一种燃气轮机数字式转速控制系统及方法与流程

本发明属于控制系统
技术领域：
，具体涉及一种燃气轮机数字式转速控制系统及方法。
背景技术：
燃油液压控制系统的优点是简单、可靠。燃油液压控制系统实际只是根据油门杆位置对燃气发生器进行开环供油，限制供油量，保证燃气发生器安全工作，原理简单、工作稳定。加上周密、细致的监视和保护系统，因此非常适用于工作负荷变化不剧烈、对过渡过程要求不高的燃气轮机工作环境使用。该系统的缺点是控制规律过于简单，按油门杆位置开环供油，不能保证燃气发生器的状态稳定，随着大气温度的变化、燃油供油条件的变化以及负荷的变化，燃气发生器的工作点就会有一定的飘移，不利于燃气发生器在预定的工作点稳定的工作。由于燃气发生器的加减速控制只是按时间顺序限制供油量上升的速度，为了保证燃气发生器的安全，就要在加减速过程保证足够的喘振裕度，加、减速只能按一定的速率进行，所以过渡过程时间长，影响了舰船动力的机动性。技术实现要素：为了解决上述问题，本发明提供了一种燃气轮机数字式转速控制系统及方法，对燃气轮机的转速进行实时监控和调整，使燃气轮机在稳定的工作点工作。为达到上述目的，本发明所述一种燃气轮机数字式转速控制系统包括增压泵，增压泵通过管道与齿轮泵连接，齿轮泵与电机的输出轴连接，齿轮泵下端设置有燃油计量装置，燃油计量装置与步进电机连接，燃油计量装置的出油口通过两根管道与燃油分配器的进油口连接，燃油分配器的两个出油口分别与第一喷嘴和第二喷嘴连接，第一喷嘴和第二喷嘴的出口通过第三燃油管道合并为一路，并与燃气轮机连接，燃气轮机与电机连接，燃气轮机上设置有动力涡轮传感器，动力涡轮传感器通过数据转换装置与电子控制柜连接，步进电机与电子控制柜连接。进一步的，动力涡轮传感器用于采集燃气轮机的动力涡轮转速np，并传递至电子控制柜；电子控制柜用于根据接收到的动力涡轮转速np计算动力涡轮的目标转速np1，并根据动力涡轮的目标转速np1计算出输入燃气轮机的燃油流量，然后发送控制信号给步进电机；步进电机用于根据接收到的电子控制柜发出的控制信号控制燃油计量装置控制手柄的角度，进而控制燃油计量装置输出的燃油流量。进一步的，还包括油门杆传感器，油门杆传感器的输入端与燃油计量装置连接，油门杆传感器的输出端与电子控制柜连接。进一步的，还包括监控计算机，监控计算机的输入端与电子控制柜连接。进一步的，燃油分配器的两个出油口分别设置有第一停车电磁阀和第二停车电磁阀，第一停车电磁阀和第二停车电磁阀均与电子控制柜连接。进一步的，增压泵出口和齿轮泵之间管道上设置有第一压力传感器，燃油分配器和第一喷嘴之间安装第二压力传感器，燃油分配器和第二喷嘴之间安装有第三压力传感器，第二压力传感器和第三压力传感器均与电子控制柜连接。进一步的，燃油分配器和第一喷嘴之间设置有第一流量计，燃油分配器和第二喷嘴之间设置有第二流量计，燃气轮机的燃油入口处设置有第三流量计，第三流量计与电控控制柜连接。一种燃气轮机数字式转速控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，采集燃气轮机的动力涡轮转速np、输入燃气轮机的燃油流量gf和燃气轮机的功率ner；步骤2，根据动力涡轮的目标转速np1与动力涡轮转速np的差值，计算输入燃气轮机的燃油流量的调节幅度k，步骤3，通过调整燃油计量装置上控制手柄的角度和齿轮泵的转速对输入燃气轮机的燃油流量进行调节，调节后的输入燃气轮机的等于(1+k)gf；步骤4，燃气轮机根据输入的燃油流量将动力涡轮转速np自动调节至np1；步骤5，重复步骤1至步骤4，直至燃气轮机停止工作。与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，本发明通过闭环控制，能够及时准确的对燃气轮机的转速进行调整，提高燃油控制系统的安全性和可靠性；提高对燃气轮机的控制精度，可以充分发挥燃气轮机的性能潜力，提高燃气轮机使用效率。