CN112081671A - 燃气轮机燃料控制装置及基于其的仿真测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气轮机燃料控制装置及基于其的仿真测试方法，其中，该装置包括：燃气轮机模型计算机，内置实时的燃气轮机模型；操作员计算机，作为燃气轮机燃料控制系统的上位机，实现该装置的启、停与正常运行，及界面展示；电液伺服系统，模拟燃气轮机燃料控制阀，并与燃气轮机模型计算机和操作员计算机间具有数据通信。该方法包括：设计控制系统并设置关键参数；将其串入燃气轮机燃料控制系统中；通过最小值选择方法实时选择控制系统中的控制模块实施测试；在测试过程中修改关键参数进行优化。本发明提供的该燃气轮机燃料控制装置及基于其的仿真测试方法，可以找出现有技术不能检测的问题，为控制系统的优化提供方便、有效的途径。

Description

燃气轮机燃料控制装置及基于其的仿真测试方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种燃气轮燃料控制装置及 基于其的仿真测试方法。

背景技术

凭借较高的热转化率，燃气轮机在舰船、地面发电和工业驱动等多个 领域得到了广泛的应用。燃气轮机的研发获得了国家层面的大力支持，但 目前诸如热端部件制造、DLN燃烧以及自动控制系统等核心技术仍被国外 公司垄断。

燃机控制系统在研发过程中为了节约成本、降低风险、缩短调试周期， 其性能的仿真测试将是必不可少的部分。目前，GE、西门子、三菱等燃气 轮机制造厂商均搭建了相应的仿真测试平台。GE委托Emprise公司搭建 了针对“9H”燃气轮机的仿真测试平台，可以用来模拟冷却、启动等操作； 西门子利用SIMATIC S7-400PLC搭建了一个HIL仿真测试平台，该平台 自带实时非线性燃气轮机模型，采用分布式控制策略具备按需增删IO测 试点的能力，可全方位对控制系统进行性能验证；三菱搭建的燃气轮机仿 真实验室包括监控区域、仿真测试区域以及人员培训区域，在对控制系统 进行验证的同时也可以满足用户进行岗前培训、在岗轮训等。国内相关科 研院所也进行了燃气轮机仿真测试台的搭建，但针对舰船用燃气轮机较少。 可见，搭建一个可以模拟真实燃气轮机执行机构/传感器的装置，并设计相 应的仿真测试方法对控制系统的研发是不可或缺的。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种燃气轮机燃料控制装置及基于其的仿真 测试方法，以至少部分解决上述问题。

一方面，本发明提供了一种燃气轮机燃料控制装置，包括由一模拟的 燃气轮机燃料控制阀构成的电液伺服系统，其中，该电液伺服系统包括：

执行部分，具有液压缸和操纵座，该液压缸控制该操纵座的位置信息；

控制部分，具有伺服阀和控制器，该控制器控制伺服阀实现对液压缸 的控制；

动力部分，具有主泵和蓄能器，为液压缸提供油液，进一步的，该主 泵为恒压变量泵；

辅助部分，具有油箱和传感器，其中，传感器的数据信息被传输至控 制器，油箱和主泵及液压缸协作，实现该执行部分、控制部分和动力部分 的连接；以及

反馈部分，具有线性可变差动变压器，将操纵座的位置信息反馈至控 制器。

一些实施例中，该电液伺服系统中各个部分通过多个I/O接口实现硬 接线，特别的，在该I/O接口处预置相关算法，将控制器发出的阀门开度 指令转换为燃气轮机模型需要的燃料量。

