專利名稱：用于軸流壓縮系統變工況的可調導/靜葉控制器及方法
技術領域：
本發明涉及燃氣輪機技術領域，是一種用于軸流壓縮系統變工況的可調導/靜葉控制器及方法。
背景技術：
目前絕大數壓氣機/風扇在實際的運行中均處在非設計工況點，而實際的運行效率要比最高等效率低20% -30%左右，葉片式壓縮流體機械的節能問題十分迫切，國內外普遍采用以下幾種調節方法來改善變工況點的效率轉速變頻調節，節流 閥，動葉可調，導/靜葉可調。德國以TLT公司為代表，采用液壓式動葉調節的軸流通風機，其運行效率可保持在83% 88%。俄羅斯是以使用離心式礦井風機為主的國家，由于致力于改進氣動性能，使其最大靜壓效率從72%增加到88%，平均靜壓效率從52%增至75%。曝氣鼓風機節能瑞士蘇爾壽公司生產的超大型離心式曝氣鼓風機，其調節范圍為額定流量的35% 107%，多變效率達82%，平均節能率為2. 5% 5. 1%。而全靜葉可調軸流式曝氣鼓風機的年節能率則可達6. 7% 15.7%。在國內風機的變速機構比較落后，如V帶、蝸輪副等還廣泛應用于風機的傳動上，使風機的傳動效率低；二是調節方法比較落后，大部分還是采用調節門調節。由于上述原因，盡管有的風機內效率較高(達86%以上)，但其裝置效率并不甚高。工業上大部分壓縮機是通過控制動力油推動兩端的伺服馬達產生的軸向推力(現在大多機組改為電動執行機構，電動執行器通過支座安裝在軸流壓縮機的機殼的一側，電動執行器的輸出的扭矩通過輸出軸、半環、滑塊轉化為軸向推力)，推動調節缸做軸向往復運動，調節缸則又帶動各級導向環(滑道)和嵌在導向環內的滑塊一起運動(調節缸和導向環做軸向運動，滑塊既隨導向環做軸向運動又在導向環內滑動)，滑塊通過曲柄帶動靜葉產生轉動，改變靜葉角度達到調節流量和壓力的目的，靜葉承鋼上裝有靜葉軸承(碳石墨)，這樣使得控制系統的結構相當復雜，操作不方便。總之，提高效率的方法主要分為一類是從產品設計來提高壓縮系統在設計點和變工況區的效率；另一類是從產品在現場實際運轉的情況來盡可能地提高實際運行效率，其總目標都是減少功耗。從目前國內外針對可調葉片的研究進展來看，絕大多數研究只是針對可調葉片對壓縮系統的性能的影響，雖然也有不少學者關注可調葉片對壓縮系統效率的影響，隨著導/靜葉角度的變化，壓縮系統的效率也隨之變化，并在此基礎上，發展了基于可調葉片的主動控制技術。但是，如何通過自適應調節導/靜葉來獲得更高效率的文獻極為少見，而且，目前工業上所采用的調節方法，不是測量信號復雜，就是動作機構復雜，在實際的應用中傳動效率會很低，嚴重影響壓縮系統的高效工作。
發明內容
本發明的目的是公開一種用于軸流壓縮系統變工況的可調導/靜葉控制器，用軸流壓縮系統現有的普遍的測量方法，獲取進口靜壓，出口總/靜壓，轉速，扭矩信號，再用體積較小，控制能力強的高速信號處理器，來實現角度的快速調節，達到提高效率的要求。為達到上述目的，本發明的技術解決方案是一種用于軸流壓縮系統變工況的可調導/靜葉控制方法，其包括步驟(I)控制器實時采集的壓氣機進出口相關信號，經A/D端口輸入控制器；(2)控制器內的嵌入式操作系統及32位信號處理器，在線實時計算當前角度的效率值及進行算法分析；(3)采用雙向比較尋優算法獲得導葉和靜葉角度改變的方向，并將改變角度信號從D/A端口輸至步進電機I或2 ;(4)步進電機I或2分別控制導葉和靜葉的安裝角的變化，調節導/靜葉的角度， 實現效率尋優。所述的可調導/靜葉控制方法，其所述壓氣機的進出口相關信號，為壓氣機進出口靜壓，出口總壓，及壓氣機的轉速、扭矩。所述的可調導/靜葉控制方法，其所述壓氣機的進出口相關信號、尋優后的效率，通過液晶顯示屏直觀的觀察到不同工況點的當前效率以及尋優后的效率，壓比，流量系數，轉速，扭矩信號。所述的可調導/靜葉控制方法，其由于壓縮系統每次開機并非是工作在同一個工況點，使得上次的角度無法檢測，以至于無法進行相應的調節，控制器使用掉電信息存儲模塊保存每次掉電時，導/靜葉的當前位置，在下次開機時，自動進行復位操作。