CN109488462A - 包含回热器的变几何三轴式燃气轮机控制方法 - Google Patents

包含回热器的变几何三轴式燃气轮机控制方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种包含回热器的变几何三轴式燃气轮机控制方法，包括：步骤A：建立包含回热器的变几何三轴式燃气轮机仿真模型；步骤B：基于上述仿真模型，制定最优动力涡轮出口温度的控制规律；步骤C：建立燃油流量与高压轴相对转速之间的闭环控制；步骤D：建立动力涡轮导叶角度与动力涡轮出口温度之间的闭环控制；步骤E：设置超转保护，避免燃气轮机超转。本公开提供的包含回热器的变几何三轴式燃气轮机控制方法，针对带回热器的变几何三轴式燃气轮机，通过模型计算，获得最优控制规律，在保证燃气轮机不超温、不超转的前提下提高热效率，获得较为平缓的燃气轮机效率曲线，解决燃气轮机部分工况下效率低的问题。

Description

包含回热器的变几何三轴式燃气轮机控制方法
技术领域
本公开涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种包含回热器的变几何三轴式燃气轮机控制方法。
背景技术
对于包含回热器的燃气轮机，回热器利用排气余温提高燃烧室进口温度，从而提升热效率。然而，传统的包含回热器的定几何燃气轮机效率随工况的降低而衰减，这极大影响了燃气轮机的经济性。
对于动力涡轮导叶可调的变几何燃气轮机，涡轮导叶可以调节涡轮喉道面积以改变燃气轮机进气流量W1、进而控制排气温度T9。通过优化动力涡轮导叶角度控制规律，使得燃气轮机在部分工况下维持较高的排气温度，提高回热器回热量，从而达到提高燃气轮机热效率的作用。如何制定动力涡轮导叶控制规律，在保证燃气轮机不超限的前提下提高部分工况下的热效率是一个重要的研究方向。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述技术问题，本公开提供一种包含回热器的变几何三轴式燃气轮机控制方法，以缓解现有技术中的包含回热器的定几何燃气轮机的效率随工况的降低而衰减，极大影响了燃气轮机的经济性的技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种包含回热器的变几何三轴式燃气轮机控制方法，该燃气轮机包括：燃气发生器、动力涡轮导叶角度可调的动力涡轮以及回热器，该控制方法包括：步骤A：建立包含回热器的变几何三轴式燃气轮机仿真模型；步骤B：基于上述仿真模型，制定最优动力涡轮出口温度的控制规律；步骤C：建立燃油流量与高压轴相对转速之间的闭环控制；步骤D：建立动力涡轮导叶角度与动力涡轮出口温度之间的闭环控制；步骤E：设置超转保护，避免燃气轮机超转。
在本公开的一些实施例中，所述步骤A中，通过流体三维计算获取各压气机和涡轮部件特性，基于部件特性图建立部件级燃气轮机仿真模型。
在本公开的一些实施例中，所述步骤B包括：步骤B1：以多组大气温度、高压轴相对转速、动力涡轮相对转速以及动力涡轮导叶角度为所述仿真模型的输入参数；步骤B2：分别计算每组工况下下对应的最优动力涡轮出口温度；步骤B3：利用RBF神经网络，以多组大气温度、高压轴相对转速以及动力涡轮相对转速作为输入参数，以与之对应的最优动力涡轮出口温度作为输出参数，训练神经网络，实现最优排气温度控制规律的制定。
在本公开的一些实施例中，所述步骤B1中：大气温度在233.15K至323.15K之间按等差数列选取10个参数；高压轴相对转速在0.75至1之间按等差数列选取10个参数；动力涡轮相对转速在0.4至1.1之间按等差数列选取8个参数。
