1、燃气轮机控制系统的设计作 者 姓 名： helel指 导 教 师： 陈 教授单 位 名 称： 信息科学与工程学院专 业 名 称： 自动化东 北 大 学2010 年 6 月Design of a control system of gas turbine by Helel.YangSupervisor: Professor Chen Northeastern UniversityJune 2010东北大学本科毕业设计（论文） 任务书I毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：燃气轮机控制系统的设计设计(论文) 的基本内容：(1)了解燃气轮机系统的工作原理和发展现状； (2)燃气轮机系统的总体方
2、案设计；(3)燃气轮机控制系统的硬件设计；(4)控制系统编程，实现燃气轮机系统的控制；毕业设计（论文）专题部分：题目： 设计或论文专题的基本内容：学生接受毕业设计（论文）题目日期第 2 周指导教师签字：2010 年 3 月 08 日东北大学本科毕业设计（论文） 摘要II燃气轮机控制系统的设计摘要燃气轮机是将燃料燃烧时产生的热能转化成机械能的一种热机，是当前世界上最新和最主要的动力机械。随着燃气轮机单机功率的增大，以及以燃气轮机技术为核心的动力装置的广泛使用，燃气轮机的控制系统性能显得越来越重要。在一定程度上，燃气轮机的控制系统性能决定着相应的动力装置的变工况性能、经济性和安全性能。所以燃气轮机
3、自动控制策略是控制领域内一个重要的研究方向。本文总结了燃气轮机控制技术的发展和现状，介绍了目前比较常见的燃气轮机控制手段，对燃气轮机生产工艺进行了细致的介绍。包括燃气轮机的结构组成，燃气轮机的主控及顺序控制的要求等。并对燃气轮机的主要设备进行分析，将燃气轮机的主控系统按功能进行分块，根据燃气轮机的主控系统要求，分别设计了燃气轮机转速控制、燃气轮机温度控制等控制回路。同时介绍了有关 PLC 的资料以及利用 PLC 设计的的自动控制系统，重点介绍了此次课题选用的 S7-400。本文介绍了所设计控制系统的主要输入输出，有关控制系统的 IO 表，还详细叙述了用 PLC 的编程软件 STEP7 选择模块
4、，填写符号表，并进行了硬件设计的过程。然后本文对燃气轮机的主控系统按功能进行分块，介绍了各个控制回路的控制原理，根据控制回路的控制要求设计了各个块的程序框图。然后在 STEP7 中创建了相应的程序块。本文还叙述了有关 PID 算法的资料，然后简单介绍了 MATLAB 的 SUMLINK 软件，并利用 SUMLINK 对相关控制回路算法进行了仿真。最后本文对此次设计做了总结，对燃气轮机的将来发展做了展望。关键词：顺序控制系统；主控系统；燃气轮机；PLC 自动控制东北大学本科毕业设计（论文） AbstractIIIDesign of a control system of gas turbine
5、AbstractGas turbine is a kind of heat engine that make the thermal energy produced by burning fuel into mechanical energy, it is currently the worlds newest and most important power machinery.With the power of the single gas turbine increases,as well as the widespread use of power plant that use the
6、 gas turbine technology as the core, the performance of gas turbine control system become increasingly important . To some extent, the performance of gas turbine control system determines the design performance, economy and safety of the appropriate power plant.The automation controlling strategy of
