CN114183254A - 一种双燃料燃气轮机燃料切换控制方法 - Google Patents

一种双燃料燃气轮机燃料切换控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种双燃料燃气轮机燃料切换控制方法，将发电机输出功率作为状态反馈量，将切换过程中的燃料折合增量作为控制量，基于增量式PID算法实时计算燃料折合增量，以实现发电机输出功率的稳定闭环控制。将闭环控制计算的燃料折合增量，按照同步动态调节的逻辑分配计算两种燃料的流量期望值，并根据执行机构(燃料阀门)的特性，计算出两种燃料阀门开度，以满足燃烧切换过程中快速性及稳定性的要求。本发明在切换进行过程中始终保持新燃料处于增加，旧燃料处于减少，确保燃气轮机双燃料切换可以在规定的短时间内完成，在一定程度上降低了旧燃料耗尽的风险。引入反馈量，避免了燃机转速、排气温度等重要指标参数的大幅波动。

Description

一种双燃料燃气轮机燃料切换控制方法
技术领域
本发明涉及的是一种燃气轮机控制方法，具体地说是燃气轮机燃料切换方法。
背景技术
双燃料(即气体燃料和液体燃料)的互相切换和混烧，使得燃气轮机系统对燃料的适应性得以提高。燃料供给是双燃料燃气轮机的核心系统，对于燃气轮机而言，切换时长和发电机输出功率是燃料切换过程中最直观且重要的评价指标。在燃料切换的过程中，燃机转速、功率和排气温度等波动均与双燃料切换控制系统有关，控制不当极易出现机组超温、超速等现象，严重影响了机组的安全运行。
双燃料切换控制作为国内工程应用的新问题，此方面的研究较少。国外燃机机组通常采用的切换控制策略主要有两种：第一种是主从装置调节+稳态控制策略。如在天然气切换至燃油过程中，当发电机输出功率在允许范围内波动时，天然气流量按设定步长减少，燃油流量按设定步长增加。当发电机输出功率超出允许波动范围时，采用主动装置(折合热量大的燃料)调节发电机输出功率，在此调节期间，从动装置流量不变化。由于在发电机输出功率调节过程中从动装置不动作，所以这种控制策略最为显著的缺点是切换耗时较长，在对切换时间要求较为严格的工程应用中难以满足要求。第二种是天然气调节+动态控制策略。如在天然气切换至燃油过程中，当发电机输出功率在允许范围内波动时，天然气流量按设定步长减少，燃油流量按设定步长增加。当发电机输出功率超出允许波动范围时，仅用天然气调节阀调节发电机输出功率，在此调节期间，燃油量按设定燃料变化速率持续增加。这种控制策略虽然有效地缩短了切换时间，但是在切换过程中，发电机输出功率的波动较大。
发明内容
本发明的目的在于提供可以保证切换耗时较短，同时也能减少发电机输出功率及燃烧室出口温度的波动，以满足燃烧切换过程中快速性及稳定性要求的一种双燃料燃气轮机燃料切换控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种双燃料燃气轮机燃料切换控制方法，其特征是：
将切入的新燃料的调节阀开启至预设开度，同时使用旧燃料的调节阀对发电机输出功率进行闭环PID控制，待输出功率稳定后，开始两种燃料的相互切换；
预设燃料切换流量变化率，两种燃料预设的流量变化率与理论切换时间有关，具体表达式为：
Figure BDA0003419217620000021
dGN＝-λdGO
式中：dGO为旧燃料的预设流量变化率，dGN为新燃料的预设流量变化率，GO0为旧燃料的初始流量，GOC为旧燃料的关断流量，t0为理论切换时长，λ为热值比；
发电机输出功率作为状态反馈量，将切换过程中的燃料折合增量作为控制量，基于增量式PID算法实时计算燃料折合增量，以实现发电机输出功率的稳定闭环控制：
△dG(n)＝KP[e(n)-e(n-1)]+KIe(n)+KD[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]
其中△dG(n)为计算的燃料折合增量，KP、KI和KD为PID调节参数，e(n)、e(n-1)和e(n-2)分别代表当前时刻、一个计算周期前、两个计算周期前的发电机输出功率反馈值与设定值的偏差；
将闭环控制计算的燃料折合增量，按照同步动态调节的逻辑分配计算两种燃料的流量期望值，并根据阀门的特性，计算出两种燃料的阀门开度；
燃料切换结束前，当旧燃料调节阀开度减小至GOC对应开度时，该燃料调节阀瞬时关闭，通过PID闭环控制新燃料调节阀增大。
本发明还可以包括：
1、如在新旧燃料切换过程中，当发电机输出功率在允许范围内波动时，旧燃料流量按设定步长减少，新燃料流量按设定步长增加。
2、当发电机输出功率超出允许波动范围时，新、旧燃料调节阀同为主动装置：当计算的燃料折合增量△dG(n)<0时，将该折合增量叠加至旧燃料的预设流量变化率dGO上；当计算的燃料折合增量△dG(n)>0时，将该折合增量叠加至新燃料的预设流量变化率dGN上。
本发明的优势在于：
1、同为主动装置使得在切换进行过程中始终保持新燃料处于增加，旧燃料处于减少，确保燃气轮机双燃料切换可以在规定的短时间内完成，在一定程度上降低了旧燃料耗尽的风险。
2、引入反馈量，利用同步动态调节保证了燃料切换过程中发电机输出功率的稳定，进而避免了燃机转速、排气温度等重要指标参数的大幅波动。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1，双燃料切换控制策略按照时序可分为：切换开始、切换进行、切换结束等三个子过程，每个子过程中均有增量式PID闭环控制的介入，以确保发电机输出功率的波动尽可能小。双燃料切换计时从切换命令输入开始，为了缩短燃料切换时间，将闭环控制计算的燃料折合增量，按照同步动态调节的逻辑分配计算两种燃料的流量期望值，并根据执行机构(燃料阀门)的特性，计算出两种燃料阀门开度，以保证燃气轮机机组能快速稳定地完成燃料的切换。
本发明为根据切换时间，预设切换开始、切换进行及切换结束的相关执行机构的控制方法，具体如下：
1、切换开始控制策略：两种燃料切换前，将切入的新燃料的调节阀开启至某开度，同时使用旧燃料的调节阀对发电机输出功率进行闭环PID控制，待输出功率稳定后，开始两种燃料的相互切换。
2、切换进行控制策略：预设燃料切换流量变化率，两种燃料预设的流量变化率与理论切换时间有关，具体表达式为：
Figure BDA0003419217620000031
dGN＝-λdGO
式中：dGO为旧燃料的预设流量变化率，dGN为新燃料的预设流量变化率。GO0为旧燃料的初始流量，GOC为旧燃料的关断流量，t0为理论切换时长，λ热值比。
发电机输出功率作为状态反馈量，将切换过程中的燃料折合增量作为控制量，基于增量式PID算法实时计算燃料折合增量，以实现发电机输出功率的稳定闭环控制。
△dG(n)＝KP[e(n)-e(n-1)]+KIe(n)+KD[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]
其中△dG(n)为计算的燃料折合增量，KP、KI和KD为PID调节参数，e(n)、e(n-1)和e(n-2)分别代表当前时刻、一个计算周期前、两个计算周期前的发电机输出功率反馈值与设定值的偏差。
将闭环控制计算的燃料折合增量，按照同步动态调节的逻辑分配计算两种燃料的流量期望值，并根据阀门的特性，计算出两种燃料的阀门开度。
如在新旧燃料切换过程中，当发电机输出功率在允许范围内波动时，旧燃料流量按设定步长减少，新燃料流量按设定步长增加。当发电机输出功率超出允许波动范围时，新、旧燃料调节阀同为主动装置：当计算的燃料折合增量△dG(n)<0时，将该折合增量叠加至旧燃料的预设流量变化率dGO上；当计算的燃料折合增量△dG(n)>0时，将该折合增量叠加至新燃料的预设流量变化率dGN上。
3、切换结束控制策略：燃料切换结束前，当旧燃料调节阀开度减小至GOC对应开度时，该燃料调节阀瞬时关闭，通过PID闭环控制新燃料调节阀增大，保证发电机输出功率的稳定。

