一种燃气轮机透平排气温度控制装置及方法与流程

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一种燃气轮机透平排气温度控制装置及方法与流程

本发明涉及一种燃气轮机透平排气温度控制装置及方法,是一种基于线性状态观测器的自抗扰方法。



背景技术:

透平是燃气轮机最重要的部件之一,透平作为燃气轮机的热端部件,其叶轮和叶片是在高温环境下持续工作的。再加上燃气轮机的高速旋转,会产生巨大的离心力。透平高速高温的运行环境,使得对叶轮和叶片的材料强度有着极高的要求。运行温度过高,将导致材料的强度降低,影响透平受热部件的运行寿命,严重会引起透平叶片烧坏、断裂等严重事故。因此,要把透平温度控制在合理的范围内。

燃气轮机透平内部第一级喷嘴处的温度最高,目前的技术无法直接对其测量和控制,只能通过测量燃气轮机排气温度间接控制。对应透平排气温度有一个高限设定值,当工作温度超过高限设定值时,通过调节燃料量,控制透平排气温度,从而控制透平工作温度,使机组能在允许的最高工作温度下有最大的出力和最高的效率。

一般的透平温度控制采用传统的比例积分控制器,而在燃机的实际运行过程中,是存在非线性、负荷变化或者干扰因素的,比例积分控制器的控制品质也会随之下降。会引起控制超调过大或者调节时间过长,严重的导致机组超温遮断,这对于透平部件和燃气轮机运行的经济性都是不利的。



技术实现要素:

本发明的目的是为了解决传统燃气轮机透平排气温度控制中对非线性或干扰因素控制质量不佳的问题。

本发明提出了一种燃气轮机透平排气温度控制装置及方法,其特征在于包括以下步骤:

1)获取透平排气温度测量值,通过等间距安装在透平排气口的N个温度传感器,取这N个温度传感器测得温度的平均值作为透平排气温度测量值,记为T,透平排气温度的设定值记为T

2)温度控制器的输入端接收T和T,经控制器处理后,将输出信号送到燃料控制执行机构,从而调整燃料量,实现对透平排气温度的控制。

可选地,所述获取燃气轮机透平排气温度的步骤包括:

获取实际透平排气温度值、实际透平排气温度微分值和总扰动;

分别获取实际透平排气温度观测值、实际透平排气温度微分值的观测值和总扰动观测值。

可选地,透平的二阶微分GP(s)的状态空间为:

其中,u为温度控制器输入信号,y为实际透平排气温度,为实际透平排气温度微分值,且x1=y、x3=f,把f=g+(b-b0)u总扰动,b是输入增益,b0是对b的估计误差,g是透平自身摄动和外部扰动的总影响。

可选地,所述分别获取实际透平排气温度观测值、实际透平排气温度微分值的观测值和总扰动观测值的步骤包括:

其中,z1、z2、z3为实际透平排气温度y、实际透平排气温度微分值总扰动f的估计值,β1、β2、β3为待确定线性状态观测器的参数,用来控制估计值的准确性,b0是对b的估计误差。

可选地,所述线性扩张观测器的特征多项式为:

λ0=s31s22s+β3=(s+wo)3

其中,β1、β2、β3为待确定线性状态观测器的参数,wo为线性扩张状态观测器的带宽,λo为线性扩张状态观测器的特征多项式。

本发明实施例可以将内部扰动、外部扰动视为总扰动,通过线性扩张状态观测器对扰动的状态观测估计,并通过扰动补偿作用消除扰动对透平排气温度的影响。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种燃气轮机透平排气温度控制系统结构示意图;

图2是现有技术中提供的一种PI控制结构示意图;

图3是本发明实施例提供的一种燃气轮机透平排气温度控制器结构示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点,下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是,本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施,因此,本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一

本发明实施例提供了一种燃气轮机透平排气温度控制装置及方法,如图2所示,包括:

1)获取透平排气温度测量值,通过等间距安装在透平排气口的N个温度传感器,取这N 个温度传感器测得温度的平均值作为透平排气温度测量值,记为T,透平排气温度的设定值记为T

2)温度控制器的输入端接收T和T,经控制器处理后,将输出信号送到燃料控制执行机构,从而调整燃料量,实现对透平排气温度的控制。

本发明实施例以透平排气温度的设定值为参考输入,实际透平排气温度测量值为反馈信号。当实际透平排气温度测量值超出透平排气温度的设定值时,通过温度控制器的输出信号控制执行机构(燃料调节阀),使得燃料量降低,从而实际透平排气温度测量值小于或者等于透平排气温度的设定值,以避免发生透平超温遮断等。本发明实施例可以将内部扰动、外部扰动视为总扰动,通过线性状态观测器对扰动的状态观测估计,并通过扰动补偿作用消除扰动对透平和燃料控制阀的影响。本发明可以保证温度控制器有较快的响应速度的同时,使透平排气温度具有较好的稳定性。

