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★ 北京和利時工業(yè)軟件有限公司 鄧平，劉棟

關鍵詞：

燃機仿真；燃機控制；DCS控制；邏輯策略；和利時

1引言

燃機是由航空發(fā)動機衍化發(fā)展而來，隨著國家對清潔能源發(fā)展的需求，我國燃機裝機容量逐年遞增，但是，航空發(fā)動機（燃機）被譽為“工業(yè)皇冠上的明珠”，制造材料要求高，控制工藝復雜，目前燃機廠家基本有三菱、普惠、西門子，當然我國也在開發(fā)國產(chǎn)燃機項目，燃機全部國產(chǎn)化之路還需要時間。《天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出，“十三五”要抓好天然氣發(fā)電及分布式能源工程等四大利用工程，天然氣占一次能源消費比重力爭提高到10%左右。2017年6月，國家發(fā)改委與國家能源局聯(lián)合發(fā)布《依托能源工程推進燃氣輪機創(chuàng)新發(fā)展的若干意見》，就燃氣輪機國產(chǎn)化提出具體要求。

我國對燃氣發(fā)電機組的基礎研究力量不足，研發(fā)制造滯后于市場需求，目前90％以上機組都需要從國外引進。雖然我國企業(yè)與GE、三菱、西門子等國外燃氣輪機制造商合作，但燃氣輪機部件和聯(lián)合循環(huán)運行控制等核心技術外方并未轉讓，導致項目總投資難以下降。此外燃氣輪機等核心設備的運營維護成本居高不下。近年我國出臺一系列政策促進分布式能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，實現(xiàn)能源梯次利用，提高能源綜合使用效率。與歐美國家相比，包括我國在內的亞太地區(qū)天然氣價格較高，導致天然氣分布式能源發(fā)電成本是普通燃煤電站的2~3倍，競爭力較差，隨著能源結構的調整，燃機發(fā)展還有很大的增長空間。

燃機分布式能源（distributedenergysources）中最為核心的燃機生產(chǎn)控制環(huán)節(jié)，一直是行業(yè)難點，我們基于仿真技術進行燃機的控制技術探討。

2燃機的原理和特點

2.1工作過程：布雷登循環(huán)（BraytonCycle）

（1）吸氣壓縮

（2）燃燒加熱

（3）膨脹做功

（4）排氣放熱

燃機布雷登循環(huán)過程如圖1所示。

圖1燃機布雷登循環(huán)（BraytonCycle）

燃氣輪機的發(fā)電原理不同于常規(guī)的采用朗肯循環(huán)的蒸汽輪機發(fā)電技術，它采用布雷頓循環(huán)，主要是根據(jù)布雷頓循環(huán)原理將燃料的化學能通過透平——發(fā)電機系統(tǒng)轉換為電能。

壓氣機從外部吸入空氣，壓縮后送入燃燒室，同時燃料（氣體或液體燃料）也噴入燃燒室與高溫壓縮空氣混合，在受控方式下進行燃燒，生成的高溫、高壓煙氣進入透平（渦輪）膨脹做功，推動動力葉片高速旋轉，從而使得轉子旋轉做功。轉子做功的驅動壓氣機同時驅動機械設備，如發(fā)電機、泵、壓縮機等。透平出來的煙氣溫度很高，可再利用（如利用余熱鍋爐進行余熱回收利用）或直接排入大氣（如航空發(fā)動機）。

燃機結構示意圖如圖2所示。

圖2燃機結構示意圖

2.2燃機特點

（1）重量較輕，體積小，安裝方便；

（2）用水少，噪聲最小，安全可靠；

（3）啟動快，具有優(yōu)秀的調峰性能運行可靠，自動化程度高；

（4）熱效率高（重型燃機>55%），可燃用多種燃料，污染排放低等；

（5）單體造價貴，維護費用貴。其中，燃機啟動快，功率響應迅速，在電網(wǎng)調峰或者孤網(wǎng)運行模式下有很高的調節(jié)品質，在大型艦艇應用上燃機更是有著傳統(tǒng)內燃機無法相比的功率相應能力，大大縮短了大型艦艇的加速時間，在國防領域應用意義重大。

3燃機控制——子系統(tǒng)和策略

該控制系統(tǒng)控制邏輯采用的是SimaticPCS7系列集散控制系統(tǒng)（DCS）產(chǎn)品。使用的處理站類型為S7-400系列。程序設計語言為SFC（順序功能圖）和CFC（連續(xù)功能圖），在WinCC操作員站內還集成有帶圖形顯示的功能塊語言。PCS7硬件和標準的燃氣輪機應用軟件與各種專用前端系統(tǒng)一起構成了該控制系統(tǒng)。