进一步的，该燃气轮机燃料控制装置还包括：

燃气轮机模型计算机，内置实时的燃气轮机模型；

操作员计算机，作为燃气轮机燃料控制装置的上位机，实现该装置的 启、停与正常运行，及界面展示；

其中，该电液伺服系统与该燃气轮机模型计算机和操作员计算机间具 有数据通信。

更进一步的，在该燃气轮机燃料控制装置中预置一控制系统，该控制 系统包括：

开环控制模块，包括启动控制模块；

闭环控制模块，包括加速度控制模块、转速控制模块、温度控制模块 和压比控制模块，其中的各个闭环控制模块均采用闭环控制器控制；

该开环控制模块和闭环控制模块实时反馈燃气轮机燃料控制装置中 各个部分相应的状态信息，其中，转速控制模块采用转速控制器为：

其中，FSR_N为转速控制燃料行程基准；FSR为燃料行程基准；ΔN为 转速目标值与转速实际值的偏差；K为调节系数；T_c为一阶惯性时间常数。

再进一步的，电液伺服系统和燃气轮机模型计算机及操作员计算机间 通过以太网实现数据传输。

另一方面，针对上述燃气轮机燃料控制装置，本发明还提供了一种基 于该燃气轮机燃料控制装置的仿真测试方法，包括：

设计上述控制系统并设置关键参数；

将控制系统串入燃气轮机燃料控制装置中；

通过最小值选择方法实时选择该控制系统中的控制模块实施测试；

在测试过程中修改关键参数，对该控制系统进行优化，达到目标控制 性能。

其中，设计控制系统包括：

将电液伺服系统中多个控制阀构成的控制阀组等效为1个控制阀；

控制阀开度采用百分比的形式表示；

进入燃烧室的燃料温度恒定。

本发明提供的该燃气轮机燃料控制装置及基于其的仿真测试方法，具 有以下有益效果：

(1)搭建了可以模拟燃气轮机燃料控制系统的电液伺服系统，其子 物理过程与舰船运行的燃机完全一致，可以有效的为仿真测试提供硬件支 持，有别于现有技术，本发明可以提供执行机构/传感器等对控制系统的影 响；

(2)设计了仿真测试方法，利用该方法可以找出现有技术所不能检 测的问题，为控制系统的优化提供一种方便、快捷、有效的途径。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性 的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1是本发明实施例模拟的燃气轮机燃料控制装置的电液伺服系统；

图2是本发明实施例搭建的电液伺服系统与燃气轮机模型计算机以及 上位机界面的结构关系；

图3是本发明实施例燃气轮机燃料控制装置的FSR最小值选择方式；

图4是本发明实施例燃气轮机在启动控制下开环控制的燃料量变化曲 线；

图5是本发明实施例设计的燃气轮机燃料控制装置的仿真测试流程图；

图6是本发明实施例的燃气轮机燃料控制装置参数优化流程图；

图7是本发明实施例设计的仿真测试方法发现了现有技术无法发现的 控制系统的缺陷展示图；

图8是本发明实施例设计的仿真测试方法对燃料控制装置关键控制参 数的优化对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、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，对本发明作进一步的详细说明。

根据技术背景可知，搭建一个可以真实模拟燃气轮机执行机构/传感器 的装置，并设计相应的仿真测试方法是研发燃机控制系统不可缺少的。因 此，本发明将提供一个可以模拟燃气轮机燃料控制装置的电液伺服系统， 和一个用来进行仿真测试的方法。

有鉴于此，本发明提供了一种燃气轮机燃料控制装置及基于其的仿真 测试方法，其中，该装置包括一用来模拟燃气轮机燃料控制阀的电液伺服 系统(见图1)，该电液伺服系统包括：

执行部分：采用液压缸及操纵座，该液压缸控制该操纵座的位置信息；

控制部分：具有伺服阀和控制器，采用伺服阀控制液压缸，具备快速 关闭功能及危急遮断功能；

动力部分：具有主泵和蓄能器，为液压缸提供油液，优选的，该主泵 采用恒压变量泵；

辅助部分：油箱、基础座、测压装置、风冷装置、油位油温报警等及 其他可用传感器其中，传感器的数据信息传输至控制器，油箱和主泵及液 压缸协作，实现该执行部分、控制部分和动力部分的连接；以及

反馈部分，具有线性可变差动变压器，将操纵座的位置信息反馈至控 制器。

由此完成的该模拟燃气轮机燃料控制装置的电液伺服系统具有精密 调节、快关、危急遮断功能，配合燃气轮机控制系统主控设备，可以实现 液压系统标定和伺服调节，油温报警，泵远方控制等功能。本实施例提供 的该电液伺服系统，其相关设置具有以下显著优势：

1、本系统为中高压系统，执行机构体积小，油站整体外形较小；

2、采用高频响伺服阀控制，系统响应快速；

3、选用低噪音泵，低噪音电机，且系统整体与地面之间使用隔震隔 声材料隔离；

4、主泵为恒压柱塞泵，节能设计，在执行机构不动作时泵只提供系 统的内泄漏等需要的流量，此时损耗功率极低；

5、柱塞泵运行过程中，壳体泄漏油经过风冷却器进行冷却；

6、系统安置过滤器，过滤精度≤5μ，管道清洗后管路内精度≥7级；

7、介质采用阻燃抗磨液压油；

8、系统所有密封采用耐油耐压密封，管接头为进口优质管接头，系 统设计为不允许漏油设计。

本实施例中的模拟燃气轮机燃料控制装置的电液伺服系统的性能指 标如下：

伺服机构调节速率：≥100mm/s

伺服机构重复定位精度：≤±0.5％

伺服机构响应速度：＜50ms

快关时间：＜0.3s

整机噪声≤70分贝

本发明实施例还提供了基于该电液伺服系统实现的燃气轮机燃料控 制装置，包括模拟燃气轮机燃料控制阀的电液伺服系统与燃气轮机模型计 算机及上位机(操作员计算机)，其联系结构见图2，具体表现为：

