CN118088324A - 一种燃气轮机燃料流量控制方法及其系统和计算机可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气轮机燃料流量控制方法及其系统和计算机可读存储介质，属于燃气轮机控制技术领域，包括系统控制模式、燃料指令的确定以及燃料指令的分配三个步骤，其中，系统控制模式包括转速及负荷控制模式、BPT控制模式、ITET控制模式、CDP控制模式、最大燃料限制模式、升速阶段控制模式、ACU控制模式、DCU控制模式，可实现燃气轮机在不同的工况下，实现燃气轮机在预设的工况下的安全稳定的运行，具有安全、自适应、效率高等优点。

Description

一种燃气轮机燃料流量控制方法及其系统和计算机可读存储 介质

技术领域

本发明属于燃气轮机控制技术领域，具体涉及一种燃气轮机燃料流量控制方法及其系统和计算机可读存储介质。

背景技术

燃气轮机及其联合循环机组自上世纪八十年代开始，在世界范围内迅速崛起，获得了广泛的应用。以油、天然气作为燃料的燃气轮机及其联合循环，具有整体循环效率高、对环境污染极小、调峰性能好、建设周期短等一系列优点，成为火电动力系统的发展方向。现有情况是，燃气轮机并网后的控制模式一般只有转速控制模式、负荷控制模式和温控模式。但是由于燃烧的不稳定性，燃气轮机本身的运行工况就是复杂多变的，单一的控制模式可能会导致燃气轮机在部分工况下降低机组效率、增加燃烧的不稳定性，严重时可能会导致喘振、热部件超温等极端工况出现，因此针对燃气轮机的不同运行工况提出不同的控制策略是相当有必要的。

现有技术中，公开号CN102953835A的发明专利公开了燃气轮机的稳定运行控制装置及控制方法,该装置包括起动控制模块、转速控制模块、转速负荷控制模块、加速控制模块、温度控制模块和甩负荷控制模块，还包括最大限制模块、最小限制模块、最小值选择器和最大值选择器，其控制方法是采用最小值选择器的方法设计主控系统，实现燃气轮机运行过程的稳定控制，可以缩短燃机联合调试时间以及为调试控制系统所发生的燃机调试费用。除此之外，公开号CN111963323A的发明专利还公开了一种燃气轮机升速过程中的燃料控制方法，该方法通过在升速过程中控制燃料的投入方式、投入速率等方面，能够实现燃气轮机在升速过程中平稳升速，同时在某些振动大或者燃烧不稳定的转速区间尽可能较快的升速躲过这些区间，以减少控制系统压力的波动，增加控制系统的稳定性，保证燃气轮机安全可靠稳定的运行。

由此可见，在针对燃气轮机调试及升速运行阶段，现有专利均给出了能够实现燃气轮机系统稳定运行的控制方案，但针对燃气轮机在不同工况下基于不同运行模式下的稳定运行，还缺少相应的控制方法，为此，本发明应运而生。

发明内容

本发明的目的是一种燃气轮机燃料流量控制方法，该方法可实现燃气轮机在不同的工况下，实现燃气轮机在预设的工况下的安全稳定的运行，具有安全、自适应、效率高等优点。为此，本发明还提供了实现该燃气轮机燃料流量控制方法的系统及其计算机可读存储介质，弥补了现有技术中燃气轮机在复杂多变的运行工况下稳定运行的空白。

本发明通过下述技术方案实现：一种燃气轮机燃料流量控制方法，包括以下步骤：

S1.系统模式控制：

至少包含以下控制模式：

转速及负荷控制模式：控制机组的转速和目标负荷，使并网前后的机组的转速控制在额定转速，并在机组并网后，通过控制燃机的负荷实现燃料总流量的控制；

BPT控制模式：控制叶片通道温度，获得系统所需的燃料量；

ITET控制模式：控制燃机透平入口温度，获得系统所需燃料量；

CDP控制模式：控制压气机出口压力，获得系统所需燃料量；

最大燃料限制模式：设定最大燃料设定值，获得对应所需的燃料量；

升速阶段控制模式：控制燃气轮机点火及平稳升速，获得对应所需的燃料量；

ACU控制模式：燃料上限控制，其燃料量根据压气机出口压力及其对应的燃料曲线得到；

DCU控制模式：燃料下限控制，其燃料量根据压气机出口压力及其对应的燃料曲线得到，

S2.燃料指令的确定：

将转速及负荷控制模式、BPT控制模式、ITET控制模式、CDP控制模式、最大燃料限制模式所得燃料量进行对比，取其最小值，将该最小值再与升速阶段控制模式、ACU控制模式所得燃料量进行对比，取其最小值，再将该最小值与DCU控制模式所得燃料量进行对比，取其最大值，该最大值即为系统输出的最终燃料指令，

