一种轻型燃气轮机控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种轻型燃气轮机控制系统，包括电路三重冗余综合控制系统，三重化电路的输出信号在成为系统输出之前，经过一个三取二的表决芯片；当三个电路中有一路发生故障，输出错误信号，经过三取二表决屏蔽掉错误信号，仍然输出正确的信号；还包括如下功能单元，控制器硬件单元、开关量输入单元、开关量输出单元、模拟量输入单元、模拟量输出单元、数据处理单元、报警保护单元、顺序控制单元、燃料控制单元；本发明实现燃气轮机的运行稳定性和可靠性，大大减少燃气轮机调试的时间，减少因此而产生的试车费用。本发明解决燃气轮机从启动、升速到稳定运行过程全部过程的运行控制，实现燃气轮机运行过程中的控制、调节、监视和保护等。
【专利说明】一种轻型燃气轮机控制系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及燃气轮机控制【技术领域】，具体说是一种轻型燃气轮机控制系统。
技术背景
[0002]燃气轮机控制系统是人与燃气轮机设备之间的桥梁，也是整个机组运行控制的司令部。燃气轮机能够实现安全稳定的运行有赖于一套完善的控制系统实施控制。因而，燃气轮机的控制系统非常关键。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是实现燃气轮机从启动、点火、升速至额定状态的全过程安全稳定的控制。
[0004]为实现本发明的目的采用的技术方案是:
[0005]一种轻型燃气轮机控制系统，包括电路三重冗余综合控制系统，三重化的每个部分是独立的，但三个部分的功能是完全相同；三重化电路的输出信号在成为系统输出之前，经过一个三取二的表决芯片；当三个电路中有一路发生故障，输出错误信号，经过三取二表决屏蔽掉错误信号，仍然输出正确的信号(电压、电流或开关状态);
[0006]还包括如下功能单元，控制器硬件单元(HDW)、开关量输入单元(DIU)、开关量输出单元(D0U)、模拟量输入单元(4111)、模拟量输出单元(么011)、数据处理单元(0?11)、报警保护单元(APU)、顺序控制单元(s⑶)、燃料控制单元(rcu)；
[0007]I)控制器硬件单元(HDW)；
[0008]用于系统故障诊断、起停SOE记录；
[0009]2)开关量输入单元(DIU)；
[0010]用于将开关量物理输入转变成离散型内存数据，同时完成部分输入信号值的处理；
[0011]3)开关量输出单元(DOU);
[0012]用于将计算出的开关量输出的离散型数据转变成开关量物理输出；
[0013]4)模拟量输入处理单元(AIU)；
[0014]用于将Al模件对每个模拟量参数通过模/数(A/D)转换后所得到的整型数据按比例计算出相应参数的工程值，并判断该参数的传感器及线路是否出现故障，如果存在故障，设置相应的故障标志，传递给报警保护单元，以及在数据处理等单元引用该参数数据时进行特殊处理，提高系统的容错能力，尽量避免因此引发燃气轮机停机甚至紧急停机；
[0015]5)模拟量输出单元(AOU);
[0016]用于将计算出的模拟量输出数据(工程值)转变成可用于D/A转换输出的整型数据；
[0017]6)数据处理单元(DPU);
[0018]用于进行各种工程数据计算，如多点数据的平均值、高选、低选、数字滤波以及换算转速、转速加速度、燃气轮机性能计算；
[0019]7)报警保护单元(APU);
[0020]用于模拟量越限报警、保护以及报警保护锁定、复位、声音报警器消音等的处理，并形成报警保护信号，通过全局变量传递给顺序控制单元，与顺序控制单元中产生的报警保护信号汇总，并最终执行报警保护动作；
[0021 ] 8 )顺序控制单元(SCU);
[0022]用于燃气轮机从起动准备开始，到起动成功，直至停车的全过程，通过读取现场设备状态反馈数据以及上述两个单元的各种输出结果，通过的逻辑运算、分析，对燃气轮机所有被控制对象的开/关、起/停按规定的逻辑实施有效的控制；
