燃气轮机发电机组整体控制装置的制作方法

1.本发明涉及燃气轮机输出电力控制领域，具体是采用分轴结构燃气轮机的分轴式燃气轮机发电机组整体控制装置。

背景技术：

2.现有的燃气轮机发电机组是由燃气轮机系统和发电系统两部分组成的，燃气轮机厂家都会对自身的燃气轮机系统配套控制系统，而发电系统往往是燃气轮机发电机组成套商配套的，也就是说不可避免的成套商要为发电系统配套控制系统，从而使得整个燃气轮机发电机组具有了两套控制系统。由于两套系统的运行缺乏协调性，对电力供给稳定性输出有不利的影响，还会多耗费燃料。而且对于外部电网系统给出的外部指令，往往无法做到整个燃气轮机发电机组协同一致动作和及时执行反馈调节。而op30燃气轮机发电机组是典型的分轴结构燃气轮机的分轴式燃气轮机发电机组。op30机组燃气轮机拥有两个旋转轴：压气机侧采用的是单级离心叶轮压气机和单级向心透平gg透平，压气机和gg透平共用一个轴第一旋转轴；动力侧采用的是单级轴流透平pt透平，单独用一个第二旋转轴，从而形成了两个透平各占一个轴的分轴结构。并且单筒燃烧器位于两个透平中间的上部，燃烧器里面有环形布置的六个火焰管。在pt轴的驱动端还可以挂载旋转设备，如同步发电机、风机等。op30机组在pt轴驱动端通过齿轮箱挂载同步发电机，构成燃气轮机发电机组。整个发电机组只配备一套控制装置，直接下发执行指令，从而避免现有燃气轮机发电机组出现的电力输出不协调或者反馈调节不及时的问题。
3.现有技术中也有各种燃气轮机发电机组的自动控制系统。例如，公开号为cn103603726a的发明专利公开了一种燃气轮机发电机组自动控制系统，采用插件板结构，包括主通道和从通道，主通道包括二次电源、单片机、光耦输入隔离电路、光伏继电器输出隔离电路、数据采集电路、电磁阀驱动电路；从通道采用时序逻辑电路实现控制功能。该发明通过接收外部指令，完成发电机冷启动、假启动、工序启动和程序启动程序，工作中监测发电机组进气温度、排气温度、滑油压力及转速等三十余项运行参数。但是该发明的自动控制系统只能单独控制发电系统，却无法控制燃气轮机系统。对于燃料供给功能和电力输出控制功能的难以高效协调。

技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种分轴结构的燃气轮机发电机组整套系统的控制装置，实现发电机组电力输出的统一控制，解决上述背景技术中提到的问题。
5.为实现上述目的，本发明采用以下方式实现：
6.燃气轮机发电机组整体控制装置，包括：
7.压气机，对空气进行加压而生成压缩空气；
8.燃烧器，将上述压缩空气和燃料进行混合并燃烧；
9.gg透平，由上述燃烧器得到的燃烧气体来驱动其旋转，进而带动上述压气机旋转；
10.第一旋转轴，用于连接上述压气机和gg透平；
11.液力马达，连接有液压泵，并且通过第一齿轮箱连接至第一旋转轴，同时液力马达还通过第一齿轮箱与压气机相连；
12.燃料阀，通过调整供给上述燃烧器所用燃料的量，控制上述gg透平的输出；
13.pt透平，通过驱动上述gg透平之后的燃烧气体来驱动该pt透平；
14.第二旋转轴，与上述pt透平连接；
15.所述燃烧器设置在gg透平和pt透平之间的位置。
16.同步发电机，通过第二齿轮箱与第二旋转轴连接，所配置的avr(自动电压调整装置)，能够通过励磁机磁场调节发电机的磁场电流，实现对同步发电机输出电压进行控制；
17.控制装置，基于燃气轮机发电机组设备的运行参数及来自外部系统的指令，通过调节燃料阀和avr，实现对燃气轮机发电机组电力输出的控制。
18.所述同步发电机的输出经由断路器而与外部系统连接，其中断路器被设置成能够切断来自同步发电机的电力传输，由控制装置控制其通断。在所述同步发电机中性点侧设有第一电流互感器，所述同步发电机与断路器之间设有第二电流互感器和第一电压互感器，在断路器与外部系统之间设有第二电压互感器，上述所有电流互感器及电压互感器的检测结果都被发送到控制装置。
