本发明公开了一种用于轴流压缩系统变工况的可调导/静叶控制方法,涉及燃气轮机技术,针对目前带有可调导/静叶的多级轴流压缩系统,通过能够在线调节导/静叶角度的控制器,在压缩系统变工况运行时,合理的调节导/静叶的角度值,达到效率寻优的目的,控制器采用先进的嵌入式操作系统和32Bit的信号处理器。本发明方法简化了传统控制器的输入信号,对信号测量的复杂度降低,采用比较寻优的方法能有效的实现在变工况工作点时的效率寻优,适用任何带有可调导/静叶的轴流压缩系统,使其在工作点的效率高于寻优之前的效率值。
1.一种用于轴流压缩系统变工况的可调导/静叶控制方法,其特征在于,包括步骤:A)控制器实时采集的压气机进出口相关信号,经A/D端口输入控制器;B)控制器内的嵌入式操作系统及32位信号处理器,在线实时计算当前角度的效率值及进行算法分析;C)采用双向比较寻优算法获得导叶和静叶角度改变的方向,并将改变角度信号从D/A端口输至步进电机1或2;D)步进电机1或2分别控制导叶和静叶的安装角的变化,调节导/静叶的角度,实现效率寻优。
2.如权利要求1所述的可调导/静叶控制方法,其特征在于,所述压气机的进出口相关信号,为压气机进出口静压,出口总压,及压气机的转速、扭矩。
3.如权利要求1或2所述的可调导/静叶控制方法,其特征在于,所述压气机的进出口相关信号、寻优后的效率,通过液晶显示屏直观的观察到不同工况点的当前效率以及寻优后的效率,压比,流量系数,转速,扭矩信号。
4.如权利要求1所述的可调导/静叶控制方法,其特征在于,由于压缩系统每次开机并非是工作在同一个工况点,使得上次的角度无法检测,以至于无法进行相应的调节,控制器使用掉电信息存储模块保存每次掉电时,导/静叶的当前位置,在下次开机时,自动进行复位操作。
5.如权利要求1所述的可调导/静叶控制方法,其特征在于,由于工业上压缩系统大部分时间工作在非设计工况,使得其效率会下降,A)步中控制器实时采集压气机的进出口相关信号,包括采集非设计工况的相关参数:进口壁面静压、出口壁面静压、出口总压、转速和扭矩信号,通过双向寻优比较算法分析,以对压气机的效率进行优化。
6.如权利要求1所述的可调导/静叶控制方法,其特征在于,所述A)步中控制器实时采集压气机的进出口相关信号,与压气机特性无关,该控制器适合满足信号测量需求的任何带可调导/静叶的压缩系统。
7.如权利要求1所述的可调导/静叶控制方法,其特征在于,所述B)步中控制器的信号处理器,型号为NXP的LPC1769FBD100,为第二代Cortex-M3内核,运行速度120MHz,8通道12位的模数转换器(ADC)速度达到400K,并支持DMA传输。
8.如权利要求1所述的可调导/静叶控制方法,其特征在于,所述C)步中双向比较寻优算法,包括步骤:C1首先通过初始采集(v1xa0v2xa0v3xa0v4xa0v5)5路信号:进口壁面静压、出口壁面静压、出口总压、转速和扭矩信号,算出初始效率值η₀,C2然后,控制器给电机驱动器转速信号,导叶的角度调整到-5°,C3内循环静叶改变角度,并通过控制算法计算相应角度所对应的效率值:(1)如果叶片角度+1°之后的效率η₁>η₀,则继续向相同的方向改变角度,直到η_i<η_i-1,并输出η_i-1以及该效率下的叶片角度值;(2)如果叶片角度+1°之后的效率η₁<η₀,这叶片角度转到初始角度,并且向相反的方向改变角度,直到η_i<η_i-1,并输出η_i-1以及该效率下的叶片角度值;(3)在第2中情况下,如果向相反的方向转动1°之后,η₁仍然小于η₀,这时回到初始角度,而且η₀被认为是该工况点最大效率。