进一步的，动力涡轮传感器用于采集燃气轮机的动力涡轮转速np，并传递至电子控制柜；电子控制柜用于根据接收到的动力涡轮转速np计算动力涡轮的目标转速np1，并根据动力涡轮的目标转速np1计算出输入燃气轮机的燃油流量，然后发送控制信号给步进电机；步进电机用于根据接收到的电子控制柜发出的控制信号控制燃油计量装置控制手柄的角度，进而控制燃油计量装置输出的燃油流量。进一步的，还包括油门杆传感器，油门杆传感器的输入端与燃油计量装置连接，油门杆传感器的输出端与电子控制柜连接。油门传感器用来测量燃油计量装置的控制手柄角度，并将采集到的控制手柄的角度值传递至电子控制柜。进一步的，还包括监控计算机，监控计算机的输入端与电子控制柜连接。监控计算机用于接收电子控制柜传递的效率值、第一至第三压力传感器测量到的压力值，并显示接收到的效率值、各个压力传感器采集到的压力值。系统监控计算机能够直观的显示监控界面，操作方便，工作人员可从显示界面直观的得到燃机当前的工作状态及各主要参数，如出现故障或异常信息，显示界面会及时提供报警信息提醒工作人员。进一步的，燃油分配器的两个出油口分别设置有第一停车电磁阀和第二停车电磁阀，第一停车电磁阀和第二停车电磁阀均与电子控制柜连接。燃油分配器的作用是自动向各油路供燃油，当故障保护动作时，电子控制柜控制信号向停车电磁阀和停车电磁阀中断向喷嘴供油的信号。进一步的，增压泵出口和齿轮泵之间管道上设置有第一压力传感器，燃油分配器和第一喷嘴之间安装第二压力传感器，燃油分配器和第二喷嘴之间安装有第三压力传感器，第二压力传感器和第三压力传感器均与电子控制柜连接。第二压力传感器、用于检测起动燃油油路压力；第三压力传感器、用于检测主油路油路压力；第三压力传感器实时显示看是否出现波动等情况。第一压力传感器用于监控泵燃油压力，当泵前燃油压力<0.18mpa控制柜给燃机发出预警信号；当泵前燃油压力<1.0mpa控制柜给燃机发出限制性保护；燃油压力<1.0mpa发出停机保护信号。进一步的，燃油分配器和第一喷嘴之间设置有第一流量计，燃油分配器和第二喷嘴之间设置有第二流量计，燃气轮机和喷嘴之间安装有第三流量计，第三流量计与电控控制柜连接。第一流量计用于采集起动时喷油嘴油路内的燃油流量，第二流量计用于采集主油路喷油嘴油路内的燃油流量，第三流量计用于采集总油路的燃油流量，并计算燃气轮机的效率。附图说明图1为本发明示意图；图2为动力涡轮转速调节示意图；图3为燃油计量装置的手柄角度与流入燃油机燃油的流量之间的关系图；附图中：1、增压泵，2、齿轮泵，3、燃油计量装置，4、燃油分配器，5、燃油箱，6、步进电机，7、第一停车电磁阀，8、第二停车电磁阀，9、第一流量计，10、流量计，11、喷嘴，12、喷嘴，13、流量计，15、电子控制柜，16、燃气轮机控制电机，17、第一压力传感器，18、燃气轮机，19、油门传感器，20、监控计算机，21、试验操纵盒，22、第二压力传感器，23、第三压力传感器，24、第一燃油管道，25、第一燃油管道，26、第一燃油管道。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。参照图1，一种燃气轮机数字式转速控制系统包括增压泵1、齿轮泵2、燃油计量装置3、燃油分配器4、燃油箱5、步进电机6、第一停车电磁阀7、第二停车电磁阀8、第一流量计9、第二流量计10、第一喷嘴11、第二喷嘴12、第三流量计13、电子控制柜15、燃气轮机控制电机16、第一压力传感器17、燃气轮机18、油门传感器19、监控计算机20、试验操纵盒21、第二压力传感器22、第三压力传感器22。增压泵1通过管道与齿轮泵2连接，燃油箱5通过管道与齿轮泵2和燃油计量装置3连接，齿轮泵2与电机16的输出轴连接，齿轮泵2下端设置有燃油计量装置3，燃油计量装置3与步进电机6连接，燃油计量装置3的出油口通过两根管道与燃油分配器4的进油口连接，燃油分配器4的两个出油口分别通过第一燃油管道24和第二燃油管道25与第一喷嘴11和第二喷嘴12连接，通过第一燃油管道和第二燃油管道的入口处分别设置有第一停车电磁阀7和第二停车电磁阀8，第一喷嘴11和第二喷嘴12的出口通过第三燃油管道26合并为一路，并与燃气轮机18连接，燃气轮机18与电机16连接，油门杆传感器19输入端与燃油计量装置3连接，燃气轮机18上设置有低压转速传感器、低压转速传感器和动力涡轮传感器，油门杆传感器19的输出端与电子控制柜15连接，低压转速传感器、低压转速传感器和动力涡轮传感器通过数据转换装置与电子控制柜15连接，监控计算机20和试验操纵盒21分别和电子控制柜15连接。