N′P，NP1]
其中，NP1为慢车状态下动力涡轮的最高允许转速，即等转速线与分轴式燃气轮机-水力测功器系统工作区间右边界的交点，通过获取NP1的值，能够为步骤C1中设定水力测功器的转速提供参考。
在本公开的一些实施例中，步骤C2包括：步骤C21：水力测功器设置为恒转速控制，维持慢车状态NP值(即NPC1)不变，通过NG闭环控制提升NG值，直至NG值满足分轴式燃气轮机进入NP闭环控制的要求(如图2中a-b段所示)；步骤C22：通过NG闭环控制维持NG值不变，水力测功器设置为开环控制，降低水力测功器的扭矩，提升NP值直至NP值满足分轴式燃气轮机进入NP闭环控制的要求(即NP≥NP’)，分轴式燃气轮机进入NP闭环控制(如图2中b-c段所示)。
在本公开的一些实施例中，步骤C21中，通过NG闭环控制提升NG值至NGC21，其中：
NG′＜NGC21＜NG1
其中，NG1为动力涡轮转速为NPC1条件下燃气发生器的最大允许转速，即NPC1等转速线与分轴式燃气轮机-水力测功器系统工作区间上边界的交占(如图2所示)，通过获取从而为步骤C21中调节NG值提供参考，提高安全性。
在本公开的一些实施例中，其中：步骤C3中：通过燃气轮机NP闭环控制逐步提升NP值，直至水力测功器设置为开环控制，在提升NP值的过程中控制水力测功器扭矩，使得NG值不变，分轴式燃气轮机达到并网状态。
步骤C4中：通过燃气轮机NP闭环控制维持NP值不变，水力测功器设置为开环控制，逐步提升水力测功器的扭矩，直至分轴式燃气轮机进入额定工况。
其中，在分轴式燃气轮机进入NP闭环控制后，且NG值达到额定转速前(即c-e段中)，通过NP闭环控制维持NP值不变，水力测功器设置为开环控制，逐步提升水力测功器的扭矩，使NG值提升至小于额定转速的中间状态(如图2中c-d段所示)。
在本公开的一些实施例中，如图2所示，采用六步法进行燃气轮机-水力测功器系统联调，包括：
第一步：水力测功器设置为恒转速控制，给定转速为NPa(NPa＜min[NP’，NP1])，分轴式燃气轮机起动至慢车状态NG慢车，燃气轮机进入NG闭环控制(图2中启动至a状态)；
第二步：水力测功器仍设置为恒转速控制，给定转速为NPb＝NPa，NG闭环控制控制NG提升至此时燃气发生器转速NG满足燃气轮机切入NP闭环控制的要求，即NGb＞NG’(图2中a状态至b状态)；
第三步：水力测功器设置为开环控制，NG闭环控制维持NG不变，水力测功器减少扭矩，使动力涡轮转速达到NP’，此时燃气轮机进入NP闭环控制(图2中b状态至c状态)；
第四步：通过NP闭环控制维持NP为NP’，水力测功器仍设置为开环控制，水力测功器控制扭矩提升，NG即随之提升至(图2中c状态至d状态)；
第五步：水力测功器仍设置为开环控制，燃气轮机为NP闭环控制，燃气轮机不断提升NP直至过程中控制水力测功器扭矩，使得NG基本不变，此时具备并网条件(图2中d状态至e状态)；
第六步：水力测功器仍设置为开环控制，通过NP闭环控制维持不变，水力测功器不断提升扭矩，直至此时即为额定状态。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开提供的分轴式燃气轮机与水力测功器联调方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供的分轴式燃气轮机与水力测功器联调方法通过获取分轴式燃气轮机-水力测功器系统的工作区间，在该工作区间内安全可行地将燃气轮机提升至额定功率，。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，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。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如前面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分轴式燃气轮机与水力测功器联调方法，包括：
步骤A：采用部件法进行分轴式燃气轮机的总体仿真获取其功率特性；
步骤B：结合分轴式燃气轮机的功率特性、超转限制和超扭限制以及水力测功器的功率特性，获得分轴式燃气轮机-水力测功器系统的工作区间；
步骤C：将所述水力测功器与所述分轴式燃气轮机的动力涡轮同轴连接，并启动所述分轴式燃气轮机；以及