9.一种如权利要求1所述的可调导/静叶控制方法使用的控制器,其特征在于,包括信号处理器、信号采集模块,驱动控制模块,掉电信息存储模块,液晶显示屏;其中,控制器的信号处理器,分别与信号采集模块,驱动控制模块,掉电信息存储模块双向通讯,控制器与液晶显示屏电连接,并将相关信号数据传输至液晶显示屏显示;驱动控制模块经D/A端口分别与步进电机1或2电连接。技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域,是一种用于轴流压缩系统变工况的可调导/静叶控制器及方法。
背景技术
目前绝大数压气机/风扇在实际的运行中均处在非设计工况点,而实际的运行效率要比最高等效率低20%-30%左右,叶片式压缩流体机械的节能问题十分迫切,国内外普遍采用以下几种调节方法来改善变工况点的效率:转速变频调节,节流阀,动叶可调,导/静叶可调。德国以TLT公司为代表,采用液压式动叶调节的轴流通风机,其运行效率可保持在83%~88%。俄罗斯是以使用离心式矿井风机为主的国家,由于致力于改进气动性能,使其最大静压效率从72%增加到88%,平均静压效率从52%增至75%。曝气鼓风机节能瑞士苏尔寿公司生产的超大型离心式曝气鼓风机,其调节范围为额定流量的35%~107%,多变效率达82%,平均节能率为2.5%~5.1%。而全静叶可调轴流式曝气鼓风机的年节能率则可达6.7%~15.7%。在国内风机的变速机构比较落后,如V带、蜗轮副等还广泛应用于风机的传动上,使风机的传动效率低;二是调节方法比较落后,大部分还是采用调节门调节。由于上述原因,尽管有的风机内效率较高(达86%以上),但其装置效率并不甚高。工业上大部分压缩机是通过控制动力油推动两端的伺服马达产生的轴向推力(现在大多机组改为电动执行机构,电动执行器通过支座安装在轴流压缩机的机壳的一侧,电动执行器的输出的扭矩通过输出轴、半环、滑块转化为轴向推力),推动调节缸做轴向往复运动,调节缸则又带动各级导向环(滑道)和嵌在导向环内的滑块一起运动(调节缸和导向环做轴向运动,滑块既随导向环做轴向运动又在导向环内滑动),滑块通过曲柄带动静叶产生转动,改变静叶角度达到调节流量和压力的目的,静叶承钢上装有静叶轴承(碳石墨),这样使得控制系统的结构相当复杂,操作不方便。总之,提高效率的方法主要分为:一类是从产品设计来提高压缩系统在设计点和变工况区的效率;另一类是从产品在现场实际运转的情况来尽可能地提高实际运行效率,其总目标都是减少功耗。从目前国内外针对可调叶片的研究进展来看,绝大多数研究只是针对可调叶片对压缩系统的性能的影响,虽然也有不少学者关注可调叶片对压缩系统效率的影响,随着导/静叶角度的变化,压缩系统的效率也随之变化,并在此基础上,发展了基于可调叶片的主动控制技术。但是,如何通过自适应调节导/静叶来获得更高效率的文献极为少见,而且,目前工业上所采用的调节方法,不是测量信号复杂,就是动作机构复杂,在实际的应用中传动效率会很低,严重影响压缩系统的高效工作。
发明内容
本发明的目的是公开一种用于轴流压缩系统变工况的可调导/静叶控制器,用轴流压缩系统现有的普遍的测量方法,获取进口静压,出口总/静压,转速,扭矩信号,再用体积较小,控制能力强的高速信号处理器,来实现角度的快速调节,达到提高效率的要求。为达到上述目的,本发明的技术解决方案是:一种用于轴流压缩系统变工况的可调导/静叶控制方法,其包括步骤:(1)控制器实时采集的压气机进出口相关信号,经A/D端口输入控制器;(2)控制器内的嵌入式操作系统及32位信号处理器,在线实时计算当前角度的效率值及进行算法分析;(3)采用双向比较寻优算法获得导叶和静叶角度改变的方向,并将改变角度信号从D/A端口输至步进电机1或2;(4)步进电机1或2分别控制导叶和静叶的安装角的变化,调节导/静叶的角度,实现效率寻优。