探究燃气轮机燃烧控制系统

探究燃气轮机燃烧控制系统
发表时间：2018-08-07T12:11:09.683Z 来源：《科学教育前沿》2018年05期作者：高永
[导读] 【摘要】燃气轮机是将燃料燃烧时产生的热能转化成机械能的一种热机，是当前世界上最新和最主要的动力机械。

随着燃气轮机单机功率的增大，以及以燃气轮机技术为核心的动力装置的广泛使用，燃气轮机的控制系统性能显得越来越重要。

燃料控制系统是燃气轮机的重要组成部分，是保证燃气轮机可靠性运行的关键部件，为此，本文对燃气控制系统进行了研究。

【关键词】燃气轮机燃烧系统控制
【摘要】燃气轮机是将燃料燃烧时产生的热能转化成机械能的一种热机，是当前世界上最新和最主要的动力机械。

随着燃气轮机单机功率的增大，以及以燃气轮机技术为核心的动力装置的广泛使用，燃气轮机的控制系统性能显得越来越重要。

燃料控制系统是燃气轮机的重要组成部分，是保证燃气轮机可靠性运行的关键部件，为此，本文对燃气控制系统进行了研究。

【关键词】燃气轮机燃烧系统控制
中图分类号：TK47 文献标识码：Ａ文章编号：ISSN1004-1621（2018）05-048-02
一、燃气轮机及其控制系统的发展概况
燃气轮机是一项多技术集成的高技术，其传统的提高性能途径：不断地提高透平初温、相应地增大压气机压比和完善有关部件。

燃气轮机控制系统硬件平台的发展经历了一个漫长的过程。

走过了从液压机械式控制、模拟式电子控制到数字式电子控制的发展道路，早期的燃气轮机控制器是采用测量元件直接控制燃气轮机执行机构的直接作用式，至30年代己发展为相当完善的机械液压型控制结构，其控制策略均采用比例积分型控制结构。

随着电力系统发展对自动化水平要求的提高，伴随着计算机技术的发展，人们开始研究用微机实现调节和控制方案，微机调节器调节规律由PID型发展到众多PID改进型，其硬件发展经历了单片机、STD总线式工业控制机、PLC可编程控制器、工业PC以及现在流行的DCS分散控制系统和FCS现场总线控制系统等微机系列的应用过程，其中STD总线式工业控制机、PLC可编程控制器及DCS系统为现在的主流产品，具有高可靠性和计算快速、多任务及编程通用化的特点，能够实现复杂的控制任务。

高性能控制平台为先进、复杂的控制策略开发研究和实际应用提供了硬件支持。

二、燃气轮机系统及工作原理概述
燃气轮机由压气机、燃烧室、透平组成。

燃气轮机正常工作时，工质顺序经过吸气压缩、燃烧加热、膨胀做功以及排气放热等四个工作过程而完成一个由热变功转化的热力循环。

如图所示为开式简单循环燃气轮机工作原理图。

压气机从外界大气环境吸入空气，并逐级压缩，压缩后的空气被送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧产生高温高压的燃气，然后再进入透平膨胀做功，最后是工质放热过程，透平排气可直接排到大气，自然放热给外界环境，也可通过各种换热设备如余热锅炉来回收利用部分余热，这样就形成了联合循环。

连续重复完成上述循环过程的同时，发动机也就把燃料的化学能连续地部分转化为有用功。

三、燃烧室控制过程
燃气轮机燃烧室共有5种燃烧方式：5种燃烧方式的切换，会根据燃烧室的基准温度TTRF1进行切换，此温度不是实际测量的准确温度，而是根据机组入口压力、排气压力、空气温度，天然气压力温度、机组运行等其他参数运算出来的值，这样计算求得的燃烧基准温度并不是表示实际机组的进气火焰平均温度，而仅仅是燃烧配气模式和燃料分流过程控制的一个基准温度。

