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★ 北京和利時(shí)工業(yè)軟件有限公司 鄧平，劉棟

關(guān)鍵詞：

燃機(jī)仿真；燃機(jī)控制；DCS控制；邏輯策略；和利時(shí)

1引言

燃機(jī)是由航空發(fā)動(dòng)機(jī)衍化發(fā)展而來，隨著國家對清潔能源發(fā)展的需求，我國燃機(jī)裝機(jī)容量逐年遞增，但是，航空發(fā)動(dòng)機(jī)（燃機(jī)）被譽(yù)為“工業(yè)皇冠上的明珠”，制造材料要求高，控制工藝復(fù)雜，目前燃機(jī)廠家基本有三菱、普惠、西門子，當(dāng)然我國也在開發(fā)國產(chǎn)燃機(jī)項(xiàng)目，燃機(jī)全部國產(chǎn)化之路還需要時(shí)間。《天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出，“十三五”要抓好天然氣發(fā)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(fèi)比重力爭提高到10%左右。2017年6月，國家發(fā)改委與國家能源局聯(lián)合發(fā)布《依托能源工程推進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見》，就燃?xì)廨啓C(jī)國產(chǎn)化提出具體要求。

我國對燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)研究力量不足，研發(fā)制造滯后于市場需求，目前90％以上機(jī)組都需要從國外引進(jìn)。雖然我國企業(yè)與GE、三菱、西門子等國外燃?xì)廨啓C(jī)制造商合作，但燃?xì)廨啓C(jī)部件和聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行控制等核心技術(shù)外方并未轉(zhuǎn)讓，導(dǎo)致項(xiàng)目總投資難以下降。此外燃?xì)廨啓C(jī)等核心設(shè)備的運(yùn)營維護(hù)成本居高不下。近年我國出臺一系列政策促進(jìn)分布式能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)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(nèi)的亞太地區(qū)天然氣價(jià)格較高，導(dǎo)致天然氣分布式能源發(fā)電成本是普通燃煤電站的2~3倍，競爭力較差，隨著能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，燃機(jī)發(fā)展還有很大的增長空間。

燃機(jī)分布式能源（distributedenergysources）中最為核心的燃機(jī)生產(chǎn)控制環(huán)節(jié)，一直是行業(yè)難點(diǎn)，我們基于仿真技術(shù)進(jìn)行燃機(jī)的控制技術(shù)探討。

2燃機(jī)的原理和特點(diǎn)

2.1工作過程：布雷登循環(huán)（BraytonCycle）

（1）吸氣壓縮

（2）燃燒加熱

（3）膨脹做功

（4）排氣放熱

燃機(jī)布雷登循環(huán)過程如圖1所示。

圖1燃機(jī)布雷登循環(huán)（BraytonCycle）

燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電原理不同于常規(guī)的采用朗肯循環(huán)的蒸汽輪機(jī)發(fā)電技術(shù)，它采用布雷頓循環(huán)，主要是根據(jù)布雷頓循環(huán)原理將燃料的化學(xué)能通過透平——發(fā)電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電能。

壓氣機(jī)從外部吸入空氣，壓縮后送入燃燒室，同時(shí)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(jìn)行燃燒，生成的高溫、高壓煙氣進(jìn)入透平（渦輪）膨脹做功，推動(dòng)動(dòng)力葉片高速旋轉(zhuǎn)，從而使得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)做功。轉(zhuǎn)子做功的驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備，如發(fā)電機(jī)、泵、壓縮機(jī)等。透平出來的煙氣溫度很高，可再利用（如利用余熱鍋爐進(jìn)行余熱回收利用）或直接排入大氣（如航空發(fā)動(dòng)機(jī)）。

燃機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2燃機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2燃機(jī)特點(diǎn)

（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(dòng)快，具有優(yōu)秀的調(diào)峰性能運(yùn)行可靠，自動(dòng)化程度高；

（4）熱效率高（重型燃機(jī)>55%），可燃用多種燃料，污染排放低等；

（5）單體造價(jià)貴，維護(hù)費(fèi)用貴。其中，燃機(jī)啟動(dòng)快，功率響應(yīng)迅速，在電網(wǎng)調(diào)峰或者孤網(wǎng)運(yùn)行模式下有很高的調(diào)節(jié)品質(zhì)，在大型艦艇應(yīng)用上燃機(jī)更是有著傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)無法相比的功率相應(yīng)能力，大大縮短了大型艦艇的加速時(shí)間，在國防領(lǐng)域應(yīng)用意義重大。

