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★ 北京和利時工業軟件有限公司 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

燃機是由航空發動機衍化發展而來，隨著國家對清潔能源發展的需求，我國燃機裝機容量逐年遞增，但是，航空發動機（燃機）被譽為“工業皇冠上的明珠”，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，當然我國也在開發國產燃機項目，燃機全部國產化之路還需要時間。《天然氣發展“十三五”規劃》指出，“十三五”要抓好天然氣發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，國家發改委與國家能源局聯合發布《依托能源工程推進燃氣輪機創新發展的若干意見》，就燃氣輪機國產化提出具體要求。

我國對燃氣發電機組的基礎研究力量不足，研發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合循環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業的發展，實現能源梯次利用，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格較高，導致天然氣分布式能源發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控制環節，一直是行業難點，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（BraytonCycle）

（1）吸氣壓縮

（2）燃燒加熱

（3）膨脹做功

（4）排氣放熱

燃機布雷登循環過程如圖1所示。

圖1燃機布雷登循環（BraytonCycle）

燃氣輪機的發電原理不同于常規的采用朗肯循環的蒸汽輪機發電技術，它采用布雷頓循環，主要是根據布雷頓循環原理將燃料的化學能通過透平——發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，在電網調峰或者孤網運行模式下有很高的調節品質，在大型艦艇應用上燃機更是有著傳統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）啟動系統（MBJ）；（3）齒輪箱系統（MBK）；（4）閃回探測系統（MBA20）；（5）進氣系統（MBL）；（6）干燥系統（MPS）；（7）氣體燃料系統（MBP）；（8）潤滑油系統（MBV）；（9）脈動監測系統（MBX）；（10）冷卻水系統（PGA）；（11）電池模塊間通風系統（SAB）；（12）就地設備間空調系統（SAC）；（13）燃機通風系統（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型，被控對象的參數需求明確，在燃機實際運行中基本可以實現閉環控制，在邏輯組態過程中常規的組態算法可以實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，主要實現燃機的重要保護及閉環控制功能，此部分相當于蒸汽輪機的DEH控制系統。閉環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控制回路中，輸出控制對象是燃機燃料控制，在此閉環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。燃機啟動過程參數截圖如圖7所示。

圖7燃機啟動過程參數截圖

沖轉階段：當啟動燃氣輪機時，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。清吹會持續一段時間，足以使燃氣輪機和整個排氣系統通風。

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停機。

燃機啟動過程參數截圖如圖8所示。

圖8燃機啟動過程參數截圖

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增大燃氣輸入，起到燃氣著火穩定的作用，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給定邏輯如圖9所示。

圖9燃機點火維持能量持續給定邏輯

（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，各個閉環控制器回路采用PI算法。（2）基于T3000最小選擇的架構，實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）部分容易波動的數據，邏輯算法需要做濾波處理，提高控制質量。

國產DCS仿真系統在荊門燃機電廠項目的順利實施，彰顯了國產化DCS在仿真領域扎實堅硬的技術實力及優秀的團隊協作能力。本套仿真系統操作體驗真實、仿真精度高、系統功能強大；同時在經濟指標統計、分析等方面提供了數據支撐。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控制應用領域產生價值，為自動化領域的其他控制產品可以提供借鑒。

作者簡介：

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

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工業軟件有限公司，主要研究方向為工業自動化及工業軟件。

摘自《自動化博覽》2022年8月刊