7、 gas turbine is an important research area of control.This paper summarizes the development and the present situation of the automatic control technology of gas turbine, introducing the current common means of gas turbine control and the gas turbine production technology in detail. It includes the s
8、tructure of the gas turbine, the requirement of the main control and the sequence control of the gas turbine. According to requirements of the main control system of the gas turbine,this paper resigns temperature control, speed control of gas turbine. It also introduces the PLC automation system. Th
9、is task uses PLC-400.This article describes the input and output of the designed control system, the IO table of the control system, describing in detail with the process of using modules STEP7 of PLC programming software and filling in symbol table. And it makes the hardware configuration. It carri
10、es out according to the functions of block for the system of gas turbine, introducing the control principle of the various control loops, designing each block diagram in accordance with the requirements of control procedures of Control loop. It creates the corresponding block in STEP7. This paper de
11、scribes the information about PID Algorithm, and describes something about SUMLINK of the MATLAB. At the last of the paper, describes the Simulation of the control algorithm.At last this paper summarizes for this design, prospecting the future development of gas turbine. Key words：Sequence Control S
12、ystem；Main Control System；Gas Turbine；PLC Automatic Control东北大学本科毕业设计（论文） 目录IV目录毕业设计（论文）任务书 I摘要 .IIAbstractIII第一章 绪论51.1 课题背景及意义.51.2 燃气轮机及其控制系统的发展概况.51.3 课题主要内容.5第二章 燃气轮机工艺及 PLC 概述 52.1 燃气轮机系统及工作原理概述.52.2 燃气轮机控制要求.52.3 PLC 概述 .52.3.1 PLC 发展及现状 52.3.2 STEP7 概述 52.3.3 PLC400 概述 52.4 本章小结.5第三章 燃气轮机控制系
13、统的设计53.1 燃气轮机顺序控制系统.53.1.1 起动程序控制53.1.2 正常停机程序控制53.2 燃气轮机主控系统子系统.53.2.1 燃气轮机起动控制53.2.2 转速控制53.2.3 加速控制53.2.4 温度控制53.2.5 停机控制53.2.6 手动控制53.2.7 FSR 最小值选择 53.3 燃料控制系统.53.4 硬件设计.53.4.1 燃气轮机主要输入输出53.4.2 控制系统硬件实现53.5 本章小结.5第四章 软件设计及仿真54.1 燃气轮机主控系统软件设计.54.1.1 STEP7 模块概述 5东北大学本科毕业设计（论文） 目录V4.1.2 程序结构设计54.1.