燃气轮机模型计算机：内置高精度实时燃气轮机模型；

操作员计算机：根据舰船和控制系统需要绘制燃气轮机上位机界面， 包括：主画面、启动检查、遮断保护、燃料、可调导叶、发电机、轴瓦温 度、排气温度、负荷齿轮箱、润滑油、冷却密封等页面。操作员可在此上 位机界面上完成燃气轮机全部的启、停与正常运行等控制；

该电液伺服系统，与该燃气轮机模型计算机和操作员计算机间具有数 据通信，进一步的，本实施例中，通过以太网实现数据传输。

一些实施例中，该电液伺服系统中各个部分通过多个I/O接口实现硬 接线，特别的，在该I/O接口处预置相关算法，将控制器发出的阀门开度 指令转换为燃气轮机模型需要的燃料量。

本实施例中，该燃气轮机燃料控制装置还包括：

I/O接口：专门的燃气轮机控制柜，实现电液伺服系统中控制器、执 行机构和传感器等的硬接线，保持与舰船实际使用设备完全一致。

其中，控制器采用与舰船使用完全一致的高性能控制器，满足本发明 燃气轮机燃料控制阀的仿真测试要求。

一些实施例中，在该燃气轮机燃料控制装置中预置一控制系统，该控 制系统包括：

开环控制模块，包括启动控制模块；

闭环控制模块，包括加速度控制模块、转速控制模块、温度控制模块 和压比控制模块，其中的各个闭环控制模块均采用闭环控制器控制；

该开环控制模块和闭环控制模块实时反馈燃气轮机燃料控制装置中 各个部分相应的状态信息。

针对于此，该燃料控制系统程序设计及相关工作流程如下：

燃气轮机从冷态启动开始，启动控制模块、加速度控制模块、转速控 制模块、温度控制模块、发电机功率及功率因数控制模块、压比控制模块 和手动控制模块将实时计算出各自的FSR，控制系统根据最小FSR来进行 模块切换，最小值选择模式如图3所示。

基于图3的燃料控制系统框架图，参考国外成熟机型的经验，本发明 所讨论的燃料控制系统程序的设计思路为：启动控制模块为开环控制；其 他控制模块为闭环控制(采用工业生产上常用的PID方式)。

启动控制模块的燃料量输出是由启动过程中不同的启动状态触发的， 具体分为：点火状态、暖机状态、小加速状态和大加速状态等，详细过程 如图4所示。

燃料控制系统涉及其他闭环控制模块：加速控制模块、转速控制模块、 温度控制模块和压比控制模块等均采用相似的闭环控制器控制。由于控制 器设计原理相似，以转速控制模块为例，转速控制器的设计如下：

式中：FSR_N为转速控制燃料行程基准；FSR为燃料行程基准；AN为 转速目标值与转速实际值的偏差；K为调节系数；T_c为一阶惯性时间常数。

启动控制模块及闭环控制模块经最小值选择的控制方式进行输出。最 小值选择控制是各个闭环控制模块在当前的FSR基础上进行运算，实现启 动控制模块向闭环控制模块无扰切换和闭环控制模块之间无扰切换，保证 控制模式切换过程中燃料较稳定的输入燃烧室。

为了更好的理解与应用本发明提出的仿真设备及测试方法，本发明在 搭建好的模拟燃气轮机燃料控制阀的电液伺服系统上进行仿真测试，其测 试方法如图5所示。

操作员点击启动按钮，燃气轮机从零转速开始，经过清吹、惰走、点 火、暖机、加速直到全速空载。当清吹、惰走完成后，启动控制模块根据 启动状态依次建立点火FSR、暖机FSR，通过最小值比较得到点火FSR 和暖机FSR数值较低，启动FSR进入控制；燃气轮机暖机完成后进入加 速状态后，控制器接收测量系统反馈的燃气轮机状态信号并在内部计算转速、加速度、排气温度和压比等对应的FSR。启动FSR和加速度FSR分 别按其设定的加速速率上升，通过最小值选择器使得燃气轮机由启动控制 和加速度控制中FSR上升速率较小者控制。当燃气轮机进入全速空载状态 后，转速FSR小于启动FSR，转速FSR进入控制。