19.所述外部系统的指令是指当燃气轮机发电机组并入外部电力系统的时候，外部电力系统对于电力输出会有不同有功功率的要求，外部电力指令就代表了各种具体的要求。
20.具体改进地，所述控制装置由信号接收单元、信号处理单元、核心处理器、指令执行单元和电源模块连接而成，所述核心处理器用来统一处理燃气轮机发电机组运行中外部系统发送的外部电力指令，结合反馈的设备运行信息生成内部指令，然后将内部指令发送给指令执行单元，进而直接控制燃料阀的开度和avr的电压变化范围；所述信号接收单元将燃气轮机发电机组本身所需的测量和控制信号，通过信号接口接入到控制装置；所述信号处理单元用于处理来自于接收单元的各类信号，并将这些信号经过解调和格式化处理成核心处理器可以进一步识别和处理的信号，再将这些信号传输给核心处理器做进一步分析处理；所述电源模块相对独立设置，采用直流ups工作模式，确保控制装置供电的稳定性。
21.具体改进地，所述液压泵、燃料阀、avr和断路器由控制装置通过内部指令直接控制。
22.所述的燃气轮机发电机组整体控制装置在分轴结构燃气轮机发电机组的电力输出调配的应用。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过控制装置基于外部指令或者燃气轮机发电机组本身的指令值，对液压泵、燃料阀及断路器等部件分别予以控制，从整体上控制燃气轮机和电力装置两部分系统，从而及时调整电力输出，保证其与外部系统同步，避免燃料的浪费和不同厂家的控制系统之间不协调的发生。
附图说明
24.图1为分轴式燃气轮机发电机组的整体结构示意图，其中虚线表示整体控制电路的连接关系，其中点划线线框内是燃气轮机主体结构。
25.图2为op30机组从零转速至1000kw再至零转速的运行曲线图；
26.图3为控制装置的内部结构示意图。
27.附图符号说明：1-压气机，2-第一旋转轴，3-gg透平，4-燃烧器，5-pt透平，6-第二旋转轴，7-第一齿轮箱，8-第二齿轮箱，9-分轴式燃气轮机，10-液力马达，11-液压泵，12-燃料阀，13-同步发电机，14-第一电流互感器，15-avr(自动电压调节器)，16-第二电流互感器，17-第一电压互感器，18-断路器，19-第二电压互感器，20-外部系统，21-控制装置，22-外部电力指令。
具体实施方式
28.下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细的解释和说明。
29.需要特别指出的是下述实施例为一部分优选实施例，而非本发明的全部实施例，不能作为对于本发明的任何限制，而本领域的普通技术人员在本发明精神的指导下做出的任何变形、变式或者转换都落入本发明保护范围，本发明的保护范围由权利要求书及其等同物确定。
30.如图1所示，本实施例的分轴式燃气轮机发电机组主体上包括：分轴式燃气轮机9，与分轴式燃气轮机9通过齿轮箱7连接的液力马达10和液压泵11，被分轴式燃气轮机9驱动的同步发电机13和从整体上控制分轴式燃气轮机发电机组的控制装置21。
31.其中分轴式燃气轮机9包括：对所获取的外部空气加压而生成压缩空气的压气机1；与压气机1相连的第一齿轮箱7；通过混合压缩空气和燃料来进行燃烧的燃烧器4；通过燃烧器4得到的燃烧气体来驱动的gg透平3；连接压气机1和gg透平3的第一旋转轴2；通过驱动gg透平3之后的燃烧气体驱动的pt透平5；与pt透平5相连的第二旋转轴6；与第二旋转轴6相连的第二齿轮箱8。
