仿真系统在9FA燃气轮机控...系统国产化改造过程中的应用_肖艳藏.pdf

第 卷 第期 年月 ，收稿日期：；修回日期：作者简介：肖艳藏（），男，助理工程师，从事燃气轮机控制及仿真工作。：运行与改造仿真系统在 燃气轮机控制系统国产化改造过程中的应用肖艳藏，王勇，杜凯，曹伟平，陈子静，熊超（国电南京自动化股份有限公司，南京 ；江苏华电戚墅堰发电有限公司，江苏常州 ）摘要：以某 单轴燃气 蒸汽联合循环机组燃气轮机控制系统（）及数字式电液调节系统（）国产化改造为案例，介绍了燃气轮机压气机、燃烧室、透平的建模原理及主要参数的选取，重点对燃气轮机启动阶段逻辑和汽轮机热应力控制算法进行了介绍。在典型案例应用中，经过仿真测试，可以验证逻辑及控制算法的准确性，提前排除逻辑组态过程中的设计缺陷，证实仿真系统在燃气轮机控制系统国产化改造过程中起到了重要的作用。关键词：燃气轮机；仿真系统；国产化改造中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：，（，；，）：（）（），：；随着“双碳”目标的提出以及中国对能源需求的日益增长，作为碳排放量少、负荷变动响应迅速的燃气 蒸汽联合循环发电机组在电网中的作用越来越大。据中国能源报报道：年我国天然气发电量仅占全国发电量的，远低于世界天然气发电量的占比（）。在我国能源结构中，天然气发电比例与其他国家相比还有不小的差距，而随着页岩气开采技术的成熟，以及掺氢燃气轮机的研制，中国燃气轮机市场必将迎来广阔的发展前景。目前，国际上主要的几家发电用重型燃气轮机厂家都有自主研发的控制系统为其燃气轮机服务。有关技术资料属于核心机密，对中国企业设置了层层技术壁垒，为确保我国燃气轮机发电第 卷机组高端核心控制装置的信息安全和长期安全稳定运行，急需研发具有完全自主知识产权的国产化燃气轮机控制系统，从而打破国外的技术封锁，摆脱对原厂的过度依赖，掌握完全自主可控的燃气轮机控制系统核心技术。由于燃气轮机控制策略及核心算法的封闭，如何验证国产化燃气轮机控制策略和算法的准确性并减少在国产化替代过程中的不确定性，是需要解决的难题。面向运行人员培训的电厂仿真系统成为了解决此问题的重要突破点。燃气轮机仿真在燃气轮机设计、试验、系统调试、现场运行等各阶段都有重要作用。与传统燃煤机组相比，燃气轮机发电机组自动化程度更高、变负荷调节更快、运行更稳定，因此其对控制系统有更严格的要求。在改造过程中，对控制系统的验证工作必不可少。直接在现场机组进行逻辑及控制算法验证成本高、风险大，并且无法在极限工况下进行测试；而通过仿真系统对控制系统进行验证成本较低、无风险，可方便快捷地进行多次启停机测试及极限工况、事故工况下的逻辑测试。验证工作完成后，可以在此仿真系统基础上将其二次开发为培训仿真系统，对运行人员进行机组启停过程和事故处理培训工作。笔者主要研究了 燃气轮机控制系统国产化过程中的逻辑验证，概述了仿真系统搭建、仿真建模原理，详细阐述燃气轮机启动过程和热应力计算的典型应用。仿真系统搭建仿真系统采用面向对象的可视化图形、数字物理混合仿真建模。该机组的仿真系统结构见图。该项目为 单轴联合循环机组，本次改造的控制系统包括燃气轮机控制系统（）及汽轮机数字式电液调节系统（）。仿真建模包含燃气轮机模型、余热锅炉模型、汽轮机模型、电气部分励磁及同期模型。和 部分通过人机交互（）画面操作，其余部分通过模型内部设定为自动控制，在提高模型精度的同时减少测试过程中画面操作的工作量。燃烧室（干式低氮燃烧室）燃料系统阀组由速比阀（）和个气体控制阀（）控制天然气压力和流量。仿真系统将个 等效为个阀门，开度取燃气轮机燃料阀综合阀位（）给定值，并通过 机组 与燃料历史曲线得出仿真 与天然气流量的关系。该方法兼具了各系统计算的准确性，弥补了仿真模型的不足之处，也相应地减少了不必要工作。图仿真系统结构示意图 算法库仿真模型通过数学算法描述设备或过程，同一类型的设备或过程用相同的算法描述。算法由输入、输出和系数组成，使用 语言编写，编译成动态连接库（）供平台调用。