步骤D：基于上述工作区间，逐步调整分轴式燃气轮机至额定工况，并实时监测提升过程中分轴式燃气轮机的工作状况。
2.根据权利要求1所述的分轴式燃气轮机与水力测功器联调方法，其中：
以为横坐标，Power为纵坐标建立坐标系；
所述步骤A中，所述分轴式燃气轮机的功率特性满足如下关系式：
所述步骤B中，水力测功器的功率特性满足如下关系式：
其中，f1、f2为该坐标系中功率与 的函数对应关系，Power为功率，为动力涡轮的实时转速与额定转速之比，为燃气发生器的实时转速与额定转速之比；
结合f1、f2、超转限制和超扭限制，获得分轴式燃气轮机-水力测功器系统的工作区间。
3.根据权利要求2所述的分轴式燃气轮机与水力测功器联调方法，其中，f2的约束参数包括：转子特性约束，最大扭矩限制，最大功率限制和最大转速限制。
4.根据权利要求2所述的分轴式燃气轮机与水力测功器联调方法，所述步骤C中逐步调整分轴式燃气轮机至额定工况包括：
步骤C1：启动所述分轴式燃气轮机，基于NG开环控制加速至慢车状态，并调整所述分轴式燃气轮机进入NG闭环控制；
步骤C2：调整所述分轴式燃气轮机进入NP闭环控制；
步骤C3：控制NP升转至设计转速，所述分轴式燃气轮机达到并网条件；以及
步骤C4：保持NP恒定在设计转速，控制NG升转至设计转速，所述分轴式燃气轮机进入额定工况；
其中，NG为所述分轴式燃气轮机中燃气发生器的转速，NP为所述水力测功器以及所述分轴式燃气轮机中动力涡轮的转速，所述NP闭环控制包括：燃气轮机NP闭环控制和水力测功器NP闭环控制。
5.根据权利要求4所述的分轴式燃气轮机与水力测功器联调方法，所述燃气轮机NG闭环控制和所述燃气轮机NP闭环控制根据如下条件进行切换：
当NG≥NG慢车后，切入NG闭环控制；
当NG≥NG’且NP≥NP’，并持续100ms，切入NP闭环控制；以及
当NP＜0.8NP’并持续100ms，切入NG闭环控制；
其中，NG慢车为燃气轮机慢车转速，NG’和NP’为根据所述分轴式燃气轮机自身特性决定的常数，NG慢车<NG’。
6.根据权利要求5所述的分轴式燃气轮机与水力测功器联调方法，所述步骤C1中：启动所述分轴式燃气轮机，基于NG开环控制提升NG值至慢车状态的过程中，水力测功器设置为恒转速控制，设定转速为NPC1，使NPC1值满足所述分轴式燃气轮机进入NG闭环控制的要求。
7.根据权利要求6所述的分轴式燃气轮机与水力测功器联调方法，其中：
NPC1＜min[N′P，NP1]
其中，NP1为慢车状态下动力涡轮的最高允许转速，即等转速线与所述分轴式燃气轮机-水力测功器系统工作区间右边界的交点。
8.根据权利要求6所述的分轴式燃气轮机与水力测功器联调方法，所述步骤C2包括：
步骤C21：水力测功器设置为恒转速控制，维持慢车状态NP值不变，通过NG闭环控制提升NG值，直至所述NG值满足所述分轴式燃气轮机进入NP闭环控制的要求；
步骤C22：通过NG闭环控制维持NG值不变，水力测功器设置为开环控制，降低水力测功器的扭矩，提升NP值直至所述NP值满足所述分轴式燃气轮机进入NP闭环控制的要求，所述分轴式燃气轮机进入NP闭环控制。
9.根据权利要求8所述的分轴式燃气轮机与水力测功器联调方法，所述步骤C21中，通过NG闭环控制提升NG值至一常数值NGC21，其中：
NG′＜NGC21＜NG1
其中，NG1为动力涡轮转速为NPC1条件下燃气发生器的最大允许转速，即NPC1等转速线与所述分轴式燃气轮机-水力测功器系统工作区间的上边界的交点。
10.根据权利要求5所述的分轴式燃气轮机与水力测功器联调方法，其中：
所述步骤C3中：通过燃气轮机NP闭环控制逐步提升NP值，直至水力测功器设置为开环控制，在提升NP值的过程中控制水力测功器扭矩，使得NG值不变，所述分轴式燃气轮机达到并网条件；
所述步骤C4中：通过燃气轮机NP闭环控制维持NP值不变，水力测功器设置为开环控制，逐步提升水力测功器的扭矩，直至所述分轴式燃气轮机进入额定工况；
其中，在所述分轴式燃气轮机进入NP闭环控制后，且所述NG值达到额定转速前，通过NP闭环控制维持NP值不变，水力测功器设置为开环控制，逐步提升水力测功器的扭矩，使所述NG值提升至小于额定转速的中间状态。
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