其中：增压泵1出口和齿轮泵2之间管道上设置有第一压力传感器17，燃油分配器4和第一喷嘴11之间安装第二压力传感器22和第一流量计9，燃油分配器4和第二喷嘴12之间安装有第三压力传感器23和第二流量计10，第三燃油管道26上安装有第三流量计13，第三流量计13与电子控制柜15连接，压力传感器17、第一停车电磁阀7和第二停车电磁阀8，步进电机6与电子控制柜15连接，第二压力传感器22和第三压力传感器23均与电子控制柜15连接。第一流量计9用于采集起动时喷油嘴1油路内的燃油流量，第二流量计10用于采集主油路喷油嘴2油路内的燃油流量，第三流量计13用于采集总油路的燃油流量，并计算燃气轮机18的效率ηr，效率ηr的计算公式如下：燃油计量装置3中将设计内部结构满足控制手柄角度和齿轮泵转速及燃油计量装置13输出的燃油流量(即输入燃气轮机18的燃油流量)之间的曲线要求，具体对应关系如图3和表1所示。表1角度-泵转速之间关系流量kg/h控制手柄角度为30、泵转速为1600±50rpm800±20控制手柄角度为60°、泵转速为2550±50rpm1200±50控制手柄角度为90°、泵转速为3500±50rpm3668±80控制手柄角度为100°、泵转速为4060±50rpm7000+200齿轮泵2用于向第一和第二喷油嘴供高压燃油。燃油计量装置3作用是根据电子控制柜15控制信号向燃气轮机18供应的油量。通过步进电机6控制燃油计量装置的活门开度，实现燃油供油的闭环控制。当压差一定时，流量只跟油门的开口截面积成正比。燃油分配器4的作用是自动向各油路供燃油，当故障保护动作时，电子控制柜15控制信号向停车电磁阀1和停车电磁阀2中断向喷嘴供油的信号。电机16用于控制齿轮泵2的转速。第一压力传感器17用于监控泵燃油压力，当泵前燃油压力<0.18mpa控制柜给燃机发出预警信号；当泵前燃油压力<1.0mpa控制柜给燃机发出限制性保护；燃油压力<1.0mpa发出停机保护信号。油门传感器19用来测量燃油计量装置3的控制手柄角度，并将采集到的控制手柄的角度值传递至电子控制柜15。第二压力传感器22、用于检测起动燃油1油路压力；第三压力传感器23、用于检测主油路2油路压力；第二压力传感器22在0.6到1.1mpa之间。第三压力传感器23实时显示看是否出现波动等情况。电子控制柜15用于接收到第一至第三流量计传递的流量信息、采集燃气轮机18的低压转速n1、高压转速n2，动力涡轮转速np和工作温度t4信息，并根据接受到的流量信号计算燃气轮机18的效率，并将效率传递给监控计算机；接收第一至第三压力传感器采集的压力值，并将各压力值传递至监控计算机20。电子控制柜15包括控制硬件和控制软件两部分，硬件部分包括电源滤波器、电子控制器、中间继电器箱、步进电机驱动器等。其中，电子控制器是电子控制柜的核心器件，它采用双通道结构，互为热备份。电子控制器双通道电路和每个通道包括电源电路、电路、a/d转换电路、f/d转换电路和频率量信号处理电路。电子控制器控制信号的输出由主控通道输出。电子控制器采用模块化插板结构，结合软件进行故障定位(功能电路级)，通过更换模块电路板进行板级维护。模块数量根据电路信号各类和数量设计有17块。电子控制器主要技术性能指标如下：a)双余度结构b)输入参数开关量输入：n1路开关量输入信号；(0<n1<200)模拟量输入：n2路模拟量输入信号,12位a/d转换；(0<n2<200)频率量输入：n3路频率量输入信号。(0<n3<200)c)输出参数开关量输出：n4路开关量输出信号；(0<n4<200)模拟量输出：n5路模拟量输出信号；(0<n5<200)脉冲量输出：n6路步进电机输出信号。