[0023]9)燃料控制单元(FCU)；
[0024]燃气轮机主要通过控制进入燃气轮机燃烧室的燃料流量来改变燃气轮机的运行工况；燃料控制单元可以合理控制输入燃气轮机的燃料供应量。
[0025]本发明的优点:
[0026]1、本发明实现了燃气轮机的运行稳定性和可靠性，大大减少了燃气轮机调试的时间，减少了因此而产生的试车费用。
[0027]2、本发明解决了燃气轮机从启动、升速到稳定运行过程全部过程的运行控制，实现了燃气轮机运行过程中的控制、调节、监视和保护等。
[0028]3、本发明具有高度的可靠性、安全性和高可用率，使燃气轮机和装置可以优化管理和控制，安全得以保证。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1为本发明的原理图。
[0030]图2为本发明的最小值选择器示意图。
【具体实施方式】
[0031]结合附图1、2进一步说明本发明实施例。
[0032]一种轻型燃气轮机控制系统，包括电路三重冗余综合控制系统，三重化的每个部分是独立的，但三个部分的功能是完全相同；三重化电路的输出信号在成为系统输出之前，经过一个三取二的表决芯片；当三个电路中有一路发生故障，输出错误信号，经过三取二表决屏蔽掉错误信号，仍然输出正确的信号(电压、电流或开关状态);
[0033]还包括如下功能单元，控制器硬件单元(HDW)、开关量输入单元(DIU)、开关量输出单元(D0U)、模拟量输入单元(4111)、模拟量输出单元(么011)、数据处理单元(0?11)、报警保护单元(APU)、顺序控制单元(s⑶)、燃料控制单元(rcu)；
[0034]1)控制器硬件单元(HDW)；
[0035]用于系统故障诊断、起停SOE记录；
[0036]2)开关量输入单元(DIU)；
[0037]用于将开关量物理输入转变成离散型内存数据，同时完成部分输入信号值的处理；
[0038]3)开关量输出单兀(DOU)；[0039]用于将计算出的开关量输出的离散型数据转变成开关量物理输出；
[0040]4)模拟量输入处理单元(AIU)；
[0041]用于将Al模件对每个模拟量参数通过模/数(A/D)转换后所得到的整型数据按比例计算出相应参数的工程值，并判断该参数的传感器及线路是否出现故障，如果存在故障，设置相应的故障标志，传递给报警保护单元，以及在数据处理等单元引用该参数数据时进行特殊处理，提高系统的容错能力，尽量避免因此引发燃气轮机停机甚至紧急停机；
[0042]5)模拟量输出单兀(AOU);
[0043]用于将计算出的模拟量输出数据(工程值)转变成可用于D/A转换输出的整型数据；[0044]6)数据处理单元(DPU)；
[0045]用于进行各种工程数据计算，如多点数据的平均值、高选、低选、数字滤波以及换算转速、转速加速度、燃气轮机性能计算；
[0046]7)报警保护单元(APU)；
[0047]用于模拟量越限报警、保护以及报警保护锁定、复位、声音报警器消音等的处理，并形成报警保护信号，通过全局变量传递给顺序控制单元，与顺序控制单元中产生的报警保护信号汇总，并最终执行报警保护动作；
[0048]8 )顺序控制单元(SCU);
[0049]用于燃气轮机从起动准备开始，到起动成功，直至停车的全过程，通过读取现场设备状态反馈数据以及上述两个单元的各种输出结果，通过的逻辑运算、分析，对燃气轮机所有被控制对象的开/关、起/停按规定的逻辑实施有效的控制；
[0050]9)燃料控制单元(FCU)；
[0051]燃气轮机主要通过控制进入燃气轮机燃烧室的燃料流量来改变燃气轮机的运行工况；燃料控制单元可以合理控制输入燃气轮机的燃料供应量。
[0052]所述燃料控制单元(FCU)中燃料量控制上采取最小门限制方式；