所述的可調導/靜葉控制方法，其由于工業上壓縮系統大部分時間工作在非設計工況，使得其效率會下降，A)步中控制器實時采集壓氣機的進出口相關信號，包括采集非設計工況的相關參數進口壁面靜壓、出口壁面靜壓、出口總壓、轉速和扭矩信號，通過雙向尋優比較算法分析，以對壓氣機的效率進行優化。所述的可調導/靜葉控制方法，其所述A)步中控制器實時采集壓氣機的進出口相關信號，與壓氣機特性無關，該控制器適合滿足信號測量需求的任何帶可調導/靜葉的壓縮系統，從節能減排的角度出發，具有廣泛的應用前景。所述的可調導/靜葉控制方法，其所述B)步中控制器的信號處理器，型號為NXP的LPC1769FBD100，為第二代Cortex_M3內核，運行速度120MHz，8通道12位的模數轉換器(ADC)速度達到400K，并支持DMA傳輸，具有實時處理能力，體積小，運算精度高，在實際復雜的運行環境中取代計算機的作用。所述的可調導/靜葉控制方法，其所述C)步中尋優算法，包括步驟Cl首先通過初始采集(vlv2v3v4v5)5路信號進口壁面靜壓、出口壁面靜壓、出口總壓、轉速和扭矩信號，算出初始效率值nQ，C2然后，控制器給電機驅動器轉速信號，導葉的角度調整到-5°，C3內循環靜葉改變角度，并通過控制算法計算相應角度所對應的效率值(I)如果葉片角度+1°之后的效率Jl1 > Htl,則繼續向相同的方向改變角度，直到Hi < ，并輸出以及該效率下的葉片角度值。(2)如果葉片角度+1°之后的效率H1 < Htl,這葉片角度轉到初始角度，并且向相反的方向改變角度，直到Hi < ，并輸出以及該效率下的葉片角度值。(3)在第2中情況下，如果向相反的方向轉動1°之后，1^仍然小于Htl,這時回到初始角度，而且n(!被認為是該工況點最大效率。一種所述的可調導/靜葉控制方法使用的控制器，其包括信號處理器、信號采集模塊，驅動控制模塊，掉電信息存儲模塊，液晶顯示屏；其中，控制器的信號處理器，分別與信號采集模塊，驅動控制模塊，掉電信息存儲模塊雙向通訊，控制器與液晶顯示屏電連接，并將相關信號數據傳輸至液晶顯示屏顯示；驅動控制模塊經D/A端口分別與步進電機I或2電連接。本發明的控制方法，優點在于I、降低了測量的復雜度，對機匣的處理更簡單。2、因為壓縮系統工作的環境比較復雜，也限制了信號的遠程傳輸，而所設計的控制器，能夠取代體積較大的電腦，控制能力和處理速度也能得到大幅度的提高。
3、采用液晶顯示屏能夠實時的顯示當前的壓比，效率，流量，轉速及扭矩，使得測量控制更直觀。4、因為壓縮系統不可能一直開機運行，每次重啟時的工況點也會產生變化，因此，上次關機時的可調葉片的角度需要記錄保存，所設計的控制器具有掉電保護的功能，能夠在下次開機時，自動檢測到當前角度值，并實行復位操作，自動化程度有了很大的提高。
圖I為本發明的用于軸流壓縮系統變工況的可調導/靜葉控制方法的流程方框圖；圖2為本發明的用于軸流壓縮系統變工況的可調導/靜葉控制器的結構示意圖；圖3為本發明的用于軸流壓縮系統變工況的可調導/靜葉控制器的功能示意圖；圖4為本發明控制方法的控制算法流程圖。
具體實施例方式本發明的用于軸流壓縮系統變工況的可調導/靜葉控制器在一臺三級軸流壓氣機實驗臺上進行了實驗，其流程方框圖如圖I所示。控制器的結構如圖2所示，實驗中，通過采集軸流壓氣機進出口靜壓，出口總壓，以及轉速和扭矩，并通過控制器的A/D端口輸入，控制器采用嵌入式操作系統以及32位信號處理器，該控制器具有實時處理能力，體積小，運算精度高，在實際復雜的運行環境中能夠取代計算機的作用，通過在線實時計算當前角度的效率值之后，采用雙向比較尋優算法獲得導葉和靜葉角度改變的方向，角度信號從D/A端口輸出，通過步進電機I和步進電機2來分別控制導葉和靜葉的安裝角的變化，實現效率尋優。控制器的功能如圖3所示，驅動模塊用于驅動電機轉動，進行角度細分，實現準確的角度定位。采集通道用于采集軸流壓氣機進出口相關參數，并通過A/D端口輸入。由于設備在實際運行時，每天運行的時間有限，使得電機驅動模塊要存儲壓縮系統停機之前得角度值，下次開機時，能夠在其他工況點工作時，能夠使導/靜葉的角度進行初始化，因此設計了掉電存儲模塊。另外，為了更加直觀的了解當前工況工作時，相關參數的變化，例如流量系數，壓升系數或者壓比等，讓操作者更清楚的知道所運行工況的實際情況，因此，控制器采用液晶顯示屏顯示流量系數，壓升系數或者壓比，轉速，扭矩的值。
