CN111441869B - 一种微型燃气轮机启动方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微型燃气轮机启动方法及系统，所述启动方法包括如下步骤：获取环境参数及燃料参数，基于环境参数及燃料参数确定微型燃气轮机启动过程的控制参数；启动电机并将电机加速至点火速度；确定微型燃气轮机满足点火条件，开启点火器执行点火操作；判断点火操作是否成功；点火操作成功后，燃料燃烧，使微型燃气轮转子速度持续上升直至电机脱开。本发明能够保证微型燃气轮机在不同的环境条件下的可靠启动。

Description

一种微型燃气轮机启动方法及系统

技术领域

本发明涉及微型燃气轮机相关技术领域，尤其涉及一种微型燃气轮机启动方法及系统。

背景技术

微型燃气轮机的启动(起动)控制是微型燃气轮机系统最重要的控制内容之一。现有的微型燃气轮机启动过程中点火成功率低，容易启动失败。特别是随着微型燃气轮机的应用变得广泛，需要在不同温度、湿度、海拔等环境工作区域，这些环境因素极大地影响了气压、燃油的燃烧性能，及空气和燃油混合物燃烧过程中的温度变化，进而影响微型燃气轮机启动过程。点火不成功导致燃机系统频繁启动，影响微型燃气轮机可靠性、降低其使用寿命。

为此，设计一种微型燃气轮机启动系统及方法，确保微型燃气轮机在不同的环境条件下的可靠启动，是本领域技术人员亟需解决的一项技术问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种微型燃气轮机启动方法及系统，能够确保微型燃气轮机在不同的环境条件下的可靠启动。

本发明的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供一种微型燃气轮机启动方法，

所述微型燃气轮机通过转子连接有电机，所述启动方法包括如下步骤：

获取环境参数及燃料参数，基于环境参数及燃料参数确定微型燃气轮机启动过程的控制参数；

启动电机并将电机加速至点火速度；

确定微型燃气轮机满足点火条件，开启点火器执行点火操作；

判断点火操作是否成功；

点火操作成功后，燃料燃烧，使微型燃气轮机转子速度持续上升直至电机脱开。

进一步的，所述获取环境参数及燃料参数包括：

通过安装的传感器获取环境参数或通过配备的远程通讯模块获取远程服务器上定时更新的当前环境参数；

通过在启动时选择合适的燃料选项获取预先写入的燃料热值、种类、成分相关燃料参数。

进一步的，所述基于环境参数及燃料参数确定微型燃气轮机启动过程的控制参数包括：

通过查表法或训练好的人工神经网络模型确定所述控制参数。

进一步的，所述启动电机并将电机加速至点火速度包括：

通过外部能量源提供能量使电机转动并以第一加速度加速电机，使转子速度逐渐增速至点火速度。

进一步的，所述启动电机并将电机加速至点火速度包括：

启动电机后，首先以第二加速度使电机增速；

若转子速度成功增速至设定的第一速度，则以第一加速度加速电机至点火速度；

若转子速度未成功增速至设定的第一速度则进行停机自检，若未发现异常机组会重新启动，若发现异常会将故障代码报至上一级控制器，等待进一步处理。

进一步的，所述确定微型燃气轮机满足点火条件，开启点火器执行点火操作包括：

确定转子速度达到点火速度；

将转子维持在点火速度，开启气泵供气及燃料泵供燃料，调节空气供给压力至第一期望气压及燃料供给压力至第一期望燃料供给压力，其中，所述空气供给压力及燃料供给压力基于环境参数及燃料参数确定；

满足上述条件后，开启点火器执行点火操作。

进一步的，所述判断点火操作是否成功包括：

基于尾气温度在一定时间段内的温升是否达到设定值，或基于尾气温度在一定时间内是否达到设定值以及尾气温度本身是否达到期望值判断点火是否成功。

进一步的，所述点火操作成功后，燃料燃烧，使微型燃气轮机转子速度持续上升直至电机脱开包括：

点火操作成功后至转子速度上升至电机脱开期间，先控制转子速度以阶梯式递增至设定的第一速度后，再连续递增直至电机脱开；

或，点火操作成功后至转子速度上升至电机脱开期间，先控制转子速度以阶梯式递增至设定的第一速度后，将转子速度保持在第一速度，同时降低燃料供给量至给定值。

进一步的，所述点火操作成功后，燃料燃烧，使微型燃气轮机转子速度持续上升直至电机脱开包括：

点火操作成功后，实时检测电机电流，当电机电流减小至某一设定阈值时，电机脱开。

根据本发明的另一方面，提供一种使用上述微型燃气轮机启动方法的启动系统，包括微型燃气轮机，所述微型燃气轮机通过转子连接有电机，还包括控制器，所述控制器包括获取模块、确定模块、判断模块以及控制模块；