[0053]所述燃料控制单元(FOT)由起动控制环节(FSR_STRMP)、转速控制环节(FSR_N1)、转速负荷控制环节(FSR_SPL)、加速控制环节(FSR_ACC)、温度控制环节(FSR_TMP)、甩负荷控制环节(FSR_THR)、最大值限制环节(FSR_MAX)和最小值限制环节(FSR_MIN)八个控制环节组成(见图2);
[0054]将所述的起动控制环节(FSR_STRMP)、转速控制环节(FSR_N1)、转速负荷控制环节(FSR_SPL)、加速控制环节(FSR_ACC)、温度控制环节(FSR_TMP)、甩负荷控制环节(FSR_THR)、最大值限制环节(FSR_MAX)的七个控制环节的输出值同时进入最小值选择器(MIN)，其中输入值中最小值者与最小值限制环节(FSR_MIN)的输出同时进入最大值选择器(MAX)，选出两个输入值中较高者作为在该时刻的实际执行燃料控制命令信号(FSR);所以在同一时刻八个控制环节中只有一个控制环节发生作用。
[0055]所述燃料控制单元(FOT)的起动控制环节(FSR_STRMP)中燃料控制；
[0056]在燃气轮机起动后，燃气轮机燃气发生器的高压转子由液压启动系统带转，当N2 ^ N2_Purge后，下达将燃料阀开至点火位置指令，完成规定时间的吹除以后，下达点火指令，当N2 > N2_Fire后，起动过程燃料控制环节输出起动控制环节(FSR_STRMP)按给定规律增加燃料供给量，在此期间其它控制环节的输出均被最大最小值选择器屏蔽，不参与燃料控制；其中N2为高压转子转速、N2_Purge为清吹转速、N2_Fire为点火转速。
[0057]所述燃料控制单元(FOT)的转速控制环节(FSR_N1)中燃料控制；
[0058]当燃气轮机进入燃气发生器慢车状态，即NI ^ Nl_Idle时；升速过程燃料控制环节根据NI转速基准给出相应的燃料阀位置指令，此时起动过程燃料控制环节输出起动控制环节(FSR_STRMP)继续不断增加直至燃料阀位开启100%，从而被最小值选择器挡住而退出控制；当动力涡轮转速N3大于2500rpm转速时，升速逻辑提高NI转速基准燃气轮机升速，否则，燃气轮机将保持燃气发生器慢车状态；其中NI为低压转子转速、Nl_Idle核心机慢车转速、N3为动力涡轮转速。
[0059]所述燃料控制单元(FOT)的转速负荷控制环节(FSR_SPL)中燃料控制；
[0060]当燃气轮机升速至N3 ^ N3_Gov后且在燃气轮机并网前，转速负荷控制环节根据N3转速基准按无差方式给出相应的燃料阀位置指令，此时升速过程燃料控制环节输出(FSR_N1)将按NI基准控制逻辑调整的NI基准进行比例输出，用于通过最小值选择器对燃气发生器的最高状态进行限制。当并网断路器闭合后，转速负荷控制环节将切换成有差控制方式。其中N3为动力涡轮转速、N3_Gov是同步慢车转速。
[0061]所述燃料控制单元(TOU)的加速控制环节(FSR_ACC)和温度控制环节(FSR_TMP)；
[0062]在燃气轮机升速、同步和并网发电期间，加速度控制环节(FSR_ACC)和温度控制环节(FSR_TMP) —直在监视燃气轮机三个转子的加速度和动力涡轮前进口的燃气温度，并通过最小值选择器将三个转子的加速度和动力涡轮前进口的燃气温度限制在控制值以下。
[0063]所述燃料控制单元(rcu)的甩负荷控制环节(FSR_THR)；
[0064]当燃气轮机在较大负荷下突然从与电网解列(称为甩负荷)时保证燃气轮机在不发生超转和熄火的前提下回到同步转速。
[0065]所述燃料控制单元(FOT)的最大值限制环节(FSR_MAX)和最小值限制环节(FSR_MIN)；
[0066]在燃气轮机升速、同步和并网发电期间，限制燃料量的大幅度变化，以保证机组运行平稳。
[0067]实施例
[0068]选取三重冗余容错控制系统TRIC0NEX公司的Tric`on三重冗余综合控制系统TS3000。系统不会因为内部故障而对过程产生影响，对于控制系统的核心环节主控系统上采取最小门限制方式，进行燃料量控制，从而提高了系统的可靠性。
