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2009年IEEE控制与自动化国际会议，新西兰克赖斯特彻奇，2009年12月9-11日

FrMPo3.18

燃气轮机预热空气玻璃窑炉的建模与温度控制

Amin Aeinmehr Alireza Yazdizadeh M. S. Ghazizadeh G. Latif Shabgahi

伊朗德黑兰电力与水技术大学电气工程学院控制与仪表系，邮编16765-1719

aaeinmehr@gmail.com alireza@pwut.ac。红外Ghazizadeh-ms@yahoo.com G.Latif@pwut.ac.ir

摘要:本文的目的是对热电联产(CHP)系统进行建模和控制。该系统由某玻璃厂汽轮发电机和批处理罐组成。为了生产高质量的玻璃，必须控制炉子的温度。在汽轮发电系统中，大量的能量作为热能浪费在排气口。因此，热电联产(CHP)系统的使用备受关注。由于热废气的排放对熔融玻璃的质量有不良影响，因此在熔融玻璃工艺中必须间接使用热废气。为此，提出了一种将燃气轮机余热输送到玻璃熔窑入口空气的旋转蓄热器。假设汽轮发电机在满负荷工况下运行，燃气轮机排气直接进入旋转蓄热器，将燃气轮机余热传递给玻璃炉进气。所设计的控制器负责调节燃料和进入炉膛的空气。本文提出了一种传统的PID控制器。仿真结果描述了该控制器在不同工作状态下的性能。

1.介绍。

在汽轮发电系统中，大量的能量作为热能浪费在排汽口[处。因此，利用热电联产(CHP)系统从汽轮发电机中获取热能，用于玻璃厂，是备受关注的。为了回收汽轮发电机废气中的余热，利用余热对玻璃炉进气进行预热，提出了一种旋转蓄热器。

在玻璃厂，生产玻璃的材料的混合物被称为批处理，因此，玻璃炉被称为批处理槽。熔化玻璃的常用方法之一是在燃烧室中使用燃料，例如天然气。

玻璃厂也需要电力，因此有些工厂更倾向于使用汽轮发电机发电。由于能源价格高昂，该工厂是适合CHP的候选工厂。汽轮发电机组系统的热能是用来对进入燃烧室的空气进行预热的。值得注意的是，熔融玻璃的温度分布是一个预先确定的轨迹。如果玻璃没有按照预定的轨迹熔化，那么生产出来的玻璃质量就会下降。本文研究了汽轮发电机组进气口用余热预热的间歇罐内温度控制问题。我们还假设预热的空气和燃料混合物在炉中燃烧到供应熔化温度作为预先定义的热剖面。

对这类复杂系统进行建模，进而控制温度等重要变量是本文的主要目标。因此，我们首先针对系统的不同部分提出一个相对准确的模型。在此基础上，提出了一种控制器，该控制器负责调节燃料和炉内进气。本文提出了一种控制策略，即传统的PID控制器。采用过程反应曲线法对传统PID控制器进行了整定，并给出了仿真结果。仿真结果表明，该控制器能够根据预定的轨迹控制温度。

2.涡轮发电机模型

所用发电机的原动机技术是燃气轮机。燃气轮机产生的热能质量高，适用于玻璃炉中燃烧的预热空气。与大多数燃气轮机系统相关的热力循环是布雷顿循环，即大气空气只通过涡轮一次。产生的能量用于驱动压缩机和发电机。本文选取GE MS7001EA作为基本的燃气轮机机组型号。图1为燃气轮机装置简化框图。上述系统的燃气轮机特性及参数如表1所示。

图 1 简化单轴燃气轮机

表1 涡轮特性和参数

排气温度（℃）	538
涡轮转速（rpm）	3460
质量流量（kg/s）	293
输出转矩（kg-m）	21.815
输出功率（MW）	80.658

燃气轮机装置是一个多变量、高度非线性的过程，由三个子系统组成。燃料燃烧室子系统描述如下： (1)

(2)

(3)

(4)

式中为单位转子转速，为单位燃料流量，为燃烧室延时，为速度控制操纵燃料的输出。

排气温度子系统为:

(5)

(6)

(7)

(8)

其中为实际涡轮排气温度，为实测涡轮排气温度，为实际进口导叶角度，为操纵进口导叶(IGV)的温度控制输出。

转子子系统为:

式中D为负载转矩系数。本文提出的模型包括速度控制、温度控制、加速度控制或燃油控制。

转速控制是根据参考转速(单位转速)与燃气轮机发电系统转子转速之间形成的转速误差进行的。速度控制通常采用超前滞后传递函数或PID控制器[5][6]来建模。在这项工作中，一个超前滞后传递函数

已用于表示速度控制器。

通过调整给定的参数w、x、y和z，可以将图2中所示的调节器控制修改为下垂或同步调节器。[5]，[6]。

图 2 调速器控制

将调速器的信号与每单位信号的基准和每单位偏差的速度进行比较。输入是负载需求lv和速度偏差△N,输出是。加速控制主要用于涡轮启动时，在达到运行速度之前限制转子加速度的速率。当系统运行速度接近其额定速度时，可以在建模中消除加速度控制。