针对本发明提供的上述该燃气轮机燃料控制装置，同时设计相关仿真 测试方法，在上述仿真测试过程中，遇到以下问题：

(1)燃气轮机使用气体燃料，其温度、压力的建模难度较大；

(2)燃气轮机模型采用容积法对燃烧室进行建模，且主要关心的是 某一时刻进入燃烧室的燃料总量，而不需要了解此时刻每个控制阀的工作 情况；

(3)控制阀从接到控制指令到实际动作过程中存在响应时间和跟随 精度的问题，该部分建模难度较大。

考虑上述问题，本发明中的仿真测试方法设计时对整个系统装置做如 下处理：

(1)将多个控制阀构成的控制阀组等效为1个控制阀。虽然其响应 时间和跟随精度不能完全与实际燃气轮机的控制阀组一致，但该等效处理 可以将真实阀门的响应时间和跟随精度等问题引入燃料控制系统中。相对 于纯数字仿真，该处理在一定程度上弥补了燃气轮机模型的不足，有利于 优化燃气轮机控制系统逻辑及控制参数；

(2)控制阀开度采用百分比的形式表示，由于控制阀在实际应用中 主要使用阀门特性趋近线性变化的部分，如果燃料行程基准(Fuel Stroke Reference，FSR)也采用百分比的形式，那么在数值上也等同于FSR，所 以控制阀的开度直接使用FSR来表示；

(3)进入燃烧室的燃料温度恒定。

为了将控制器发出的阀门开度指令转为燃气轮机模型需要的燃料量， 燃气轮机燃料控制阀仿真测试时在IO接口处编辑部分算法，其主要利用 的关系有：

P₂*∝N

W_f∝P₂*

W_f∝FSR

则有：

W_f∝(N，FSR)

其中N表示转速；P_2*为速比/截止阀与控制阀间压力。

参考某燃机实际运行数据，可将W_f与N和FSR的关系近似计算得出， 具体关系式如下：

P_2*＝0.01812×N-9.6516；

W_f＝0.000386×FSR×(0.01812×N-9.6516)；

通过上式的计算，可将阀门开度FSR及转速N换算成对应的W_f信号 传递给燃气轮机模型。

如图6所示，本发明另一实施例设计了一种实现燃气轮机燃料控制装 置优化的仿真测试方法，通过上述的针对性处理，本方法包括具体以下步 骤：

步骤S1：利用现有技术设计上述控制系统(关键参数已设定)；

步骤S2：将S1中得到的控制系统串入本发明搭建的燃气轮机燃料控 制装置中(包含模拟燃料控制阀的电液伺服系统、控制器等)。

步骤S3：通过最小值选择方法实时选择该控制系统中的控制模块实施 测试；

步骤S4：通过修改控制系统的关键参数对控制系统进行优化，直至达 到目标控制性能。

为了更好的理解与应用本发明提出的一种模拟燃气轮机燃料控制系 统的电液伺服系统及仿真测试方法，结合图7进行以下示例，且本发明不 仅局限以下示例。

具体地，如图7所示：

(1)启动到点火前，燃气轮机由液压马达拖动，此阶段FSR一直为 零值；

(2)t＝49s时，燃气轮机进入点火阶段，虚线代表的FSR迅速达到 点火给定值，实线代表的FSR出现了延迟的现象(详见局部放大部分)；

(3)t＝158s时，燃气轮机进入全速空载阶段，此时图中虚线较为平 滑，而图中实线则出现等幅振荡现象，燃料量输出波动较大。

出现以上现象的主要原因是由于本发明接入了真实的阀门执行机构 和传感器，同时也将执行机构的执行时间、机械扰动、传感器采集延时等 难以建模的影响因素引入，进而触发了现有技术仿真测试时未发现的控制 系统设计问题，从而体现了本发明的意义。

为了消除这些扰动，本发明设计了相应的仿真测试方法，对控制系统 的控制参数进行优化调整。先进行纯数字仿真，对控制系统进行优化，然 后再对优化后的控制系统进行HIL仿真，进一步优化控制系统。优化控制 系统主要从验证控制逻辑、优化控制参数等方面开展，主要的步骤可参看 图6。

对燃料控制部分的时间参数TC进行4组测试，其测试结果如图8所 示。

图8是燃料控制中TC取不同参数时燃气轮机从启动到全速空载的燃 料曲线对比图。当TC＝2时，FSR曲线出现等幅振荡现象；当TC＝6时， FSR曲线经过一段时间的调整后收敛；当TC＝10时，FSR曲线经过较短 时间的调整后维持在设定转速下；当TC＝20时，FSR曲线超调量较大。