(0<n6<200)中间继电器箱将电子控制器的输出驱动能力放大成能足以驱动各执行部件的信号，实现控制逻辑的并联与隔离，同时去控制燃气轮机相应的附件。控制柜机柜为底部进线、前门开式，内部共分成3个区：底部为进线区及冷却进风区、中间为设备安装区和顶部见风扇排风区。其中底部进线区前部分为共安装12个对外连接的电连接器，后部分为冷却进风口；设备安装区根据内部设备安装要求分为3层(由下往上)：第1层安装一个数字电子控制器，第2层为预留安装层，第3层安装一个中间继电器盒、一个步进电机驱动器、一个滤波器和两个二极管；顶部为风扇安装区及排风口。机柜采用框架的结构形式，框架由钣金件焊接而成，机柜通过背部和底训隔振器安装，根据控制柜的使用环境及机柜的重量，通过计算选定机柜底部安装4只钢丝绳隔振器和背部安装的2只钢丝绳隔振器进行减振。选用的隔振器为无锡宏源弹性器材有限公司的定型产品。机柜的活动结合面处均采用emi屏蔽及环境密封双重作用的双层导电橡胶屏蔽条、在机柜开孔处设置了波导确保电磁屏蔽。控制软件分为主控模块，初始化模块，采样模块，故障模块，控制模块，输出模块，通讯模块，中断服务程序处理模块等。电子控制柜15具有对传感器和控制系统进行故障诊断和故障处理的功能；具有按照数字控制系统要求完成起动控制、燃油控制、停车控制、滑油系统控制等功能；具有按照数字控制系统要求完成燃气轮机冷吹、工艺拖转、油封、假起动等功能；具有温度限制、转速限制和压力限制的保护功能；具有与集中控制台、其他控制器通讯的功能；具有状态监视和数据存储的功能。监控计算机20是数字控制系统一个独立的部分，用于接收电子控制柜15传递的效率值、第一至第三压力传感器测量到的压力值，并显示接收到的效率值、各个压力传感器采集到的压力值。它由计算机和监控操作软件组成，通过串行通讯与控制器连接并接收控制器上传的数据进行显示、判断、储存等处理。对接收到的控制器数据故障信息通过信号灯或其他方式显示故障位置。根据故障对燃气轮机的影响，进行声光报警。系统的显示介面设计有操作按钮面板的操纵的功能，可对燃气轮机的工作状态进行监控，针对重要参数设计有图形趋势和文本。系统监控计算机能够直观的显示监控界面，操作方便，工作人员可从显示界面直观的得到燃机当前的工作状态及各主要参数，如出现故障或异常信息，显示界面会及时提供报警信息提醒工作人员。试验操纵盒21通过操纵盒控制按钮燃机的起动、停车控制。本发明的工作原理为：增压泵1对燃油增压后将燃油传输给齿轮泵2，齿轮泵2上安装电机驱动其运转，燃油通过齿轮泵2进入燃油计量装置3，步进电机6控制燃油计量装置3的活门开度，燃油计量装置3将燃油传输给燃油分配器4，经过燃油分配器4的燃油分两路分别传输给第一喷嘴11和第二喷嘴12，实现燃气轮机18的燃油点火和供给，电机16用于向齿轮泵2和燃气轮机18的低压发动机提供动力。电子控制柜15和监控计算机20接受启动信号后开始起动，产生低压转速n1、高压转速n2、动力涡轮转速np转速和温度t4并通过相应的传感器传递至电子控制柜15，通过电机16驱动齿轮泵2，并将测速信号传给电子控制柜15，并经过测速信号传给电子控制柜15中的控制器；同时燃气轮机18输出转速n1、np经过v/f转换成频率信号输入电子控制器15。通过控制齿轮泵2的转速来控制低压转速n1，高压转速n2、动力涡轮转速np经过将电压信号转换成频率信号输入电子控制柜15。参照图2，控制软件对动力涡轮转速np进行闭环调节，计算出动力涡轮转速np的目标值np1，然后通过控制燃油计量装置3控制手柄角度来控制燃油流量，进而将燃气轮机18的动力涡轮转速np调整到目标值。电子控制柜15输出控制信号，控制驱动步进电机6，步进电机6控制燃油计量装置3的控制手柄的角度，来调节燃油计量装置3输出的燃油流量，燃油再经过燃油分配器4、第一至第三燃油管将燃油流量输送给燃气轮机18。燃气轮机18接收到燃油后，自动调整动力涡轮转速np，将动力涡轮转速np调整至目标值。当数字控制系统完成起动后，并稳定工作在慢车。数字控制系统根据油门杆角度的选择给出控制计量的初始供油量，通过系统闭环控制使燃气轮机工作稳定在给定的工况状态。