调速器输出到一个低值选择器，为燃油需求信号产生一个命令信号。另一个进入低值选择器的信号来自温度控制器。燃料需求信号的单位值，直接对应于涡轮稳态机械功率的单位值。燃烧室中燃烧的燃料流产生涡轮转矩。废气温度是用热电偶测量的。将热电偶的输出与参考值进行比较。当热电偶输出超过参考温度时，差值变为负值，开始降低温度控制输出。当温控输出低于调速器输出时，前一个值将通过低值选择器限制输出，机组将对温控进行操作。

发电机采用双极永磁同步电机，转子为隐转子。为了对发电机进行仿真，采用MATLAB SIM电力系统库中的永磁同步机块

。

3.回转式蓄热器模型

在旋转再生器中，基体以恒定比例的核心在热流体流中旋转，其余部分在冷流体流中旋转。出口温度在流动区域内变化，且与时间无关。这两种流体通常向相反的方向流动，并由某种形式的管道系统和基质上的摩擦密封隔开。图3为旋转再生器的结构示意图。

旋转蓄热器具有复杂的力学方程。解决回转蓄热器控制方程,0南大minus;方法通常是使用[14],[15]。定义蓄热器矩阵壁面热容rc和矩阵壁面热容率rc，并将其关联如下:

(13)

N (14)

式中，为所有矩阵(圆盘)的质量，为矩阵材料的比热，N为旋转蓄热器的转速。

图 3 旋转再生器

出口温度由再生器效率和下式给出。

(15)

式中，，是再生器出口的流体温度，，是再生器入口的流体温度，q是实际传热率，， 是冷容量和热容量的热容率。旋转再生器中的实际传热速率为：

(16)

其中是和中的最小值。再生器的有效性由:

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

式中为无量纲壁面热容率，为逆流效率。

旋转再生器的特性和参数如表2所示。

表2 回转式蓄热器特点

4.配料罐

配料罐具有许多实现熔融玻璃的功能。当玻璃熔化时，来自燃烧器的能量流入配料罐，然后从排气口流出。该控制器通过调节天然气和空气的自动阀来调节空燃流量，从而调节所需温度变化的参数。根据控制器中设置的空燃比进行调整，该比例应大约为2:1。配料罐系统可定义为元件：管系、驱动天然气阀、空气阻尼器、燃烧器、罐耐火材料、熔融玻璃和控制器。

驱动阀是描述管系动态特性的硬件部件。驱动天然气阀门物理上分为两个主要部分：执行机构部分和阀门部分[8]。当天然气阀门工作时，两个部分共同作用。由于每一部分涉及不同的工程现象，因此需要不同的方程来解释它们的基本传递函数行为。特定类型阀门的驱动天然气阀门的整体传递函数由二阶传递函数[17]给出。

最能描述配料罐性能的配料罐的主要元件是玻璃元件。配料罐的控制基于玻璃温度。玻璃被视为一个热方程，利用能量和热传递的转换来发展传递函数。

图4显示了驱动天然气阀门的方框图。

图 4 驱动天然气阀门结构图

驱动天然气阀门的第一部分是执行器部分，执行器部分接收来自控制器f i的信号并将其转换为角度位置atheta;。执行机构基本上被建模为伺服电机。因此，表示执行机构部分的方程式如方程式（22）所示

(22)

式中，为执行机构的增益系数，为伺服电机的传递函数。

执行机构部分伺服电机的方程如式(23)所示:

(23)

其中，是电机的扭矩系数，J是电机的惯性矩，B是扭转阻尼系数。反馈伺服电机的传递函数如式（24）所示

(24)

执行机构参数如表三所示。表三包含根据位于密尔沃基的约旦阀门制造的执行机构阀门规范确定的值[16]。将方程式（24）代入方程式（22）可得到方程式（25）中的执行机构部分。

（25）

表3 执行器值

将表III中的值代入式（25）得出式（26）

(26)

驱动式天然气阀门的第二部分是转换成天然气体积流量的角位置。体积流量与角位置之间行为的解释如方程（27）所示。

(27)

式中为天然气通过阀门的体积流量，为阀门的角位置。传递函数为驱动阀的阀门部分开发的sg v用公式表示：

(28)

将式(27)代入式(28)得式

(29)

因此，将式(29)与式(26)结合，得到式(30)所示的整体驱动天然气阀传递函数

(30)

为了调节进入燃烧器的预热空气，需要一个阻尼器。阻尼器的角度位置由PI控制器调节。图5为预热空气阻尼器框图。阻尼器传递函数如式(31)[13]所示:

(31)

图 5 减振器方框图

为了开发燃烧器的传递函数，必须了解燃烧器的行为。燃料和预热空气中所含能量的速率取决于燃料和预热空气的体积流量，如下所示：

(32)

资料编号：[5022]