★ 北京和利時(shí)工業(yè)軟件有限公司 鄧平，劉棟

關(guān)鍵詞：

燃機仿真；燃機控制；DCS控制；邏輯策略；和利時(shí)

1引言

燃機是由航空發(fā)動(dòng)機衍化發(fā)展而來(lái)，隨著(zhù)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(dòng)機（燃機）被譽(yù)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(chǎng)家基本有三菱、普惠、西門(mén)子，當然我國也在開(kāi)發(fā)國產(chǎn)燃機項目，燃機全部國產(chǎn)化之路還需要時(shí)間?！短烊粴獍l(fā)展“十三五”規劃》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(jìn)燃氣輪機創(chuàng )新發(fā)展的若干意見(jiàn)》，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(chǎng)需求，目前90％以上機組都需要從國外引進(jìn)。雖然我國企業(yè)與GE、三菱、西門(mén)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(shù)外方并未轉讓?zhuān)瑢е马椖靠偼顿Y難以下降。此外燃氣輪機等核心設備的運營(yíng)維護成本居高不下。近年我國出臺一系列政策促進(jìn)分布式能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，實(shí)現能源梯次利用，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天然氣價(jià)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(zhù)能源結構的調整，燃機發(fā)展還有很大的增長(cháng)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，一直是行業(yè)難點(diǎn)，我們基于仿真技術(shù)進(jìn)行燃機的控制技術(shù)探討。

2燃機的原理和特點(diǎn)

2.1工作過(guò)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(guò)程如圖1所示。

圖1燃機布雷登循環(huán)（BraytonCycle）

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

壓氣機從外部吸入空氣，壓縮后送入燃燒室，同時(shí)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(jìn)行燃燒，生成的高溫、高壓煙氣進(jìn)入透平（渦輪）膨脹做功，推動(dòng)動(dòng)力葉片高速旋轉，從而使得轉子旋轉做功。轉子做功的驅動(dòng)壓氣機同時(shí)驅動(dòng)機械設備，如發(fā)電機、泵、壓縮機等。透平出來(lái)的煙氣溫度很高，可再利用（如利用余熱鍋爐進(jìn)行余熱回收利用）或直接排入大氣（如航空發(fā)動(dòng)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(diǎn)

（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(dòng)快，具有優(yōu)秀的調峰性能運行可靠，自動(dòng)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(jià)貴，維護費用貴。其中，燃機啟動(dòng)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品質(zhì)，在大型艦艇應用上燃機更是有著(zhù)傳統內燃機無(wú)法相比的功率相應能力，大大縮短了大型艦艇的加速時(shí)間，在國防領(lǐng)域應用意義重大。

3燃機控制——子系統和策略

該控制系統控制邏輯采用的是SimaticPCS7系列集散控制系統（DCS）產(chǎn)品。使用的處理站類(lèi)型為S7-400系列。程序設計語(yǔ)言為SFC（順序功能圖）和CFC（連續功能圖），在WinCC操作員站內還集成有帶圖形顯示的功能塊語(yǔ)言。PCS7硬件和標準的燃氣輪機應用軟件與各種專(zhuān)用前端系統一起構成了該控制系統。

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

上述控制系統中，（1）-（17）控制子系統中涉及的被控對象，基本都是輔助設備或者輔助功能的類(lèi)型，被控對象的參數需求明確，在燃機實(shí)際運行中基本可以實(shí)現閉環(huán)控制，在邏輯組態(tài)過(guò)程中常規的組態(tài)算法可以實(shí)現上述子系統的功能組。

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(lèi)似），具備快速處理功能，主要實(shí)現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。閉環(huán)控制中主要有以下幾方面控制功能：?jiǎn)?dòng)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(jìn)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(shí)際控制截圖如圖4所示。

圖4燃機仿真實(shí)際控制截圖

3.2SGT-800型燃氣輪機控制難點(diǎn)

難點(diǎn)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(dòng)化要精準控制，在燃機運行中參數過(guò)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(dòng)拖動(dòng)