控制器的結構如下
供電電壓AC220V
系統架構32Bit處理器+嵌入式操作系統
Vl (進口壓力)測量范圍-5V OV
V2 (出口靜壓)測量范圍OV 5V
V3 (出口總壓)測量范圍OV 5V V4 (轉速)測量范圍OV 5V
V5 (扭矩)測量范圍OV 5V
驅動控制模塊2通道三相混合式步進電機驅動接口
輪盤控制精度±0.001° 10°
外部開關信號釆集通道4通道
頻率信號測量范圍0 100000r/min
掉電信息存儲模塊容量64Kbit
液晶屏參數128*64圖形點陣式(藍色背光；可顯示角度、效率、壓 比和流量等信息)
與扭矩儀通訊方式RS-232接口
與數據監測軟件通訊方式RS-232接口
與數據監測軟件通訊速率38400BPS
工作溫度-20°C 70°C
存儲溫度-40°C 85°C
相對濕度<90%
尺寸110x300x280mm (全鍋機箱)
重量〈3Kg圖4控制算法流程圖控制算法流程圖如圖4所示，總所周知，壓氣機在設計調試時，通常，在設計轉速時，效率最高點所對應的導/靜葉角度被視為0°，但是，在變工況運行時，如變流量和變轉速運行是，雖然，單獨調節導葉角度或者靜葉角度時，其的變化趨勢能夠預測，但是，因為導/靜葉角度之間存在一個匹配關系，這樣導/靜葉角度位置就很難預測到，而且，在實際的運行中，設計轉速最高效率點所對應的導/靜葉角度可能發生偏離，這樣，導/靜葉角度的變化趨勢就很難預測到了。因此，所設計的控制器，采用雙向比較的算法，作為初步探索設計，控制系統限制了導葉和靜葉的角度變化范圍在-5到+5之間，這樣，角度變化時，對效率的提高，比對壓比流量的影響要大，其中靜葉采用內循環進行雙向比較尋優，控制器算法執行的時間大約是20ms，而通過步進電機來改變葉片的角度，角度的步長為1°，所需要的總時間為大約ls，另外，導/靜葉角度回轉時，需要考慮螺桿的回程間隙，回程間隙行程需要2s的時間，即從+1°轉到+2°時，控制器需要花I秒的時間，但如果從+2°轉到+1°時，所需要的時間則為3秒。具體尋優過程為首先通過初始采集(vlv2v3v4v5)5路信號算出初始效率值n。，然后，控制器給電機驅動器轉速信號，導葉的角度調整到-5°，然后，內循環靜葉改變角度，并通過控制算法計算相應角度所對應的效率值(I)如果葉片角度+1°之后的效率
nQ，則繼續向相同的方向改變角度，直到ni< Hg，并輸出IV1以及該效率下的葉片角度值。(2)如果葉片角度+1°之后的效率Ii1 < no，這葉片角度轉到初始角度，并且向相反的方向改變角度，直到Hi < ，并輸出以及該效率下的葉片角度值。(3)在第2中情況下，如果向相反的方向轉動1°之后，1^仍然小于Htl,這時回到 初始角度，而且n(!被認為是該工況點最大效率。當靜葉角度尋優完成之后，控制給導葉角度信號，導葉角度+1°，然后在進行靜葉角度尋優。直到導葉角度轉到+5°，此時整個尋優過程完成，控制器將輸出最高效率所對應的角度信號，使得壓縮系統的導/靜葉在最佳角度工作。
權利要求
1.一種用于軸流壓縮系統變工況的可調導/靜葉控制方法，其特征在于，包括步驟 A)控制器實時采集的壓氣機進出口相關信號，經A/D端口輸入控制器； B)控制器內的嵌入式操作系統及32位信號處理器，在線實時計算當前角度的效率值及進行算法分析； O采用雙向比較尋優算法獲得導葉和靜葉角度改變的方向，并將改變角度信號從D/A端口輸至步進電機I或2 ; D)步進電機I或2分別控制導葉和靜葉的安裝角的變化，調節導/靜葉的角度，實現效率尋優。