32.所述控制装置21由核心处理器、信号接收单元、信号处理单元、指令执行单元和电源模块组成，所述核心处理器用来统一处理燃气轮机发电机组运行中外部系统发送的外部指令，结合反馈的设备运行信息生成内部指令，然后将内部指令发送给指令执行单元，进而直接控制燃料阀的开度和avr的电压变化范围；所述信号接收单元将燃气轮机发电机组本身所需的测量和控制信号，通过信号接口接入到控制装置；所述信号处理单元用于处理来自于信号接收单元的各类信号，并将这些信号处理成核心处理器可以进一步处理的信号，再将这些初步处理的信号传输给核心处理器进行分析处理；所述电源模块采用直流ups工作模式，确保控制装置21整体供电的稳定性。
33.所述控制装置21通过对设置在燃烧器4燃料获取口的燃料阀12对燃烧器4燃料量进行控制，从而调整分轴式燃气轮机9的转速和输出。而且同步发电机13具有avr 15控制的同步发电机转子，通过齿轮箱8与第二旋转轴6相连，由与第二旋转轴6相连的pt透平5驱动，上述连接属于机械连接。avr15基于来自控制装置21采集到的电压检测信号，来调节来自同步发电机13的输出电压。因此，控制装置21可始终恒定地控制pt透平5与同步发电机13的转速与外部系统20的频率同步。
34.液力马达10通过齿轮箱7与压气机1相连。在分轴式燃气轮机9初始启动时，控制装置21通过对设置在液力马达10液压油获取口的液压泵11对液压马达10灌注的液压油量进行控制，从而能够控制分轴式燃气轮机9的压气机1和gg透平3，进而调整第一旋转轴2的初始转速，并与燃烧器4燃烧产生的混合烟气一起，驱动gg透平3完成升速。
35.同步发电机13的输出经由断路器18而与外部系统20连接，其中断路器18被设置成能够切断来自同步发电机13的电力传输，由控制装置21控制通断。同时，同步发电机13的中性点侧设有第一电流互感器14，同步发电机13与断路器18之间还设有第二电流互感器16和第一电压互感器17，在断路器18与外部系统20之间设有第二电压互感器19。上述两组电流互感器及电压互感器的测量结果都被发送到控制装置21，由控制装置21来统一分析处理。
36.控制装置21基于外部指令22(也可称为用户系统指令的指令值)，或者基于控制装置21本身的指令值，对液压泵11、燃料阀12及断路器18分别予以控制，从而完成对分轴式燃气轮机9的输出和整个发电机组的电力输出的控制。
37.下面以op30机组为例来具体说明本发明的控制方法。
38.实施例：控制装置21核心处理器是通过多个功能模块实现对燃气轮机核心机和发电机组的控制，下面就其控制过程中的主要回路进行详细说明：
39.液压启动功能单元就是具体处理机组液压启动部分任务的。当op30机组开机并执行到液压启动顺序时，液压启动功能被激活。液压泵11本身是一个变量泵，在其出口侧安装有比例控制器，这个控制器可以按照控制装置21的具体指令，对泵出口的透平油流量进行控制。得到控制的透平油被送至液力马达10，液力马达10带动第一旋转轴旋转。
40.在本燃气轮机发电机组中，透平油流量与第一旋转轴旋转转速存在下列关系：
41.q＝d
×n÷
(1000
×
η)(l/min)
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
42.式(1)中q为透平油流量，d为马达的排量(ml/rev)，n为轴转速(rpm)，η为容积效率。
43.在op30机组的本实施例中，设定吹扫转速为2000rpm，点火转速为1800rpm。液压启动功能被激活后，到吹扫转速时，op30机组对机组核心部位及烟道进行吹扫，吹扫完成后进入点火顺序。控制装置在液压启动功能的作用下，通过液压泵11传输透平油到液压马达，液压马达带动第一旋转轴2将其转速升至2000rpm，并将此转速恒定一定时间，压气机1产生的压缩空气从压气机扩压器流向gg透平，然后流向pt透平并进入烟道。一般情况下，5min就会把op30机组吹扫干净。此时，控制装置21通过液压启动功能，再次发出指令，液压马达带动第一旋转轴2将其转速降至1800rpm，进入点火顺序。液压启动功能接到点火指令后，调整对液压泵11的输出指令，控制液压泵比例阀的斜盘开至最大，此时从燃烧筒输出的燃烧气体将gg轴转速带到10800rpm。在达到10800rpm后，液压启动功能取消激活。
