CN110344945B - 一种甩负荷控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请属于燃气轮机设计技术领域，涉及一种甩负荷控制方法及系统，所述方法包括首先在检测发电机跳闸信号后，获取发电机定子电流及燃气发生器换算转速；然后根据这两个参数的限制值判断是否开启甩负荷瞬态过程控制，所述甩负荷瞬态过程控制包括：将慢车转速对应的燃油量作为所述甩负荷瞬态过程的转子降转过程的目标调油量，根据预先确定的最小油气比限制曲线控制调节过程中的燃油变化；以及在动力涡轮下行转速小于设定值时，跳出甩负荷瞬态过程控制。本申请通过引入跳闸信号和电流信号，以及调节动力涡轮导向器流通面积，可以及时、准确的判断出燃气轮机发生甩负荷，有利于延缓燃气轮机性能衰减，同时采用的动力涡轮导向器流通面积可调技术。

Description

一种甩负荷控制方法及系统

技术领域

本申请属于燃气轮机设计技术领域，特别涉及一种甩负荷控制方法及系统。

背景技术

燃气轮机应用于应急备用电源及船舶电力推进领域孤网发电时，必然会面临发电机和负载故障、过载等问题引起的断路器跳闸问题，即发生甩负荷，此时动力涡轮输出轴将瞬间失去全部负载，而其输出功率基本未变，轴系两侧巨大的功率不平衡量将导致其承受很大的加速度，若控制不及时，将发生超转保护停车或转子飞转。

通常行业标准要求燃气轮机应具备在100％额定工况甩负荷不停车的能力，同时动力涡轮转子转速超调量还需满足相关技术规范要求。目前已有的技术方案及措施主要包括：

1)常规的燃气发生器和动力涡轮转速串级闭环调节方案，根据转速给定与反馈偏差经计算确定燃料调节量。

2)将动力涡轮转速加速度大小作为甩负荷判断条件，并进行燃料快速调节。

3)为减小甩负荷时动力涡轮转子超调量，在动力涡轮进口处增加放气阀，通过引气管将燃气发生器涡轮或低压涡轮出口部分燃气引入排气装置。

4)通过选用大转动惯量的动力涡轮、减速器及发电机来提高负载惯性，降低甩负荷转速超调量。

1)常规的燃气发生器和动力涡轮转速串级闭环调节方案可以使稳态发电频率维持为50Hz，其对线性或近似线性的负载变化的稳定性调节品质良好，但对强非线性、变化速度快的孤网发电负载扰动的抑制效果一般，且调节跟随性较差。

2)动力涡轮转速加速度大小可以反映负载发生了变化，但如何区分是正常的突减、低工况甩负荷、或是高工况甩负荷有一定的困难，且存在一定的时间延迟，导致控制系统的响应时间较长。

3)动力涡轮进口处放气技术方案主要缺点包括：

①需延长涡轮机匣过渡段，增加放气阀和放气管路等设计，造成燃气轮机轴向尺寸延长、重量增加。

②根据动力涡轮转速升高量再选择放气无法快速抑制初始加速度的上升。

③由于动力涡轮进口温度较高，在此处放气不仅对放气阀和管路材料有特殊要求，同时还存在高温燃气泄漏的安全隐患。

4)增大动力涡轮、减速器及发电机轴系转动惯量技术方案需要重新设计动力系统轴系结构，不仅会增加成本，同时还会导致机组质量、尺寸的增大。

发明内容

为解决上述问题之一，本申请提出了一种甩负荷控制方法及系统，以准确、及时的判断出机组在高工况发生甩负荷，使控制系统能够作出快速调节，并在甩负荷初期抑制动力涡轮转子加速度的快速增大。

本申请第一方面提供了一种甩负荷控制方法，包括：

步骤S1、检测发电机跳闸信号后，获取发电机定子电流及燃气发生器换算转速；

步骤S2、判断所述发电机定子电流小于第一设定值，且所述燃气发生器换算转速大于第二设定值时，将所述动力涡轮转速闭环控制切换为甩负荷瞬态过程控制，所述甩负荷瞬态过程控制包括：

步骤S21、获取步骤S2之前的慢车转速对应的燃油量，将所述燃油量作为所述甩负荷瞬态过程的转子降转过程的目标调油量，根据预先确定的最小油气比限制曲线控制调节过程中的燃油变化；

步骤S22、监控动力涡轮转速，判断当动力涡轮下行转速小于第三设定值时，跳出甩负荷瞬态过程控制，切换为动力涡轮转速闭环控制。

优选的是，所述步骤S21中的最小油气比限制曲线根据燃烧室熄火试验确定。

优选的是，所述步骤S21同步包括将动力涡轮可调导向器流通面积由初始值开大至第四设定值，在步骤S22切换为动力涡轮转速闭环控制时，将所述动力涡轮可调导向器流通面积恢复至所述初始值。