所述获取模块配置用于获取环境参数及燃料参数；所述确定模块配置用于确定微型燃气轮机满足点火条件；所述判断模块配置用于判断点火操作是否成功；所述控制模块配置用于基于获取模块、确定模块以及判断模块反馈的数据确定微型燃气轮机启动过程的控制参数，控制电机运行以及微型燃气轮机点火操作。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明所提供的微型燃气轮机启动方法，充分考虑了外界环境因素以及燃料参数对微型燃气轮机启动的影响，其能够确保微型燃气轮机在不同温度、湿度、海拔等环境下可靠启动，以提高微型燃气轮机的可靠性以及使用寿命。

2、本发明可通过本地或远程获取环境参数，以便可以根据微型燃气轮机实际工作条件选择性配置相应的传感器或远程通讯模块，利于实施。

3、本发明充分考虑了微型燃气轮机启动过程中，各种因素对启动成功率的影响，通过设置了更加合理的点火条件，避免机组因点火条件不合理而频繁执行启动，减少能力损耗，能够有效提高微型燃气轮机启动的成功率，可提高机组的可靠性及使用寿命。

4、本发明提供的微型燃气轮机启动系统，通过对模块的合理设置，能够降低系统的复杂度，使得系统易于拓展和实施。

5、在启动电机并将电机加速至点火速度的过程中，本发明可实现对机组的运行状态进行实时检测，避免在机组可能存在故障的情况下冒然给机组增速而导致机组损坏的严重后果。

附图说明

图1是本发明实施例中启动系统原理图。

图2是本发明实施例中启动方法流程图。

具体实施方式

为了更好的了解本发明的技术方案，下面结合具体实施例、说明书附图对本发明作进一步说明。

根据本发明的一个方面，本发明实施例提供一种微型燃气轮机启动系统，如图1所示。

本实施例的启动系统主要包括微型燃气轮机、电机以及控制器。微型燃气轮机通常由压缩机、涡轮机(也叫透平)、燃烧室和回热器组成，一般说的微型燃气轮机还连接有电机(微型燃气轮机和电机也被成为微型燃气轮机发电机组或微型燃气轮机机组)。机组的电机、压缩机叶轮、涡轮机叶轮同轴安装在转子上，由轴承(一般为空气轴承)支撑并固定。机组的电机设计为双向应用，启动过程中作为电动机用，由外界供能拖动微型燃气轮机开始工作；正常工作时作发电机用，将对外输出电能，即现有的启发一体式电机。

本实施例中微型燃气轮机的启动过程主要通过控制器控制。其中控制器主要包括获取模块、确定模块、判断模块以及控制模块，获取模块、确定模块、判断模块均连接控制模块。

获取模块主要用于获取环境参数及燃料参数，获取模块可以通过本地或远程获取这些环境参数，系统可以安装相应的环境参数传感器，获取模块获取传感器测量的这些环境参数，系统也可以配备远程通讯模块，控制器通过远程通讯模块获取远程服务器上定时更新的当前环境参数。预先将燃料的热值、种类、成分等信息写入控制器内，在启动时选择合适的燃料选项即可获取燃料参数。获取模块将获取的数据发送至控制模块，控制模块基于环境参数及燃料参数确定微型燃气轮机启动过程的控制参数。

确定模块主要用于确定微型燃气轮机满足点火条件，确定模块在确定微型燃气轮机满足点火条件后将数据发送至控制模块，控制模块通过开启点火器执行点火操作。

判断模块主要用于判断点火操作是否成功。具体的，判断模块可基于设置在微型燃气轮机燃烧室排气口处的温度传感器测量的尾气温度判断点火操作是否成功。

控制模块主要用于基于获取模块、确定模块以及判断模块反馈的数据确定微型燃气轮机启动过程的控制参数，控制电机运行以及微型燃气轮机点火操作。启动电机的运行启动可由外部能量源(如电池组)提供能量使电机转动运行，电机转动运行时，转子速度可通过速度传感器测量，在转子达到点火速度后，控制模块可开启气泵供气及燃料泵供燃料，通过气路阀调节空气供给压力值期望气压、通过燃料调节阀调节燃料供给至期望压力，打开喷嘴往燃烧室中喷入空气和燃油混合物，开启点火器点燃空气和燃油混合物。点火成功后，随着燃料燃烧，电机电流将逐渐减小，可实时检测电机电流，当电机电流减小至某一阈值时，电机脱开，所述的电机脱开指电机结束电动机运行状态。