3燃機(jī)控制——子系統(tǒng)和策略

該控制系統(tǒng)控制邏輯采用的是SimaticPCS7系列集散控制系統(tǒng)（DCS）產(chǎn)品。使用的處理站類型為S7-400系列。程序設(shè)計(jì)語言為SFC（順序功能圖）和CFC（連續(xù)功能圖），在WinCC操作員站內(nèi)還集成有帶圖形顯示的功能塊語言。PCS7硬件和標(biāo)準(zhǔn)的燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用軟件與各種專用前端系統(tǒng)一起構(gòu)成了該控制系統(tǒng)。

GTS-800型號燃機(jī)輔助子控制系統(tǒng)有：（1）冷卻與密封氣系統(tǒng)（MBH10）；（2）啟動(dòng)系統(tǒng)（MBJ）；（3）齒輪箱系統(tǒng)（MBK）；（4）閃回探測系統(tǒng)（MBA20）；（5）進(jìn)氣系統(tǒng)（MBL）；（6）干燥系統(tǒng)（MPS）；（7）氣體燃料系統(tǒng)（MBP）；（8）潤滑油系統(tǒng)（MBV）；（9）脈動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)（MBX）；（10）冷卻水系統(tǒng)（PGA）；（11）電池模塊間通風(fēng)系統(tǒng)（SAB）；（12）就地設(shè)備間空調(diào)系統(tǒng)（SAC）；（13）燃機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)（SAG）；（14）壓氣機(jī)水洗系統(tǒng)（SDB）；（15）氣體探測系統(tǒng)（SFY）；（16）消防系統(tǒng)（SGJ）；（17）儀表空氣系統(tǒng)（QFA）；（18）保護(hù)系統(tǒng)（CAA）；（19）調(diào)節(jié)系統(tǒng)（CJP）；（20）控制系統(tǒng)（CRB、CWA）等系統(tǒng)。

上述控制系統(tǒng)中，（1）-（17）控制子系統(tǒng)中涉及的被控對象，基本都是輔助設(shè)備或者輔助功能的類型，被控對象的參數(shù)需求明確，在燃機(jī)實(shí)際運(yùn)行中基本可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，在邏輯組態(tài)過程中常規(guī)的組態(tài)算法可以實(shí)現(xiàn)上述子系統(tǒng)的功能組。

3.1GTS-800型號燃機(jī)控制器概述

SGT-800型燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)中燃機(jī)的閉環(huán)控制器，沿用了最小值（最大值）選擇控制器架構(gòu)（與T3000架構(gòu)類似），具備快速處理功能，主要實(shí)現(xiàn)燃機(jī)的重要保護(hù)及閉環(huán)控制功能，此部分相當(dāng)于蒸汽輪機(jī)的DEH控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制中主要有以下幾方面控制功能：啟動(dòng)控制、轉(zhuǎn)速/負(fù)荷控制、排汽溫度控制、負(fù)荷限制控制、壓氣機(jī)壓比控制、壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉控制、閥位控制等。燃機(jī)控制功能示意圖如圖3所示。

圖3燃機(jī)控制功能示意圖

燃機(jī)仿真實(shí)際控制截圖如圖4所示。

圖4燃機(jī)仿真實(shí)際控制截圖

3.2SGT-800型燃?xì)廨啓C(jī)控制難點(diǎn)

難點(diǎn)一，轉(zhuǎn)速和功率控制：SGT-800型燃機(jī)壓氣機(jī)和透平同軸機(jī)組，最大程度減少控制設(shè)備，但是控制難度和精度隨之增大，要求燃機(jī)的自動(dòng)化要精準(zhǔn)控制，在燃機(jī)運(yùn)行中參數(shù)過調(diào)裕度小，由于燃機(jī)的功率輸出不是單一因素決定：

DrivenEquipment輸出功率=燃?xì)廨啓C(jī)-壓氣機(jī)+啟動(dòng)拖動(dòng)