14、3 软件设计54.2 PID 算法仿真 54.2.1 PID 算法概述 .54.2.2 算法仿真54.3 本章小结.5第五章 结论5参考文献5致谢5东北大学本科毕业设计（论文） 0 绪论- 1 -第一章 绪论1.1 课题背景及意义燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气透平等组成。压气机有轴流式和离心式两种，轴流式压气机效率较高，适用于大流量的场合。在小流量时，轴流式压气机因后面几级叶片很短，效率低于离心式。功率为数兆瓦的燃气轮机中，有些压气机采用轴流式加一个离心式作末级，因而在达到较
15、高效率的同时又缩短了轴向长度。燃气轮机的工作过程是，压气机(即压缩机)连续地从大气中吸入空气并将其压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气透平中膨胀做功，推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的高温燃气的做功能力显著提高，因而燃气透平在带动压气机的同时，尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。燃气轮机凭借其污染小、热效率高、调峰性能好、启动快捷、建设周期短、占地少、投资省等优点，日益受到人们的青睐，近年来在世界范围内发展迅猛，燃气轮机发电己经成为电力的发展趋势。世界重型燃气轮机制造业经过 60 多年的研制、发展和竞争，目前己形成了高度垄断的局面，即以 GE
16、、西门子/西屋、三菱和阿尔斯通等主导公司为核心，其他制造公司多数与主导公司结成伙伴关系，合作生产或购买制造技术生产。在我国，国家发改委提出统一组织国内资源，集中招标，引进技术，促进国内燃气轮机产业的发展和制造水平的提高，即通过捆绑式招标，实施“市场换技术” ，旨在引进国外先进的燃气轮机设备的同时引进重型燃气轮机的制造技术，先后组织了3 次 F 级和 E 级燃气轮机的捆绑招标，引进了 GE、三菱、西门子公司的燃气轮机制造技术，总容量达 1600 万 KW，为组织消化吸收、掌握这一高新技术，形成自我开发能力打下坚实基础。 燃气轮机控制系统的性能决定着相应的动力装置的变工况性能、经济性和安全性能，正
17、因为控制系统的特殊重要性，各大公司也推出了相应的燃气轮机控制系统，比较著名的有 GE 公司的 Speed tronie TM Mark 控制系统，西门子公司的 TELEPERMXP控制系统等。燃气轮机的迅速发展对电站的自动控制系统提出了更高的要求，随着燃气轮机单机功率的增大，以及以燃气轮机技术为核心的动力装置的广泛使用，燃气轮机的控制系统性能显得越来越重要。在一定程度上，燃气轮机的控制系统性能决定着东北大学本科毕业设计（论文） 0 绪论- 2 -相应的动力装置的变工况性能、经济性和安全性能。燃气轮机控制系统是电站的神经系统，以保证机组的安全和可靠运行，除了配备先进的主机设备外，完善的调节控制系
18、统更能充分发挥燃气轮机的最大优越性，而燃气轮机起动控制具有不同于一般变工况的特性，是燃气轮机控制系统的重要组成部分，其特性对于提高燃气轮机的使用寿命具有很重要的意义。在我国，对于燃气轮机发电的研究还正处在发展阶段，尚不具备燃气轮机控制系统的自主研发能力，国内相应的燃气轮机电站大多直接进口国外的控制系统，但随着国内燃气轮机技术的不断发展燃气轮机的国产化程度逐步提高，必然对控制系统的可靠性和自动化程度提出更高的要求 1。本文分析研究了燃气轮机控制系统，希望能够有助于大家对燃气轮机控制系统的了解和认识，探讨燃气轮机的自动控制技术的未来发展，将有助于我国开发具有自主知识产权的燃气轮机控制系统。1.2
19、燃气轮机及其控制系统的发展概况燃气轮机是一项多技术集成的高技术，其传统的提高性能途径：不断地提高透平初温、相应地增大压气机压比和完善有关部件。50 年代初，透平初温(t 3 )只有 600- 700，靠耐热材料性能的改善，平均每年上升约 10；60 年代后，还藉助于空气冷却技术，t 3 平均每年升 20。从 70 年代开始,充分吸取先进航空技术和传统汽轮机技术，沿着传统的途径不断提高性能,现已开发出一批“F” 、 “FA”、 “3A”型技术的新产品，它们代表着当今商业化的工业燃气轮机的最高水平：t 3 为 1300，压气机压比 = 10 30，简单循环效率 sc = 36 - 40 %，联合循
