CN111486006B - 一种燃气轮机控制系统的升级方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气轮机控制系统的升级方法，包括：引入一体化燃气轮机控制系统，控制软件统一集中于控制器中，用一套PLC控制系统实现所有的控制功能，利用全新的控制逻辑来对燃气轮机进行控制，将一个复杂的燃气轮机控制系统分成若干独立的模块，并遵循工况状态步进次序模式控制，控制逻辑中会引入若干种控制算法优化燃气轮机控制系统，若干独立模块化的指令算法涵盖燃机发电机组的所有状态，每个设备调节部件的控制都通过模块算式来表述。本发明改造升级现有的燃气轮机控制系统，采用模块化步进流程控制逻辑和先进的控制算法来实现燃气轮机的启动、运行和燃料切换控制过程，同时保证燃料切换控制过程的精准控制。

Description

一种燃气轮机控制系统的升级方法

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机控制系统的升级方法。

背景技术

燃气轮机控制系统是电站的神经系统，以保证机组的安全和可靠运行，除了配备先进的主机设备外，完善的调节控制系统更能充分发挥燃气轮机的最大优越性，而燃气轮机启动、运行、停机及保护控制具有不同与一般变工况的特性，是燃气轮机控制系统的重要组成部分，其特性对于提高燃气轮机的使用寿命具有重要的意义；燃气轮机控制系统总体要求：燃气轮机控制系统使燃气轮机由静止到盘车，把轮机带动到清吹转速，约为20％额定转速，然后点火，在把轮机转速提升到额定转速，在驱动发电机控制系统的同时，还要控制同期并网，然后把燃气轮机增加负荷到适当的工作点，这一系列过程必须自动发生和自动完成，同时要减小燃气轮机的热燃气通道部件和辅助部件中的热应力，因此整个燃气轮机控制系统可分为四个功能子系统：主控制系统、程序控制系统、保护系统和电源系统，在上述各功能系统中主控制系统是最主要的部分，它必须完成四项基本控制：一是设定启动和正常的燃料极限；二是控制燃气轮机转子的加速；三是控制燃气轮机转子的转速；四是限制燃气轮机的温度；每个时刻只有一个控制功能或者系统，可以控制送到燃气轮机内的燃料流量，上述的控制系统都输入到选择门的最小值，该选择门的输出将作为燃料控制系统的输入，采用最小值可给燃气轮机提供最安全的运行。

现阶段，国内的燃气轮机控制系统陈旧且技术落后、相关技术资料缺失、系统备件停产，不利于自主维护，现控制系统的主控制器为美国罗克韦尔公司已停产的PLC5，同期装置采用独立的控制器，需临更新换代，负荷分配系统采用落后的模拟式控制方式的独立设备，励磁系统的控制命令使用陈旧的步进电机和滑变电阻的机械调节机构，精度和可靠性差，不利于EMS系统的整合，控制盘内有多个自制非正规产品，备件垄断供货，维护困难，燃料伺服调节系统采用“黑匣控制器→CEC→ECU→执行器→调节阀开度”的形式，执行器零点及满度校验困难，控制信号非IEC规定的仪器仪表标准信号，不便于维护和检测，IGV执行器为强电流控制电液伺服结构，产品非标控制信号，不容易寻找替代备件。燃气轮机控制系统开发于七十年代，经过多年的运行逐渐出现系统老化、备件老化停产、设备需升级换代等因素，面临不得不进行燃气轮机控制系统升级的局面，国外厂家虽然推出相对先进的燃气轮机控制系统，但是对自身技术实施了高度保护，若是从国外引进新的燃气轮机控制系统，一旦燃气轮机控制系统出现问题，则必须等待厂家进行现场维修，由此容易导致昂贵的设备维修费用和不可控的人员维修周期。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃气轮机控制系统的升级方法，对现有的燃气轮机控制系统进行改造升级，采用模块化步进流程控制逻辑和先进的控制算法来实现燃气轮机的控制，优化燃气轮机控制系统的网络组成与种类，减少驱动中间环节，兼容EMS系统整合，提高驱动制动器电子装置的执行能力与反馈能力。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种燃气轮机控制系统的升级方法，包括：

