張克強(qiáng)

摘 要：燃料控制系統(tǒng)是燃?xì)廨啓C(jī)的重要組成部分，是保證燃?xì)廨啓C(jī)可靠性運(yùn)行的關(guān)鍵部件，為此，本文對(duì)燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)進(jìn)行了研究。首先，構(gòu)建了比較全面的控制系統(tǒng)模擬模型并確定了各模型的參數(shù)，改進(jìn)了對(duì)應(yīng)的燃?xì)鈾C(jī)輪燃燒性能，保障了燃?xì)廨啓C(jī)在負(fù)荷變化的情況下，還能保證燃燒穩(wěn)定性能；其次，對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行分析以及工作原理進(jìn)行分析，進(jìn)一步改善了燃料控制系統(tǒng)的功能并配置了相應(yīng)的硬件設(shè)備和軟件；最后，針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒的低排放性，對(duì)燃燒室進(jìn)行了自整定能力的研究。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī) 燃燒系統(tǒng) 控制方案

中圖分類號(hào)：TK47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）12（a）-0114-05

我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展受限于航空工業(yè)的發(fā)展，在一個(gè)時(shí)期內(nèi)處于停滯狀態(tài)，隨著對(duì)通用、西門(mén)子、三菱公司F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的消化與吸收，我們從一開(kāi)始的組裝國(guó)外燃?xì)廨啓C(jī)，到燃?xì)廨啓C(jī)國(guó)產(chǎn)化，再到現(xiàn)在可以生產(chǎn)自己的燃?xì)廨啓C(jī)，確實(shí)有了很大的進(jìn)步，但燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展是一個(gè)國(guó)家整體工業(yè)水平的提高，涉及材料、測(cè)量、控制等多個(gè)學(xué)科，我們相信，隨著航空和造船業(yè)的快速發(fā)展，作為發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)一定會(huì)有一個(gè)美好的明天[1-4]。

本文結(jié)合目前燃?xì)廨啓C(jī)在穩(wěn)定燃燒及低排放等方面存在的不足與缺陷，提出了對(duì)燃燒控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)的研究，保證燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定性和低排放的可靠性。

1 燃燒室燃料分級(jí)工作原理

燃燒室結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1可以看出，燃燒室內(nèi)燃料的控制系統(tǒng)的至關(guān)重要的，是保證整個(gè)燃燒系統(tǒng)的主要因素，本文提出了并聯(lián)式分級(jí)燃燒，即燃燒室的燃料是分級(jí)供應(yīng)的，其控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

如圖2所示，每只燃燒室有5只燃料噴嘴，每只噴嘴有一只擴(kuò)散通道，一只預(yù)混通道。燃?xì)廨啓C(jī)周向布置有18個(gè)燃燒室，每只燃燒室的5個(gè)擴(kuò)散燃燒通道與擴(kuò)散燃燒支管相連，由VGC-1氣體控制閥調(diào)節(jié)燃料氣體的流量。每只燃燒室的4只預(yù)混通道相互聯(lián)接，組成PM4支管，由VGC-3氣體控制閥調(diào)節(jié)燃料氣體流量。每只燃燒室剩余的一只預(yù)混通道相互聯(lián)接組成PM1支管，由VGC-2氣體控制閥調(diào)節(jié)燃料氣體流量。這樣，將所有燃料通道并聯(lián)地分成三級(jí)，分別由3只控制閥控制燃料氣體的流量。

燃?xì)廨啓C(jī)燃料系統(tǒng)主要由帶有線性可變差動(dòng)變壓器的氣體燃料截止/速比閥VSR和有線性可變差動(dòng)變壓器的氣體控制閥VGC-1，VGC-2，VGC-3以及一些壓力開(kāi)關(guān)、壓力傳感器等附屬設(shè)備組成。

另外，燃料截止/速比閥VSR主要功能有兩個(gè)：一是作為燃料的截止閥，二是作為燃料的壓力調(diào)節(jié)閥，根據(jù)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速為控制閥VGC提供調(diào)節(jié)后的燃機(jī)進(jìn)口壓力。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)停機(jī)或者有事故發(fā)生，需要迅速切斷燃料供應(yīng)時(shí)，VSR會(huì)快速關(guān)閉，切斷燃料供應(yīng)，使燃?xì)廨啓C(jī)停止運(yùn)行。燃料控制閥VGC-1，2，3的功能是根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷要求，向燃?xì)廨啓C(jī)提供一定數(shù)量的天然氣，本文研究的對(duì)象機(jī)組為低氮燃燒室，通過(guò)每個(gè)控制閥的協(xié)調(diào)控制，除保證燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)定燃燒外，還要盡可能地降低氮氧化物的排放。