优选的是，所述将动力涡轮可调导向器流通面积由初始值开大至第四设定值包括调节所述导向器的导向器叶片安装角。

优选的是，所述导向器叶片安装角调节包括：

获取动力涡轮导向器叶片安装角以及叶片实际角度，进行偏差计算；

根据所述偏差驱动叶片驱动轴偏转。

本申请第二方面提供了一种甩负荷控制系统，包括：

数据采集模块，用于在检测到发电机跳闸信号后，获取发电机定子电流及燃气发生器换算转速；

切换模块，用于判断所述发电机定子电流小于第一设定值，且所述燃气发生器换算转速大于第二设定值时，将所述动力涡轮转速闭环控制模块切换为甩负荷瞬态过程控制模块，所述甩负荷瞬态过程控制模块包括：

控制单元，用于在获取切换模块切换之前的慢车转速对应的燃油量，并将所述燃油量作为所述甩负荷瞬态过程的转子降转过程的目标调油量，以及用于根据预先确定的最小油气比限制曲线控制调节过程中的燃油变化；

恢复判定单元，用于监控动力涡轮转速，判断当动力涡轮下行转速小于第三设定值时，跳出甩负荷瞬态过程控制，切换为动力涡轮转速闭环控制系统。

优选的是，所述控制单元中的最小油气比限制曲线根据燃烧室熄火试验确定。

优选的是，所述控制单元还包括：

导向器流通面积切换单元，用于将将动力涡轮可调导向器流通面积由初始值开大至第四设定值；以及用于在切换为动力涡轮转速闭环控制时，将所述动力涡轮可调导向器流通面积恢复至所述初始值。

优选的是，所述导向器流通面积切换单元包括导向器叶片角度调节单元，用于调节所述导向器的导向器叶片安装角。

优选的是，所述导向器叶片安装角调节单元包括：

闭环控制单元，用于获取动力涡轮导向器叶片安装角以及叶片实际角度，进行偏差计算；

驱动机构，用于根据所述偏差驱动叶片驱动轴偏转。

通过引入跳闸信号和电流信号，本发明可以及时、准确的判断出燃气轮机发生甩负荷，并可根据燃气轮机所处的高、低状态确定是否需选择调节速度较快的甩负荷控制程序，这样在中、低状态下选用调节速度较慢的常规调节方法将有利于延缓燃气轮机性能衰减。

本发明通过区分甩负荷瞬态过程控制和默认状态下动力涡轮转速闭环控制，使控制系统的快速性和稳定性得到合理兼顾。

本发明在燃气轮机高状态甩负荷控制过程中，有效利用了动力涡轮导向器面积可调的技术优点，当触发甩负荷控制瞬间，立即开大动力涡轮可调导向器面积，快速降低动力涡轮输出扭矩，达到及时抑制动力涡轮转子加速度快速增大的目的。

本发明中所采用的动力涡轮导向器面积可调方法的技术优势不仅如此，利用其还可改善突加负载的性能，以及提高燃气轮机在部分负荷工况运行时的经济性。

附图说明

图1是本申请甩负荷控制方法的一优选实施例的流程图。

图2是本申请甩负荷控制方法的一优选实施例的导向器叶片调节控制系统图。

图3是本申请甩负荷控制方法图2的导向器叶片调节过程示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式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。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，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方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本申请的目的在于提供一种甩负荷控制方法及系统，以准确、及时的判断出机组在高工况发生甩负荷，使控制系统能够作出快速调节，并在甩负荷初期抑制动力涡轮转子加速度的快速增大。

本申请第一方面提供了一种甩负荷控制方法，包括：

步骤S1、检测发电机跳闸信号后，获取发电机定子电流及燃气发生器换算转速；

步骤S2、判断所述发电机定子电流小于第一设定值，且所述燃气发生器换算转速大于第二设定值时，将所述动力涡轮转速闭环控制切换为甩负荷瞬态过程控制，所述甩负荷瞬态过程控制包括：

步骤S21、获取步骤S2之前的慢车转速对应的燃油量，将所述燃油量作为所述甩负荷瞬态过程的转子降转过程的目标调油量，根据预先确定的最小油气比限制曲线控制调节过程中的燃油变化；

