CN117005954A - 一种燃气轮机速比阀控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃气轮机速比阀控制方法。为了克服现有技术对速度比例截止阀的控制在启停阶段转速变化时天然气压力不稳定的问题；本发明包括以下过程：将燃气轮机机组按照转速变化状况分为启停阶段和运行阶段；在启停阶段，采用预测控制对速比阀控制回路中以比例参数为主的PI调节器参数进行调整；在运行阶段，采用预测控制对速比阀控制回路中以积分参数为主的PI调节器参数进行调整。采用预测控制对速比阀控制回路中的比例参数和积分参数进行实时调整，对启停或运行阶段采用不同的控制参数调整方案，保证燃气轮机燃料控制系统在不同阶段对速比阀控制稳定性的要求。
Description
技术领域
本发明涉及重型燃气轮机控制技术领域，尤其涉及一种燃气轮机速度比例截止阀控制方法。
背景技术
燃气轮机系统复杂，具有高集成度、非线性、多输入多输出的特点。其控制的水平决定了其工作的安全性、经济性以及稳定性，因而良好的控制系统对于燃机稳定、安全、高效的工作尤为关键。目前国内燃机控制系统均由机组厂商配套提供，国内对燃气轮机控制系统的优化研究较少。
重型燃气轮机中的速度比例截止阀(SRV)的作用有两个：作为截止阀保证机组在正常停机或事故停机时迅速严密地切断天然气燃料、调整进入气体控制阀的天然气压力P2并使其成为转速的函数。
以某公司的燃气轮机机组为例，如图2所示，速比阀控制回路中存在两个PI调节器，其输入分别为天然气压力P2基准值与测量值的偏差量和速比阀开度基准值与测量值的偏差量。PI调节可以消除静差，有较强的鲁棒性，但其参数在整定时很难针对全部工况取得最优值，且PI调节并没有引入积分项，导致对时滞系统响应不及时。需要针对其缺点，进行优化调节。
发明内容
本发明主要解决现有技术对速度比例截止阀的控制在启停阶段转速变化时天然气压力不稳定的问题；提供一种燃气轮机速比阀控制方法，采用预测控制对速比阀控制回路中的比例参数和积分参数进行实时调整，对启停或运行阶段采用不同的控制参数调整方案，保证燃气轮机燃料控制系统在不同阶段对速比阀控制稳定性的要求。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种燃气轮机速比阀控制方法，包括以下过程：
将燃气轮机机组按照转速变化状况分为启停阶段和运行阶段；
在启停阶段，采用预测控制对速比阀控制回路中以比例参数为主的PI调节器参数进行调整；
在运行阶段，采用预测控制对速比阀控制回路中以积分参数为主的PI调节器参数进行调整。
采用预测控制对速比阀控制回路中的比例参数和积分参数进行实时调整，对启停或运行阶段采用不同的控制参数调整方案，保证燃气轮机燃料控制系统在不同阶段对速比阀控制稳定性的要求。
作为优选，根据燃气轮机机组的启动指令或停机指令、燃料给定基准FSR的启动控制FSRSU或停机控制FSRSD以及结合机组负荷，共同判断燃气轮机机组当前状态为起停阶段或是运行阶段。
作为优选，当燃气轮机机组收到启动指令，燃料给定基准FSR处于启动控制FSRSU或加速度控制FSRACC，且机组未带负荷时，判断机组处于启动升速阶段；
当燃气轮机机组收到停机指令，燃料给定基准FSR处于停机控制FSRSD或加速度控制FSRACC，且机组未带负荷时，判断机组进入停机降速阶段；
当未判定机组处于启动升速阶段或停机降速阶段时，判定机组处于运行状态。
作为优选，采用预测控制对控制回路中的PI调节器参数进行实时优化，包括：
利用模型预测控制，将速比阀的阀位测量开度与指令信号作为输入，在控制器内与理想模型进行比较，预测控制通过滚动优化持续在每个时间段内进行计算寻找最优参数，并根据反馈校正预测输出，得到每个时间段内的最优控制。
采用模型预测控制为速比阀控制回路中的传统PI调节增加自适应参数改变，弥补PI调节在时滞问题上调节的不足。
作为优选，将预测控制的输出结果通过不同权重分配到PI调节器中的比例参数与积分参数；
当燃气轮机机组确定在启停阶段，采用高权重调节比例参数，低权重调节积分参数，用以达到快速改变速比阀开度的目的；
当机组确定在运行阶段时，采用高权重调节积分参数，低权重调节比例参数，用来维持燃气压力P2的稳定。