在采用混合燃烧模型运行模式下，流过PM1和PM4通道的流量比为20/80。

有时为了减少燃烧室的压力脉动可改变PM1和PM4通道的流量分配比，如PM1的比份可在18%～21%间调整。

当加载时，TTRF1高于2270（1243℃），卸载时，TTRF1超过2220（1216℃）时，燃气轮机均处于预混燃烧模式。

此时相应的燃机负载为 50%～100%基本负荷区间。

如果甩负荷时，TTRF1超过2220（1216℃），只保留PM1预混燃烧通道；如果甩负荷时，TTRF1低于2220（1216℃），则保留D5和PM1通道。

甩负荷时，相应的燃机甩掉部分负载，防止机械超速并将机组维持在全速空载工况。

四、燃烧系统伺服阀控制
燃料截止/速比阀VSR采用模块化设计，达到临界控制特点，同时允许同样的阀门设计适应多种行程，力输出，机械接口安排。

电气和
机械接口的设计是为了快速简单的装配在工厂或现场拆卸阀门。

组件包括板载液压过滤器，电液伺服阀，脱扣阀，单作用液压缸，双LVDT。

燃气轮机的最佳控制要求执行机构和阀门准确和快速地跟踪控制所传输的需求信号。

在止动/比阀设计的目的是提供超过的输出力开放和关闭要求有一定的余地。

额外的利润帮助确保系统在服务条件下快速移动阀门已被污染或磨损。

液压行程继电器阀有被选中提供高的操作力，高流量，和确保在航行条件下阀门的合闸率。

在液压缸和阀杆之间使用一个长驱动杆手臂，执行机构轴和密封的侧装力大大减
少，减少滑动件之间的磨损，增加有用的使用寿命的系统。

在湿润的重型线性滑梯之间有足够的距离在止比阀内的环可以容纳任何剩余的边负荷。

这些即使在恶劣的服务条件下，规定也提供了延长的使用寿命。

燃料截止/速比阀VSR执行器由电子伺服控制控制系统（不包括），比较要求和实际的阀门的位置。

控制系统将输入电流信号调制到电液伺服阀使定位系统误差最小化。

液压油通过一个带积分高的可拆卸元件过滤器进入执行机构ΔP指标，针对4个方法，电液伺服阀在使用三方配置。

伺服阀的控制压力输出为定向到液压活塞的顶部。

当外力作用于液压超过了相反的负载弹簧的力，输出活塞延伸，旋转阀门在开启方向。

在电液伺服器之间插入一次行程继电器阀总成控制阀和伺服输出级。

外部的损失或减少提供的行程信号压力导致行程中继阀移位。

这个将执行器活塞的上腔连接到液压排油管上。

作用力由回程弹簧提供，推动驱动杆上升，旋转阀门到关闭位置。

两个冗余的LVDT位置反馈传感器也安装在内部每一个执行机构。

LVDT传感器芯和支撑杆连接到主要的执行机构输出杆，通过耦合安排在套管上。

这个引导套管保持LVDT对齐，以减少由于滑动造成的核心损坏磨损和相关的感知精度损失。

线性可变位置反馈传感器制动/比例执行机构使用双LVDT来进行位置反馈。

线性的出厂设置（0.7±0.1）V/ms，最大反馈位置（3.5±0.5）V/ms。

每个LVDT的实际电压值在现场校准。

电子设置动态调优参数该阀门的正确动态特性必须输入控制系统确保阀门/控制系统的运行在可接受的范围之内。

燃料控制阀VGC1，2，3，燃料控制阀设计从0%到100%，所有设计集成阀门和执行机构进入紧凑的装配。

整体式致动器是一种单作用簧加载设计操作。

致动器包括板载液压过滤器的最后一次机会过滤流体以确保伺服阀和执行机构的可靠性。

在伺服阀是电冗余的三线圈设计。

反馈的执行机构由双线圈，双杆LVDT（线性可变微分）提供变压器直接连接到液压活塞。

液压执行机构总成采用两级液压伺服阀调节执行器输出轴的位置，从而控制VGC阀。

第一个阶段力矩电机采用三绕组线圈控制第一和第二阶段阀门的位置与总量的比例电流应用于三线圈。

如果控制系统需要一个快速的阀门运动来发送更多的燃料涡轮，总电流比零电流高。

在这样一个条件，控制端口与供应压力有关。

流量致动器的活塞腔与总电流成正比适用于3个线圈。

因此，开口速度也与之成正比电流（大于零）提供给力矩电机。

如果控制系统需要一个快速的运动来关闭气体燃料阀，那么总电流降低远低于零电流。

在这样的条件下，端口连接到液压排液回路。

从活塞腔到排水管与低于零值的总电流的大小成正比。

因此，闭合速度也与提供的电流（低于零）成比例力矩电机。

在零电流附近，VGC阀将控制端口与控制端口隔离开来液压供应，平衡活塞压力与弹簧之间保持一个恒定的位置。

控制系统的数量电流传递到线圈，调节电流供给线圈获得阀门的适当闭环位置。

参考文献
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[4] 夏心磊，谢剑英.重型燃气轮机控制系统的结构研究[J].热力透平，2007，36（4）：245-250.。