实施例二

为进一步体现本发明提供的一种燃气轮机透平排气温度控制装置及方法的优越性,本发明又提供了一种燃气轮机透平排气温度控制器,如图3所示,包括:线性扩张观测器单元100、扰动补偿单元200和反馈单元300,其中,线性扩张观测器单元100的第一信号输入端101连接测量机构500的信号输出端,第二信号输入端102连接该透平排气温度控制器的信号输出端,第一信号输出端103与第二信号输出端104分别连接反馈单元200的第一信号输入端201与第二信号输入端202,第三信号输出端103连接扰动补偿单元300的第一信号输入端301;反馈单元200的信号输出端203连接扰动补偿单元300的第二信号输入端302;扰动补偿单元300的信号输出端303连接透平400的信号输入端;

线性扩张观测器单元100用于分别获取实际透平排气温度y的观测值z1、实际透平排气温度微分值的观测值z2和总扰动f的观测值z3

反馈单元200用于根据实际透平排气温度观测值z1、实际透平排气温度微分值的观测值z2和透平排气温度设定值r获取反馈单元的输出信号u0,以降低稳态误差;

所述扰动补偿单元用于根据反馈单元的输出信号u0与总扰动观测值z3获取透平排气温度控制器的输出信号u。

由于扰动会影响系统输出,所以输出信号即实际透平排气温度中也会反映出扰动的作用。线性扩张状态观测器单元100(Linear State Observer,LESO)可以估计扰动的作用。如图3所示,r、y分别为透平排气温度控制器的输入信号、实际透平排气温度;GP(s)为被控对象(执行机构和透平),kp、kd为反馈单元参数,d为透平和执行机构的外部干扰,b0为透平排气温度控制器中对系统输入增益b的估计。

被控对象GP(s)的微分表示形式:

其中,u为被控对象输入信号,y为实际透平排气温度,为实际透平排气温度微分值, ω为透平和执行机构的不可测扰动,b为输入增益,g为透平和执行机构的自身摄动和外部扰动的总影响。

或者,被控对象GP(s)的微分表示形式也可以为:

其中,f=g+(b-b0)u为透平和执行机构的总扰动,此时将b0对输入增益b的估计误差也视为扰动的一部分。

令x1=y、其中定义f为系统的一个扩张状态。令x3=f。假设f是可微的,并定义则式(2)可以用状态空间表示为:

实际透平排气温度y、实际透平排气温度微分值和被控对象总扰动f的估计值可以根据线性扩张状态观测器100得到:

其中,z1、z2、z3为y、f的估计值,β1、β2、β3为待确定线性扩张状态观测器的参数,用来控制估计值的准确性。

由于一般控制器的控制性能与其带宽有直接关系,可知线性扩张状态观测器的估计值的准确性与其带宽也有很大的相关性。为简化计算,本发明令wo为线性状态观测器的带宽,将式(4)表示为wo的形式,即:

λo=s31s22s+β3=(s+wo)3 (5)

由式(5)可知,带宽wo为线性扩张观测器单元中唯一需要整定的参数,从而使计算变得更加简单。一般情况下,带宽wo越大则线性扩张观测器单元估计的准确性超高,但同时该线性扩张观测器单元对噪声也越加敏感,从而不利于线性扩张观测器单元对高频段的控制。为此,本发明实施例中,对带宽wo的选择兼顾控制性能与抗噪性能,选取一个折中值。在带宽wo确定以后,待确定线性扩张状态观测器的参数β1、β2、β3就可以根据上式(5)进行确定。

由图3可知,扰动补偿单元的扰动补偿环节为:

若线性扩张状态观测器能够实现z3=f时,将式(6)代入式(2)中,可以得到 从而被控对象可以转换成双积分器串联结构,使透平排气温度控制器的控制更加方便。

由图3可知,反馈单元的表达式为:

u0=kp(r-z1)-kdz2 (7)

其中,u0为反馈单元输出信号,kd、kp为反馈单元参数,r为透平排气温度设定值,z1、z2为y、的估计值。

将式(7)带入扰动补偿后的双积分器串联对象可得控制系统的闭环方程:

结合带宽与控制性能的关系,令wc为控制器带宽,令闭环方程(8)的特征多项式表示为wc的形式。

λo=s2+kds+kp=(s+wc)2 (9)

这样带宽wc就成为控制器中唯一需要整定的参数,从而可以简化控制器参数的计算。一般情况下,带宽wc值越大系统的响应速度也越快,不过会对稳定性产生一定的影响。所以,带宽wc值的选取兼顾系统响应速度和稳定性,折中选择带宽wc值,从而可以根据式(9)与wc的关系来确定参数kd、kp

由此可见,透平排气温度控制器将内部扰动、外部扰动(包括噪声)视为总扰动,根据线性扩张状态观测器观测估计扰动的状态,利用扰动补偿作用消除扰动对实际透平排气温度的影响,从而可以提高透平排气温度控制过程的稳定性与鲁棒性。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式,但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型,这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

再多了解一些
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