在本公开的一些实施例中，所述步骤B2中：对任一组特定的大气温度、高压轴相对转速和动力涡轮相对转速，通过调节动力涡轮导叶角度获得不同的动力涡轮出口温度以及燃气轮机效率，求得在动力涡轮出口温度不超限的情况下最高效率所对应的动力涡轮出口温度，该动力涡轮出口温度即为该工况下的最优动力涡轮出口温度。
在本公开的一些实施例中，所述步骤C中：通过燃油流量控制杆控制高压轴相对转速，从而间接控制燃气轮机的输出功率，使燃气轮机满足动力需求。
在本公开的一些实施例中，所述步骤D中：通过调节动力涡轮导叶角度，改变动力涡轮喷嘴的喉道面积，从而调节燃气轮机进气流量和动力涡轮出口温度，使动力涡轮出口温度满足所述步骤B中制定的动力涡轮出口温度的控制规律。
在本公开的一些实施例中，所述步骤E中：当高压轴将要超转时，控制燃油流量维持高压轴相对转速在其最大限制值；当低压轴将要超转时，控制燃油流量维持低压轴相对转速在其最大限制值；当动力涡轮轴将要超转时，控制燃油流量维持动力涡轮轴相对转速在其最大限制值。
在本公开的一些实施例中，还包括步骤F：通过仿真计算，验证上述控制方法的有效性。
在本公开的一些实施例中，所述步骤F中，基于步骤A的仿真模型和步骤B至步骤E的控制方法进行联合仿真，验证该控制方法的有效性。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的包含回热器的变几何三轴式燃气轮机控制方法具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：
(1)针对带回热器的变几何三轴式燃气轮机，通过模型计算，获得最优控制规律，在保证燃气轮机不超温、不超转的前提下提高热效率，获得较为平缓的燃气轮机效率曲线，解决燃气轮机部分工况下效率低的问题；
(2)通过仿真模拟，能够验证该控制方法的有效性。
附图说明
图1为本公开实施例提供的包含回热器的变几何三轴式燃气轮机结构示意图。
图2为本公开实施例提供的包含回热器的变几何三轴式燃气轮机控制方法的步骤流程图。
具体实施方式
本公开提供的包含回热器的变几何三轴式燃气轮机控制方法针对带回热器的变几何三轴式燃气轮机，通过模型计算，获得最优控制规律，在保证燃气轮机不超温、不超转的前提下提高热效率，获得较为平缓的燃气轮机效率曲线，解决燃气轮机部分工况下效率低的问题。
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。
本公开提供一种包含回热器的变几何三轴式燃气轮机控制方法，如图1所示，该燃气轮机包括：燃气发生器、动力涡轮导叶角度可调的动力涡轮以及回热器，燃气发生器包括高压压气机、高压涡轮、低压压气机和低压涡轮，动力涡轮出口气流和高压压气机出口气流分别作为回热器的热、冷端进行换热，换热完成后分别排入大气和进入燃烧室；高压轴连接高压涡轮和高压压气机，低压轴连接低压涡轮和低压压气机，高压轴转速指代高压压气机或高压涡轮转速，低压轴转速指代低压压气机或低压涡轮转速，相对转速是相对于各转子的设计转速；如图2所示，该控制方法包括：
步骤A：建立包含回热器的变几何三轴式燃气轮机仿真模型；
步骤B：基于上述仿真模型，制定最优动力涡轮出口温度的控制规律；
步骤C：建立燃油流量与高压轴相对转速之间的闭环控制；
步骤D：建立动力涡轮导叶角度与动力涡轮出口温度之间的闭环控制；
步骤E：设置超转保护，避免燃气轮机超转。
在本公开的一些实施例中，步骤A中，通过流体三维计算获取各压气机和涡轮部件特性，基于部件特性图建立部件级燃气轮机仿真模型。
