燃气轮机控制系统共60页

燃气轮机控制系统—SPEEDTRONIC Mark V摘要:本文介绍了燃气轮机与其控制系统的开展历程,以与燃气轮机控制系统—SPEEDTRONIC Mark V的工作原理与主要功能,并列举了几个燃气轮机控制系统的例子。

关键词:燃气轮机;控制系统SPEEDTRONIC Mark VGas Turbine Control System Abstract: This paper introduce the development history of gas turbines and their control system, and the functional principle and main features of gas turbine control systems, acpanied by some exemplifying system.Keywords: Gas Turbine; control system1.燃气轮机控制系统的开展燃气轮机开场成为工矿企业和公用事业的原动机组始于40年代后期,其最初被用作管道天然气输送与电网调峰。

早期的控制系统采纳了液压机械式气轮机调速器,并辅以气动温控,启机燃料限制稳定与手动程控等功能。

其余诸如超速、超温、着火、熄火、无润滑油与振动超标等保护均由独立的装置来实现。

随着控制技术的飞快开展，燃气轮机控制系统出现了以燃料调节器为代表的液压机械操动机构,以与用于启、停机自动控制的继电器自动程序控制。

继电器自动程序控制,结合简单的报警监视亦可和SCADA(监控与数据采集)系统接口,用于连续遥控运行。

这便是于1966年美国GE公司推出的第一台燃机电子控制系统的雏形。

该套系统,也就是后来被定名为SPEEDTRONIC MARK I的控制系统,以电子装置取代了早期的燃料调节器。

MARK I系统采用固态系列元件模拟式控制系统，大约50块印刷电路板，继电器型顺序控制和输出逻辑。

燃气轮机控制系统的设计及性能分析燃气轮机控制系统是指控制燃气轮机运行的一套电气系统，主要由控制器、传感器和执行器等组成。

它的设计和性能直接影响着燃气轮机的可靠性、安全性和经济性。

本文旨在探讨燃气轮机控制系统的设计及性能分析，帮助读者更好地了解和运用这一领域的知识。

一、燃气轮机控制系统的设计1. 控制目标与策略燃气轮机控制的目标主要是控制其转速和负载，在保证燃气轮机安全可靠的情况下，最大限度地提高其效率。

控制策略包括速度控制和负荷控制两种方式，其中速度控制是通过调节燃气轮机的燃气流量来控制转速，负荷控制是通过调节冷却水流量或蒸汽流量来控制负荷。

控制策略的选取应根据具体情况和需要进行综合考虑。

2. 控制器的选型与布置燃气轮机控制器是实现以上控制策略的核心部件，其选型应有以下几个方面的考虑：性能要求、可靠性、扩展性、易用性和经济性。

控制器的布置应考虑控制面板、控制站和控制中心的统一管理，采用现代化的网络化控制手段，提供远程控制和状态监测功能。

3. 传感器的选择与安装燃气轮机控制系统需要大量的传感器来测量各种物理量，如转速、温度、压力、流量等参数，以便进行更准确的控制。

传感器的选择应考虑测量范围、准确度、可靠性、安全性和适应性等因素，而传感器的安装应考虑其位置、数量和要求，保证传感器读取的数据准确无误。

4. 执行器的选用与安装燃气轮机控制系统需要执行器来执行控制器发出的命令，如电动机、风门和水阀等。

执行器的选用应考虑其可靠性、速度、精度和功率等因素，而执行器的安装应考虑其位置、数量和要求，其操作应简单、耐用、安全可靠。

二、燃气轮机控制系统的性能分析1. 燃气轮机的效率分析燃气轮机的效率是指其输出功率与输入热量之间的比值，影响燃气轮机的经济性和环保性。

燃气轮机的效率可以通过计算发电机的电能输出和燃气使用量来确定。

燃气轮机的热效率越高，其使用效益和环保效益就越好。

2. 燃气轮机的灵敏度分析燃气轮机的灵敏度是指控制器对于输入信号的变化所产生的反应速度和精度。

第一节燃气轮机的主控系统主控系统是指燃气轮机的连续调节系统，单轴燃气轮机控制系统设置了几种自动改变燃气轮机燃料消耗率的主控制系统(见表11—1)和每个系统对应的输出指令——FSR（FUEL STROKE REFERENCE燃料行程基准）．此外还设置了手动控制燃料行程基准。