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(dòng)設備

·SSS=啟動(dòng)電機離合器

擾動(dòng)：燃機的轉速和功率控制回路輸出受到3個(gè)因素外擾，A、燃燒室燃燒產(chǎn)生的熱氣推力輸入。B、VGV閥門(mén)控制（排氣溫度溫控壓氣機出力）。C、燃機啟動(dòng)電機拖動(dòng)。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(gè)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(diǎn)：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(dòng)，相當于VGV控制是功率轉速控制回路開(kāi)環(huán)控制，在燃機仿真控制過(guò)程中，需要重點(diǎn)考慮燃機功率和VGV算法的耦合性，否則燃機無(wú)法在功率響應、排期溫度控制、穩定性達到預期的控制效果。

3.3SGT-800型燃氣輪機仿真沖轉過(guò)程

燃機在啟動(dòng)過(guò)程中有三個(gè)階段：1500rpm清吹階段，啟動(dòng)點(diǎn)火階段離合器拖動(dòng)階段、燃機氣體點(diǎn)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(dòng)力交接和分配。

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

點(diǎn)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(dòng)力，主控轉速，大于5100rpm后，燃機點(diǎn)火穩定，SSS逐漸減小動(dòng)力，點(diǎn)火回路主控轉速，SSS在5500rpm自動(dòng)脫離，燃機升速到6600rpm。燃機啟動(dòng)過(guò)程參數截圖如圖7所示。

圖7燃機啟動(dòng)過(guò)程參數截圖

沖轉階段：當啟動(dòng)燃氣輪機時(shí)，控制系統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(huì )持續一段時(shí)間，足以使燃氣輪機和整個(gè)排氣系統通風(fēng)。

當清吹時(shí)間過(guò)去后，燃燒室被點(diǎn)燃，燃機加速到怠速6600rpm。當燃機加速超過(guò)其自持速度（5050rpm）時(shí)，電機在5500rpm卸載，5600rpm時(shí)電機上的負載為零，電機速度將下降。電機軸轉速開(kāi)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(dòng)系統停機。

燃機啟動(dòng)過(guò)程參數截圖如圖8所示。

圖8燃機啟動(dòng)過(guò)程參數截圖

3.4SGT-800型燃氣輪機仿沖轉邏輯

（1）燃機沖轉過(guò)程中，前期（speed<5000rpm）由燃氣控制器點(diǎn)火內置算法持續增大燃氣輸入，起到燃氣著(zhù)火穩定的作用，并提供啟動(dòng)能量，燃機升速主要還是靠啟動(dòng)電機拖動(dòng)，在燃機轉速大于5000rpm，最低點(diǎn)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(diǎn)火維持能量持續給定邏輯如圖9所示。

圖9燃機點(diǎn)火維持能量持續給定邏輯

（2）燃機沖轉過(guò)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(chē)（盤(pán)車(chē)）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(dòng)speed控制截圖（仿真）如圖10所示。

圖10燃機啟動(dòng)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(diǎn)，各個(gè)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(shí)現燃機燃料主控輸出。（3）燃機轉速和功率PI控制器，根據功能切換時(shí)必須無(wú)擾動(dòng)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(mén)耦合確定的參數可以放到PI控制器前饋中計算，提高燃機響應。（5）部分容易波動(dòng)的數據，邏輯算法需要做濾波處理，提高控制質(zhì)量。

國產(chǎn)DCS仿真系統在荊門(mén)燃機電廠(chǎng)項目的順利實(shí)施，彰顯了國產(chǎn)化DCS在仿真領(lǐng)域扎實(shí)堅硬的技術(shù)實(shí)力及優(yōu)秀的團隊協(xié)作能力。本套仿真系統操作體驗真實(shí)、仿真精度高、系統功能強大；同時(shí)在經(jīng)濟指標統計、分析等方面提供了數據支撐?；贕TS-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(lǐng)域和燃機類(lèi)的DCS控制應用領(lǐng)域產(chǎn)生價(jià)值，為自動(dòng)化領(lǐng)域的其他控制產(chǎn)品可以提供借鑒。

作者簡(jiǎn)介：

鄧平（1986-），男，陜西榆林人，學(xué)士，工程師，現就職于北京和利時(shí)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，現就職于北京和利時(shí)工業(yè)軟件有限公司，主要研究方向為工業(yè)自動(dòng)化及工業(yè)軟件。

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年8月刊