在本公开的一些实施例中，步骤B包括：步骤B1：以多组大气温度、高压轴相对转速、动力涡轮相对转速以及动力涡轮导叶角度为所述仿真模型的输入参数，其中，大气温度在233.15K至323.15K之间按等差数列选取10个参数，高压轴相对转速在0.75至1之间按等差数列选取10个参数，动力涡轮相对转速在0.4至1.1之间按等差数列选取8个参数，因此共有10×10×8＝800组工况；步骤B2：分别计算每组工况下下对应的最优动力涡轮出口温度，具体而言，对任一组特定的大气温度、高压轴相对转速和动力涡轮相对转速，通过调节动力涡轮导叶角度获得不同的动力涡轮出口温度以及燃气轮机效率，求得在动力涡轮出口温度不超限的情况下最高效率所对应的动力涡轮出口温度，该动力涡轮出口温度即为该工况下的最优动力涡轮出口温度；步骤B3：利用Matlab自带的RBF神经网络，以本公开实施例中提供的800组大气温度、高压轴相对转速以及动力涡轮相对转速作为输入参数，以与之对应的最优动力涡轮出口温度作为输出参数，训练神经网络，实现最优排气温度控制规律的制定。
在本公开的一些实施例中，步骤C中：通过燃油流量控制杆控制高压轴相对转速，从而间接控制燃气轮机的输出功率，使燃气轮机满足动力需求。由于输出功率难以直接测量，而高压轴相对转速与输出功率有强正相关性，故通过燃油流量控制杆的角度变化对高压轴相对转速形成闭环控制(燃油流量增加，高压轴相对转速随之增加)。
在本公开的一些实施例中，步骤D中：通过调节动力涡轮导叶角度，改变动力涡轮喷嘴的喉道面积，从而调节燃气轮机进气流量和动力涡轮出口温度，使动力涡轮出口温度满足步骤B中制定的动力涡轮出口温度的控制规律。更高的动力涡轮出口温度有利于提高回热器换热量，直接降低耗油率、提高燃气轮机部分工况下的效率，然而过高的动力涡轮出口温度会导致燃气轮机超温，因此动力涡轮出口温度是一个重要的被控参数，动力涡轮导叶角度可以调节燃气轮机进气流量和动力涡轮出口温度：导叶角度增大，涡轮喉道面积增大，燃气轮机进气流量增大，动力涡轮出口温度减小；导叶角度减小，涡轮喉道面积减小，燃气轮机进气流量减小，动力涡轮出口温度增大。通过导叶角度对动力涡轮出口温度形成闭环控制，既可以防止燃气轮机超温，又能始终保证燃气轮机较高的工作效率。
在本公开的一些实施例中，步骤E中：高、低压轴及动力涡轮轴相对转速受到转子结构强度的限制，因此需要有超转保护；当高压轴将要超转时(即其相对转速将要达到最大限制值时)，控制燃油流量维持高压轴相对转速在其最大限制值；当低压轴将要超转时(即其相对转速将要达到最大限制值时)，控制燃油流量维持低压轴相对转速在其最大限制值；当动力涡轮轴将要超转时(即其相对转速将要达到最大限制值时)，控制燃油流量维持动力涡轮轴相对转速在其最大限制值，采用此种设置，能够防止发动机转速随燃油流量控制杆的角度无限制的增加，有效防止超转。当燃油流量控制杆的角度减小，燃油流量控制杆控制器计算出的燃油流量小于超转保护控制器计算出的燃油流量时，燃油流量就重新由燃油流量控制杆控制，发动机转速开始小于最大限制值，发动机输出功率随之减小。
在本公开的一些实施例中，该包含回热器的变几何三轴式燃气轮机控制方法还包括步骤F：通过仿真计算，验证上述控制方法的有效性。
在本公开的一些实施例中，步骤F中，基于步骤A的仿真模型和步骤B至步骤E的控制方法进行联合仿真，验证该控制方法的有效性。
在本公开的一些实施例中，仿真模拟结果满足下述要求时，该控制方法的有效性得到验证；
(1)控制器程序能够满足稳定性、精确性、以及响应的快速性要求；
(2)控制器能够有效防止燃气轮机超温、超转。
(3)相比于定导叶角度控制，该控制方法能够有效解决或减缓燃气轮机在部分工况下效率下降的问题，提高燃气轮机各工况下的热效率。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开实施例提供的包含回热器的变几何三轴式燃气轮机控制方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供的包含回热器的变几何三轴式燃气轮机控制方法通过导叶角度VGV对T9形成闭环控制，提高燃气轮机部分工况下的热效率。
