CN111878239A - 一种燃气轮机起动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃气轮机起动控制系统及方法，所述燃气轮机起动控制系统包括燃气轮机发生器、控制系统，所述控制系统与所述燃气轮机发生器相连接；所述燃气轮机发生器用于产生燃气；所述控制系统包括起动控制器、若干个温度采集单元；所述温度采集单元用于采集所述燃气轮机的若干个温度参数数据，并将所述温度参数数据传送至所述起动控制器；所述起动控制器与所述燃气轮机发生器相连；所述起动控制器基于所述温度参数数据生成控制指令，并将所述控制指令传送至所述燃气轮机发生器，对所述燃气轮机发生器进行控制。本发明能够在不超温和限电流的条件下，采用动态调整供油量和起动电机电流来提高燃气轮机的起动速度。

Description

一种燃气轮机起动控制系统及方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机控制技术领域，特别是涉及一种燃气轮机起动控制系统及方法。

背景技术

鉴于现有燃气轮机起动控制，主要采用固定的控制规律来设定喷油量增加率，按照固定的时间序列进行起动，没有考虑到环境变化对燃机起动的影响，仅靠不超温和限电流的安全阈值来紧急停车保护燃机。而由于燃气轮机运行环境的改变，如环境温度升高导致进气量减少、压气机耗功增加以及发电机大电流下机体温升过高，油气比失调导致涡轮发出功减少等问题，不仅降低起动成功率，还给燃气轮机热端部件和起动系统带来寿命降低等不利影响。此外，当环境温度低时，燃气初温变化率、起动电机温度裕度较大，还按照固化的时序、固定的电机电流增速、燃油供油增量来起动燃气轮机，降低了燃气轮机的快速起动性。综上，现阶段燃气轮机的起动存在起动时间较长、成功率较低的问题。故，需要一种新的起动控制技术动态调整方案来解决该问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃气轮机起动控制系统及方法，以解决现有技术中存在的技术问题，能够在不超温和限电流的条件下，采用动态调整供油量和起动电机电流来提高燃气轮机的起动速度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种燃气轮机起动控制系统，包括：燃气轮机发生器、控制系统，所述控制系统与所述燃气轮机发生器相连接；

所述燃气轮机发生器用于产生燃气；

所述控制系统包括起动控制器、若干个温度采集单元；

所述温度采集单元用于采集所述燃气轮机的若干个温度参数数据，并将所述温度参数数据传送至所述起动控制器；

所述起动控制器与所述燃气轮机发生器相连；所述起动控制器基于所述温度参数数据生成控制指令，并将所述控制指令传送至所述燃气轮机发生器，对所述燃气轮机发生器进行控制。

优选地，所述燃气轮机发生器包括：压气机、燃烧室、涡轮、起动电机、燃油调节器；所述压气机、燃烧室、涡轮通过管路依次连接；所述起动电机与所述压气机相连，所述燃油调节器与所述燃烧室连接；所述起动控制器与所述起动电机、所述燃油调节器相连。

优选地，所述控制指令包括燃油控制指令、电流控制指令，所述起动控制器将燃油控制指令、电流控制指令分别传送至所述燃油调节器、起动电机。

优选地，所述温度参数数据包括环境温度、燃气初温、起动电机机体温度。

优选地，所述燃气轮机的起动包括冷加速、共同加速、自加速三个阶段，所述控制系统对所述燃气轮机起动过程中的共同加速阶段进行控制。

本发明还提供一种燃气轮机起动控制方法，包括如下步骤：

实时采集燃气轮机工作环境温度、燃气初温、起动电机机体温度；

基于燃气轮机工作环境温度、燃气初温、起动电机机体温度，构建燃气轮机起动控制模型，并通过所述燃气轮机起动控制模型获取燃油控制指令、电流控制指令；

将燃油控制指令、电流控制指令分别传送至燃气轮机的燃油调节器、起动电机，完成对燃气轮机的起动控制。

优选地，所述燃气轮机起动控制模型的构建包括如下步骤：

根据起动电机机体温度阈值和燃气初温阈值，分别得到燃气轮机起动阶段起动电机机体、燃气初温可接受的最大温升；

根据燃气轮机的起动时间目标值以及燃气轮机起动阶段起动电机机体、燃气初温可接受的最大温升，获得燃油控制指令、电流控制指令。

本发明公开了以下技术效果：

本发明建立燃气轮机起动过程中共同加速阶段的动态控制模型，通过增加环境温度、燃气初温和起动电机温度裕度等参数作为反馈量，来动态调整优化起动电机电流和燃油喷油量，在不超温和限电流的条件下，采用动态调整供油量和起动电机电流，能够有效提高燃气轮机的起动速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例燃气轮机起动控制系统结构示意图；