上述6个FSR量进入最小值选择门，选出6个FSR中的最小值作为输出，以此作为该时刻实际执行用的FSR控制信号。

因而虽然任何时刻6个系统各自都有输出，但只有一个控制系统的输出进入实际燃料控制系统(见图11一1)。

一、启动控制系统启动控制系统仅控制燃气轮机从点火开始直到启动程序完成这一过程中燃料Gf (在Mark-V系统中通过启动控制系统输出FSRSU)。

燃气轮机启动过程中燃料需要量变化范围相当大。

其最大值受压气机喘振(有时还受透平超温)所限．最小值则受熄火极限或零功率所限。

这个上下限随着燃气轮机转速大小而变，在脱扣转速时这个上下限之间的范围最窄。

沿上限控制燃料量可使启动最快，但燃气轮机温度变化剧烈，会产生较大的热应力，导致材料的热疲劳而缩短使用寿命。

启动控制过程是开环的，根据程序系统来的一组逻辑信号来分段输出预先设置的FSRSU，整个启动控制的过程用图11-2曲线表示。

图11-3则给出了FSRSU的控制算法。

当燃气轮机被启动机带到点火转速(约20％n0 L14HM=1)并满足点火条件L83SUFI=1时，受其控制的伪触点闭合，控制常数FSKSU-F1（典型值为22 .0％FSR）和压气机气流温度系数CQTC(通常为0. 9—1．25)相乘通过NOT MAX最终赋给FSRSU,以建立点火FSR值。

为了点燃火焰并提供燃烧室之间的联焰，在火花塞打火时，点火FSR相对较大。

当下列条件之一满足时，就算作点火成功：①至少两个火焰检测器检测到火焰并超过2s; ②所有4个火焰检测器均检测到火焰。

如果点火成功，控制系统给出L83SUWU=1, L83SU-F1=0。

9FA燃气轮机控制系统分析燃气轮机控制系统是指对燃气轮机进行监测、调节和控制的系统，主要用于实现燃气轮机的稳定运行和优化控制。

本文将对9FA燃气轮机控制系统进行分析，包括其组成结构、工作原理以及优缺点。

9FA燃气轮机控制系统由传感器、执行元件、数据处理单元和人机界面组成。

其中，传感器用于对燃气轮机输出的各种参数进行测量和监测，如转速、温度、压力等；执行元件负责根据数据处理单元的控制命令，控制和调节燃气轮机的各个部件，包括燃烧器、空气系统、燃气系统等；数据处理单元是整个系统的核心，负责采集、处理和分析传感器采集到的数据，并根据设定的控制策略生成控制命令；人机界面用于人机交互，包括显示系统运行状态和参数、设置控制策略等。

9FA燃气轮机控制系统的工作原理主要包括数据采集、数据处理和控制反馈三个过程。

首先，传感器测量和采集燃气轮机各个部件的运行参数，并将数据送至数据处理单元。

数据处理单元对采集到的数据进行处理和分析，根据预先设定的控制策略生成控制命令，并发送给执行元件。

执行元件根据控制命令对燃气轮机的各个部件进行调节和控制，以实现燃气轮机的稳定运行。

同时，执行元件还会将控制结果反馈给数据处理单元，用于系统监测和优化控制。

人机界面可以对系统进行监测和调节，实现对系统的实时监控和远程控制。

9FA燃气轮机控制系统具有以下优点：首先，系统能够实现对燃气轮机运行参数的精确监测和测量，保证了系统的可靠性和安全性；其次，数据处理单元能够根据采集到的数据进行实时分析和处理，并自动调节和优化控制策略，提高了系统的效率和性能；再次，人机界面友好、易操作，可以实现对系统的集中监控和远程控制，方便操作员对系统进行管理和调节。