S3.燃料指令的分配：

将燃料指令按比例分配至机组的各项控制阀，根据系统内设定的阀门CV曲线，将燃气流量转化为阀门的实际开度，最终将开度指令发送给各阀门，实现对燃气流量的控制。

所述转速及负荷控制模式包括：在机组并网前全速空载阶段，通过转速控制回路控制并稳定机组的转速在要求的范围内平稳运行；在机组并网后，利用负荷控制模式实现燃料总流量的控制。

所述负荷控制模式包括：

手动升负荷模式，通过设置燃机闭环控制回路中的负荷设定，利用累加器得到对应转速设定的偏置量，再通过有差调节，实现燃机燃料的调整。

自动升负荷模式，通过设定燃机目标负荷的方式，利用控制系统的负载控制回路使燃机自动升负荷或降负荷。

所述手动升负荷模式下，燃料的调整范围最小不能低于最小负荷燃料值，最大不能超过燃料上限值。

所述自动升负荷模式下，当燃机设定目标载荷大于反馈实时载荷时，触发燃机自动升负荷；当燃机设定目标载荷小于反馈实时载荷时，触发燃机自动降负荷。

一种燃气轮机燃料流量控制系统，至少包括以下控制模块：

系统控制模块：转速及负荷控制模块，用于控制机组的转速和目标负荷，使并网前后的机组的转速控制在额定转速，并在机组并网后，通过控制燃机的负荷实现燃料总流量的控制；BPT控制模块，用于控制叶片通道温度；ITET控制模块，用于控制燃机透平入口温度；CDP控制模块，用于控制压气机出口压力；最大燃料限制模块，用于设定最大燃料设定值；升速阶段控制模块，用于控制燃气轮机点火及平稳升速；ACU控制模块：用于燃料上限的控制；DCU控制模块：用于燃料下限的控制，

燃料计算模块：计算获得BPT控制模块、ITET控制模块、CDP控制模块控制、最大燃料限制模块、升速阶段控制模块、ACU控制模块以及DCU控制模块控制下系统所需的燃料量，

分析模块：将转速及负荷控制模式、BPT控制模式、ITET控制模式、CDP控制模式、最大燃料限制模式所得燃料量进行对比，取其最小值，将该最小值再与升速阶段控制模式、ACU控制模式所得燃料量进行对比，取其最小值，再将该最小值与DCU控制模式所得燃料量进行对比，取其最大值，得到系统输出的最终燃料指令，

燃料分配模块：将燃料指令按比例分配至机组的各项控制阀，根据系统内设定的阀门CV曲线，将燃气流量转化为阀门的实际开度，最终将开度指定发送给各阀门，实现对燃气流量的控制。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质储存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述的燃气轮机燃料流量控制方法。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明采用多种控制模式相结合，包括：转速及负荷控制模式，即转速控制模式和负荷控制模式，两者通过是否并网进行切换，其中，转速控制模式可以实现在甩负荷或快速降负荷工况下，很快的将机组转速稳定在额定转速，避免出现超速、熄火等情况发生；通过BPT控制模式可以控制并限制叶片通道温度，保护燃机排气段及排气段支撑筋等设备；通过透平入口温度控制模式可以控制并限制透平入口温度，保护燃机透平高温部件超温；通过CDP控制模式（燃烧室壳体压力控制模式）可以控制并限制压气机出口压力，避免压气机出现喘振、失速等异常工况；通过最大燃料限制模式可以控制并限制燃料投入量，用于避免燃机高温部件超温；通过最大、最小燃料限制模式可以控制并限制燃料投入量，用于避免燃机高温部件超温或机组熄火。通过上述多种特殊控制方式的结合，即能够控制燃气轮机按照预先设定的工况安全稳定地运行，同时保护燃机远离部分极端工况，避免燃气轮机在极端工况下受到不必要的损害。

（2）本发明利用小选控制逻辑和大选控制逻辑相结合的方式来确定燃料指令，首先，采用小选控制逻辑，从转速及负荷控制模式（燃料总流量）、BPT控制模式、ITET控制模式、CDP控制模式、最大燃料限制模式中获得燃料量的最小参数，以确定燃气轮机在当前工况下的可运行范围，可用于避免燃机热部件超温，或者机组超速等情况；其次，再采用小选控制逻辑，从上述最小参数和升速阶段控制模式、ACU控制模式的燃料量中获得最小燃料量，以实现在机组升速过程中，若出现涉及保护的模式触发时能够停止升速；最后，采用大选控制逻辑，从上述最小燃料量和DCU控制模式的燃料量中获得最大燃料量，可以实现在当前工况下保证燃机正常运行时，不会导致机组熄火，并以此为最终燃料指令进行输出和控制，实现燃气轮机的安全稳定运行。