其中，1.1为压气机入口，1.2为压气机出口，1.3为燃烧室空气入口，1.4为燃烧室出口，1.5为涡轮进口，1.6为涡轮出口，2.1为燃油调节器入口，2.2为阀1入口，2.3为阀1出口，2.4为燃烧室燃料入口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1所示，本实施例提供一种燃气轮机起动控制系统，包括：燃气轮机发生器、控制系统，所述控制系统与所述燃气轮机发生器无线连接；

所述燃气轮机发生器包括：压气机、燃烧室、涡轮、起动电机、燃油调节器；所述压气机、燃烧室、涡轮通过管路依次连接；所述起动电机与所述压气机相连，所述燃油调节器与所述燃烧室连接；

所述控制系统包括起动控制器、若干个温度采集单元；本实施例中温度采集单元采用温度传感器；若干个所述温度传感器分别设于燃气轮机外部环境、所述燃烧室出口、所述起动电机机体，分别用于采集环境温度、燃气初温、起动电机机体温度；所述温度传感器与所述起动控制器连接，并将所采集的环境温度、燃气初温、起动电机机体温度传送至所述起动控制器；

所述起动控制器与所述起动电机、所述燃油调节器无线连接，所述起动控制器接收所述温度传感器采集的环境温度、燃气初温、起动电机机体温度，基于环境温度、燃气初温、起动电机机体温度生成燃油控制指令、电流控制指令，并将燃油控制指令、电流控制指令分别传送至所述燃油调节器、起动电机，实现对燃气轮机的起动控制。

所述燃气轮机的起动包括三个阶段：

第一阶段为冷加速阶段：在冷加速阶段，完全由起动电机带动压气机转动吸入空气并达到预设转速，本实施例中预设转速为11500～12000转/分钟。

第二阶段为共同加速阶段：在共同加速阶段，燃气轮机发生器的具体工作流程包括：空气经压气机入口1.1进入压气机，经过压缩后从压气机出口1.2流出，通过燃烧室空气入口1.3进入燃烧室；燃油经燃油调节器入口2.1进入燃油调节器，所述燃油调节器包括阀一和阀二，所述阀一用于控制进入所述燃烧室的燃油量，所述阀二用于控制燃油的回流量；所述燃油经过阀一出口2.3后分两路，一路经燃烧室燃料入口2.4喷入燃烧室，另外一路经阀二回油到阀一入口2.2；空气和燃油在燃烧室混合燃烧，形成高温高压的燃气，高温高压的燃气经燃烧室出口1.4流出，通过涡轮进口1.5流入涡轮；高温高压的燃气在涡轮中膨胀做功后产生的废气经涡轮出口1.6排出；在起动阶段，涡轮发出的轴功和起动电机发出的轴功共同带动压气机继续压缩空气，通过燃料的增加和起动电机电流的增加将燃气轮机转速提高到自持转速。

第三阶段为自加速阶段：在自加速阶段，燃气轮机转速达到自持转速，起动电机脱开，完全由涡轮带动压气机继续升速到慢车工况，燃气轮机完成起动。

本发明燃气轮机起动控制系统通过对第二阶段共同加速阶段进行优化控制，通过所述控制系统生成燃油控制指令、电流控制指令，来动态调整供油量和起动电机电流，以达到燃气轮机快速起动的目的。

本实施例还提供一种燃气轮机起动控制方法，具体包括如下步骤：

S1、实时采集燃气轮机工作环境温度、燃气初温、起动电机机体温度；

S2、基于燃气轮机工作环境温度、燃气初温、起动电机机体温度，构建燃气轮机起动控制模型，并通过所述燃气轮机起动控制模型获取燃油控制指令、电流控制指令；

所述燃气轮机起动控制模型的构建包括：

S2.1、根据起动电机机体温度阈值T_2,max和燃气初温(即燃烧室出口1.4温度)阈值T_3,max，分别得到燃气轮机起动阶段起动电机机体、燃气初温可接受的最大温升ΔT_2，max、ΔT_3，max，如式(1)所示：

式中：T₂和T₃分别为当前的起动电机机体温度和燃气初温。

S2.2、根据燃气轮机的起动时间目标值以及燃气轮机起动阶段起动电机机体、燃气初温可接受的最大温升，获得燃油控制指令、电流控制指令；具体包括：

根据起动目标值dt_min为起动时间t最小，如式(2)所示：

mint→dt_min (2)

结合燃气轮机转子加速方程，起动时间dt如式(3)所示：

dt＝(π²/900ΔNe)Jndn (3)

式中，ΔNe为压气机耗功增量，J为转子的转动惯量，n为转子的转速；

由此可得燃气轮机的起动目标值dt_min，如式(4)所示：

dt_min＝(π²/900ΔNe_max)Jndn (4)