步骤S22、监控动力涡轮转速，判断当动力涡轮下行转速小于第三设定值时，跳出甩负荷瞬态过程控制，切换为动力涡轮转速闭环控制。

针对现有技术的不足，本发明引入发电机跳闸信号、电流信号和燃气发生器转速信号，以便及时准确确定甩负荷的发生时间，以及此时燃气轮机所处的工作状态。当控制系统判断为甩负荷且需进行特殊控制时，立即退出默认的动力涡轮转速闭环控制，转入甩负荷瞬态过程控制。甩负荷瞬态过程控制需要给定燃气轮机转子降转过程目标调油量及最小油气比限制曲线，本发明将前一个慢车转速对应的燃油量作为降转过程目标调油量，同时结合燃烧室熄火试验确定最小油气比限制曲线。甩负荷控制需要给定退出甩负荷瞬态过程判断条件，本发明将该过程中当动力涡轮转速下行至某一设定值时作为退出甩负荷瞬态过程控制的判断条件，然后再次转为默认的动力涡轮转速闭环控制。

为进一步改善甩负荷时的调节性能，本发明采用动力涡轮导向器面积可调的技术措施。当判断出甩负荷且需进行特殊控制时，立即通过调节动力涡轮导叶安装角来增大流通能力，降低动力涡轮的焓降和效率，减小动力涡轮转子输出扭矩，以达到甩负荷初期即可抑制动力涡轮转子加速度快速增大的目的。当退出甩负荷瞬态过程控制时，将动力涡轮导向器流通能力恢复至设计状态。

参考图1，当控制系统检测到发电机组合闸成功信号消失后，判断定子电流I和燃气发生器换算转速n_ghs，若电流小于等于某设定值时，且燃气发生器换算转速大于等于某设定值时，执行甩负荷控制；否则保持动力涡轮转速闭环控制不变；

2)当满足1)中甩负荷控制条件，跳出动力涡轮转速闭环控制，同时将燃油给定至前一个慢车油量，在调节过程中按最小油气比控制燃油变化；

3)当满足1)中甩负荷控制条件，同步2)将动力涡轮可调导向器面积开大至某一限制值；

4)在2)和3)过程中判断动力涡轮转速，当动力涡轮下行转速小于等于某设定值时，跳出甩负荷过程控制，转为默认的动力涡轮转速闭环控制；

5)当满足4)中闭环控制条件，同步将动力涡轮可调导向器面积恢复至设计状态。

图2及图3为在高工况甩负荷过程中动力涡轮导向器面积调节过程示意图。控制系统2接收发电机控制器1传输的断路器信号和定子电流信号，当满足高工况甩负荷判断条件后，控制系统2将动力涡轮导向器安装角给定传递给角度闭环控制模块3，并与位移传感器6反馈进行偏差计算，再将计算结果传递给电液伺服阀4，通过电液伺服阀4控制液压驱动系统5调节工作，液压驱动系统5用于带动动力涡轮可调导叶主传动轴7，主传动轴7的摇臂带动传动环8周向转动，传动环8通过摇臂与导向器叶片驱动轴9相连，通过转动叶片驱动轴9控制可调导向器叶片10的安装角，进而达到控制动力涡轮导向器面积的目的。

本申请第二方面提供了一种实现上述方法的甩负荷控制系统，包括：

数据采集模块，用于在检测到发电机跳闸信号后，获取发电机定子电流及燃气发生器换算转速；

切换模块，用于判断所述发电机定子电流小于第一设定值，且所述燃气发生器换算转速大于第二设定值时，将所述动力涡轮转速闭环控制模块切换为甩负荷瞬态过程控制模块，所述甩负荷瞬态过程控制模块包括：

控制单元，用于在获取切换模块切换之前的慢车转速对应的燃油量，并将所述燃油量作为所述甩负荷瞬态过程的转子降转过程的目标调油量，以及用于根据预先确定的最小油气比限制曲线控制调节过程中的燃油变化；

恢复判定单元，用于监控动力涡轮转速，判断当动力涡轮下行转速小于第三设定值时，跳出甩负荷瞬态过程控制，切换为动力涡轮转速闭环控制系统。

在一些可选实施方式中，所述控制单元中的最小油气比限制曲线根据燃烧室熄火试验确定。

在一些可选实施方式中，所述控制单元还包括：

导向器流通面积切换单元，用于将将动力涡轮可调导向器流通面积由初始值开大至第四设定值；以及用于在切换为动力涡轮转速闭环控制时，将所述动力涡轮可调导向器流通面积恢复至所述初始值。

在一些可选实施方式中，所述导向器流通面积切换单元包括导向器叶片角度调节单元，用于调节所述导向器的导向器叶片安装角。

在一些可选实施方式中，所述导向器叶片安装角调节单元包括：

闭环控制单元，用于获取动力涡轮导向器叶片安装角以及叶片实际角度，进行偏差计算；

驱动机构，用于根据所述偏差驱动叶片驱动轴偏转。

通过引入跳闸信号和电流信号，本发明可以及时、准确的判断出燃气轮机发生甩负荷，并可根据燃气轮机所处的高、低状态确定是否需选择调节速度较快的甩负荷控制程序，这样在中、低状态下选用调节速度较慢的常规调节方法将有利于延缓燃气轮机性能衰减。