可对算法进行修改或增加新的算法，将一系列算法组成各自的算法库。模型库建模过程中，通过算法名索引，以图元形式展示各算法外观，按照电厂系统图进行分系统模块化建模。调试过程中只须修改各模块之间连接关系及参数设置，无须编写代码，降低了建模的门槛，提高了建模的效率。不同机组的系统不同，其模型也不同；同类型机组系统相似，其模型也具有较高的通用性。仿真调试过程中可以在线修改模型，实时反映模型参数的修改情况。控制器系统采用与现场相同的真实控制器（）运行逻辑，重现与现场相同的控制环境，降低计算速率等不利因素对逻辑的影响。在线修改逻辑和 画面，修改完成的控制逻辑可直接在现场应用，实现仿真与现场逻辑组态同步，提高逻辑组态的效率，缩短改造项目的工期。针对燃气轮机 专门研发的 控制系统，可实时在线监测燃气轮机的工作状态，实现燃气轮机的启动升速控制、加速控制、转速负荷控制、负荷限制控制、温度控制、停机控制、压气机压比控制、燃料量分配控制、进口可转导叶（）控制、进气加热（）控制、燃烧模式切换等过程控制。通过精细化主控策略、“一键启停”式顺控策略，结合硬回路链路、多功第期肖艳藏，等：仿真系统在 燃气轮机控制系统国产化改造过程中的应用能可编程模板级和 级保护逻辑回路的多重复合保护技术，保障燃气轮机安全、可靠、高效地运行。应用程序接口（）通信程序仿真系统通常采用 协议进行模型与控制器间通信，但采用 协议最快响应时间只能达到级，过长的通信时延无法满足燃气轮机高精度的控制需求。为此专门开发了 通信程序进行模型与控制器之间的通信，将通信时延降低到 ，与仿真模型执行周期一致，达到理想的仿真效果。仿真建模原理燃气轮机仿真模型是以物理机理和相似理论为基础，以机组的设计数据、计算数据、运行数据为依据建立的数学仿真模型。数学仿真模型严格遵守能量守恒、质量守恒和动量守恒定律，如实反映工质的热力学性质。在燃气轮机仿真建模过程中，一般将燃气轮机循环过程视为满足下列条件的理想循环过程：（）工质视为理想气体，其比定压热容和等熵指数不随气体成分、压力、温度的变化而变化；（）压气机中的压缩过程和透平中的膨胀过程均为等熵过程；（）不考虑燃烧室和燃气轮机进排气道的压力损失；（）不考虑燃料的不完全燃烧损失和燃烧室、透平、过渡段的散热损失；（）取标准大气条件进行计算，大气压力为 ，大气温度为。燃气轮机主要由压气机、燃烧室、透平个部件组成，因此压气机、燃烧室、透平也是燃气轮机仿真建模的核心技术部分。燃气轮机建模示意图见图。图燃气轮机建模示意图 压气机性能参数压气机是燃气轮机重要组成部件，从周围大气吸入空气压缩增压，连续不断地向燃烧室提供高压空气。在仿真建模过程中，压气机的质量流量、压比、出口压力、出口温度及消耗压缩功是重要的参数。压气机质量流量由仿真建模原理可知，流体的质量流量根据上游与下游压力节点间的压差和压力节点之间的流体导纳计算：（）式中：为流体的质量流量，；为导纳（仿真流体流量计算中引入“导纳”的概念，管道通流量和流体密度的等效常数）；为上游压力，；为下游压力，。压气机吸入空气质量流量为：，（）式中：，为压气机吸入空气的质量流量，；为 的标称开度；为压气机进出口压差，。式（）中压气机进出口压差与机组设计压力、转速有关：（）（）式中：为压气机级间入口压力，；为压气机级间出口压力，；为压气机级设计压力，；为压气机实际转速，；为压气机额定转速，。由式（）可推导出：，（）按照 燃气轮机设计资料，压气机额定参数如下：取大气压力 （表压）；根据压气机总压比（），取 ；在压气机建模过程中根据防喘阀抽气位置简化处理，简化为四级模型（一、二、三、四级分别对应、级），根据压气机单级压比（）计 算 出 每 级 模 型 的、和，再通过式（）反算出各级模型的导纳。压气机仿真设计参数见表。表压气机仿真设计参数级级压比质量流量（）抽气质量流量（）上级压力 下级压力 设计压力 导纳 第 卷 压气机流量特性曲线压气机流量特性曲线表示了压气机的总压比和效率随转速和质量流量，的变化关系。