引入一体化燃气轮机控制系统，控制软件统一集中于控制器中，用一套PLC控制系统实现所有的控制功能，可实现的PLC控制系统功能包括如下：启停机控制、顺序控制、联锁控制、同期控制、燃料控制、有功负荷控制、有功负荷及无功负荷分配、气体燃料与液体燃料之间的双启动和在线切换；

引入若干种控制算法优化燃气轮机控制系统，具体算法包括如下：顺序控制算法、温度控制算法、启动燃料控制算法、加速度闭环控制算法、燃料控制算法、新IGV控制算法和双燃料切换控制算法的优化方案。

优选地，顺序控制算法为：燃气轮机控制系统将采用流程步进模式来实现控制逻辑，将一个复杂的系统分成若干个独立的步序模式，若干个步序模式涵盖燃机发电机组的所有状态，每个设备的控制都通过对应的模式来表述，若干个步序模式不仅定义燃气轮机的每一个进展阶段，也定义相关阶段的任何要考虑的特殊因素，从当前所处的某个模式进入到下一个模式是由控制器中的顺序逻辑来决定，进入某个模式时就会发出该模式所设定的工作，以确保通过模式进行有序的控制，并且在设备故障情况下做出恰当的动作，步序模式包括停车、启动准备、冷拖、清吹、点火、加速、慢车、满速空载、自动通气、并网运行、正常停机、超速试验、解列。

优选地，温度控制算法为：在燃气轮机启动过程中，往机组中加入TOP温度来限制闭环控制，在排气温度上升到温控上限时，开始由温度来闭环控制燃料。

优选地，引入启动燃料控制算法，对点火燃料需求功率加入了进气温度的修正CQTC＝SQRT(288/CTIM)，修正后会根据压气机进气温度的不同来改变点火燃料的功率需求量，加速点火成功后的燃料向下阶跃，然后进入闭环控制，降低燃机点火燃料量的供应，改善燃气轮机控制系统的点火成功率。

优选地，引入加速度闭环控制算法，在进入闭环之后便无需进行燃料功率开度的换算，即不再需要调节阀前后的温度、压力测量点数据，同时加速度表征的是燃气轮机的机械应力，保证在启动过程中不会出现因为工况不同燃料超量带来的机组超应力启动，并且自动修正燃料流量，有效降低启动温度。

优选地，燃料控制算法是由原来单一的控制算法改为多种控制算法的最优选择，适用于不同的工况，对甩负荷等超速超温抑制更优，在电网出口断路器跳闸，且多机组超频的情况下，机组超频会抑制在50.35Hz以下。

优选地，新IGV控制算法为：在原IGV控制算法的基础上加入环境温度的修正，根据原机组容易喘振和机组损害的履历，对原IGV的控制算法进行了修正，原IGV控制闭环中是完全根据转速来计算IGV的开度，函数关系为：IGV开度＝f(燃气轮机转速)，这样单一的计算方式忽略了进入温度对压气机进气量的影响，从而在温度较高时容易发生喘振和热悬挂，新IGV控制算法更正为：IGV开度＝f(燃气轮机转速，进入温度)。

优选地，双燃料切换控制算法的优化方案为：在原有的双燃料切换控制算法中加入阀门线性化算法，减小在切换过程中阀门的大幅度波动和功率的大幅度波动，在小于10秒的快速切换过程中，实际功率波动会小于250kw，转换平稳。

本发明的有益效果如下：本发明采用模块化步进流程控制逻辑和先进的控制算法来实现燃气轮机的控制，优化燃气轮机控制系统的网络组成与种类，减少驱动中间环节，兼容EMS系统整合，提高驱动制动器电子装置的执行能力与反馈能力；本发明去除了原有的多系统、多设备的现场控制组合，改造后的现场控制设备技术先进、控制可靠又简单，有效减少了现场设备备件的维修用量，提高设备使用率，提升现场生产效率，极大减少改造成本和维修成本，且无需厂家进行额外现场服务，节约现场服务成本。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行描述。