本发明通过区分甩负荷瞬态过程控制和默认状态下动力涡轮转速闭环控制，使控制系统的快速性和稳定性得到合理兼顾。

本发明在燃气轮机高状态甩负荷控制过程中，有效利用了动力涡轮导向器面积可调的技术优点，当触发甩负荷控制瞬间，立即开大动力涡轮可调导向器面积，快速降低动力涡轮输出扭矩，达到及时抑制动力涡轮转子加速度快速增大的目的。

本发明中所采用的动力涡轮导向器面积可调方法的技术优势不仅如此，利用其还可改善突加负载的性能，以及提高燃气轮机在部分负荷工况运行时的经济性。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种甩负荷控制方法，其特征在于，包括：

步骤S1、检测发电机跳闸信号后，获取发电机定子电流及燃气发生器换算转速；

步骤S2、判断所述发电机定子电流小于第一设定值，且所述燃气发生器换算转速大于第二设定值时，将动力涡轮转速闭环控制切换为甩负荷瞬态过程控制，所述甩负荷瞬态过程控制包括：

步骤S21、获取步骤S2之前的慢车转速对应的燃油量，将所述燃油量作为所述甩负荷瞬态过程的转子降转过程的目标调油量，根据预先确定的最小油气比限制曲线控制调节过程中的燃油变化；

步骤S22、监控动力涡轮转速，判断当动力涡轮下行转速小于第三设定值时，跳出甩负荷瞬态过程控制，切换为动力涡轮转速闭环控制。

2.如权利要求1所述的甩负荷控制方法，其特征在于，所述步骤S21中的最小油气比限制曲线根据燃烧室熄火试验确定。

3.如权利要求1所述的甩负荷控制方法，其特征在于，所述步骤S21同步包括将动力涡轮可调导向器流通面积由初始值开大至第四设定值，在步骤S22切换为动力涡轮转速闭环控制时，将所述动力涡轮可调导向器流通面积恢复至所述初始值。

4.如权利要求3所述的甩负荷控制方法，其特征在于，所述将动力涡轮可调导向器流通面积由初始值开大至第四设定值包括调节所述导向器的导向器叶片安装角。

5.如权利要求4所述的甩负荷控制方法，其特征在于，所述导向器叶片安装角调节包括：

获取动力涡轮导向器叶片安装角以及叶片实际角度，进行偏差计算；

根据所述偏差驱动叶片驱动轴偏转。

6.一种甩负荷控制系统，其特征在于，包括：

数据采集模块，用于在检测到发电机跳闸信号后，获取发电机定子电流及燃气发生器换算转速；

切换模块，用于判断所述发电机定子电流小于第一设定值，且所述燃气发生器换算转速大于第二设定值时，将动力涡轮转速闭环控制模块切换为甩负荷瞬态过程控制模块，所述甩负荷瞬态过程控制模块包括：

控制单元，用于在获取切换模块切换之前的慢车转速对应的燃油量，并将所述燃油量作为所述甩负荷瞬态过程的转子降转过程的目标调油量，以及用于根据预先确定的最小油气比限制曲线控制调节过程中的燃油变化；

恢复判定单元，用于监控动力涡轮转速，判断当动力涡轮下行转速小于第三设定值时，跳出甩负荷瞬态过程控制，切换为动力涡轮转速闭环控制。

7.如权利要求6所述的甩负荷控制系统，其特征在于，所述控制单元中的最小油气比限制曲线根据燃烧室熄火试验确定。

8.如权利要求6所述的甩负荷控制系统，其特征在于，所述控制单元还包括：

导向器流通面积切换单元，用于将将动力涡轮可调导向器流通面积由初始值开大至第四设定值；以及用于在切换为动力涡轮转速闭环控制时，将所述动力涡轮可调导向器流通面积恢复至所述初始值。

9.如权利要求8所述的甩负荷控制系统，其特征在于，所述导向器流通面积切换单元包括导向器叶片角度调节单元，用于调节所述导向器的导向器叶片安装角。

10.如权利要求9所述的甩负荷控制系统，其特征在于，所述导向器叶片安装角调节单元包括：

闭环控制单元，用于获取动力涡轮导向器叶片安装角以及叶片实际角度，进行偏差计算；

驱动机构，用于根据所述偏差驱动叶片驱动轴偏转。

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