[0069]所述三重冗余容错控制系统为现场实时`控制器通过工业以太网上位联接用于机组运行监控的操作站、在线系统维护的工程师站(含SOE记录收集功能)等构成完整的燃机控制系统，并通过网络或硬接线的方式实现与工厂的各种系统(如DCS、MIS、AGC以及对时系统等)的连接。
[0070]所述系统硬件根据对主机的控制要求，选择三块3008主处理器模块构成三重冗余的主处理器，一块4329模块网络通讯模块，二块32点3503E开关量输入模块，二块32点三重化开关量输出模块3664，三块三重化模拟量输入模块3700A，一块三重化模拟量输出模块3806，一块8点三重化脉冲量输入模块3511。
[0071]按照上述思想开发出了一套安全稳定的控制系统，实现对轻型燃气轮机的安全稳定的控制。
【权利要求】
1.一种轻型燃气轮机控制系统， 包括电路三重冗余综合控制系统，三重化的每个部分是独立的，但三个部分的功能是完全相同；三重化电路的输出信号在成为系统输出之前，经过一个三取二的表决芯片；当三个电路中有一路发生故障，输出错误信号，经过三取二表决屏蔽掉错误信号，仍然输出正确的信号；其特征在于: 还包括如下功能单元，控制器硬件单元(HDW)、开关量输入单元(DIU)、开关量输出单元(DOU)、模拟量输入单元(々111)、模拟量输出单元(4011)、数据处理单元(0?11)、报警保护单元(APU)、顺序控制单元(s⑶)、燃料控制单元(rcu); 1)控制器硬件单元(HDW)； 用于系统故障诊断、起停SOE记录； 2)开关量输入单兀(DIU)； 用于将开关量物理输入转变成离散型内存数据，同时完成部分输入信号值的处理； 3)开关量输出单兀(DOU)； 用于将计算出的开关量输出的离散型数据转变成开关量物理输出； 4)模拟量输入处理单元(AIU)； 用于将Al模件对每个模拟量参数通过模/数(A/D)转换后所得到的整型数据按比例计算出相应参数的工程值，并判断该参数的传感器及线路是否出现故障，如果存在故障，设置相应的故障标志，传递给`报警保护单元，以及在数据处理等单元引用该参数数据时进行特殊处理，提高系统的容错能力，尽量避免因此引发燃气轮机停机甚至紧急停机； 5)模拟量输出单元(AOU)； 用于将计算出的模拟量输出数据(工程值)转变成可用于D/A转换输出的整型数据； 6)数据处理单元(DPU)； 用于进行各种工程数据计算，如多点数据的平均值、高选、低选、数字滤波以及换算转速、转速加速度、燃气轮机性能计算； 7)报警保护单元(APU); 用于模拟量越限报警、保护以及报警保护锁定、复位、声音报警器消音等的处理，并形成报警保护信号，通过全局变量传递给顺序控制单元，与顺序控制单元中产生的报警保护信号汇总，并最终执行报警保护动作； 8)顺序控制单元(SCU)； 用于燃气轮机从起动准备开始，到起动成功，直至停车的全过程，通过读取现场设备状态反馈数据以及上述两个单元的各种输出结果，通过的逻辑运算、分析，对燃气轮机所有被控制对象的开/关、起/停按规定的逻辑实施有效的控制； 9)燃料控制单元(FCT)； 燃气轮机主要通过控制进入燃气轮机燃烧室的燃料流量来改变燃气轮机的运行工况；燃料控制单元可以合理控制输入燃气轮机的燃料供应量。
2.根据权利要求1所述的轻型燃气轮机控制系统，其特征在于: 所述燃料控制单元(FCU)中燃料量控制上采取最小门限制方式； 所述燃料控制单元(F⑶)由起动控制环节(FSR_STRMP )、转速控制环节(FSR_N1)、转速负荷控制环节(FSR_SPL)、加速控制环节(FSR_ACC)、温度控制环节(FSR_TMP)、甩负荷控制环节(FSR_THR)、最大值限制环节(FSR_MAX)和最小值限制环节(FSR_MIN)八个控制环节组成(见图3)； 将所述的起动控制环节(FSR_STRMP)、转速控制环节(FSR_N1)、转速负荷控制环节(FSR_SPL )、加速控制环节(FSR_ACC )、温度控制环节(FSR_TMP )、甩负荷控制环节(FSR_THR)、最大值限制环节(FSR_MAX)的七个控制环节的输出值同时进入最小值选择器(MIN)，其中输入值中最小值者与最小值限制环节(FSR_MIN)的输出同时进入最大值选择器(MAX)，选出两个输入值中较高者作为在该时刻的实际执行燃料控制命令信号(FSR);所以在同一时刻八个控制环节中只有一个控制环节发生作用。
