★ 北京和利时工业软件有限公司 邓平，刘栋

关键词：

燃机仿真；燃机控制；DCS控制；逻辑策略；和利时

1引言

燃机是由航空发动机衍化发展而来，随着国家对清洁能源发展的需求，我国燃机装机容量逐年递增，但是，航空发动机（燃机）被誉为“工业皇冠上的明珠”，制造材料要求高，控制工艺复杂，目前燃机厂家基本有三菱、普惠、西门子，当然我国也在开发国产燃机项目，燃机全部国产化之路还需要时间。《天然气发展“十三五”规划》指出，“十三五”要抓好天然气发电及分布式能源工程等四大利用工程，天然气占一次能源消费比重力争提高到10%左右。2017年6月，国家发改委与国家能源局联合发布《依托能源工程推进燃气轮机创新发展的若干意见》，就燃气轮机国产化提出具体要求。

我国对燃气发电机组的基础研究力量不足，研发制造滞后于市场需求，目前90％以上机组都需要从国外引进。虽然我国企业与GE、三菱、西门子等国外燃气轮机制造商合作，但燃气轮机部件和联合循环运行控制等核心技术外方并未转让，导致项目总投资难以下降。此外燃气轮机等核心设备的运营维护成本居高不下。近年我国出台一系列政策促进分布式能源产业的发展，实现能源梯次利用，提高能源综合使用效率。与欧美国家相比，包括我国在内的亚太地区天然气价格较高，导致天然气分布式能源发电成本是普通燃煤电站的2~3倍，竞争力较差，随着能源结构的调整，燃机发展还有很大的增长空间。

燃机分布式能源（distributedenergysources）中最为核心的燃机生产控制环节，一直是行业难点，我们基于仿真技术进行燃机的控制技术探讨。

2燃机的原理和特点

2.1工作过程：布雷登循环（BraytonCycle）

（1）吸气压缩

（2）燃烧加热

（3）膨胀做功

（4）排气放热

燃机布雷登循环过程如图1所示。

图1燃机布雷登循环（BraytonCycle）

燃气轮机的发电原理不同于常规的采用朗肯循环的蒸汽轮机发电技术，它采用布雷顿循环，主要是根据布雷顿循环原理将燃料的化学能通过透平——发电机系统转换为电能。

压气机从外部吸入空气，压缩后送入燃烧室，同时燃料（气体或液体燃料）也喷入燃烧室与高温压缩空气混合，在受控方式下进行燃烧，生成的高温、高压烟气进入透平（涡轮）膨胀做功，推动动力叶片高速旋转，从而使得转子旋转做功。转子做功的驱动压气机同时驱动机械设备，如发电机、泵、压缩机等。透平出来的烟气温度很高，可再利用（如利用余热锅炉进行余热回收利用）或直接排入大气（如航空发动机）。

燃机结构示意图如图2所示。

图2燃机结构示意图

2.2燃机特点

（1）重量较轻，体积小，安装方便；

（2）用水少，噪声最小，安全可靠；

（3）启动快，具有优秀的调峰性能运行可靠，自动化程度高；

（4）热效率高（重型燃机>55%），可燃用多种燃料，污染排放低等；

（5）单体造价贵，维护费用贵。其中，燃机启动快，功率响应迅速，在电网调峰或者孤网运行模式下有很高的调节品质，在大型舰艇应用上燃机更是有着传统内燃机无法相比的功率相应能力，大大缩短了大型舰艇的加速时间，在国防领域应用意义重大。

3燃机控制——子系统和策略

该控制系统控制逻辑采用的是SimaticPCS7系列集散控制系统（DCS）产品。使用的处理站类型为S7-400系列。程序设计语言为SFC（顺序功能图）和CFC（连续功能图），在WinCC操作员站内还集成有带图形显示的功能块语言。PCS7硬件和标准的燃气轮机应用软件与各种专用前端系统一起构成了该控制系统。