一种燃气轮机控制系统的升级方法，包括：

引入一体化燃气轮机控制系统，控制软件统一集中于控制器中，用一套PLC控制系统实现所有的控制功能，可实现的PLC控制系统功能包括如下：启停机控制、顺序控制、联锁控制、同期控制、燃料控制、有功负荷控制、有功负荷及无功负荷分配、气体燃料与液体燃料之间的双启动和在线切换，舍弃多产品拼装机非标定制部件，实现简化维护操作，保证燃气轮机控制系统功能的规范性和完整性；

引入若干种控制算法优化燃气轮机控制系统，具体算法包括如下：顺序控制算法、温度控制算法、启动燃料控制算法、加速度闭环控制算法、燃料控制算法、新IGV控制算法和双燃料切换控制算法的优化方案。

顺序控制算法为：燃气轮机控制系统将采用流程步进模式来实现控制逻辑，将一个复杂的系统分成若干个独立的步序模式，若干个步序模式涵盖燃机发电机组的所有状态，每个设备的控制都通过对应的模式来表述，若干个步序模式不仅定义燃气轮机的每一个进展阶段，也定义相关阶段的任何要考虑的特殊因素，从当前所处的某个模式进入到下一个模式是由控制器中的顺序逻辑来决定，进入某个模式时就会发出该模式所设定的工作，以确保通过模式进行有序的控制，并且在设备故障情况下做出恰当的动作，步序模式包括停车、启动准备、冷拖、清吹、点火、加速、慢车、满速空载、自动通气、并网运行、正常停机、超速试验、解列。

由于在原系统中对于燃气轮机的温度实行的是开环控制，而没有闭环控制，因此原系统对温度的控制只有跳机保护，尤其是在燃气轮机启动过程中，由于采用的是燃料的开环爬坡，在压气机进气温度、燃料热值等工况不同时，会造成燃机升速槽扭矩、温度迅速升高、热悬挂等不利工况，因此本发明利用温度控制算法来解决上述问题，在燃气轮机启动过程中，往机组中加入TOP温度来限制闭环控制，在排气温度上升到温控上限时，开始由温度来闭环控制燃料，保证机组不会出现超温的情况。

由于原机组控制程序的点火燃料量为固定值，在不同的进气温度的情况下，若是进入燃烧室的空气量不同，会造成空燃比不同，从而会出现在不同工况下点火成功率不同，原系统点火需要的燃料容易多于实际需求功率的燃料量，进而造成温度迅速升高或者点火失败的情况，因此本发明引入启动燃料控制算法，对点火燃料需求功率加入了进气温度的修正CQTC＝SQRT(288/CTIM)，修正后会根据压气机进气温度的不同来改变点火燃料的功率需求量，可加速点火成功后的燃料向下阶跃，然后进入闭环控制，而不是开环控制，启动燃料控制算法改善燃气轮机控制系统的点火成功率，油气时在液体燃料下，经过算法修正后点火燃料量下降多大500kw，极大提高了点火成功率。

由于原系统是利用开环爬坡的方式来启动燃气轮机，而这种方式需要人工调节燃料阀门前后的温度和压力测量点，该操作容易出现控制失误的情况，因此本发明引入加速度闭环控制算法，在进入闭环之后便无需进行燃料功率开度的换算，避免人工控制失误，同时加速度表征的是燃气轮机的机械应力，保证在启动过程中不会出现因为工况不同燃料超量带来的机组超应力启动，并且自动修正燃料流量，保证燃气轮机启动的成功率，有效降低燃气轮机所需的启动温度。

燃料控制算法是由原来单一的控制算法改为多种控制算法的最优选择，适用于不同的工况，对甩负荷等超速超温抑制更优，在电网出口断路器跳闸，且多机组超频的情况下，机组超频会抑制在50.35Hz以下。