20、环效率 cc = 55 % - 58 %。近期将把 t3 提高到1430，这也许是传统的冷却技术和材料所能达到透平初温的极限。正在开发的新一代产品的主要特征是采用蒸汽冷却技术，高温部件的材料仍以超级合金为主，采用先进工艺( 定向结晶 ,单晶叶片等)，部分静部件可能采用陶瓷材料。初温有较大提高t3=1400-1500，将应用智能型微机控制系统，并更加重视环保性能。对未来燃气轮机的构思将基于采用革命性新材料，发动机处于或接近理论燃烧空气量的条件下工作，t3 将达 1600- 1800,现采用的熔点 1200、密度为 8g/cm3 的叶片超级合金将被淘汰,新的高级材料应是小密度(的主显示选择 STO
21、P 目标字段而给出停机信号L94X。如果发电机断路器是闭合的，一旦给出 L94X 信号，数字给定点开始以正常速率下降以减少 FSR 和负荷。直到逆功率继电器动作使发电机断路器开路 18。此时 FSR 将逐步下降到最小值 FSRMIN。所给定的最小值 FSRMIN 应做到在 34 分钟内让燃机下降到L14HA 失电值 (约 46TNH)。当 L14HA 失电将导致 FSR 被箝位于零，从而关闭燃料截止阀切断燃料。在停机过程中由于燃料的减少和切断使得燃机的热通道部分受到温度变化的冲击而产生应力。犹如其起动过程一样，升温和降温速度过快同样影响了机组部件的使用寿命。因此要通过控制系统来控制停机过程中
22、FSRSD 的递减速率来合理控制热应力的大小。在主控系统中由 FSRSD 作为停机过程中 FSR 控制是在最近几年中新增的。3.2.6 手动控制操作者可以通过操作接口手动控制 FSR。一般是在控制器故障或调试时才用。手动控制燃料行程基准 FSRMAN 也将作为最小值选择门 MIN SEL 的诸项输入之一。3.2.7 FSR 最小值选择6 个控制系统分别控制其相应的燃料行程基准是：东北大学本科毕业设计（论文） 第三章 燃气轮机控制系统的设计- 20 -(1)FSRSU 起动控制系统；(2)FSRACC 加速控制系统；(3)FSRT 温度控制系统；(4)FSRN 转速控制系统；(5)FSRSD 停
23、机控制系统；(6)FSRMAN 手动 FSR 控制系统。这 6 个燃料行程基准输到 FSR 最小值选择门，选出其中最小值赋给 FSR 作为选用的燃料行程基准。同一时刻仅有一个系统的燃料行程基准通过最小值选择门，进入控制。FSR 最小值选择门保证了上述各控制系统的协同配合。例如轮机点火时，FSR=FSRSU，处于起动控制。而其他控制系统都处于退出控制状态。这是由于：(1)转速远低于转速基准(虽然此时转速基准设置为起动最小值)，FSRN=FSRMAX；(2)转子尚由起动装置驱动，转速增加不会太快，加速控制系统不可能进入控制，FSRACC=FSRMAX；(3)燃机点火排气温度还很低，温控系统不可能进
24、入控制，FSRT=FSRMAX；(4)在起动过程没有停机信号，当然停机控制退出控制，FSRSD=FSRMAX ；(5)非手动情况下 FSRMAN=FSRMAX，手动控制退出。起动过程中，暧机阶段转速低，加速度也低，只有起动控制系统可能进入控制。嗳机后的加速过程中转速控制系统，起动控制系统最有可能介入控制，温度控制和加速控制只是后备限制。点火、暧机都由起动控制系统控制。暖机以后，开始仍由起动控制系统按起动加速速率提升 FSR。排气温度 TTXM 和转速 TNH 随之上升。到 200 秒左右，TNH 达到40左右，转速控制介入，TNR 按起动上升速率上升。因此 TNH 也近似于直线上升。但 FSR
25、 上升速率已较起动控制系统起动加速 FSR 上升速率低，起动控制系统由此时起退出控制。再以后可能是转速控制或加速控制的复杂过程，起动程序完成转速便停在1003，加速立即停止，所以 FSR 降下来，稳定在全速空载值上，等待并网。并网运行时，起动控制、加速控制都处于 FSRMAX，因而处于退出状态。可能进入控制的是转速控制和温度控制。在功率不太高的情况下，排气温度达不到温控基准，温控系统退出控制，由转速控制系统控制运行 19。升降转速基准就可以增减功率。功东北大学本科毕业设计（论文） 第三章 燃气轮机控制系统的设计- 21 -率增加到一定程度，排气温度升到温控基准，温控系统便进入控制，此时 FSR