Claims (3)

1.一种双燃料燃气轮机燃料切换控制方法，其特征是：
将切入的新燃料的调节阀开启至预设开度，同时使用旧燃料的调节阀对发电机输出功率进行闭环PID控制，待输出功率稳定后，开始两种燃料的相互切换；
预设燃料切换流量变化率，两种燃料预设的流量变化率与理论切换时间有关，具体表达式为：
Figure FDA0003419217610000011
dGN＝-λdGO
式中：dGO为旧燃料的预设流量变化率，dGN为新燃料的预设流量变化率，GO0为旧燃料的初始流量，GOC为旧燃料的关断流量，t0为理论切换时长，λ为热值比；
发电机输出功率作为状态反馈量，将切换过程中的燃料折合增量作为控制量，基于增量式PID算法实时计算燃料折合增量，以实现发电机输出功率的稳定闭环控制：
△dG(n)＝KP[e(n)-e(n-1)]+KIe(n)+KD[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]
其中△dG(n)为计算的燃料折合增量，KP、KI和KD为PID调节参数，e(n)、e(n-1)和e(n-2)分别代表当前时刻、一个计算周期前、两个计算周期前的发电机输出功率反馈值与设定值的偏差；
将闭环控制计算的燃料折合增量，按照同步动态调节的逻辑分配计算两种燃料的流量期望值，并根据阀门的特性，计算出两种燃料的阀门开度；
燃料切换结束前，当旧燃料调节阀开度减小至GOC对应开度时，该燃料调节阀瞬时关闭，通过PID闭环控制新燃料调节阀增大。
2.根据权利要求1所述的一种双燃料燃气轮机燃料切换控制方法，其特征是：如在新旧燃料切换过程中，当发电机输出功率在允许范围内波动时，旧燃料流量按设定步长减少，新燃料流量按设定步长增加。
3.根据权利要求1所述的一种双燃料燃气轮机燃料切换控制方法，其特征是：当发电机输出功率超出允许波动范围时，新、旧燃料调节阀同为主动装置：当计算的燃料折合增量△dG(n)<0时，将该折合增量叠加至旧燃料的预设流量变化率dGO上；当计算的燃料折合增量△dG(n)>0时，将该折合增量叠加至新燃料的预设流量变化率dGN上。
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