论文总字数：30327字

摘 要

重型燃气轮机是现代工业最为重要的动力机械之一，相比于现有的燃煤发电机组而言，重型燃气轮机机组的优势在于其排放污染低、能量利用效率高。重型燃气轮机是一个复杂的强耦合的多变量系统，对其工业用控制逻辑的设计与先进控制算法的应用研究受到国内外广泛关注。

本文以M251S重型燃气轮机控制系统为研究对象，参照三菱重型燃气轮机的控制逻辑，在NT6000组态软件中搭建了程序控制、负荷控制、转速控制、温度控制、燃料限制控制与IGV控制模块，并通过与重型燃气轮机的机理模型联合调试进行实用性的改进，提升了控制逻辑的工程应用性能。

论文分别基于动态矩阵的预测控制算法（DMC）和基于状态空间的预测控制算法（MPC），开展了重型燃气轮机发电功率与排气温度耦合下的多变量控制研究，设计了DMC控制器与MPC控制器，并对其参数进行了整定，实现了重型燃气轮机发电功率与排气温度的多变量控制目标，仿真结果验证了本文方法的有效性。

关键词：重型燃气轮机；控制逻辑；多变量控制；模型预测控制；动态矩阵控制

Abstract

Heavy-duty gas turbines are one of the most important power machinery in modern industry. Compared with existing generator sets, heavy-duty gas turbine units have low emission pollution and high energy utilization efficiency. Heavy-duty gas turbines are a complex, highly coupled multivariable system. The application of industrial control logic and advanced control algorithms has been the focus of gas turbine control systems.

In this paper, the control system of M251S heavy-duty gas turbine is studied. With reference to Mitsubishi control logic, program control, load control, speed control, temperature control, fuel limit control and IGV control module are built in NT6000 configuration software, The mechanism model of the gas turbine is jointly debugged, and the purpose is to improve the practicality and improve the engineering applicability of the control logic.

Based on the dynamic matrix predictive control algorithm (DMC) and the state-space predictive control algorithm (MPC), this paper studies the multivariable control under the coupling of the heavy gas turbine power generation and exhaust temperature, designs a DMC controller and an MPC controller, and sets the parameters to achieve the multivariable control goal of the heavy gas turbine power generation and exhaust temperature. The simulation results verify the effectiveness of the proposed method.

Key words: Heavy-duty gas turbine；Control logic; Multivariable control model；predictive control；dynamic matrix control

目 录

摘要 I

Abstract II

第 1 章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 研究现状 2

1.2.1 燃气轮机控制系统研究现状 2

1.2.2 燃气轮机的预测控制研究现状 2

1.3 本文主要研究内容 4

第 2 章 M251S重型燃气轮机控制逻辑设计 5

2.1 燃气轮机控制系统介绍 6

2.1.1 燃气轮机结构 6

2.1.2 三菱燃气轮机控制系统 6

2.2 组态设计软件NT6000介绍 7

2.3 燃气轮机控制逻辑设计 8

2.3.1 程序控制 8

2.3.2 转速控制 12

2.3.3 负荷控制 13

2.3.4 燃料限制控制 16

2.3.5 排气温度控制 17

2.3.6 CSO选择逻辑 18

2.3.7 压气机进口导叶位置控制 18

2.4 I/O对点 18

2.4.1 IO级页面设计 18

2.4.2 模型对点 20

2.5 控制画面设计 22

2.6 仿真联调 22

2.6.1 仿真平台介绍 22

2.6.2 数据预处理 23

2.6.3 仿真结果 24

2.7 本章小结 25

第 3 章 燃气轮机的模型预测控制研究 26

3.1 燃气轮机动态数学模型及特性分析 26

3.1.1 动态特性仿真实验 26

3.1.2 动态数学模型的建立 29

3.1.3 关联性分析 30

3.2 燃气轮机多变量预测控制方法研究 31

3.2.1 预测控制原理 31

3.2.2 基于动态矩阵的多变量预测控制 32

3.2.3 基于状态空间的多变量模型预测控制 35

3.3 仿真实验 36

3.3.1 DMC仿真结果 36

3.3.2 MPC仿真结果 40

3.4 本章小结 43

第 4 章 结论与展望 44

4.1 本文的主要工作和贡献 44

4.2 工作展望 44

参考文献 46

致 谢 48

绪论

研究背景及意义

随着国家大力倡导使用天然气、生物质油等清洁能源，燃气轮机成为现代工业最为重要的动力机械之一，广泛应用于航空、船舶、石化、电力、交通等多个产业，主要生产厂商为通用公司、三菱公司和西门子公司，对于燃气轮机的控制系统研究也一直是燃气轮机发展的重要组成部分。针对其各自的燃气轮机品牌，通用、三菱和西门子也推出了相应的MARK系统、DIASYS Netmation系统和TELEPERM XP等控制系统。

据中国新闻网报导^[1]，在未来十年里，能源电力行业燃气轮机国际需求将高达5000亿美元，考虑到船舶与制造业等领域的需求，整个市场规模将突破万亿美元。“十三五”期间，我国确立了航空发动机与燃气轮机的重大专项，突破两机关键技术，打破通用、三菱和西门子的市场及技术垄断，初步建立航空发动机及燃气轮机自主创新的知识产权，促进国产安全可靠的控制系统的进一步发展。国家能源局在推进燃气轮机创新发展的若干意见中提出，加速研发燃气轮机控制系统，促进燃气轮机国产化。

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