根据相似准则，典型压气机特性曲线可用如下关系表示：，（），（）式中：为压气机总压比，即压气机出口压力与进口压力的比值；为压气机入口压力，；为大气温度，。典型压气机流量特性曲线见图。图典型压气机流量特性曲线在压气机流量特性曲线的个参数中，燃气轮机压气机效率通常取 ，压气机质量流量可通过式（）计算得出，由这个已知参数可求出转速和压比。压气机出口温度、压力在建模过程中，将压气机压缩过程视为绝热压缩过程，通过推导可得出压缩过程气体压力与温度方程式为：（）（）式中：为压气机出口压力，；为压气机出口温度，；为比热容比。可得出压气机出口温度为：（）（）压气机消耗压缩功根据压气机工作原理，可得到压气机压缩功率为：，（）（）式中：为压气机实际压缩消耗功率，；为空气 绝 热 指 数，取 ；为 空 气 气 体 常 数，（），取 （）。燃烧室性能参数燃料与压气机出口高压空气混合进入燃烧室进行燃烧，将燃料的化学能转化为燃气的热能。在仿真建模过程中，将此过程视为定压加热过程。压气机送入燃烧室的高压空气，一部分与天然气预混进入燃烧室燃烧，另一部分直接进入燃烧室助燃。在燃烧过程中，将燃烧室气体视为温度均匀的气体场，不进行温度场分级计算。过量空气系数天然气的主要成分是甲烷，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷等，微量的硫化氢、二氧化碳、氢气、水等成分不予考虑。天然气完全燃烧的化学反应式为：（）空气中氧气的体积分数为，可得天然气完全燃烧的理论燃烧空气量的体积为：（）（）（）（）（）式中：（）为的体积分数，。空气在标准状况下的密度为 ，完全燃烧天然气所需的理论空气质量为：（）燃气轮机在实际燃烧过程中，供给燃烧室的空气的质量流量为，燃料的体积流量为，则过量空气系数为：，（）燃烧室出口燃气比焓天然气与空气在燃烧室内燃烧，主要参数包括进入燃烧室的温度、出口燃气温度、天然气发热量、理论燃烧空气量、过量空气系数、燃烧效率（取 ）。燃烧 天然气，生成燃气的质量为（）。（），（），（），（）（）式中：，为燃烧室出口燃气比焓，；，为燃气初始比焓，天然气燃烧生成燃气，在燃烧室入口不含燃气，故燃气初始比焓为，；，为天然气加热后比焓，；，为天然气加热前初始比焓，；，为压气机出口空 气比焓，；，为压气机入口空气比焓，。第期肖艳藏，等：仿真系统在 燃气轮机控制系统国产化改造过程中的应用假定天然气在燃烧室内完全燃烧，可得出燃烧室出口燃气的比焓，为：，（，）（，），（）透平 透平做功理论公式天然气在燃烧室中等压绝热燃烧产生高温燃气，进入透平膨胀做功。进入透平燃气流量为压气机出口流量和进入燃烧室天然气流量之和。，（）根据 燃气轮机设计参数可知透平排气压力和排气温度，可求出透平做功为：，（）（）式中：为燃气轮机透平做功，；，为进入燃气轮机透平的燃气质量流量，；为燃气气体常数，（）；为燃气绝热指数；为透平的膨胀比（透平进出口压力的比）；为燃气轮机透平做功效率，级燃气轮机取 。透平建模燃气轮机透平级数为，为了模型计算的精度，采用分级建模，并且考虑透平冷却空气对透平做功的影响。压气机吸入约质量流量的空气冷却透平一级静叶，与透平进气燃气混合，对一级、二级、三级叶片做功；压气机 级抽气约质量流量的空气冷却一级动叶，按 质量流量的空气与压气机进气混合，对一级、二级、三级叶片做功，剩余 质量流量的空气与一级排气混合，对二级、三级叶片做功；压气机级抽气约 质量流量的空气冷却二级静叶，与一级排气混合，对二级、三级叶片做功。燃气轮机透平仿真设计参数见表。表透平仿真设计参数级冷却空气质量流量（）质量流量（）上级压力 下级压力 导纳一级 （静叶）（动叶）二级 （静叶）三级 调试过程压气机提供高压助燃空气，燃烧室将燃料化学能转换为热能，透平将热能转换为动能。动能的用来提高空气压力，转换为电能。整个过程由一系列复杂的能量转换组成。燃气轮机参数相互影响，难以通过公式准确地概括出来。仿真各部分计算是在理想状态下建立的计算公式，与实际机组存在误差。因此，需要在调试过程中进行修正。仿真建模过程中，将燃气轮机分体建模，各自调整参数，这种建模方式提高了