44.燃料控制功能单元是具体处理机组op30机组核心机和发电机启动、空载运行任务的。op30机组启动顺序进行到点火顺序时，燃料控制功能接到点火指令后，调整对燃料阀12的输出指令，控制燃料阀12的开度，从燃烧筒处输出的燃烧气体与液力马达10一起将核心机第一旋转轴从1800rpm提速到10800rpm后脱离液压马达10控制；通过燃烧阀12增加燃料，使得从燃烧筒处输出的燃烧气体驱使第一旋转轴继续提速，并将第二旋转轴6从0rpm转速提升到12000rpm。此时，核心机已经由启动顺序转入空载运行状态，而燃料控制功能也以第二旋转轴6转速为目标，通过pid方式调整燃料阀12的开度，将第二旋转轴6稳定在12000rpm下运行。
45.发电机控制功能模块是具体处理op30机组核心机和发电机带载运行任务的。当op30机组已稳定运行至空载状态，用户通过外部电力指令22向机组发出允许同期的指令，发电机控制功能开始作同期操作，在同步发电机13出口的断路器18合闸后机组进入带载运
行阶段。一般来说，用户会按照自身需要向机组发出有功功率指令，所述功能模块将依据接收到的上述指令，进行能量换算，从而得出需要的燃料量，进而发出对燃料阀12的内部指令，调整燃料阀12的开度，最终使得第二旋转轴6在燃烧后气体的作用下驱动同步发电机13，产生与有功功率指令及时匹配的电力输出。与此同时，该功能模块也能根据电压互感器和电流互感器反馈的参数值，下发对avr15的输出指令，动态控制同步发电机13的端电压在符合要求的范围内。
46.至于控制装置21的作用效果请参阅图2，在图2中上方的曲线是第一旋转轴2的运行曲线，下方的曲线是第二旋转轴6的运行曲线。通过两个旋转轴的转速变化能够反映控制装置21对于分轴式燃气轮机发电机组平稳运行的控制效果，具体来看，第一旋转轴2的运行曲线中，从左侧零转速到稳定转速这段数据曲线的走势可以看出op30机组双轴从零转速至到第二旋转轴6的规定转速(如12000rpm)这个阶段时，控制装置21控制好了液力马达10的转速范围和燃料阀12的开度，使得op30机组平稳地在空载启动状态运行。从中间这段数据曲线的数值变化可以看出控制装置21控制好了燃料阀12的开度和断路器18，使得op30机组从零负载加载到1000kw再减载至零负载的全过程之后运行平稳。因此，从运行曲线可以看出，控制装置21是能够有效地控制好op30机组启动运行，实现op30机组电力输出的平稳、合理的控制。

技术特征：

1.燃气轮机发电机组整体控制装置，其特征在于包括：压气机(1)，对空气进行加压而生成压缩空气；燃烧器(4)，将上述压缩空气和燃料进行混合并燃烧；gg透平(3)，由所述燃烧器(4)得到的燃烧气体来驱动其旋转，进而带动所述压气机(1)旋转；第一旋转轴(2)，连接上述压气机和gg透平(3)；液力马达(10)，连接有液压泵(11)，所述液压马达(10)通过第一齿轮箱(7)连接至gg轴(2)，驱动gg轴(2)转动；所述液力马达(10)还通过第一齿轮箱(7)与压气机(1)相连；燃料阀(12)，通过调整供给上述燃烧器(4)所用燃料的量，控制上述gg透平(3)的输出；pt透平(5)，通过驱动上述gg透平(3)之后的燃烧气体来驱动该pt透平(5)；第二旋转轴(6)，与上述pt透平(5)连接；所述燃烧器(4)设置在gg透平(3)和pt透平(5)之间；同步发电机(13)，通过第二齿轮箱(8)与第二旋转轴(6)连接，所配置的avr(15)能够通过励磁机磁场，调节发电机的磁场电流，实现对同步发电机(13)输出电压的控制；控制装置(21)，基于燃气轮机发电机组设备的运行参数和来自外部系统(20)的指令，通过调节燃料阀(