通过实时计算改变比例参数和积分参数，使其更接近全局优化值，来获得在不同工况阶段下的更优的控制方案，解决启停阶段天然气压力P2持续升高或降低时阀位响应引起参数不稳定的问题，对燃气轮机速比阀进行全过程运行工况下的稳定控制。
作为优选，比阀控制回路中的PI调节器参数在全部时间内连续变化。避免因控制参数突跃为控制回路带来扰动或震荡。
作为优选，对控制参数的比例参数和比例参数设置上下限。防止积分参数Ki或比例参数Kp过大导致震荡或积分过饱和想象，影响机组安全性。
本发明的有益效果是：
1.采用预测控制对速比阀控制回路中的比例参数和积分参数进行实时调整，对启停或运行阶段采用不同的控制参数调整方案，保证燃气轮机燃料控制系统在不同阶段对速比阀控制稳定性的要求。
2.采用模型预测控制为速比阀控制回路中的传统PI调节增加自适应参数改变，弥补PI调节在时滞问题上调节的不足。
3.通过实时计算改变比例参数和积分参数，使其更接近全局优化值，来获得在不同工况阶段下的更优的控制方案，解决启停阶段天然气压力P2持续升高或降低时阀位响应引起参数不稳定的问题，对燃气轮机速比阀进行全过程运行工况下的稳定控制。
4.保证积分参数Ki、比例参数Kp在不同阶段状态间切换时的连续缓慢变化，防止控制参数突变导致阀位出现波动。
5.对积分参数Ki和比例参数Kp设置上下限，防止积分参数Ki或比例参数Kp过大导致震荡或积分过饱和想象，影响机组安全性。
附图说明
图1是本发明对燃气轮机运行阶段判断的逻辑图。
图2是燃气轮机速度比例截止阀的控制回路示意图。
图3是本发明利用预测控制优化的速比阀控制回路原理示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
本实施例的一种燃气轮机速比阀控制方法，包括以下过程：
如图1所示，将燃气轮机运行状态划分为启停状态和运行状态：
1.当燃气轮机机组收到启动指令，燃料给定基准FSR处于启动控制FSRSU或加速度控制FSRACC，且机组未带负荷时，判断机组处于启动升速阶段。
燃气轮机控制系统收到启动命令L1X，机组即开始进入启动过程，当燃料行程基准FSR在启动控制FSRSU或加速度控制FSRACC下，在机组并网带负荷之前，三个条件均满足时，机组应处于点火、暖机、升速流程，此时燃气轮机转速会在清吹转速(20％-25％额定转速)下降至点火转速(15％-20％)，暖机完成后机组进入升速阶段直至全速空载状态。全部过程划分为燃气轮机启动升速阶段。
2.当燃气轮机机组收到停机指令，燃料给定基准FSR处于停机控制FSRSD或加速度控制FSRACC，且机组未带负荷时，判断机组进入停机降速阶段。
燃气轮机控制系统收到停机命令L94X信号，燃料行程基准FSR在停机控制FSRSD，发电机与电网解列后，FSR继续下降，机组开始减速，直至降到约20％额定转速或火焰探测器指明熄火时，截止阀关闭切断燃料，机组进入堕走状态。全部过程划分为燃气轮机停机降速阶段。
3.其它全部时间划分为燃气轮机运行阶段，当未判定机组处于启动升速阶段或停机降速阶段时，判定机组处于运行状态，机组转速不会发生较大变化。
当燃气轮机机组并未处于以上两种状态，即三个条件中有任意一个不被满足，判断机组处于运行阶段。
利用模型预测控制实现控制回路比例参数和积分参数实时优化：
如图2所示，速比阀控制回路中存在两个PI调节器，其中主调节器输入为天然气压力基准值与测量值的偏差，控制器输出为：
u＝Kie+Kp∫edt
u为目标阀位，e为偏差值，Ki为比例增益参数，Kp为积分增益参数。
在如上的传统PI调节器中，比例增益系数越大，控制器放大倍数越大，响应速度变快，但会引入余差，使被控参数的曲线产生波动；积分增益可以消除静差，但过大会使系统不稳定，甚至出现震荡。
传统PI调节器没有微分项，无法引入误差变化趋势，且PI调节器控制参数在在设计时通过实验法或工程计算法整定好，设置后不再变化，针对工况变化大，且面对输入多，干扰多的系统无法保证控制参数是当前状态下的最优控制，本实施例的方案为解决这些问题，因此引入模型预测控制。
模型预测控制根据被控参数的预测模型，以当前参数输出和控制量输出为反馈，对被控参数进行滚动优化，反复在线计算最优控制，将其输出到控制器中来得到理想的被控参数输出。
如图3所示，将控制回路中阀位响应和PI控制器输出反馈到模型预测控制中，将得到的最优解Y通过自适应算法分配到PI调节器控制参数中，即
ΔKi＝AY
ΔKp＝(1-A)Y
其中，A为比例系数。
ΔKi为积分增益参数调整量。