一种燃气轮机数字式转速控制方法，包括以下步骤：步骤1，采集燃气轮机18的低压转速n1、高压转速n2、动力涡轮转速np、输入燃气轮机18的燃油流量gf和燃气轮机18的功率ner；步骤2，根据动力涡轮的目标转速np1与动力涡轮转速np的差值，计算输入燃气轮机(18)的燃油流量的调节幅度k，步骤3，通过调整燃油计量装置(3)上控制手柄的角度和齿轮泵(2)的转速对输入燃气轮机(18)的燃油流量进行调节，调节后的输入燃气轮机(18)的等于(1+k)gf，燃油计量装置3上控制手柄的角度和齿轮泵2的转速与输出的燃油流量的对应关系如表1所示；步骤4，燃气轮机18根据输入的燃油流量将动力涡轮转速np自动调节至np1；步骤5，重复步骤1-步骤4，直至燃气轮机18停止工作。优选的，步骤1完成后，计算燃气轮机18的效率ηr，效率计算公式为根据公式其中ner为燃气轮机的功率，gf为输入燃气轮机18的燃油流量，ql为燃料的低热值，单位为kj/kg，并将计算到效率值的显示在显示器上，便于工作人员监控。本发明可实现不同控制计划的控制；实现优化的加减速控制规律；实现软件和硬件二级安全保护模式；提高系统的安全性和可靠性；提高控制精度，可以充分发挥燃气轮机的性能潜力，提高燃气轮机使用效率；具备数据记录和存储、数据交换、监视与保护系统与舰船中央计算机交换信息的等功能；可对软件进行修改，使燃气轮机适用于不同的负荷特性，有利于拓展燃气轮机的使用范围。与传统的机械液压式控制系统相比，其功能更优越，使用寿命更长，可靠性高。起动控制操作过程如下：工况选择开关在“起动”位置，有“燃机准备起动”灯亮，此时按下“燃机起动”按钮则执行起动过程；起动逻辑：a)1秒后接通起动电机进入第一转速；b)50后起动电机进入第二转速；c)80秒后接通等离子点火装置；d)105秒后接通起动燃油电磁阀，接通喷嘴第二油路供气电磁阀(向喷嘴第二油路供气，以利雾化)；e)105秒接通停车开关电源；f)120秒断开点火装置，断开起动燃油电磁阀；g)150秒后断开起动电机及取消第一、第二转速指令；h)220秒后，燃机进入到慢车工况。i)起动过程中，可通过手动补油、减油按钮进行实时修正；j)到慢车工况后，通过推动油门杆设定工况限制值。升降工况通过监控界面油门杆上升、下降按钮实现，油门角度上升斜率限制在给定范围内。到达油门杆设定工况后，工况不再增加。起动停车控制操作过程如下：起动停车条件：a)收到燃机“停机”(按钮)信号；b)起动机380v电源消失；c)起动机工作逻辑破坏；d)收到故障保护动作的信号；如果满足以上任意一条，则中止起动、冷吹、工艺冷吹、假起动或油封控制。起动停车逻辑：燃机处在“燃气轮机起动”状态，此时有中止控制标志，则执行起动停车控制；a)开启故障泄放阀(当涡轮后温度超温时动作)；a)断开等离子点火装置；b)取消接通电动机进入第一转速和第二转速的指令；c)关闭喷嘴第二油路供气电磁阀；d)关闭起动燃油电磁阀；e)关闭油封开关；f)关闭停车开关；g)如果停车开关关闭后满80秒，打开喷嘴第一、二油路的供气电磁阀；30s后，关闭喷嘴第一、二油路的供气电磁阀；h)当燃机转速<＝500r/min时，若按下“复位”按钮则退出起动停车过程；燃机停转后由操作员手动断开电动排油泵和吸油泵)涡轮后排气温度限制过程涡轮后排气温度限制功能在“起动”状态且停车开关通电时投入工作。涡轮后排气温度传感器的信号，通过时间常数为n(0-10)秒(值可调)的滞后补偿后(在起动过程中起作用)，经算术平均(去掉大值及小值，取中间的两个值做算术平均)后得到涡轮后排气温度，与限制值比较：为了检查涡轮后排气温度限制功能，设“检查1”、“检查2”指令。在燃机不工作状态下，“检查1”指令接通，向温控燃油排放阀发送占空比为100％的信号，经过m(0-10)秒(后，给出故障保护停机信号，并点亮“涡轮后排气温度高”信号灯。在燃机工作状态下，“检查2”指令接通，将涡轮后排气温度限制值降低，降低为限制值的80％，如涡轮后平均排气温度高于此限制值，向温控燃油排放阀发送可变占空比信号，燃油调节器降低供油量，燃机转速下降，但不给出故障保护停机信号。当前第1页12