GTS-800型號燃機輔助子控制系統(tǒng)有：（1）冷卻與密封氣系統(tǒng)（MBH10）；（2）啟動系統(tǒng)（MBJ）；（3）齒輪箱系統(tǒng)（MBK）；（4）閃回探測系統(tǒng)（MBA20）；（5）進氣系統(tǒng)（MBL）；（6）干燥系統(tǒng)（MPS）；（7）氣體燃料系統(tǒng)（MBP）；（8）潤滑油系統(tǒng)（MBV）；（9）脈動監(jiān)測系統(tǒng)（MBX）；（10）冷卻水系統(tǒng)（PGA）；（11）電池模塊間通風系統(tǒng)（SAB）；（12）就地設備間空調系統(tǒng)（SAC）；（13）燃機通風系統(tǒng)（SAG）；（14）壓氣機水洗系統(tǒng)（SDB）；（15）氣體探測系統(tǒng)（SFY）；（16）消防系統(tǒng)（SGJ）；（17）儀表空氣系統(tǒng)（QFA）；（18）保護系統(tǒng)（CAA）；（19）調節(jié)系統(tǒng)（CJP）；（20）控制系統(tǒng)（CRB、CWA）等系統(tǒng)。

上述控制系統(tǒng)中，（1）-（17）控制子系統(tǒng)中涉及的被控對象，基本都是輔助設備或者輔助功能的類型，被控對象的參數(shù)需求明確，在燃機實際運行中基本可以實現(xiàn)閉環(huán)控制，在邏輯組態(tài)過程中常規(guī)的組態(tài)算法可以實現(xiàn)上述子系統(tǒng)的功能組。

3.1GTS-800型號燃機控制器概述

SGT-800型燃氣輪機控制系統(tǒng)中燃機的閉環(huán)控制器，沿用了最小值（最大值）選擇控制器架構（與T3000架構類似），具備快速處理功能，主要實現(xiàn)燃機的重要保護及閉環(huán)控制功能，此部分相當于蒸汽輪機的DEH控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制中主要有以下幾方面控制功能：啟動控制、轉速/負荷控制、排汽溫度控制、負荷限制控制、壓氣機壓比控制、壓氣機進口導葉控制、閥位控制等。燃機控制功能示意圖如圖3所示。

圖3燃機控制功能示意圖

燃機仿真實際控制截圖如圖4所示。

圖4燃機仿真實際控制截圖

3.2SGT-800型燃氣輪機控制難點

難點一，轉速和功率控制：SGT-800型燃機壓氣機和透平同軸機組，最大程度減少控制設備，但是控制難度和精度隨之增大，要求燃機的自動化要精準控制，在燃機運行中參數(shù)過調裕度小，由于燃機的功率輸出不是單一因素決定：

DrivenEquipment輸出功率=燃氣輪機-壓氣機+啟動拖動

燃機設備原理圖如圖5所示。

圖5燃機設備原理圖

·C=Compressor壓氣機

·CC=CombustionChamber燃燒室

·T=Turbine汽輪機

·D=DrivenEquipment從動設備

·SSS=啟動電機離合器

擾動：燃機的轉速和功率控制回路輸出受到3個因素外擾，A、燃燒室燃燒產(chǎn)生的熱氣推力輸入。B、VGV閥門控制（排氣溫度溫控壓氣機出力）。C、燃機啟動電機拖動。D、燃氣輪機Turbine做功效率。具體如圖6所示。

圖6燃機輸出功率影響因素示意圖

策略：在一個目標轉速的閉環(huán)控制回路中，輸出控制對象是燃機燃料控制，在此閉環(huán)控制回路中受到排氣溫度控制器（T7和T52溫度控制器制約）影響，VGV控制是在轉速和功率控制器外單獨的控制器，VGV控制器控制燃機合理的壓氣機壓縮比，空氣/燃氣比，保證燃機的排氧量大約在13%，效率最佳。

難點：燃機在目標轉速的閉環(huán)控制回路中，功率受到VGV控制回路的外擾動，相當于VGV控制是功率轉速控制回路開環(huán)控制，在燃機仿真控制過程中，需要重點考慮燃機功率和VGV算法的耦合性，否則燃機無法在功率響應、排期溫度控制、穩(wěn)定性達到預期的控制效果。

3.3SGT-800型燃氣輪機仿真沖轉過程

燃機在啟動過程中有三個階段：1500rpm清吹階段，啟動點火階段離合器拖動階段、燃機氣體點火主控階段。燃機從沖轉到額定轉速6600rpm只有約5.5分鐘，其中燃機有三次控制器切換，完成動力交接和分配。