由以上对比可见，当TC＝10时燃气轮机仿真系统可以稳定地输出燃 料，从而保证燃气轮机转速被控制在设定范围内，也即是TC＝10为最佳控 制参数。

采用本发明设计的燃气轮机燃料控制仿真测试方法优于现有技术方 法，可以有效对关键控制参数进行优化，进而提高控制系统的鲁棒性。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处 理器上运行的软件模块实现，或者以他们的组合实现。本领域的技术人员 应当理解，可以在实践中使用微处理器或者分布式控制器来实现根据本发 明实施例设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以 实现为执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序。

本文中所称的“一个实施例”、“实施例”意味着，结合实施例描述的 特定特征、结构或者特性包含本发明的至少一个实施例中。此外，请注意， 这里“在一个实施例中”的词语例子不一定全指同一个实施例。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解， 本发明的实施例控制在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实践中， 并未详细示出公知的方法、结论和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

此外，还应当注意，本说明中使用的语言主要是为了可读性和教导的 目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此， 在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通 技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本 发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要 求书限定。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在 不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变形，这样的修改和 变形均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种燃气轮机燃料控制装置，其特征在于，包括一由模拟的燃气轮机燃料控制阀构成的电液伺服系统，其中，所述电液伺服系统包括：

执行部分，具有液压缸和操纵座，所述液压缸控制所述操纵座的位置信息；

控制部分，具有伺服阀和控制器，所述控制器控制伺服阀实现对液压缸的控制；

动力部分，具有主泵和蓄能器，所述动力部分为所述液压缸提供油液；

辅助部分，具有油箱和传感器，所述传感器的数据信息被传输至所述控制器，所述油箱和所述主泵及液压缸协作，实现所述执行部分、控制部分和动力部分的连接；以及

反馈部分，具有线性可变差动变压器，将所述操纵座的位置信息反馈至所述控制器。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃料控制装置，其特征在于，还包括：

燃气轮机模型计算机，内置实时的燃气轮机模型；

操作员计算机，作为所述燃气轮机燃料控制装置的上位机，实现该装置的启、停与正常运行，及界面展示；

其中，所述电液伺服系统与所述燃气轮机模型计算机和所述操作员计算机间具有数据通信。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机燃料控制装置，其特征在于，所述电液伺服系统中各个部分通过多个I/O接口实现硬接线。

4.根据权利要求3所述的燃气轮机燃料控制装置，其特征在于，所述I/O接口处预置相关算法，将控制器发出的阀门开度指令转换为燃气轮机模型需要的燃料量。

5.根据权利要求1或2所述的燃气轮机燃料控制装置，其特征在于，在所述燃气轮机燃料控制装置中预置一控制系统，所述控制系统包括：

开环控制模块，包括启动控制模块；

闭环控制模块，包括加速度控制模块、转速控制模块、温度控制模块和压比控制模块，所述各个闭环控制模块均采用闭环控制器控制；

所述开环控制模块和所述闭环控制模块实时反馈所述燃气轮机燃料控制装置中各个部分相应的状态信息。

6.根据权利要求5所述的燃气轮机燃料控制装置，其特征在于，所述转速控制模块采用转速控制器为：

其中，FSR_N为转速控制燃料行程基准；FSR为燃料行程基准；ΔN为转速目标值与转速实际值的偏差；K为调节系数；T_c为一阶惯性时间常数。

7.根据权利要求1所述的燃气轮机燃料控制装置，其特征在于，所述主泵为恒压变量泵。

8.根据权利要求2所述的燃气轮机燃料控制装置，其特征在于，所述电液伺服系统和所述燃气轮机模型计算机及所述操作员计算机间通过以太网实现数据传输。

9.一种基于燃气轮机燃料控制装置的仿真测试方法，其特征在于，所述燃气轮机燃料控制装置为权利要求1至8中任一所述的燃气轮机燃料控制装置，基于其的仿真测试方法包括：

设计控制系统并设置关键参数；

将所述控制系统串入燃气轮机燃料控制装置中；

通过最小值选择方法实时选择所述控制系统中的控制模块实施测试；

在所述测试过程中修改所述关键参数，对所述控制系统进行优化，达到目标控制性能。

10.根据权利要求9所述的基于燃气轮机燃料控制装置的仿真测试方法，其特征在于，所述设计控制系统包括：

将电液伺服系统中多个控制阀构成的控制阀组等效为1个控制阀；

控制阀开度采用百分比的形式表示；

进入燃烧室的燃料温度恒定。

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