GTS-800型号燃机辅助子控制系统有：（1）冷却与密封气系统（MBH10）；（2）启动系统（MBJ）；（3）齿轮箱系统（MBK）；（4）闪回探测系统（MBA20）；（5）进气系统（MBL）；（6）干燥系统（MPS）；（7）气体燃料系统（MBP）；（8）润滑油系统（MBV）；（9）脉动监测系统（MBX）；（10）冷却水系统（PGA）；（11）电池模块间通风系统（SAB）；（12）就地设备间空调系统（SAC）；（13）燃机通风系统（SAG）；（14）压气机水洗系统（SDB）；（15）气体探测系统（SFY）；（16）消防系统（SGJ）；（17）仪表空气系统（QFA）；（18）保护系统（CAA）；（19）调节系统（CJP）；（20）控制系统（CRB、CWA）等系统。

上述控制系统中，（1）-（17）控制子系统中涉及的被控对象，基本都是辅助设备或者辅助功能的类型，被控对象的参数需求明确，在燃机实际运行中基本可以实现闭环控制，在逻辑组态过程中常规的组态算法可以实现上述子系统的功能组。

3.1GTS-800型号燃机控制器概述

SGT-800型燃气轮机控制系统中燃机的闭环控制器，沿用了最小值（最大值）选择控制器架构（与T3000架构类似），具备快速处理功能，主要实现燃机的重要保护及闭环控制功能，此部分相当于蒸汽轮机的DEH控制系统。闭环控制中主要有以下几方面控制功能：启动控制、转速/负荷控制、排汽温度控制、负荷限制控制、压气机压比控制、压气机进口导叶控制、阀位控制等。燃机控制功能示意图如图3所示。

图3燃机控制功能示意图

燃机仿真实际控制截图如图4所示。

图4燃机仿真实际控制截图

3.2SGT-800型燃气轮机控制难点

难点一，转速和功率控制：SGT-800型燃机压气机和透平同轴机组，最大程度减少控制设备，但是控制难度和精度随之增大，要求燃机的自动化要精准控制，在燃机运行中参数过调裕度小，由于燃机的功率输出不是单一因素决定：

DrivenEquipment输出功率=燃气轮机-压气机+启动拖动

燃机设备原理图如图5所示。

图5燃机设备原理图

·C=Compressor压气机

·CC=CombustionChamber燃烧室

·T=Turbine汽轮机

·D=DrivenEquipment从动设备

·SSS=启动电机离合器

扰动：燃机的转速和功率控制回路输出受到3个因素外扰，A、燃烧室燃烧产生的热气推力输入。B、VGV阀门控制（排气温度温控压气机出力）。C、燃机启动电机拖动。D、燃气轮机Turbine做功效率。具体如图6所示。

图6燃机输出功率影响因素示意图

策略：在一个目标转速的闭环控制回路中，输出控制对象是燃机燃料控制，在此闭环控制回路中受到排气温度控制器（T7和T52温度控制器制约）影响，VGV控制是在转速和功率控制器外单独的控制器，VGV控制器控制燃机合理的压气机压缩比，空气/燃气比，保证燃机的排氧量大约在13%，效率最佳。

难点：燃机在目标转速的闭环控制回路中，功率受到VGV控制回路的外扰动，相当于VGV控制是功率转速控制回路开环控制，在燃机仿真控制过程中，需要重点考虑燃机功率和VGV算法的耦合性，否则燃机无法在功率响应、排期温度控制、稳定性达到预期的控制效果。

3.3SGT-800型燃气轮机仿真冲转过程

燃机在启动过程中有三个阶段：1500rpm清吹阶段，启动点火阶段离合器拖动阶段、燃机气体点火主控阶段。燃机从冲转到额定转速6600rpm只有约5.5分钟，其中燃机有三次控制器切换，完成动力交接和分配。