清吹階段：SSS主控燃機轉速，動力全部由SSS控制，SSS控制器具有PI特性。

點火升速到5500rpm階段：燃機4800rpm之前，燃機SSS控制器作為主要輸出動力，主控轉速，大于5100rpm后，燃機點火穩(wěn)定，SSS逐漸減小動力，點火回路主控轉速，SSS在5500rpm自動脫離，燃機升速到6600rpm。燃機啟動過程參數(shù)截圖如圖7所示。

圖7燃機啟動過程參數(shù)截圖

沖轉階段：當啟動燃氣輪機時，控制系統(tǒng)被給予預定的速度參考。該速度參考值對應于適于燃氣輪機組設定的吹掃速度。燃機因此加速到1500rpm。清吹會持續(xù)一段時間，足以使燃氣輪機和整個排氣系統(tǒng)通風。

當清吹時間過去后，燃燒室被點燃，燃機加速到怠速6600rpm。當燃機加速超過其自持速度（5050rpm）時，電機在5500rpm卸載，5600rpm時電機上的負載為零，電機速度將下降。電機軸轉速開始慢于燃氣輪機轉子，SSS離合器分離。電機最后由變頻器的直流制動系統(tǒng)停機。

燃機啟動過程參數(shù)截圖如圖8所示。

圖8燃機啟動過程參數(shù)截圖

3.4SGT-800型燃氣輪機仿沖轉邏輯

（1）燃機沖轉過程中，前期（speed<5000rpm）由燃氣控制器點火內置算法持續(xù)增大燃氣輸入，起到燃氣著火穩(wěn)定的作用，并提供啟動能量，燃機升速主要還是靠啟動電機拖動，在燃機轉速大于5000rpm，最低點火能量釋放完成，激活轉速pid控制回路，轉速PID接管燃機轉速控制。

燃機點火維持能量持續(xù)給定邏輯如圖9所示。

圖9燃機點火維持能量持續(xù)給定邏輯

（2）燃機沖轉過程中speed>5000rpm，燃機Select_Load跟蹤退出，SPEED_1介入燃機轉速控制。轉速控制回路中有3路控制回路：沖轉給定轉速回路、停機轉速HOLD回路、停車（盤車）算法回路。其中給定轉速控制回路中，需要在控制策略中考慮給定限速，防止燃機定速后超調引起超速。燃機啟動speed控制截圖（仿真）如圖10所示。

圖10燃機啟動speed控制截圖（仿真）

（3）燃機并網(wǎng)帶負荷記憶后，燃機Select_Load再次選擇跟蹤，SPEED_1控制權交給LOAD01功率控制器，由功率控制器控制燃機能量給定輸出。燃機仿真沖轉截圖（仿真）如圖11所示。

圖11燃機仿真沖轉截圖（仿真）

4結論

邏輯策略：

（1）針對燃機的工藝特點，各個閉環(huán)控制器回路采用PI算法。（2）基于T3000最小選擇的架構，實現(xiàn)燃機燃料主控輸出。（3）燃機轉速和功率PI控制器，根據(jù)功能切換時必須無擾動切換，且轉速和功率的PI算法控制器應接近。（4）燃機對于響應的要求高，部門耦合確定的參數(shù)可以放到PI控制器前饋中計算，提高燃機響應。（5）部分容易波動的數(shù)據(jù)，邏輯算法需要做濾波處理，提高控制質量。

國產(chǎn)DCS仿真系統(tǒng)在荊門燃機電廠項目的順利實施，彰顯了國產(chǎn)化DCS在仿真領域扎實堅硬的技術實力及優(yōu)秀的團隊協(xié)作能力。本套仿真系統(tǒng)操作體驗真實、仿真精度高、系統(tǒng)功能強大；同時在經(jīng)濟指標統(tǒng)計、分析等方面提供了數(shù)據(jù)支撐。基于GTS-800型號燃機的仿真，我們在仿真機上驗證和推演燃機的控制邏輯和策略，探討和優(yōu)化燃機控制邏輯，在燃機仿真控制領域和燃機類的DCS控制應用領域產(chǎn)生價值，為自動化領域的其他控制產(chǎn)品可以提供借鑒。

作者簡介：

鄧平（1986-），男，陜西榆林人，學士，工程師，現(xiàn)就職于北京和利時工業(yè)軟件有限公司，主要研究方向為電力仿真、邏輯優(yōu)化、智能優(yōu)化。

劉棟（1977-），男，河北張家口人，碩士，高級工程師，現(xiàn)就職于北京和利時工業(yè)軟件有限公司，主要研究方向為工業(yè)自動化及工業(yè)軟件。

摘自《自動化博覽》2022年8月刊