重型燃气轮机控制系统的分析与应用

论文摘要

随着世界范围内对环境保护问题的日益重视和天然气资源的进一步开发利用,燃气轮机及其联合循环技术在电力生产领域中占据了越来越重要的地位。根据目前国内在重型单轴燃气轮控制系统方面尚不完善的现状,在消化吸收西门子设计关键技术的基础上,本文对燃气轮机的闭环控制策略进行了研究、分析和应用。建立了简化的重型单轴燃气轮动力学模型并进行了一系列数字仿真实验,并提出了采用模糊自矫正控制策略来改进原PI算法,以达到更好的控制特性,使用工程中常用的DCS硬件进行了模拟验证。论文的主要内容包括:1.通过对燃气轮机及联合循环汽轮机组的运行流程及工作原理的分析,从工艺的角度提出燃气轮机的控制要求及性能目标,从而为控制方案的形成及控制系统的架构奠定基础。在此基础上,介绍了SPPA-T3000的软件平台以及燃气轮机控制系统硬件的配置。2.根据西门子重型燃气轮机的控制要求及工艺流程,分析了机组运行的控制原理,并采用模块化设计方法,将机组控制功能划分为多个模块组,包括测量值的采集与信号处理,设定值形成,主控制器和启动升速控制,选择逻辑和分配器,修正和计算回路,压气机进口导叶专用控制器,阀门升程控制器。给出整体控制策略框图,并对每个模块进行了分析介绍。各个模块综合作用,协同完成机组的升速、并网、排汽压力及温度等参数的协调控制,并满足运行安全要求。3.在模块分析的基础之上,对燃气轮机控制中的重要控制回路进行了阐述,包括转速/功率控制器,压气机压比限制控制器,阀门升程控制器,排气温度控制器等。指出实际运行的控制策略,以及存在的不足。4.通过搭建简化的数学模型,建立控制系统仿真模型,对燃气轮机重要控制回路的正确性及合理性进行仿真试验及验证。以西门子燃气轮简化数学模型为基础,按照模糊自适应控制的要求,设计出一种燃气轮机排气温度模糊自校正PI调节器。MATLAB仿真实验表明,该调节器有效的改进了原排气温度调节系统的自适应能力和鲁棒性,达到了降低排气温度的波动幅值的作用。最后,使用OVATION控制硬件,对排气温度控制器进行了实际的工程模拟,验证了模糊自适应控制的有效性与实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 各种重型燃气轮机控制系统的概况
• 1.3 本课题来源及内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 西门子燃机闭环控制系统概述
• 2.1 V94.3 燃气轮机工艺流程及原理简介
• 2.2 控制要求及目标
• 2.3 西门子T3000 控制系统构成
• 2.4 西门子重型燃机闭环控制系统总体说明
• 2.5 本章小结
• 第三章 燃机闭环控制逻辑模块分析
• 3.1 测量值采集与信号处理
• 3.1.1 测量值采集
• 3.1.2 模拟量信号处理
• 3.2 设定值形成
• 3.2.1 转速设定值
• 3.2.2 功率设定值
• 3.2.3 排气温度设定值
• 3.3 主控制器和启动控制
• 3.3.1 启动控制
• 3.3.2 主控制器
• 3.4 选择逻辑和分配器
• 3.4.1 主小选逻辑
• 3.4.2 天然气分配器
• 3.4.3 天然气最小流量控制
• 3.5 修正和计算回路
• 3.5.1 值班燃气阀质量流量设定值计算
• 3.5.2 阀门升程计算
• 3.6 压气机进口导叶和专用控制器
• 3.6.1 IGV 温度控制器
• 3.6.2 快速IGV 位置控制器
• 3.7 阀门升程控制器
• 3.8 本章小结
• 第四章 主要控制回路阐述
• 4.1 负荷转速控制
• 4.1.1 负荷转速控制目的及要求
• 4.1.2 负荷转速控制参数
• 4.1.3 负荷转速控制功能
• 4.2 压气机压比限制控制
• 4.2.1 压比限制控制目的
• 4.2.2 压比限制控制参数
• 4.2.3 压比限制控制功能
• 4.3 先导阀控制
• 4.3.1 先导阀控制目的
• 4.3.2 先导阀控制参数
• 4.3.3 先导阀控制功能
• 4.4 排气温度控制器
• 4.4.1 排气温度控制目的
• 4.4.2 排气温度控制构成
• 4.4.3 排气温度控制功能
• 4.5 本章小结
• 第五章 改进算法与优化仿真
• 5.1 PID（PI）控制方法及其不足
• 5.2 模糊控制系统及模糊PI 控制器
• 5.2.1 模糊控制系统概述
• 5.2.2 基于PID 模型的自适应模糊控制器
• 5.3 重型燃汽轮机主要回路简化数学模型
• 5.4 采用模糊自适应PI 控制器的仿真及结果
• 5.5 OVATION 硬件模糊PI 的实现与模拟试验
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 研究展望
• 主要符号与标记（附录1）
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文