清吹阶段：SSS主控燃机转速，动力全部由SSS控制，SSS控制器具有PI特性。

点火升速到5500rpm阶段：燃机4800rpm之前，燃机SSS控制器作为主要输出动力，主控转速，大于5100rpm后，燃机点火稳定，SSS逐渐减小动力，点火回路主控转速，SSS在5500rpm自动脱离，燃机升速到6600rpm。燃机启动过程参数截图如图7所示。

图7燃机启动过程参数截图

冲转阶段：当启动燃气轮机时，控制系统被给予预定的速度参考。该速度参考值对应于适于燃气轮机组设定的吹扫速度。燃机因此加速到1500rpm。清吹会持续一段时间，足以使燃气轮机和整个排气系统通风。

当清吹时间过去后，燃烧室被点燃，燃机加速到怠速6600rpm。当燃机加速超过其自持速度（5050rpm）时，电机在5500rpm卸载，5600rpm时电机上的负载为零，电机速度将下降。电机轴转速开始慢于燃气轮机转子，SSS离合器分离。电机最后由变频器的直流制动系统停机。

燃机启动过程参数截图如图8所示。

图8燃机启动过程参数截图

3.4SGT-800型燃气轮机仿冲转逻辑

（1）燃机冲转过程中，前期（speed<5000rpm）由燃气控制器点火内置算法持续增大燃气输入，起到燃气着火稳定的作用，并提供启动能量，燃机升速主要还是靠启动电机拖动，在燃机转速大于5000rpm，最低点火能量释放完成，激活转速pid控制回路，转速PID接管燃机转速控制。

燃机点火维持能量持续给定逻辑如图9所示。

图9燃机点火维持能量持续给定逻辑

（2）燃机冲转过程中speed>5000rpm，燃机Select_Load跟踪退出，SPEED_1介入燃机转速控制。转速控制回路中有3路控制回路：冲转给定转速回路、停机转速HOLD回路、停车（盘车）算法回路。其中给定转速控制回路中，需要在控制策略中考虑给定限速，防止燃机定速后超调引起超速。燃机启动speed控制截图（仿真）如图10所示。

图10燃机启动speed控制截图（仿真）

（3）燃机并网带负荷记忆后，燃机Select_Load再次选择跟踪，SPEED_1控制权交给LOAD01功率控制器，由功率控制器控制燃机能量给定输出。燃机仿真冲转截图（仿真）如图11所示。

图11燃机仿真冲转截图（仿真）

4结论

逻辑策略：

（1）针对燃机的工艺特点，各个闭环控制器回路采用PI算法。（2）基于T3000最小选择的架构，实现燃机燃料主控输出。（3）燃机转速和功率PI控制器，根据功能切换时必须无扰动切换，且转速和功率的PI算法控制器应接近。（4）燃机对于响应的要求高，部门耦合确定的参数可以放到PI控制器前馈中计算，提高燃机响应。（5）部分容易波动的数据，逻辑算法需要做滤波处理，提高控制质量。

国产DCS仿真系统在荆门燃机电厂项目的顺利实施，彰显了国产化DCS在仿真领域扎实坚硬的技术实力及优秀的团队协作能力。本套仿真系统操作体验真实、仿真精度高、系统功能强大；同时在经济指标统计、分析等方面提供了数据支撑。基于GTS-800型号燃机的仿真，我们在仿真机上验证和推演燃机的控制逻辑和策略，探讨和优化燃机控制逻辑，在燃机仿真控制领域和燃机类的DCS控制应用领域产生价值，为自动化领域的其他控制产品可以提供借鉴。

作者简介：

邓平（1986-），男，陕西榆林人，学士，工程师，现就职于北京和利时工业软件有限公司，主要研究方向为电力仿真、逻辑优化、智能优化。

刘栋（1977-），男，河北张家口人，硕士，高级工程师，现就职于北京和利时工业软件有限公司，主要研究方向为工业自动化及工业软件。

摘自《自动化博览》2022年8月刊