然而，9FA燃气轮机控制系统也存在一些局限性。

首先，系统的复杂性和高成本使得对系统运行和维护要求较高，需要经过专门的培训和技术支持；其次，系统对环境条件要求较高，温度、湿度等因素可能会对系统的正常运行产生影响；再次，由于燃气轮机的运行参数具有较大的波动性，系统控制策略的确定和优化比较复杂，需要结合实际情况进行调整。

燃气轮机的控制系统包括调节系统、操纵系统和保安系统。

控制系统的功能是把机器的工况控制在安全允许的范围内，以满足负荷方面的要求和机器本身经济性和使用寿命方面的要求。

各系统的内容和复杂程度随机器的用途和容量大小而异。

机械液压式控制系统曾在燃气轮机中占统治地位，但它难于组成高度自动化的复杂系统。

后来出现的电子液压式系统功能强，能完成综合运算、逻辑判断等任务，可以组成高度自动化的复杂系统，并能利用计算机和实现遥控，已广泛用于燃气轮机控制系统。

调节系统它控制正常运行工况，主要满足负荷方面的要求，在有些情况下还能满足经济性方面的要求。

这些要求是靠调节器自动改变燃料消耗率G (千克／秒)，有时还转动压气机或透平的可调静叶,以控制转速、燃气初温3等，使其按预定的调节规律变化来达到的。

根据实测转速与其给定值[xx]之间的差值来改变G，以保证符合= [xx]这一调节规律的转速调节器，在燃气轮机中得到广泛的应用。

如果最终G的改变量正比于这一差值，便不能达到精确地等于[xx]，这种调节称为有差调节。

如要只要存在差值就不断改变G，则有可能最终消除这个差值，使精确地等于[xx]，这种调节称为无差调节。

带动同步发电机的燃气轮机的基本调节规律是输出轴转速=[xx]的有差调节。

其稳态转速随功率下降而增高(见汽轮机控制系统)。

若使正比于转速的信号加上正比于功率的信号等于某一给定值作为调节规律（称为功频调节），也可得到与转速有差调节同样的稳态结果。

单轴燃气轮机-发电机（图1a[燃气轮机-负荷]）使用图2a、b中的调节系统;分轴燃气轮机-发电机（图1b[燃气轮机-负荷]）使用图2c [调节系统框图]、d[调节系统框图]、e[调节系统框图]、f[调节系统框图]的调节系统。

这些调节系统都有如下功能：①单独发电情况下，负荷变化时能保持输出轴转速在给定值附近，并可通过改变给定值来改变转速；②并网发电情况下，负荷变化时能保持电网频率在额定值附近，并自动按各并网机器的调节系统特性来分配负荷变化的份额。

MarkⅥ燃⽓轮机控制系统及其应⽤第21卷第5期电站系统⼯程V ol.21 No.5 2005年9⽉Power System Engineering Sep., 2005 ⽂章编号：1005-006X(2005)05-0050-04Mark Ⅵ燃⽓轮机控制系统及其应⽤陈钢1刘帮加2张⼒2（1.⼴东省电⼒试验研究所，2.东莞东兴热电有限公司）摘要：介绍了SPEEDTRONIC TM Mark Ⅵ控制系统在燃⽓蒸汽联合循环电⼚中的应⽤情况，并对Mark Ⅵ控制系统的特点、控制功能、⽹络结构、硬件配置以及⼈机接⼝进⾏了详细介绍。

关键词：燃⽓轮机；联合循环；⽹络结构；硬件配置；⼈机接⼝中图分类号：TK47 ⽂献标识码：BMark ⅥControl System and its ApplicationCHEN Gang, LIU Bang-jia, ZHANG LiAbstract: The application of SPEEDTRONIC TM Mark Ⅵcontrol system in a steam and gas turbine combined cycle power plant is described, and the features, functions, networks, hardware configuration and man-machine interface of MarkⅥcontrol system are discussed.Key words: gas turbine; combined cycle; networks; hardware configuration; man-machine interface (MMI)⼴东东莞东兴热电⼚1号机组为燃⽓蒸汽联合循环机组，设计燃料为液化天然⽓，可燃⽤原油，整个机组为分轴结构。