所述的可调导/静叶控制方法,其所述压气机的进出口相关信号,为压气机进出口静压,出口总压,及压气机的转速、扭矩。所述的可调导/静叶控制方法,其所述压气机的进出口相关信号、寻优后的效率,通过液晶显示屏直观的观察到不同工况点的当前效率以及寻优后的效率,压比,流量系数,转速,扭矩信号。所述的可调导/静叶控制方法,其由于压缩系统每次开机并非是工作在同一个工况点,使得上次的角度无法检测,以至于无法进行相应的调节,控制器使用掉电信息存储模块保存每次掉电时,导/静叶的当前位置,在下次开机时,自动进行复位操作。所述的可调导/静叶控制方法,其由于工业上压缩系统大部分时间工作在非设计工况,使得其效率会下降,A)步中控制器实时采集压气机的进出口相关信号,包括采集非设计工况的相关参数:进口壁面静压、出口壁面静压、出口总压、转速和扭矩信号,通过双向寻优比较算法分析,以对压气机的效率进行优化。所述的可调导/静叶控制方法,其所述A)步中控制器实时采集压气机的进出口相关信号,与压气机特性无关,该控制器适合满足信号测量需求的任何带可调导/静叶的压缩系统。所述的可调导/静叶控制方法,其所述B)步中控制器的信号处理器,型号为NXP的LPC1769FBD100,为第二代Cortex-M3内核,运行速度120MHz,8通道12位的模数转换器(ADC)速度达到400K,并支持DMA传输。所述的可调导/静叶控制方法,其所述C)步中双向比较寻优算法,包括步骤:C1首先通过初始采集(v1v2v3v4v5)5路信号:进口壁面静压、出口壁面静压、出口总压、转速和扭矩信号,算出初始效率值η₀,C2然后,控制器给电机驱动器转速信号,导叶的角度调整到-5°,C3内循环静叶改变角度,并通过控制算法计算相应角度所对应的效率值:(1)如果叶片角度+1°之后的效率η₁>η₀,则继续向相同的方向改变角度,直到η_i<η_i-1,并输出η_i-1以及该效率下的叶片角度值。(2)如果叶片角度+1°之后的效率η₁<η₀,这叶片角度转到初始角度,并且向相反的方向改变角度,直到η_i<η_i-1,并输出η_i-1以及该效率下的叶片角度值。(3)在第2中情况下,如果向相反的方向转动1°之后,η₁仍然小于η₀,这时回到初始角度,而且η₀被认为是该工况点最大效率。一种所述的可调导/静叶控制方法使用的控制器,其包括信号处理器、信号采集模块,驱动控制模块,掉电信息存储模块,液晶显示屏;其中,控制器的信号处理器,分别与信号采集模块,驱动控制模块,掉电信息存储模块双向通讯,控制器与液晶显示屏电连接,并将相关信号数据传输至液晶显示屏显示;驱动控制模块经D/A端口分别与步进电机1或2电连接。本发明的控制方法,优点在于:1、降低了测量的复杂度,对机匣的处理更简单。2、因为压缩系统工作的环境比较复杂,也限制了信号的远程传输,而所设计的控制器,能够取代体积较大的电脑,控制能力和处理速度也能得到大幅度的提高。3、采用液晶显示屏能够实时的显示当前的压比,效率,流量,转速及扭矩,使得测量控制更直观。4、因为压缩系统不可能一直开机运行,每次重启时的工况点也会产生变化,因此,上次关机时的可调叶片的角度需要记录保存,所设计的控制器具有掉电保护的功能,能够在下次开机时,自动检测到当前角度值,并实行复位操作,自动化程度有了很大的提高。
附图说明
图1为本发明的用于轴流压缩系统变工况的可调导/静叶控制方法的流程方框图;图2为本发明的用于轴流压缩系统变工况的可调导/静叶控制器的结构示意图;图3为本发明的用于轴流压缩系统变工况的可调导/静叶控制器的功能示意图;图4为本发明控制方法的控制算法流程图。