26、T 减小，直到低于 FSRN，转速控制系统便退出控制，功率便被温控所限，再增加转速基准也不能增加功率(同时程序也禁止调节器增加转速基准)。如果运行选择由“基本”负荷转向“尖峰”负荷，则温控线向上提高一挡，温控系统就退出控制，重新由转速控制接管。这时便又可以通过升 TNR 进一步提高功率，直到排气温度到达尖峰温控线。最小值选择门选出 6 个控制系统要求的 FSR 的最小值，作为执行控制的 FSR 送往燃料控制系统。3.3 燃料控制系统主控系统中任何一种方式都是确定燃料行程基准 FSR 输出量。燃料控制系统则是根据 FSR 确定进入燃烧室的各种燃料的总量。燃料总消耗率应为：（千克/秒） (3.7)
27、TNHFSRqf大部分的燃气轮机通常配备有双燃料系统即气体燃料系统和液体燃料系统。燃机运行时可以采用其中一种燃料也可以采用气/液混合燃料。因而燃料控制系统还应包括把总燃料消耗率分解为两种燃料的适当比例。(3.8)gqfff1(3.9)FSRS2FSR1液体燃料行程基准 FSR2气体燃料行程基准 液体燃料系统使液体燃料流量按式 3.10 变化(3.10)TNHSKfqf 11气体燃料系统使气体燃料流量按式 3.11 变化(3.11)Rfgf 2F3.4 硬件设计3.4.1 燃气轮机主要输入输出在硬件设计的开始，详细分析了系统的输入输出信号，如图 3.4 为部分符号表的截图：系统的主要输入输出有：
28、START 启动按钮：触发启动逻辑信号，检查保护系统，使系统做好启动准备。STOP 停机按钮：触发停机逻辑信号，令保护系统、辅助系统等做好停机准备。L14HM(清吹、点火指令)：检测轮机转速状态，若转速达到 TNKL14HM，则发出清吹、点火信号 L14HM，先后触发清吹和点火程序，并使起动控制系统输出点火 FSR东北大学本科毕业设计（论文） 第三章 燃气轮机控制系统的设计- 22 -信号。L14HA(加速信号 )：检测轮机转速状态，若转速达到 TNKL14HA，则发出加速信号 L14HA，开始 FSR 加速控制，使起动控制系统输出加速 FSR 信号。L14HS(启动完成信号)：检测轮机转速状
29、态，若转速达到 TNKL14HS，则发出启动完成信号 L14HS，表示启动程序已结束，取消启动逻辑信号，系统随之进入转速控制系统。最小 FSR 值：存储在系统内的预设值，是在系统运行过程中避免系统熄火的最小FSR 值。点火 FSR 值：存储在系统内的预设值，启动时，系统判定转速达到点火转速时，调用该 FSR 值。加速 FSR 值：存储在系统内的预设值，启动时，系统判定转速达到加速转速时，调用该 FSR 值。东北大学本科毕业设计（论文） 第三章 燃气轮机控制系统的设计- 23 -图 3.4 部分符号表截图燃气流量输入：在燃气管路上进行流量检测，以便对燃气流量进行控制。压气机空气流量输入：在进入压
30、气机的空气管路上进行流量检测，以便对流量进行控制。燃机转速输入：顺序控制系统中的启动、停机系统以及主控系统中的转速控制子系统都是根据转速的判定而逐步运行的。额定转速值：作为一常量存储在系统内，系统通过比较额定转速和转速采样值而控制系统的加速或平稳运行。排气温度输入：在透平的排气口出进行检测，用以控制透平内部的温度，防止温度超限；如果发生故障温度严重超限就会发出报警信号，以便工作人员及时对故障进行处理。转子角加速度信号：系统通过对燃机转速的处理得到转子角加速度信号，加速控制信号通过将转子角加速度信号与给定值比较，然后差值信号进入加速度控制系统。FSRSU：作为起动控制系统的输出值，输出到最小值选
31、择门，参与系统控制。FSRACC：作为加速度控制系统的输出值，输出到最小值选择门，参与系统控制。FSRT：作为温度控制系统的输出值，输出到最小值选择门，参与系统控制。FSRN：作为转速控制系统的输出值，输出到最小值选择门，参与系统控制。FSRSD：作为停机控制系统的输出值，输出到最小值选择门，参与系统控制。FSRMAN：当燃机进入手动控制系统时，作为手动控制系统的输出值，输出到最小值选择门，参与系统控制，在非手动控制状态下，FSRMAN=FSRMAX.。燃烧室压力输入：检测燃烧室内气体的压力，以便控制燃烧室的压力在正常的范围内。压气机入口阀、燃气入口阀位置反馈：对相关阀门的位置进行检测，防止由于相关阀门的故障而影响燃气轮机的控制。3.4.2 控制系统硬件实现3.4.2.1 模块的选择本系统中的输入输出包括数字量输入、模拟量输入、数字量输出和模拟量输出。在模拟量输入中有用以测量排气温度的 TC-K 的传感器 24 对，用以测量转速的电涡流式磁性传感器若干个。远程机架采用的是 IM153-1。