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)

1.一种包含回热器的变几何三轴式燃气轮机控制方法，该燃气轮机包括：燃气发生器、动力涡轮导叶角度可调的动力涡轮以及回热器，该控制方法包括：
步骤A：建立包含回热器的变几何三轴式燃气轮机仿真模型；
步骤B：基于上述仿真模型，制定最优动力涡轮出口温度的控制规律；
步骤C：建立燃油流量与高压轴相对转速之间的闭环控制；
步骤D：建立动力涡轮导叶角度与动力涡轮出口温度之间的闭环控制；
步骤E：设置超转保护，避免燃气轮机超转。
2.根据权利要求1所述的包含回热器的变几何三轴式燃气轮机控制方法，所述步骤A中，通过流体三维计算获取各压气机和涡轮部件特性，基于部件特性图建立部件级燃气轮机仿真模型。
3.根据权利要求1所述的包含回热器的变几何三轴式燃气轮机控制方法，所述步骤B包括：
步骤B1：以多组大气温度、高压轴相对转速、动力涡轮相对转速以及动力涡轮导叶角度为所述仿真模型的输入参数；
步骤B2：分别计算每组工况下下对应的最优动力涡轮出口温度；
步骤B3：利用RBF神经网络，以多组大气温度、高压轴相对转速以及动力涡轮相对转速作为输入参数，以与之对应的最优动力涡轮出口温度作为输出参数，训练神经网络，实现最优排气温度控制规律的制定。
4.根据权利要求3所述的包含回热器的变几何三轴式燃气轮机控制方法，所述步骤B1中：
大气温度在233.15K至323.15K之间按等差数列选取10个参数；
高压轴相对转速在0.75至1之间按等差数列选取10个参数；
动力涡轮相对转速在0.4至1.1之间按等差数列选取8个参数。
5.根据权利要求3所述的包含回热器的变几何三轴式燃气轮机控制方法，所述步骤B2中：
对任一组特定的大气温度、高压轴相对转速和动力涡轮相对转速，通过调节动力涡轮导叶角度获得不同的动力涡轮出口温度以及燃气轮机效率，求得在动力涡轮出口温度不超限的情况下最高效率所对应的动力涡轮出口温度，该动力涡轮出口温度即为该工况下的最优动力涡轮出口温度。
6.根据权利要求1所述的包含回热器的变几何三轴式燃气轮机控制方法，所述步骤C中：通过燃油流量控制杆控制高压轴相对转速，从而间接控制燃气轮机的输出功率，使燃气轮机满足动力需求。
7.根据权利要求1所述的包含回热器的变几何三轴式燃气轮机控制方法，所述步骤D中：通过调节动力涡轮导叶角度，改变动力涡轮喷嘴的喉道面积，从而调节燃气轮机进气流量和动力涡轮出口温度，使动力涡轮出口温度满足所述步骤B中制定的动力涡轮出口温度的控制规律。
8.根据权利要求1所述的包含回热器的变几何三轴式燃气轮机控制方法，所述步骤E中：
当高压轴将要超转时，控制燃油流量维持高压轴相对转速在其最大限制值；
当低压轴将要超转时，控制燃油流量维持低压轴相对转速在其最大限制值；
当动力涡轮轴将要超转时，控制燃油流量维持动力涡轮轴相对转速在其最大限制值。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的包含回热器的变几何三轴式燃气轮机控制方法，还包括步骤F：通过仿真计算，验证上述控制方法的有效性。
10.根据权利要求9所述的包含回热器的变几何三轴式燃气轮机控制方法，所述步骤F中，基于步骤A的仿真模型和步骤B至步骤E的控制方法进行联合仿真，验证该控制方法的有效性。
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