12)和avr(15)，控制整个发电机组的电力输出；同步发电机(13)的输出经由断路器(18)而与外部系统(20)连接，其中断路器(18)被设置成能够切断来自同步发电机(13)的电力传输，由控制装置(21)控制其通断；同时，同步发电机(21)的中性点侧设有第一电流互感器(14)，同步发电机(13)与断路器(18)之间还设有第二电流互感器(16)和第一电压互感器(17)，在断路器(18)与外部系统(20)之间设有第二电压互感器(20)；上述电流互感器及电压互感器的测量结果都被发送到控制装置(21)。2.根据权利要求1所述的整体控制装置，其特征在于：所述控制装置(21)由信号接收单元、信号处理单元、核心处理器、指令执行单元和独立设置的电源模块连接而成，所述信号接收单元将燃气轮机发电机组测量的状态参数和需要动态调整的信号，通过信号接口接入到控制装置(21)；所述信号处理单元用于处理来自于信号接收单元的信号，将这些信号经过解调和格式化后处理成核心处理器可以进一步处理的信号，传输给核心处理器进行进一步分析处理；所述电源模块为控制装置(21)供电，采用直流ups工作模式。3.根据权利要求1所述的整体控制装置，其特征在于：所述液压泵(11)和断路器(18)由控制装置(21)直接控制。4.如权利要求1所述的整体控制装置控制燃气轮机发电机组的方法，其特征在于：控制装置核心处理器的控制方法是通过控制装置(21)的核心处理器中的液压启动功能单元、燃料阀控制功能单元和发电机控制功能模块共同实现的；机组启动顺序进行到点火顺序时，燃料控制功能接到点火指令后，调整对燃料阀(12)的输出指令，控制燃料阀(12)的开度，从燃烧筒处输出的燃烧气体与液力马达10一起将核心机第一旋转轴(6)提速至点火转速后脱离液压马达(10)控制；通过燃烧阀(12)增加燃料，使得从燃烧筒处输出的燃烧气体驱使第一旋转轴(6)继续提速到空载转速；此时，核心机已经由启动顺序转入空载运行状态，而燃料控制功能也以第二旋转轴(6)转速为目标，通过pid方式调整燃料阀(12)的开度，将第二旋转轴(6)稳定在空载转速下运行；
所述发电机控制功能模块是具体处理燃气轮机发电机组机组核心机和发电机带载运行任务的；当燃气轮机发电机组已稳定运行至空载状态，用户通过外部指令向机组发出允许同期的指令，随后发电机控制功能向断路器(18)发出内部指令完成同期动作，即发电机出口的断路器(18)合闸后进入带载运行阶段；当用户按照自身需要向燃气轮机发电机组发出有功功率指令，所述功能模块将依据接收到的上述指令进行能量换算，从而得出需要的燃料量，进而发出调整对燃料阀(12)的内部指令，调整燃料阀(12)的开度，最终使得pt轴在燃烧后气体的作用下驱动同步发电机(13)，产生与有功功率指令匹配的电力输出；而且上述功能模块也能根据电压互感器和电流互感器反馈的参数值，下发对avr(15)的输出指令，动态控制同步发电机(13)的端电压处于符合要求的范围内。5.如权利要求1所述的整体控制装置在分轴结构燃气轮机发电机组电力输出控制中的应用。

技术总结

本发明公开了燃气轮机发电机组整体控制装置，涉及燃气轮机输出电力控制领域，包括：压气机，燃烧器，GG透平，通过燃烧后气体带动压气机旋转；第一旋转轴，连接上述压气机和GG透平；液压泵连接的液力马达，通过第一齿轮箱连接至第一旋转轴；通过第一齿轮箱与压气机相连；燃料阀，PT透平，通过驱动上述GG透平之后的燃烧气体来驱动该PT透平；第二旋转轴，与上述PT透平连接；同步发电机，通过第二齿轮箱与第二旋转轴连接；控制装置，基于外部指令及系统，通过控制燃料阀和AVR实现对装置电力输出的控制。本发明通过控制装置来统一控制燃气轮机和电力装置两部分，基于用户外部指令和内部指令及时调整电力输出保证其与外部系统同步。时调整电力输出保证其与外部系统同步。时调整电力输出保证其与外部系统同步。