2.如權利要求I所述的可調導/靜葉控制方法，其特征在于，所述壓氣機的進出口相關信號，為壓氣機進出口靜壓，出口總壓，及壓氣機的轉速、扭矩。
3.如權利要求I或2所述的可調導/靜葉控制方法，其特征在于，所述壓氣機的進出口相關信號、尋優后的效率，通過液晶顯示屏直觀的觀察到不同工況點的當前效率以及尋優后的效率，壓比，流量系數，轉速，扭矩信號。
4.如權利要求I所述的可調導/靜葉控制方法，其特征在于，由于壓縮系統每次開機并非是工作在同一個工況點，使得上次的角度無法檢測，以至于無法進行相應的調節，控制器使用掉電信息存儲模塊保存每次掉電時，導/靜葉的當前位置，在下次開機時，自動進行復位操作。
5.如權利要求I所述的可調導/靜葉控制方法，其特征在于，由于工業上壓縮系統大部分時間工作在非設計工況，使得其效率會下降，A)步中控制器實時采集壓氣機的進出口相關信號，包括采集非設計工況的相關參數進口壁面靜壓、出口壁面靜壓、出口總壓、轉速和扭矩信號，通過雙向尋優比較算法分析，以對壓氣機的效率進行優化。
6.如權利要求I所述的可調導/靜葉控制方法，其特征在于，所述A)步中控制器實時采集壓氣機的進出口相關信號，與壓氣機特性無關，該控制器適合滿足信號測量需求的任何帶可調導/靜葉的壓縮系統，從節能減排的角度出發，具有廣泛的應用前景。
7.如權利要求I所述的可調導/靜葉控制方法，其特征在于，所述B)步中控制器的信號處理器，型號為NXP的LPC1769FBD100，為第二代Cortex_M3內核，運行速度120MHz，8通道12位的模數轉換器(ADC)速度達到400K，并支持DMA傳輸，具有實時處理能力，體積小，運算精度高，在實際復雜的運行環境中取代計算機的作用。
8.如權利要求I所述的可調導/靜葉控制方法，其特征在于，所述C)步中尋優算法，包括步驟 Cl首先通過初始采集(vlv2v3v4v5)5路信號進口壁面靜壓、出口壁面靜壓、出口總壓、轉速和扭矩信號，算出初始效率值n。， C2然后，控制器給電機驅動器轉速信號，導葉的角度調整到-5°， C3內循環靜葉改變角度，并通過控制算法計算相應角度所對應的效率值 (1)如果葉片角度+1°之后的效率H1> Πο，則繼續向相同的方向改變角度，直到Hi< !Th，并輸出！Th以及該效率下的葉片角度值。
(2)如果葉片角度+1°之后的效率Jl1< %，這葉片角度轉到初始角度，并且向相反的方向改變角度，直到Hi < ，并輸出以及該效率下的葉片角度值。
(3)在第2中情況下，如果向相反的方向轉動1°之后，1仍然小于Jlci，這時回到初始角度，而且η(!被認為是該工況點最大效率。
9.一種如權利要求I所述的可調導/靜葉控制方法使用的控制器，其特征在于，包括信號處理器、信號采集模塊，驅動控制模塊，掉電信息存儲模塊，液晶顯示屏；其中，控制器的信號處理器，分別與信號采集模塊，驅動控制模塊，掉電信息存儲模塊雙向通訊，控制器與液晶顯示屏電連接，并將相關信號數據傳輸至液晶顯示屏顯示；驅動控制模塊經D/A端口分別與步進電機I或2電連接。
全文摘要
本發明公開了一種用于軸流壓縮系統變工況的可調導/靜葉控制方法，涉及燃氣輪機技術，針對目前帶有可調導/靜葉的多級軸流壓縮系統，通過能夠在線調節導/靜葉角度的控制器，在壓縮系統變工況運行時，合理的調節導/靜葉的角度值，達到效率尋優的目的，控制器采用先進的嵌入式操作系統和32Bit的信號處理器。本發明方法簡化了傳統控制器的輸入信號，對信號測量的復雜度降低，采用比較尋優的方法能有效的實現在變工況工作點時的效率尋優，適用任何帶有可調導/靜葉的軸流壓縮系統，使其在工作點的效率高于尋優之前的效率值。
文檔編號F04D27/00GK102852840SQ20111018011
公開日2013年1月2日 申請日期2011年6月29日 優先權日2011年6月29日
發明者李繼超, 童志庭, 林峰, 聶超群 申請人:中國科學院工程熱物理研究所