附图说明

图1为本发明所述燃气轮机燃料流量的系统控制框图。

图2为本发明所述燃气轮机燃料流量的部分控制框图（一）。

图3为本发明所述燃气轮机燃料流量的部分控制框图（二）。

图4为本发明所述燃气轮机燃料流量的部分控制框图（三）。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

本实施例涉及燃气轮机燃料流量的控制方法。

参见图1所示，主要包括转速及负荷控制模式、BPT控制模式、ITET控制模式、CDP控制模式、最大燃料限制模式、升速阶段控制模式、ACU控制模式及DCU控制模式，各模式通过依次通过小选块A、小选块B和大选块A获得最终燃料指令，再分配至各控制阀门进行输出，实现燃气轮机燃料流量的安全稳定运行。

在实际运行过程中，各模式的控制方式具体可概况如下：

模式1：转速及负荷控制模式。

图2所示为转速及负荷控制模式下的控制框图。在该模式下，将采用转速设定值减去实际转速后得到差值，再通过比例运算功能块计算出所需的燃料量，其中转速设定值可以人为进行设定，设定区间为5000～6000rpm。

转速及负荷控制模式包括转速控制模式和负荷控制模式，所得到的燃料量为小选块A的输入5，通过是否并网来切换转速控制模式和负荷控制模式。需要说明的是，本实施例所述转速及负荷控制模式并不是作为两种控制模式直接参与小选，负荷控制模式本质上是通过负荷设定与实际负荷作差，再通过累加器叠加到转速调节指令设定上，实际最终的燃料量还是通过转速控制回路控制的，因此，转速控制和负荷控制可以直接无扰切换，模式变更不会对当前燃料量造成影响。

发电机并网前，在转速控制模式下，转速指令设定与实际转速作差后，通过比较器判断转速设定值较大还是实际转速值较大。比较后，通过累加器按照一定速率（rpm/s），叠加到转速调节指令上。并网后，燃机投入负荷控制模式，在负荷控制模式下，负荷指令与实际负荷作差后通过累加器叠加转速指令设定，最终通过转速控制回路，控制燃料量。

具体而言，在转速控制模式下，机组并网前，控制系统通过升速程序控制将燃机转速升至设定目标转速5300rpm，进入转速控制模式。进入转速控制模式后，机组会自动设定目标额定转速5928rpm，并自动升速至额定转速。转速控制模式采用步进累加的方式控制燃料量，当转速设定大于实际转速时，总燃料量将会在原有的基础上按照转速指令调节速率叠加一个燃料分量；当转速设定小于实际转速时，总燃料量将会递减一个燃料分量。

在机组并网后，可投入负荷控制模式。在负荷控制模式下，系统会将负荷设定转换为转速设定的叠加分量，通过转速控制回路，控制燃料总流量。所述负荷控制用于控制燃机的负荷。在完成并网后，控制系统会在当前燃料量基础上叠加一个燃料阶跃量（约7MW燃料量），使燃机带初始负荷（额定负荷的5%）。以初始负荷为起点，运行人员可选择不同的模式对燃机进行升负荷。燃机的升负荷模式主要有两种，分别如下：

(1)第一种：手动升负荷

当采用手动升负荷模式为燃机升负荷时，运行人员可通过设置燃机闭环控制回路中的负荷设定，通过累加器得到对应转速设定的偏置量。再通过有差调节，达到直接调整燃机燃料给定的目的，使燃机快速加减负荷。手动控制模式下控制系统需要对燃料调整范围进行限制，最小不能低于最小负荷燃料值，最大不能超过燃料上限值。

(2)第二种：自动升负荷

当系统选择自动升负荷模式时，运行人员可通过设定燃机目标负荷的方式，利用控制系统的负载控制回路使燃机自动升负荷或降负荷。升负荷速率分为两档，第一档为常规升负荷模式，升负荷速度为3MW/min，第二档为快速升负荷模式，升负荷速度为6MW/min。两档加载速度可随时通过按钮切换。