2 燃燒室控制過(guò)程

燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室共有5種燃燒方式：5種燃燒方式的切換，會(huì)根據(jù)燃燒室的基準(zhǔn)溫度TTRF1進(jìn)行切換，此溫度不是實(shí)際測(cè)量的準(zhǔn)確溫度，而是根據(jù)機(jī)組入口壓力、排氣壓力、空氣溫度，天然氣壓力溫度、機(jī)組運(yùn)行等其他參數(shù)運(yùn)算出來(lái)的值，這樣計(jì)算求得的燃燒基準(zhǔn)溫度并不是表示實(shí)際機(jī)組的進(jìn)氣火焰平均溫度，而僅僅是燃燒配氣模式和燃料分流過(guò)程控制的一個(gè)基準(zhǔn)溫度，具體見(jiàn)圖3。

本文提出采用混合燃燒模型運(yùn)行，在這種運(yùn)行模式下，流過(guò)PM1和PM4通道的流量比為20/80。有時(shí)為了減少燃燒室的壓力脈動(dòng)可改變PM1和PM4通道的流量分配比，如PM1的比份可在18%～21%間調(diào)整。當(dāng)加載時(shí)，TTRF1高于2270（1243℃），卸載時(shí)，TTRF1超過(guò)2220（1216℃）時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)均處于預(yù)混燃燒模式。此時(shí)相應(yīng)的燃機(jī)負(fù)載為 50%～100%基本負(fù)荷區(qū)間。

如果甩負(fù)荷時(shí)，TTRF1超過(guò)2220（1216℃），只保留PM1預(yù)混燃燒通道；如果甩負(fù)荷時(shí)，TTRF1低于2220（1216℃），則保留D5和PM1通道。甩負(fù)荷時(shí)，相應(yīng)的燃機(jī)甩掉部分負(fù)載，防止機(jī)械超速并將機(jī)組維持在全速空載工況。

3 燃燒系統(tǒng)伺服閥控制

燃料截止/速比閥VSR采用模塊化設(shè)計(jì)，達(dá)到臨界控制特點(diǎn)，同時(shí)允許同樣的閥門(mén)設(shè)計(jì)適應(yīng)多種行程，力輸出，機(jī)械接口安排。電氣和機(jī)械接口的設(shè)計(jì)是為了快速簡(jiǎn)單的裝配在工廠或現(xiàn)場(chǎng)拆卸閥門(mén)。組件包括板載液壓過(guò)濾器，電液伺服閥，脫扣閥，單作用液壓缸，雙LVDT。燃?xì)廨啓C(jī)的最佳控制要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門(mén)準(zhǔn)確和快速地跟蹤控制所傳輸?shù)男枨笮盘?hào)。在止動(dòng)/比閥設(shè)計(jì)的目的是提供超過(guò)的輸出力開(kāi)放和關(guān)閉要求有一定的余地。額外的利潤(rùn)幫助確保系統(tǒng)在服務(wù)條件下快速移動(dòng)閥門(mén)已被污染或磨損。液壓行程繼電器閥有被選中提供高的操作力，高流量，和確保在航行條件下閥門(mén)的合閘率。在液壓缸和閥桿之間使用一個(gè)長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)桿手臂，執(zhí)行機(jī)構(gòu)軸和密封的側(cè)裝力大大減少，減少滑動(dòng)件之間的磨損，增加有用的使用壽命的系統(tǒng)。在濕潤(rùn)的重型線性滑梯之間有足夠的距離在止動(dòng)/比閥內(nèi)的環(huán)可以容納任何剩余的邊負(fù)荷。這些即使在惡劣的服務(wù)條件下，規(guī)定也提供了延長(zhǎng)的使用壽命。

燃料截止/速比閥VSR執(zhí)行器由電子伺服控制控制系統(tǒng)（不包括），比較要求和實(shí)際的閥門(mén)的位置。控制系統(tǒng)將輸入電流信號(hào)調(diào)制到電液伺服閥使定位系統(tǒng)誤差最小化。液壓油通過(guò)一個(gè)帶積分高的可拆卸元件過(guò)濾器進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)ΔP指標(biāo)，針對(duì)4個(gè)方法，電液伺服閥在使用三方配置。伺服閥的控制壓力輸出為定向到液壓活塞的頂部。當(dāng)外力作用于液壓超過(guò)了相反的負(fù)載彈簧的力，輸出活塞延伸，旋轉(zhuǎn)閥門(mén)在開(kāi)啟方向。在電液伺服器之間插入一次行程繼電器閥總成控制閥和伺服輸出級(jí)。外部的損失或減少提供的行程信號(hào)壓力導(dǎo)致行程中繼閥移位。這個(gè)將執(zhí)行器活塞的上腔連接到液壓排油管上。作用力由回程彈簧提供，推動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿上升，旋轉(zhuǎn)閥門(mén)到關(guān)閉位置。兩個(gè)冗余的LVDT位置反饋傳感器也安裝在內(nèi)部每一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。LVDT傳感器芯和支撐桿連接到主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出桿，通過(guò)耦合安排在套管上。這個(gè)引導(dǎo)套管保持LVDT對(duì)齊，以減少由于滑動(dòng)造成的核心損壞磨損和相關(guān)的感知精度損失。