燃機(jī)設(shè)備原理圖如圖5所示。

圖5燃機(jī)設(shè)備原理圖

·C=Compressor壓氣機(jī)

·CC=CombustionChamber燃燒室

·T=Turbine汽輪機(jī)

·D=DrivenEquipment從動(dòng)設(shè)備

·SSS=啟動(dòng)電機(jī)離合器

擾動(dòng)：燃機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率控制回路輸出受到3個(gè)因素外擾，A、燃燒室燃燒產(chǎn)生的熱氣推力輸入。B、VGV閥門控制（排氣溫度溫控壓氣機(jī)出力）。C、燃機(jī)啟動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)。D、燃?xì)廨啓C(jī)Turbine做功效率。具體如圖6所示。

圖6燃機(jī)輸出功率影響因素示意圖

策略：在一個(gè)目標(biāo)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制回路中，輸出控制對象是燃機(jī)燃料控制，在此閉環(huán)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(zhuǎn)速和功率控制器外單獨(dú)的控制器，VGV控制器控制燃機(jī)合理的壓氣機(jī)壓縮比，空氣/燃?xì)獗龋ＷC燃機(jī)的排氧量大約在13%，效率最佳。

難點(diǎn)：燃機(jī)在目標(biāo)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制回路中，功率受到VGV控制回路的外擾動(dòng)，相當(dāng)于VGV控制是功率轉(zhuǎn)速控制回路開環(huán)控制，在燃機(jī)仿真控制過程中，需要重點(diǎn)考慮燃機(jī)功率和VGV算法的耦合性，否則燃機(jī)無法在功率響應(yīng)、排期溫度控制、穩(wěn)定性達(dá)到預(yù)期的控制效果。

3.3SGT-800型燃?xì)廨啓C(jī)仿真沖轉(zhuǎn)過程

燃機(jī)在啟動(dòng)過程中有三個(gè)階段：1500rpm清吹階段，啟動(dòng)點(diǎn)火階段離合器拖動(dòng)階段、燃機(jī)氣體點(diǎn)火主控階段。燃機(jī)從沖轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速6600rpm只有約5.5分鐘，其中燃機(jī)有三次控制器切換，完成動(dòng)力交接和分配。

清吹階段：SSS主控燃機(jī)轉(zhuǎn)速，動(dòng)力全部由SSS控制，SSS控制器具有PI特性。

點(diǎn)火升速到5500rpm階段：燃機(jī)4800rpm之前，燃機(jī)SSS控制器作為主要輸出動(dòng)力，主控轉(zhuǎn)速，大于5100rpm后，燃機(jī)點(diǎn)火穩(wěn)定，SSS逐漸減小動(dòng)力，點(diǎn)火回路主控轉(zhuǎn)速，SSS在5500rpm自動(dòng)脫離，燃機(jī)升速到6600rpm。燃機(jī)啟動(dòng)過程參數(shù)截圖如圖7所示。

圖7燃機(jī)啟動(dòng)過程參數(shù)截圖

沖轉(zhuǎn)階段：當(dāng)啟動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)時(shí)，控制系統(tǒng)被給予預(yù)定的速度參考。該速度參考值對應(yīng)于適于燃?xì)廨啓C(jī)組設(shè)定的吹掃速度。燃機(jī)因此加速到1500rpm。清吹會持續(xù)一段時(shí)間，足以使燃?xì)廨啓C(jī)和整個(gè)排氣系統(tǒng)通風(fēng)。

當(dāng)清吹時(shí)間過去后，燃燒室被點(diǎn)燃，燃機(jī)加速到怠速6600rpm。當(dāng)燃機(jī)加速超過其自持速度（5050rpm）時(shí)，電機(jī)在5500rpm卸載，5600rpm時(shí)電機(jī)上的負(fù)載為零，電機(jī)速度將下降。電機(jī)軸轉(zhuǎn)速開始慢于燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子，SSS離合器分離。電機(jī)最后由變頻器的直流制動(dòng)系統(tǒng)停機(jī)。