式中，ΔNe_max为压气机耗功最大增量；

根据功率平衡方程，压气机耗功Ne为涡轮做功Ne_T和起动电机功率Ne_G之和，如式(5)所示：

Ne＝Ne_T+Ne_G (5)

涡轮做功Ne_T与燃油量G_f、环境温度T₀、涡轮转子转速n_T、涡轮膨胀比ε_T有关，涡轮做功的非线性特性由f₁得到，如式(6)所示：

Ne_T＝f₁(G_f,T₀,n_T,ε_T) (6)

起动电机功率Ne_G与起动电机的数量m、起动电机的电压U、起动电机的电流I成正比，如式(7)所示:

Ne_G＝mUI (7)

将式(6)和式(7)代入式(5)，如式(8)所示：

Ne＝f₁(G_f,T₀,n_T,ε_T)+mUI (8)

则压气机耗功最大增量ΔNe_max如式(9)所示：

式中，ΔG_f，max为燃油量最大增量，ΔI_max为起动电机的电流最大增量，n_C为压气机转子转速，π_C为压气机出口与进口的压比；

起动电机允许最大温升ΔT_2,max与起动电机的电流最大增量的平方

起动电机的电阻R、起动电机的温升系数ξ成正比，如式(10)所示：

燃气初温允许最大温升ΔT_3,max与燃烧室效率η_B、燃油量最大增量ΔG_f,max、燃油低热值Hu成正比，与燃气质量流量G_g成反比，如式(11)所示：

ΔT_3,max＝f₃(η_BΔG_f,maxHu,G_g) (11)

由式(10)和式(11)逆计算可得燃油量最大增量ΔG_f，max、起动电机的电流最大增量ΔI_max，如式(12)所示：

其中，燃油量最大增量ΔG_f，max即为燃油控制指令，起动电机的电流最大增量ΔI_max即为电流控制指令。

S3、将燃油控制指令、电流控制指令分别传送至燃气轮机的燃油调节器、起动电机，完成对燃气轮机的起动控制，在不超温和限电流的条件下，实现燃气轮机起动速度的最大化。

经实验，本发明燃气轮机起动控制系统在高温环境(环境温度为38℃)中的起动成功率由80％提高到95％；起动时间由6分钟缩短到4分35秒。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种燃气轮机起动控制系统，其特征在于，包括：燃气轮机发生器、控制系统，所述控制系统与所述燃气轮机发生器相连接；

所述燃气轮机发生器用于产生燃气；

所述控制系统包括起动控制器、若干个温度采集单元；

所述温度采集单元用于采集所述燃气轮机的若干个温度参数数据，并将所述温度参数数据传送至所述起动控制器；

所述起动控制器与所述燃气轮机发生器相连；所述起动控制器基于所述温度参数数据生成控制指令，并将所述控制指令传送至所述燃气轮机发生器，对所述燃气轮机发生器进行控制。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机起动控制系统，其特征在于，所述燃气轮机发生器包括：压气机、燃烧室、涡轮、起动电机、燃油调节器；所述压气机、燃烧室、涡轮通过管路依次连接；所述起动电机与所述压气机相连，所述燃油调节器与所述燃烧室连接；所述起动控制器与所述起动电机、所述燃油调节器相连。

3.根据权利要求2所述的燃气轮机起动控制系统，其特征在于，所述控制指令包括燃油控制指令、电流控制指令，所述起动控制器将燃油控制指令、电流控制指令分别传送至所述燃油调节器、起动电机。

4.根据权利要求2所述的燃气轮机起动控制系统，其特征在于，所述温度参数数据包括环境温度、燃气初温、起动电机机体温度。

5.根据权利要求1所述的燃气轮机起动控制系统，其特征在于，所述燃气轮机的起动包括冷加速、共同加速、自加速三个阶段，所述控制系统对所述燃气轮机起动过程中的共同加速阶段进行控制。

6.一种燃气轮机起动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

实时采集燃气轮机工作环境温度、燃气初温、起动电机机体温度；

基于燃气轮机工作环境温度、燃气初温、起动电机机体温度，构建燃气轮机起动控制模型，并通过所述燃气轮机起动控制模型获取燃油控制指令、电流控制指令；

将燃油控制指令、电流控制指令分别传送至燃气轮机的燃油调节器、起动电机，完成对燃气轮机的起动控制。

7.根据权利要求6所述的燃气轮机起动控制方法，其特征在于，所述燃气轮机起动控制模型的构建包括如下步骤：

根据起动电机机体温度阈值和燃气初温阈值，分别得到燃气轮机起动阶段起动电机机体、燃气初温可接受的最大温升；

根据燃气轮机的起动时间目标值以及燃气轮机起动阶段起动电机机体、燃气初温可接受的最大温升，获得燃油控制指令、电流控制指令。

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