具体实施方式
本发明的用于轴流压缩系统变工况的可调导/静叶控制器在一台三级轴流压气机实验台上进行了实验,其流程方框图如图1所示。控制器的结构如图2所示,实验中,通过采集轴流压气机进出口静压,出口总压,以及转速和扭矩,并通过控制器的A/D端口输入,控制器采用嵌入式操作系统以及32位信号处理器,该控制器具有实时处理能力,体积小,运算精度高,在实际复杂的运行环境中能够取代计算机的作用,通过在线实时计算当前角度的效率值之后,采用双向比较寻优算法获得导叶和静叶角度改变的方向,角度信号从D/A端口输出,通过步进电机1和步进电机2来分别控制导叶和静叶的安装角的变化,实现效率寻优。控制器的功能如图3所示,驱动模块用于驱动电机转动,进行角度细分,实现准确的角度定位。采集通道用于采集轴流压气机进出口相关参数,并通过A/D端口输入。由于设备在实际运行时,每天运行的时间有限,使得电机驱动模块要存储压缩系统停机之前得角度值,下次开机时,能够在其他工况点工作时,能够使导/静叶的角度进行初始化,因此设计了掉电存储模块。另外,为了更加直观的了解当前工况工作时,相关参数的变化,例如流量系数,压升系数或者压比等,让操作者更清楚的知道所运行工况的实际情况,因此,控制器采用液晶显示屏显示流量系数,压升系数或者压比,转速,扭矩的值。控制器的结构如下:ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>图4控制算法流程图控制算法流程图如图4所示,总所周知,压气机在设计调试时,通常,在设计转速时,效率最高点所对应的导/静叶角度被视为0°,但是,在变工况运行时,如变流量和变转速运行是,虽然,单独调节导叶角度或者静叶角度时,其的变化趋势能够预测,但是,因为导/静叶角度之间存在一个匹配关系,这样导/静叶角度位置就很难预测到,而且,在实际的运行中,设计转速最高效率点所对应的导/静叶角度可能发生偏离,这样,导/静叶角度的变化趋势就很难预测到了。因此,所设计的控制器,采用双向比较的算法,作为初步探索设计,控制系统限制了导叶和静叶的角度变化范围在-5到+5之间,这样,角度变化时,对效率的提高,比对压比流量的影响要大,其中静叶采用内循环进行双向比较寻优,控制器算法执行的时间大约是20ms,而通过步进电机来改变叶片的角度,角度的步长为1°,所需要的总时间为大约1s,另外,导/静叶角度回转时,需要考虑螺杆的回程间隙,回程间隙行程需要2s的时间,即从+1°转到+2°时,控制器需要花1秒的时间,但如果从+2°转到+1°时,所需要的时间则为3秒。具体寻优过程为:首先通过初始采集(v1v2v3v4v5)5路信号算出初始效率值η₀,然后,控制器给电机驱动器转速信号,导叶的角度调整到-5°,然后,内循环静叶改变角度,并通过控制算法计算相应角度所对应的效率值:(1)如果叶片角度+1°之后的效率η₁>η₀,则继续向相同的方向改变角度,直到η_i<n_i-1,并输出η_i-1以及该效率下的叶片角度值。(2)如果叶片角度+1°之后的效率η₁<η₀,这叶片角度转到初始角度,并且向相反的方向改变角度,直到η_i<η_i-1,并输出η_i-1以及该效率下的叶片角度值。(3)在第2中情况下,如果向相反的方向转动1°之后,η₁仍然小于η₀,这时回到初始角度,而且η₀被认为是该工况点最大效率。当静叶角度寻优完成之后,控制给导叶角度信号,导叶角度+1°,然后在进行静叶角度寻优。直到导叶角度转到+5°,此时整个寻优过程完成,控制器将输出最高效率所对应的角度信号,使得压缩系统的导/静叶在最佳角度工作。