当燃机设定目标载荷大于反馈实时载荷时，触发燃机升负荷模式。

当燃机设定目标载荷小于反馈实时载荷时，触发燃机降负荷模式。燃机的最小载荷设定为3.6MW（可设置）。

模式2：BPT（叶片通道温度）控制模式，其所得燃料量为小选块A的输入1。参考图3所示，在该模式下，将采用BPT温控模式设定温度减去BPT实际温度后得到差值，再通过PI运算功能块计算出所需的燃料量，其中BPT温控模式设定温度为600℃。

模式3：ITET（透平入口温度）控制模式，其所得燃料量为小选块A的输入2。参考图3所示，在该模式下，将采用透平入口温度控制模式设定温度减去计算得到的当前透平入口温度后得到差值，在通过PI运算功能块计算出所需的燃料量，其中透平入口温度控制模式设定温度为1332℃。

模式4：CDP（压气机出口压力）控制模式，所得燃料量为小选块A的输入3。参考图3所示，在该模式下，将采用压气机出口压力设定值减去CDP实际压力后得到差值，再通过PI运算功能块计算出所需的燃料量，其中CDP设定压力为1900Kpa。

模式5：最大燃料限制模式，所得燃料量为小选块A的输入4。参考图3所示，在该模式下，将设定一个最大燃料设定值，该设定值为125MW。

模式6：升速阶段控制模式，所得燃料量为小选块B的输入2。参考图4所示，在该模式下，燃料量将按照预先设定的燃料曲线进行点火、升速，最终进入转速控制模式。

模式7：ACU（燃料上限）控制模式，所得燃料量为小选块B的输入3。参考图4所示，在该模式下，燃料量将根据当前CDP和CDP对应ACU燃料曲线得到，参见下表1所示。

表1 ACU燃料曲线

模式8：DCU（燃料下限）控制模式，所得燃料量为大选块A的输入2。参考图4所示，在该模式下，燃料量将根据当前CDP和CDP对应DCU燃料曲线得到，参见下表2所示。

表2 DCU燃料曲线

注：CDP：压气机出口压力，单位kPaA；CSO：燃料量上限/燃料量下限，单位MW。

为获得燃料指令，将模式1、模式2、模式3、模式4、模式5所得燃料量进行对比，取其最小值。该最小值再与模式6、模式7所得燃料量进行对比，取其最小值。该最小值再与模式8所得燃料量进行对比，取其最大值。该最大值即为系统输出的最终燃料指令。

最终燃料指令会受到燃料速率变化限制，该速率限制值为：5MW/s。之后该燃料指令会按照一定比例分配给主A燃料控制阀、主B燃料控制阀、值班燃料控制阀。然后系统会根据系统内设定的阀门CV曲线，将燃气流量转化为阀门的实际开度，最终将开度指定发送给各阀门，实现对燃气流量的控制。

在燃气流量的控制过程，由厂家提供阀门的特性曲线（CV曲线），可列举的如下表3、表4和表5所示的CV曲线。

表3 值班流量控制阀CV曲线

表4 主A流量控制阀CV曲线

表5 主B流量控制阀CV曲线

实施例2：

本实施例涉及燃气轮机燃料流量控制系统。

系统控制模块：转速及负荷控制模块，用于控制机组的转速和目标负荷，使并网前后的机组的转速控制在额定转速，并在机组并网后，通过控制燃机的负荷实现燃料总流量的控制；BPT控制模块，用于控制叶片通道温度；ITET控制模块，用于控制燃机透平入口温度；CDP控制模块，用于控制压气机出口压力；最大燃料限制模块，用于设定最大燃料设定值；升速阶段控制模块，用于控制燃气轮机点火及平稳升速；ACU控制模块：用于燃料上限的控制；DCU控制模块：用于燃料下限的控制，

燃料计算模块：计算获得BPT控制模块、ITET控制模块、CDP控制模块控制、最大燃料限制模块、升速阶段控制模块、ACU控制模块以及DCU控制模块控制下系统所需的燃料量，

分析模块（小选块A、小选块B和大选块A）：将负荷控制模式、BPT控制模式、ITET控制模式、CDP控制模式、最大燃料限制模式所得燃料量进行对比，取其最小值，将该最小值再与升速阶段控制模式、ACU控制模式所得燃料量进行对比，取其最大值，再将该最大值与DCU控制模式所得燃料量进行对比，取其最小值，得到系统输出的最终燃料指令，

燃料分配模块：将燃料指令按比例分配至机组的各项控制阀，根据系统内设定的阀门CV曲线，将燃气流量转化为阀门的实际开度，最终将开度指定发送给各阀门，实现对燃气流量的控制。