ΔKp为比例增益参数调整量。
此时新的PI控制器参数为
K′i＝Ki+ΔKi
K′p＝Kp+ΔKp
其中，K′i为新的积分增益参数。
K′p为新的比例增益参数。
控制器输出变为：
u′＝Ki′e+Kp′∫edt
在优化后的u′中，Ki增大会使被控参数得到更快地响应速度，Kp增大会使被控参数稳定性增加。
即对在0到1范围内选取的系数A，在已经确定的燃气轮机启停阶段，应选取较大的值保证K′i的变化，在运行阶段，选取较小的值保证K′p的变化。
保证控制参数Ki、Kp在不同阶段状态间切换时的连续缓慢变化，防止控制参数突变导致阀位出现波动。对控制参数Ki和Kp设置上下限，防止Ki或Kp过大导致震荡或积分过饱和想象，影响机组安全性。
本实施例的方案采用预测控制对速比阀控制回路中的比例参数和积分参数进行实时调整，对启停或运行阶段采用不同的控制参数调整方案，保证燃气轮机燃料控制系统在不同阶段对速比阀控制稳定性的要求。采用模型预测控制为速比阀控制回路中的传统PI调节增加自适应参数改变，弥补PI调节在时滞问题上调节的不足。
通过实时计算改变比例参数和积分参数，使其更接近全局优化值，来获得在不同工况阶段下的更优的控制方案，解决启停阶段天然气压力P2持续升高或降低时阀位响应引起参数不稳定的问题，对燃气轮机速比阀进行全过程运行工况下的稳定控制。
应理解，实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (8)
1.一种燃气轮机速比阀控制方法，其特征在于，包括以下过程：
将燃气轮机机组按照转速变化状况分为启停阶段和运行阶段；
在启停阶段，采用预测控制对速比阀控制回路中以比例参数为主的PI调节器参数进行调整；
在运行阶段，采用预测控制对速比阀控制回路中以积分参数为主的PI调节器参数进行调整。
2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机速比阀控制方法，其特征在于，根据燃气轮机机组的启动指令或停机指令、燃料给定基准FSR的启动控制FSRSU或停机控制FSRSD以及结合机组负荷，共同判断燃气轮机机组当前状态为起停阶段或是运行阶段。
3.根据权利要求1或2所述的一种燃气轮机速比阀控制方法，其特征在于，
当燃气轮机机组收到启动指令，燃料给定基准FSR处于启动控制FSRSU或加速度控制FSRACC，且机组未带负荷时，判断机组处于启动升速阶段；
当燃气轮机机组收到停机指令，燃料给定基准FSR处于停机控制FSRSD或加速度控制FSRACC，且机组未带负荷时，判断机组进入停机降速阶段；
当未判定机组处于启动升速阶段或停机降速阶段时，判定机组处于运行状态。
4.根据权利要求1或2所述的一种燃气轮机速比阀控制方法，其特征在于，采用预测控制对控制回路中的PI调节器参数进行实时优化，包括：
利用模型预测控制，将速比阀的阀位测量开度与指令信号作为输入，在控制器内与理想模型进行比较，预测控制通过滚动优化持续在每个时间段内进行计算寻找最优参数，并根据反馈校正预测输出，得到每个时间段内的最优控制。
5.根据权利要求4所述的一种燃气轮机速比阀控制方法，其特征在于，将预测控制的输出结果通过不同权重分配到PI调节器中的比例参数与积分参数；
当燃气轮机机组确定在启停阶段，采用高权重调节比例参数，低权重调节积分参数；
当机组确定在运行阶段时，采用高权重调节积分参数，低权重调节比例参数。
6.根据权利要求5所述的一种燃气轮机速比阀控制方法，其特征在于，将得到的最优控制Y通过自适应算法分配到PI调节器控制参数中，即
ΔKi＝AY
ΔKp＝(1-A)Y
其中，A为比例系数；
ΔKi为积分增益参数调整量；
ΔKp为比例增益参数调整量；
新的PI调节器控制参数为
Ki ′＝Ki+ΔKi
K′ p＝Kp+ΔKp
其中，Ki ′为新的积分增益参数；
K′ p为新的比例增益参数；
控制器输出变为：
u′＝Ki′e+Kp′∫edt
其中，e为偏差值。
7.根据权利要求1或5或6所述的一种燃气轮机速比阀控制方法，其特征在于，比阀控制回路中的PI调节器参数在全部时间内连续变化。
8.根据权利要求1或5或6所述的一种燃气轮机速比阀控制方法，其特征在于，对控制参数的比例参数和积分参数设置上下限。
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