燃機(jī)啟動(dòng)過程參數(shù)截圖如圖8所示。

圖8燃機(jī)啟動(dòng)過程參數(shù)截圖

3.4SGT-800型燃?xì)廨啓C(jī)仿沖轉(zhuǎn)邏輯

（1）燃機(jī)沖轉(zhuǎn)過程中，前期（speed<5000rpm）由燃?xì)饪刂破鼽c(diǎn)火內(nèi)置算法持續(xù)增大燃?xì)廨斎耄鸬饺細(xì)庵鸱€(wěn)定的作用，并提供啟動(dòng)能量，燃機(jī)升速主要還是靠啟動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)，在燃機(jī)轉(zhuǎn)速大于5000rpm，最低點(diǎn)火能量釋放完成，激活轉(zhuǎn)速pid控制回路，轉(zhuǎn)速PID接管燃機(jī)轉(zhuǎn)速控制。

燃機(jī)點(diǎn)火維持能量持續(xù)給定邏輯如圖9所示。

圖9燃機(jī)點(diǎn)火維持能量持續(xù)給定邏輯

（2）燃機(jī)沖轉(zhuǎn)過程中speed>5000rpm，燃機(jī)Select_Load跟蹤退出，SPEED_1介入燃機(jī)轉(zhuǎn)速控制。轉(zhuǎn)速控制回路中有3路控制回路：沖轉(zhuǎn)給定轉(zhuǎn)速回路、停機(jī)轉(zhuǎn)速HOLD回路、停車（盤車）算法回路。其中給定轉(zhuǎn)速控制回路中，需要在控制策略中考慮給定限速，防止燃機(jī)定速后超調(diào)引起超速。燃機(jī)啟動(dòng)speed控制截圖（仿真）如圖10所示。

圖10燃機(jī)啟動(dòng)speed控制截圖（仿真）

（3）燃機(jī)并網(wǎng)帶負(fù)荷記憶后，燃機(jī)Select_Load再次選擇跟蹤，SPEED_1控制權(quán)交給LOAD01功率控制器，由功率控制器控制燃機(jī)能量給定輸出。燃機(jī)仿真沖轉(zhuǎn)截圖（仿真）如圖11所示。

圖11燃機(jī)仿真沖轉(zhuǎn)截圖（仿真）

4結(jié)論

邏輯策略：

（1）針對燃機(jī)的工藝特點(diǎn)，各個(gè)閉環(huán)控制器回路采用PI算法。（2）基于T3000最小選擇的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)燃機(jī)燃料主控輸出。（3）燃機(jī)轉(zhuǎn)速和功率PI控制器，根據(jù)功能切換時(shí)必須無擾動(dòng)切換，且轉(zhuǎn)速和功率的PI算法控制器應(yīng)接近。（4）燃機(jī)對于響應(yīng)的要求高，部門耦合確定的參數(shù)可以放到PI控制器前饋中計(jì)算，提高燃機(jī)響應(yīng)。（5）部分容易波動(dòng)的數(shù)據(jù)，邏輯算法需要做濾波處理，提高控制質(zhì)量。

國產(chǎn)DCS仿真系統(tǒng)在荊門燃機(jī)電廠項(xiàng)目的順利實(shí)施，彰顯了國產(chǎn)化DCS在仿真領(lǐng)域扎實(shí)堅(jiān)硬的技術(shù)實(shí)力及優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。本套仿真系統(tǒng)操作體驗(yàn)真實(shí)、仿真精度高、系統(tǒng)功能強(qiáng)大；同時(shí)在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)、分析等方面提供了數(shù)據(jù)支撐。基于GTS-800型號燃機(jī)的仿真，我們在仿真機(jī)上驗(yàn)證和推演燃機(jī)的控制邏輯和策略，探討和優(yōu)化燃機(jī)控制邏輯，在燃機(jī)仿真控制領(lǐng)域和燃機(jī)類的DCS控制應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生價(jià)值，為自動(dòng)化領(lǐng)域的其他控制產(chǎn)品可以提供借鑒。

作者簡介：

鄧平（1986-），男，陜西榆林人，學(xué)士，工程師，現(xiàn)就職于北京和利時(shí)工業(yè)軟件有限公司，主要研究方向?yàn)殡娏Ψ抡妗⑦壿媰?yōu)化、智能優(yōu)化。

劉棟（1977-），男，河北張家口人，碩士，高級工程師，現(xiàn)就職于北京和利時(shí)工業(yè)軟件有限公司，主要研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化及工業(yè)軟件。

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年8月刊