实施例3：

本实施例涉及实现燃气轮机燃料流量控制的计算机可读存储介质。

该计算机可读存储介质储存有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现实施例1所述的燃气轮机燃料流量控制方法。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种燃气轮机燃料流量控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.系统模式控制：

至少包含以下控制模式：

转速及负荷控制模式：控制机组的转速和目标负荷，使并网前后的机组的转速控制在额定转速，并在机组并网后，通过控制燃机的负荷实现燃料总流量的控制；

BPT控制模式：控制叶片通道温度，获得系统所需的燃料量；

ITET控制模式：控制燃机透平入口温度，获得系统所需燃料量；

CDP控制模式：控制压气机出口压力，获得系统所需燃料量；

最大燃料限制模式：设定最大燃料设定值，获得对应所需的燃料量；

升速阶段控制模式：控制燃气轮机点火及平稳升速，获得对应所需的燃料量；

ACU控制模式：燃料上限控制，其燃料量根据压气机出口压力及其对应的燃料曲线得到；

DCU控制模式：燃料下限控制，其燃料量根据压气机出口压力及其对应的燃料曲线得到，

S2.燃料指令的确定：

将转速及负荷控制模式、BPT控制模式、ITET控制模式、CDP控制模式、最大燃料限制模式所得燃料量进行对比，取其最小值，将该最小值再与升速阶段控制模式、ACU控制模式所得燃料量进行对比，取其最小值，再将该最小值与DCU控制模式所得燃料量进行对比，取其最大值，该最大值即为系统输出的最终燃料指令，

S3.燃料指令的分配：

将燃料指令按比例分配至机组的各项控制阀，根据系统内设定的阀门CV曲线，将燃气流量转化为阀门的实际开度，最终将开度指令发送给各阀门，实现对燃气流量的控制。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃料流量控制方法，其特征在于：所述转速及负荷控制模式包括：在机组并网前全速空载阶段，通过转速控制回路控制并稳定机组的转速在要求的范围内平稳运行；在机组并网后，利用负荷控制模式实现燃料总流量的控制。

3.根据权利要求2所述的燃气轮机燃料流量控制方法，其特征在于：所述负荷控制模式包括：

手动升负荷模式，通过设置燃机闭环控制回路中的负荷设定，利用累加器得到对应转速设定的偏置量，再通过有差调节，实现燃机燃料的调整；自动升负荷模式，通过设定燃机目标负荷的方式，利用控制系统的负载控制回路使燃机自动升负荷或降负荷。

4.根据权利要求3所述的燃气轮机燃料流量控制方法，其特征在于：所述手动升负荷模式下，燃料的调整范围最小不能低于最小负荷燃料值，最大不能超过燃料上限值。

5.根据权利要求3所述的燃气轮机燃料流量控制方法，其特征在于：所述自动升负荷模式下，当燃机设定目标载荷大于反馈实时载荷时，触发燃机自动升负荷；当燃机设定目标载荷小于反馈实时载荷时，触发燃机自动降负荷。

6.一种燃气轮机燃料流量控制系统，其特征在于：至少包括以下控制模块：

系统控制模块：转速及负荷控制模块，用于控制机组的转速和目标负荷，使并网前后的机组的转速控制在额定转速，并在机组并网后，通过控制燃机的负荷实现燃料总流量的控制；BPT控制模块，用于控制叶片通道温度；ITET控制模块，用于控制燃机透平入口温度；CDP控制模块，用于控制压气机出口压力；最大燃料限制模块，用于设定最大燃料设定值；升速阶段控制模块，用于控制燃气轮机点火及平稳升速；ACU控制模块：用于燃料上限的控制；DCU控制模块：用于燃料下限的控制，

燃料计算模块：计算获得BPT控制模块、ITET控制模块、CDP控制模块控制、最大燃料限制模块、升速阶段控制模块、ACU控制模块以及DCU控制模块控制下系统所需的燃料量，

分析模块：将转速及负荷控制模式、BPT控制模式、ITET控制模式、CDP控制模式、最大燃料限制模式所得燃料量进行对比，取其最小值，将该最小值再与升速阶段控制模式、ACU控制模式所得燃料量进行对比，取其最小值，再将该最小值与DCU控制模式所得燃料量进行对比，取其最大值，得到系统输出的最终燃料指令，

燃料分配模块：将燃料指令按比例分配至机组的各项控制阀，根据系统内设定的阀门CV曲线，将燃气流量转化为阀门的实际开度，最终将开度指定发送给各阀门，实现对燃气流量的控制。

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质储存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～5任一项所述的燃气轮机燃料流量控制方法。