以下以电机为启发一体式电机为例，对燃气轮机发电机组的启动过程进行具体描述。

燃气轮机控制器(Electronic Control Unit，简称ECU)通过控制油气路中泵体、阀体、点火控制器等执行器，结合各个传感器反馈的信息，配合电机功率控制器(DataProcessing Center，简称DPC)，实现燃气轮机输出功率的闭环控制。

具体的，ECU接收到启动信号后，对DPC发送电机驱动模式指令；DPC切换到电机驱动模式，DPC将燃气轮机内置电池的直流电进行变频，驱动电机工作，电机带动燃气轮机提升转速。

待燃气轮机的转速提升至点火转速后，打开燃料阀，进入点火程序。空气由进气道进入压气机进行压缩后进入回热器并被来自涡轮排出的高温气体预热，预热后的压缩空气进入燃烧室与燃料混合并燃烧，燃烧室充分燃烧后的高温高压气体进入透平对涡轮进行冲击，使透平涡轮旋转，涡轮排气进入回热器对进入燃烧室前的冷压缩空气预加热后由尾气管排出，由于透平与压气机和电机通过转轴连接，透平涡轮旋转带动压气机一起旋转至自持速度。

燃气轮机到达自持转速后，DPC挂起，电机空转继续增加油门，涡轮继续提升功率，使转速提升至工作转速。ECU对DPC发送发电机模式指令；DPC切换到发电机模式，并将电机输出的交流电通过整流变压后输出用户所需电压电流。

本实施例所提供的微型燃气轮机启动系统，通过控制器获取微型燃气轮机启动过程中的多个参数，进而控制电机运行和燃气轮机点火操作，能够提高微型燃气轮机在各种环境下的启动成功率。

根据本发明的另一方面，本发明实施例提供一种微型燃气轮机的启动方法，如图2所示。

本实施例的微型燃气轮机启动方法，主要包括如下步骤：

S110：获取环境参数及燃料参数，基于环境参数及燃料参数确定微型燃气轮机启动过程的控制参数。

环境参数包括但不仅限于环境温度、湿度、气压等中的一种或多种。控制器可以本地或远程获取这些环境参数。具体地，系统可以安装相应的传感器，控制器获取传感器测量的这些环境参数。系统也可以配备远程通讯模块，控制器通过远程通讯模块获取远程服务器上定时更新的当前环境参数。

燃料参数为与燃料热值相关的参数。例如，燃料参数可以直接是燃料热值，也可以是燃料的种类或成分，控制器可以根据燃料的种类或成分确定对应的热值。本申请不对燃料的种类做任何限制，可以是气体燃料、液体燃料、或固体燃料；可以是单一成分的燃料，也可以是混合燃料。预先将燃料的热值、种类、成分等燃料参数信息写入控制器内，在启动时选择合适的燃料选项即可获取燃料参数。

基于环境参数及燃料参数，控制器可以确定微型燃气轮机启动过程的控制参数。例如：温升值、不同转速对应的燃料量和空气量等。确定微型燃气轮机启动过程的控制参数的方法可以是通过查表的方式确定，也可以通过人工神经网络模型确定。

若采用人工神经网络模型确定，需将获取的环境参数及燃料参数作为训练好的人工神经网络模型的输入参数，由该模型输出控制参数。

昼夜温差大的环境下工作，反馈外界温度。

S120：启动电机并将电机加速至点火速度。

微型燃气轮机通常由压缩机、涡轮机(也叫透平)、燃烧室和回热器组成，一般说的微型燃气轮机还连接有电机(微型燃气轮机和电机也被成为微型燃气轮机发电机组或微型燃气轮机机组)。机组的电机、压缩机叶轮、涡轮机叶轮同轴安装在转子上，由轴承(一般为空气轴承)支撑并固定。机组的电机设计为双向应用，启动过程中作为电动机用，由外界供能拖动微型燃气轮机开始工作；正常工作时作发电机用，将对外输出电能。