燃⽓轮机为GE公司⽣产的PG9171E型燃⽓轮机，额定功率为123 MW，透平进⼝温度为1 124 ℃，排⽓温度为542.8 ℃，采⽤环形燃烧室。

V943A燃气轮机控制系统阎志敏(中国联合工程公司，杭州310022)产品与应用摘要本文介绍了V94．3A燃气轮机控制系统配置、控制流程，注重系统安全性和经济性，以及介绍系统设置的测点。

关键词：燃机控制；控制流程；保护测点T he C ont r ol Sys t em f or V94．3A G as T hr bi ne杨，l Z矗fm fn(C hi na U ni t ed E ngi neer i ng C o印or at i on，H angzh ou310022)A bs t r act T he V94．3A G A S t ur bi ne c ont r ol s ys t em and process is i nt r oduce d，i nc l uded prot e c t i ons ys t em and t he m eas ur i ng poi nt s c onf i gura t i on，a nd it i s con s i dered f or se curi t y and e conom y of sys t em．K ey w O r d s l gas t ur bi ne c ont r ol syst e m；pr o cess；prot e c t i O n m eas ur em e nt s1引言近几年，燃气轮机联合循环发电装置迅速发展。

V94．3A型燃气轮机是一种新型的发电装置，结构紧凑、工作参数高(温度1228℃)、控制理念及T X P (TE LE PE R M X P)系列控制系统配置先进。

燃机联合循环流程(图1)：过滤空气经压气机压缩，一部分空气在燃烧室与天然气混合燃烧；一部分空气冷却介质、控制燃气及高温部件温度。

高温高压燃气在燃机做功、能量转换，输出电能。

燃机尾部温度高(9E，538℃；9F，609℃)，经余热锅炉加热水，产生高温高压蒸汽，由常规汽轮发电机组发电。

摘 要9FA燃气轮机控制系统分析9FA燃气轮机采用美国通用公司技术，是目前最先进的大型燃机，自2003年引入中国，由哈电集团(秦皇岛)重型装备有限公司进行组装生产。

本课题针对9FA重型燃气轮机新型集成控制单元Mark Ⅵ进行硬件和软件工程分析，并开展燃气轮机建模与控制研究，以希望达到改善燃气轮机性能的目的。

本文首先对Mark VI集成控制单元的硬件进行了剖析，主要分析Mark Ⅵ控制单元的硬件框架、典型控制单元的各个板卡的功能、Mark Ⅵ控制单元三层网络拓扑结构。

在此基础上进一步展开Mark Ⅵ集成控制单元处理多控制对象、多输入变量、实现多控制目标的可靠性和稳定性分析。

本文进一步详细研究了Mark VI 控制单元编程工具软件Control System Toolbox (通用软件工具包)，包括：系统参数、硬件模块库、硬件和I/O定义和功能块库等；尤其开展了9FA燃机Mark Ⅵ控制程序模块功能分析，对燃气轮机控制单元软件关键技术和控制代码进行了研究，为Mark VI 控制单元的实际应用与调试以及二次开发奠定了基础。

在硬件剖析和软件研究的基础上，本文从燃气轮机的工作原理出发，建立了燃机的数学模型，包括单独运行数学模型和并网运行数学模型；并开展控制单元仿真研究，探索了一种燃机模糊控制的新方法，以期望解决常规控制技术难以保证燃机控制指标问题。