線性可變位置反饋傳感器制動(dòng)/比例執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用雙LVDT來(lái)進(jìn)行位置反饋。線性的出廠設(shè)置（0.7±0.1）V/ms，最大反饋位置（3.5±0.5）V/ms。每個(gè)LVDT的實(shí)際電壓值在現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。電子設(shè)置動(dòng)態(tài)調(diào)優(yōu)參數(shù)該閥門(mén)的正確動(dòng)態(tài)特性必須輸入控制系統(tǒng)確保閥門(mén)/控制系統(tǒng)的運(yùn)行在可接受的范圍之內(nèi)。

燃料控制閥VGC1，2，3，燃料控制閥設(shè)計(jì)從0%到100%，所有設(shè)計(jì)集成閥門(mén)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)入緊湊的裝配。整體式致動(dòng)器是一種單作用彈簧加載設(shè)計(jì)操作。致動(dòng)器包括板載液壓過(guò)濾器的最后一次機(jī)會(huì)過(guò)濾流體以確保伺服閥和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠性。在伺服閥是電冗余的三線圈設(shè)計(jì)。反饋的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由雙線圈，雙桿LVDT（線性可變微分）提供變壓器直接連接到液壓活塞。

液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)總成采用兩級(jí)液壓伺服閥調(diào)節(jié)執(zhí)行器輸出軸的位置，從而控制VGC閥。第一個(gè)階段力矩電機(jī)采用三繞組線圈控制第一和第二階段閥門(mén)的位置與總量的比例電流應(yīng)用于三線圈。如果控制系統(tǒng)需要一個(gè)快速的閥門(mén)運(yùn)動(dòng)來(lái)發(fā)送更多的燃料渦輪，總電流比零電流高。在這樣一個(gè)條件，控制端口與供應(yīng)壓力有關(guān)。流量致動(dòng)器的活塞腔與總電流成正比適用于3個(gè)線圈。

因此，開(kāi)口速度也與之成正比電流（大于零）提供給力矩電機(jī)。如果控制系統(tǒng)需要一個(gè)快速的運(yùn)動(dòng)來(lái)關(guān)閉氣體燃料閥，那么總電流降低遠(yuǎn)低于零電流。在這樣的條件下，端口連接到液壓排液回路。從活塞腔到排水管與低于零值的總電流的大小成正比。因此，閉合速度也與提供的電流（低于零）成比例力矩電機(jī)。在零電流附近，VGC閥將控制端口與控制端口隔離開(kāi)來(lái)液壓供應(yīng)，平衡活塞壓力與彈簧之間保持一個(gè)恒定的位置。控制系統(tǒng)的數(shù)量電流傳遞到線圈，調(diào)節(jié)電流供給線圈獲得閥門(mén)的適當(dāng)閉環(huán)位置。燃料控制閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)和燃燒模式選擇見(jiàn)圖4和圖5所示。

燃燒系統(tǒng)運(yùn)行圖和燃?xì)廨啓C(jī)整體運(yùn)行圖見(jiàn)圖6和圖7。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)中的燃燒控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，包括了燃燒控制系統(tǒng)方式選擇、燃燒系統(tǒng)參數(shù)整定以及燃?xì)廨啓C(jī)的燃料截止閥和控制閥等。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，改進(jìn)的燃燒控制系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，能夠快速適應(yīng)負(fù)荷的波動(dòng)并能夠保證良好的超低排放。

參考文獻(xiàn)

[1] 李勇.GE燃?xì)廨啓C(jī)Mark VI控制系統(tǒng)研究及調(diào)試[D].浙江大學(xué)，2007.

[2] 毛華軍.燃機(jī)Mark VI控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架簡(jiǎn)析[J].華電技術(shù)，2011（1）：21-26.

[3] 李鱗章.大型單軸燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組控制系統(tǒng)及其特點(diǎn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30（18）：99-102.

[4] 夏心磊，謝劍英.重型燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)研究[J].熱力透平，2007，36（4）：245-250.