在一些实施例中，启动电机，由一外部能量源(如电池组)提供能量使电机转动并以第一加速度加速电机，使转子速度逐渐增速至点火速度。

在另一些实施例中，在启动电机后还需要检测机组的运行状态，再将转子升速至点火速度。具体的机组运行状态检测方法为，首先以第二加速度使电机增速，若转子速度能成功增速至第一速度(例如1000转每分钟，或表示为1000rpm)，则确定电机运行状况良好，可以继续以第一加速度加速电机至点火速度。若转子速度增速至第一速度失败，机组会自行停机自检，若未发现异常机组会重新启动。若发现异常会将故障代码报至上一级控制器，等待进一步处理。对机组的运行状态进行检测，可以避免在机组可能存在故障的情况下贸然给机组增速，导致机组损坏的严重后果。例如，由于空气轴承故障，转子未能成功悬浮，此时轴承与转子有摩擦，强行加速转子可能对转子和轴承造成严重磨损、转子弯曲变形甚至机组部件损坏。

S130:确定燃机满足点火条件，开启点火器执行点火操作。

点火条件为：

(1)转子速度达到点火速度；

(2)满足条件(1)后，将转子维持在点火速度，开启气泵供气及燃料泵供燃料，调节空气供给压力至第一期望气压及燃料供给压力至第一期望燃料供给压力。空气供给压力通过气路阀调节，燃料供给压力通过燃料调节阀调节。其中，第一期望气压和第一期望燃料供给压力基于环境参数及燃料参数确定。例如，使用柴油比使用煤油的第一期望燃料供给压力要大。再例如，在高海拔地区比低海拔地区的第一期望燃料供给压力小。

满足上述两个点火条件后，打开喷嘴往燃烧室中喷入空气和燃油混合物，开启点火器点燃空气和燃油混合物。

S140：判断点火操作是否成功。

点火是否成功的有效判断是对机组成功启动起着至关重要的作用。若未点火成功便进行下一步操作会导致启动失败，机组频繁执行启动操作不仅耗费不必要的能量，还会对机组自身造成损伤，影响机组的可靠性、降低使用寿命。点火成功的判断可采用如下方法。

可以基于尾气温度在一定时间段内的温升是否达到设定值，或基于尾气温度在一定时间内是否达到设定值以及尾气温度本身是否达到期望值来判断点火是否成功。

在一些实施例中，可以通过判断尾气温度在一定时间段内的温升来判断。例如，点火操作后，5s内尾气温度的温升大于等于20℃，则认为点火操作成功。数值5s及20℃基于环境参数及燃料参数确定。例如，环境温度不同，判断时间的长短和/或温升的大小可以设置为不同数值。再例如，采用不同热值的燃料，判断时间的长短和/或温升的大小也可以设置为不同。优选地，为了更有效地判断点火操作是否成功，可以对尾气温度一定时间内的温升进行多次(如2次、3次、4次等)检测。结果中有2～3次满足一定时间内温升要求即则认为点火成功。

在另一些实施例中，为了进一步有效地确定点火操作是否成功，确保判断结果的可靠性。除了满足尾气温度在一定时间内温升大于等于某一定值的条件外，尾气温度本身也需要达到预期设置值(如250℃、300℃等)，该预期设置值也与环境参数及燃料参数相关。

尾气温度通过设置在燃机燃烧室排气口处的温度传感器测量。

S150：点火操作成功后，燃料燃烧，使微型燃气轮机转子速度持续上升直至电机脱开。

点火成功后，燃料和空气的混合物在燃烧室中燃烧成为高温燃气，高温燃气随即流入涡轮机膨胀做功，涡轮机产生输出功率，涡轮机和电机共同驱动转子升速。此时电机电流将逐渐减小，实时检测电机电流，当电机电流减小至某一阈值(可设定，例如0.05A)时，电机脱开(即电机结束电动机运行状态)，随后由涡轮机独立驱动转子旋转，电机转为发电机运行状态。

在一些实施例中，为了控制机组稳定加速，点火成功后至转子速度上升至电机脱开期间，分两个阶段对转子进行加速控制。控制器先控制转子速度先阶梯式递增至第一转子速度后，再连续递增至电机脱开。