进而建立了基于MATLAB的仿真模型，并对传统PI控制和模糊控制进行了比较研究。

研究表明，模糊控制不完全依赖于系统精确数学模型，具有较强的鲁棒性，有益于提高燃机的转速控制性能。

关键词：燃气轮机，三冗余控制，建模，模糊控制，Mark VI 控制单元Abstract9FA Type of Gas Turbines Control System Analysis The 9FA type of gas turbines which represent the most advanced technology owned by American General Electric Company have been manufactured in China since 2003. The research was carried out focusing on the analysis of hardware and software which make up of the novel control system applied to the heavy gas turbine of 9FA. In the meanwhile，the attempt was made in the research to build a gas turbine math model and search a more efficient control strategy to improve on the gas turbine operation performance desired purpose.Firstly，the paper described keynote of the research is the analysis of hardware in the Mark VI control system. the prospect of the applications and structure features of the gas turbines. On the basis of the analysis mentioned before，the report also gave analysis of the reliability and robustness because they are essential for MARK VI dealing with multi-input and multi-out object to realizing multi-objective.Further ,the paper detailed study of the Control System Toolbox (general purpose package)，which is used when MARK VI program and code developed，including system parameters，hardware module libraries，hardware and I/O definitions and function module libraries. Especially，the analysis of the function module in MARK VI control program was paid more attention. Then，the key technologies applied to the MARK VI control system and control code was somewhat gotten，which is may taken as the foundation of practical application，commissioning and secondly development to the Mark VI control system.Based on the analysis of hardware and the research of software, The math model was built according to the working principle of the gas turbine generator system under the connected/disconnected grid condition. On the basis of the erected math models，the gas turbine control system simulation platform was built with the popular MATLAB language. Then，the attempt at some novel control strategies was made to solve the problems which are the conventional control strategies can not meet the requirements of the control performance index. The founded fuzzy controller，one of the novels，was simulated at the MATLAB platform comparing to the conventional PID controller. The simulation indicates that the fuzzy controller hardly depends on the accurate math model of the controlled plant; it also shows more robustnessthan the PID. The fuzzy controller could improve the gas turbine speed control performance，if it were applied to the Mark VI.Keywords：Gas turbine; Triples redundancy system; Modeling; Fuzzy control; MARK VI control system目 录第1章绪论 (1)1.1引言 (1)1.2燃气轮机发展概述 (1)1.3GE9FA燃气轮机的结构特点和主要参数 (2)1.3.1 GE 9FA燃气轮机的结构特点 (2)1.3.2 9FA燃机的性能参数 (4)1.4燃气轮机MARK VI集成控制单元的发展 (5)1.5本文主要工作 (7)第2章 MARK VI控制单元硬件分析 (8)2.1M ARK VI集成控制单元的硬件组成和剖析 (8)2.1.1 网络系统构成及功能分析 (8)2.1.2 Mark VI控制单元配置分析 (9)2.2M ARK VI控制单元的可靠性分析 (11)2.2.1 冗余系统配置和三冗余系统运行 (12)2.2.2 三冗余工作模式 (14)2.2.3 输出信号处理 (15)2.2.4 输入信号处理 (16)2.2.5 数字量和模拟量表决处理 (19)2.2.6 响应频率和故障处理 (20)2.2.7 轮机保护 (21)2.3本章小结 (22)第3章 MARK VI 控制单元软件分析 (23)3.1引言 (23)3.2M ARK VI控制单元C ONTROL S YSTEM T OOLBOX (23)3.2.1 系统参数 (23)3.2.2 硬件模块库 (24)3.2.3 硬件和I/O定义 (24)3.2.4 宏和模块库 (25)3.2.5 功能块库 (25)3.2.6 功能组 (26)3.3M ARK VI控制功能及程序模块分析 (26)3.4本章小结 (28)第4章 GE 9FA型燃气轮机的数学模型及其模糊控制仿真研究 (29)4.1数学模型及其简化 (29)4.2GE9FA级重型燃气轮机的简化模型 (29)4.2.1 建模对象 (29)4.2.2 GE 9FA燃气轮机数学方程 (30)4.3GE9FA燃机的MATLAB建模和单给定闭环仿真 (34)4.3.1 燃机模型的MATLAB/SIMULINK实现 (34)4.3.2 模型的开环运行 (35)4.3.3 经典PI控制 (36)4.3.4 现代模糊控制 (39)4.4GE9FA燃气轮机的双给定双调节器闭环系统仿真 (43)4.4.1 双给定双调节系统的构建 (44)4.4.2 双给定双调节系统的仿真 (45)4.5本章小结 (46)结论 (47)参考文献 (48)攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果 (49)致谢 (50)作者简介 (51)第1章绪论1.1 引言随着燃气轮机效率不断提高，以燃气轮机为主要部件的动力设备被大量使用，燃气轮机的控制单元性能变得越来越关键。