3.根据权利要求1所述的轻型燃气轮机控制系统，其特征在于: 所述燃料控制单元(FCU)的起动控制环节(FSR_STRMP)中燃料控制； 在燃气轮机起动后，燃气轮机燃气发生器的高压转子由液压启动系统带转，当N2 ^ N2_Purge后，下达将燃料阀开至点火位置指令，完成规定时间的吹除以后，下达点火指令，当N2 > N2_Fire后，起动过程燃料控制环节输出起动控制环节(FSR_STRMP)按给定规律增加燃料供给量，在此期间其它控制环节的输出均被最大最小值选择器屏蔽，不参与燃料控制；其中N2为高压转子转速、N2_Purge为清吹转速、N2_Fire为点火转速。
4.根据权利要求1所述的轻型燃气轮机控制系统，其特征在于: 所述燃料控制单元(FCU)的转速控制环节(FSR_N1)中燃料控制； 当燃气轮机进入燃气发生器慢车状态，即NI ^ Nl_Idle时；升速过程燃料控制环节根据NI转速基准给出相应的燃料阀位置指令，此时起动过程燃料控制环节输出起动控制环节(FSR_STRMP)继续增加直至燃料阀位开启100%，从而被最小值选择器挡住而退出控制；当动力涡轮转速N3大于2500rpm转速时，升速逻辑提高NI转速基准燃气轮机升速，否则，燃气轮机将保持燃气发生器慢车状态；其中NI为低压转子转速、Nl_Idle核心机慢车转速、N3为动力涡轮转速。
5.根据权利要求1所述的轻型燃气轮机控制系统，其特征在于: 所述燃料控制单元(FCU)的转速负荷控制环节(FSR_SPL)中燃料控制； 当燃气轮机升速至N3 ^ N3_Gov后且在燃气轮机并网前，转速负荷控制环节根据N3转速基准按无差方式给出相应的燃料阀位置指令(FSR_SPL)，此时升速过程燃料控制环节输出(FSR_N1)将按NI基准控制逻辑调整的NI基准进行比例输出，用于通过最小值选择器对燃气发生器的最高状态进行限制。当并网断路器闭合后，转速负荷控制环节将切换成有差控制方式。其中N3为动力涡轮转速、N3_Gov是同步慢车转速。
6.根据权利要求1所述的轻型燃气轮机控制系统，其特征在于: 所述燃料控制单元(rcu)的加速控制环节(FSR_ACC)和温度控制环节(FSR_TMP)； 在燃气轮机升速、同步和并网发电期间，加速度控制环节(FSR_ACC)和温度控制环节(FSR_TMP) 一直在监视燃气轮机三个转子的加速度和动力涡轮前进口的燃气温度，并通过最小值选择器将三个转子的加速度和动力涡轮前进口的燃气温度限制在控制值以下。
7.根据权利要求2所述的轻型燃气轮机控制系统，其特征在于: 所述燃料控制单元(FCU)的甩负荷控制环节(FSR_THR)； 当燃气轮机在较大负荷下突然从与电网解列(称为甩负荷)时保证燃气轮机在不发生超转和熄火的前提下回到同步转速。
8.根据权利要求2所述的轻型燃气轮机控制系统，其特征在于: 所述燃料控制单元(FCT)的最大值限制环节(FSR_MAX)和最小值限制环节(FSR_MIN)； 在燃气轮机升速、同步和并网发电期间，限制燃料量的大幅度变化，以保证机组运行平稳。`
【文档编号】F02C9/00GK103557081SQ201310581728
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月18日 优先权日:2013年11月18日
【发明者】于鑫, 梁阮, 张新叶 申请人:沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司