在另一些实施例中，点火成功后，机组的受热部件受热还不够均匀。为了使燃烧室有一个均匀受热的过程，保证机组在启动过程中有良好的热对称性，使得启动过程更安全，同时使得燃烧室可以达到指定温度以提高燃油的经济性，增加燃烧室平缓加热过程。具体地，控制器先控制转子速度先阶梯式递增至第一转子速度后，将转子速度保持在第一转速，同时降低燃料供给量至给定值。该阶段的燃料供给量低于步骤130中点火阶段的燃料供给量。原因是为了确保成功点火，点火阶段的燃料供给量一般较大，而燃烧室平缓加热过程需要确保的是燃烧室的温度能够平稳上升至指定温度而不影响机组的稳定及安全。

本实施例的微型燃气轮机启动方法，充分了考虑了微型燃气轮机启动过程中的各种影响因素，通过合理的设置微型燃气轮机的启动条件，能够确保微型燃气轮机在不同的环境条件下的可靠启动。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能。

Claims (5)

1.一种微型燃气轮机启动方法，所述微型燃气轮机通过转子连接有电机，其特征在于，所述启动方法包括如下步骤：

获取环境参数及燃料参数，基于环境参数及燃料参数确定微型燃气轮机启动过程的控制参数；

启动电机并将电机加速至点火速度，包括启动电机后，首先以第二加速度使电机增速，若转子速度成功增速至设定的第一速度，则以第一加速度加速电机至点火速度，若转子速度未成功增速至设定的第一速度则进行停机自检，若未发现异常机组会重新启动，若发现异常会将故障代码报至上一级控制器，等待进一步处理；

确定微型燃气轮机满足点火条件，开启点火器执行点火操作；

判断点火操作是否成功；

点火操作成功后，燃料燃烧，使微型燃气轮机转子速度持续上升直至电机脱开；

所述获取环境参数及燃料参数包括：

通过安装的传感器获取环境参数或通过配备的远程通讯模块获取远程服务器上定时更新的当前环境参数；

通过在启动时选择合适的燃料选项获取预先写入的燃料热值、种类、成分相关燃料参数；

所述基于环境参数及燃料参数确定微型燃气轮机启动过程的控制参数包括：通过查表法或训练好的人工神经网络模型确定所述控制参数；

所述确定微型燃气轮机满足点火条件，开启点火器执行点火操作包括：

确定转子速度达到点火速度；

将转子维持在点火速度，开启气泵供气及燃料泵供燃料，调节空气供给压力至第一期望气压及燃料供给压力至第一期望燃料供给压力，其中，所述空气供给压力及燃料供给压力基于环境参数及燃料参数确定；

满足上述条件后，开启点火器执行点火操作。

2.根据权利要求1所述的微型燃气轮机启动方法，其特征在于，所述判断点火操作是否成功包括：

基于尾气温度在一定时间段内的温升是否达到设定值，或基于尾气温度在一定时间内是否达到设定值以及尾气温度本身是否达到期望值判断点火是否成功。

3.根据权利要求1所述的微型燃气轮机启动方法，其特征在于，所述点火操作成功后，燃料燃烧，使微型燃气轮机转子速度持续上升直至电机脱开包括：

点火操作成功后至转子速度上升至电机脱开期间，先控制转子速度以阶梯式递增至设定的第一速度后，再连续递增直至电机脱开；

或，点火操作成功后至转子速度上升至电机脱开期间，先控制转子速度以阶梯式递增至设定的第一速度后，将转子速度保持在第一速度，同时降低燃料供给量至给定值。

4.根据权利要求1或3所述的微型燃气轮机启动方法，其特征在于，所述点火操作成功后，燃料燃烧，使微型燃气轮机转子速度持续上升直至电机脱开包括：

点火操作成功后，实时检测电机电流，当电机电流减小至某一设定阈值时，电机脱开。

5.一种使用权利要求1～4任一项所述的微型燃气轮机启动方法的启动系统，包括微型燃气轮机，所述微型燃气轮机通过转子连接有电机，其特征在于，还包括控制器，所述控制器包括获取模块、确定模块、判断模块以及控制模块；

所述获取模块配置用于获取环境参数及燃料参数；所述确定模块配置用于确定微型燃气轮机满足点火条件；所述判断模块配置用于判断点火操作是否成功；所述控制模块配置用于基于获取模块、确定模块以及判断模块反馈的数据确定微型燃气轮机启动过程的控制参数，控制电机运行以及微型燃气轮机点火操作。