新IGV控制算法为：在原IGV控制算法的基础上加入环境温度的修正，根据原机组容易喘振和机组损害的履历，对原IGV的控制算法进行了修正，原IGV控制闭环中是完全根据转速来计算IGV的开度，函数关系为：IGV开度＝f(燃气轮机转速)，这样单一的计算方式忽略了进入温度对压气机进气量的影响，从而在温度较高时容易发生喘振和热悬挂，新IGV控制算法更正为：IGV开度＝f(燃气轮机转速，进入温度)。

双燃料切换控制算法的优化方案为：在原有的双燃料切换控制算法中加入阀门线性化算法，减小在切换过程中阀门的大幅度波动和功率的大幅度波动，在小于10秒的快速切换过程中，实际功率波动会小于250kw，转换平稳。

Claims (1)

1.一种燃气轮机控制系统的升级方法，其特征在于包括：

引入一体化燃气轮机控制系统，控制软件统一集中于控制器中，用一套PLC控制系统实现所有的控制功能，可实现的PLC控制系统功能包括如下：启停机控制、顺序控制、联锁控制、同期控制、燃料控制、有功负荷控制、有功负荷及无功负荷分配、气体燃料与液体燃料之间的双启动和在线切换；

引入若干种控制算法优化燃气轮机控制系统，具体算法包括如下：顺序控制算法、温度控制算法、启动燃料控制算法、加速度闭环控制算法、燃料控制算法、新IGV控制算法和双燃料切换控制算法的优化方案；

顺序控制算法为：燃气轮机控制系统将采用流程步进模式来实现控制逻辑，将一个复杂的系统分成若干个独立的步序模式，若干个步序模式涵盖燃机发电机组的所有状态，每个设备的控制都通过对应的模式来表述，若干个步序模式不仅定义燃气轮机的每一个进展阶段，也定义相关阶段的任何要考虑的特殊因素，从当前所处的某个模式进入到下一个模式是由控制器中的顺序逻辑来决定，进入某个模式时就会发出该模式所设定的工作，以确保通过模式进行有序的控制，并且在设备故障情况下做出恰当的动作，步序模式包括停车、启动准备、冷拖、清吹、点火、加速、慢车、满速空载、自动通气、并网运行、正常停机、超速试验、解列；

温度控制算法为：在燃气轮机启动过程中，往机组中加入TOP温度来限制闭环控制，在排气温度上升到温控上限时，开始由温度来闭环控制燃料；

启动燃料控制算法为：对点火燃料需求功率加入了进气温度的修正CQTC=SQRT(288/CTIM)，修正后会根据压气机进气温度的不同来改变点火燃料的功率需求量，加速点火成功后的燃料向下阶跃，然后进入闭环控制，降低燃机点火燃料量的供应，改善燃气轮机控制系统的点火成功率；

加速度闭环控制算法为：在进入闭环之后便无需进行燃料功率开度的换算，即不再需要调节阀前后的温度、压力测量点数据，同时加速度表征的是燃气轮机的机械应力，保证在启动过程中不会出现因为工况不同燃料超量带来的机组超应力启动，并且自动修正燃料流量，有效降低启动温度；

燃料控制算法为：由原来单一的控制算法改为多种控制算法的最优选择，适用于不同的工况，对超速超温抑制更优，在电网出口断路器跳闸，且多机组超频的情况下，机组超频会抑制在50.35Hz以下；

新IGV控制算法为：在原IGV控制算法的基础上加入环境温度的修正，根据原机组容易喘振和机组损害的履历，对原IGV的控制算法进行了修正，原IGV控制闭环中是完全根据转速来计算IGV的开度，函数关系为：IGV开度=f（燃气轮机转速），这样单一的计算方式忽略了进入温度对压气机进气量的影响，从而在温度较高时容易发生喘振和热悬挂，新IGV控制算法更正为：IGV开度=f（燃气轮机转速，进入温度）；

双燃料切换控制算法的优化方案为：在原有的双燃料切换控制算法中加入阀门线性化算法，减小在切换过程中阀门的大幅度波动和功率的大幅度波动，在小于10秒的快速切换过程中，实际功率波动会小于250kw，转换平稳。