燃气轮机燃烧控制系统研究

张克强

摘 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。首先，构建了比较全面的控制系统模拟模型并确定了各模型的参数，改进了对应的燃气机轮燃烧性能，保障了燃气轮机在负荷变化的情况下，还能保证燃烧稳定性能；其次，对于燃气轮机系统构成进行分析以及工作原理进行分析，进一步改善了燃料控制系统的功能并配置了相应的硬件设备和软件；最后，针对燃气轮机燃烧的低排放性，对燃烧室进行了自整定能力的研究。

关键词：燃气轮机 燃烧系统 控制方案

中图分类号：TK47 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（a）-0114-05

我国燃气轮机的发展受限于航空工业的发展，在一个时期内处于停滞状态，随着对通用、西门子、三菱公司F级燃气轮机的消化与吸收，我们从一开始的组装国外燃气轮机，到燃气轮机国产化，再到现在可以生产自己的燃气轮机，确实有了很大的进步，但燃气轮机的发展是一个国家整体工业水平的提高，涉及材料、测量、控制等多个学科，我们相信，随着航空和造船业的快速发展，作为发动机的燃气轮机技术一定会有一个美好的明天[1-4]。

本文结合目前燃气轮机在稳定燃烧及低排放等方面存在的不足与缺陷，提出了对燃烧控制系统进行改进的研究，保证燃烧系统的稳定性和低排放的可靠性。

1 燃烧室燃料分级工作原理

燃烧室结构如图1所示。

从图1可以看出，燃烧室内燃料的控制系统的至关重要的，是保证整个燃烧系统的主要因素，本文提出了并联式分级燃烧，即燃烧室的燃料是分级供应的，其控制系统比较复杂。具体结构如图2所示。

如图2所示，每只燃烧室有5只燃料喷嘴，每只喷嘴有一只扩散通道，一只预混通道。燃气轮机周向布置有18个燃烧室，每只燃烧室的5个扩散燃烧通道与扩散燃烧支管相连，由VGC-1气体控制阀调节燃料气体的流量。每只燃烧室的4只预混通道相互联接，组成PM4支管，由VGC-3气体控制阀调节燃料气体流量。每只燃烧室剩余的一只预混通道相互联接组成PM1支管，由VGC-2气体控制阀调节燃料气体流量。这样，将所有燃料通道并联地分成三级，分别由3只控制阀控制燃料气体的流量。

燃气轮机燃料系统主要由带有线性可变差动变压器的气体燃料截止/速比阀VSR和有线性可变差动变压器的气体控制阀VGC-1，VGC-2，VGC-3以及一些压力开关、压力传感器等附属设备组成。

另外，燃料截止/速比阀VSR主要功能有两个：一是作为燃料的截止阀，二是作为燃料的压力调节阀，根据燃机的转速为控制阀VGC提供调节后的燃机进口压力。当燃气轮机停机或者有事故发生，需要迅速切断燃料供应时，VSR会快速关闭，切断燃料供应，使燃气轮机停止运行。燃料控制阀VGC-1，2，3的功能是根据燃气轮机的转速和负荷要求，向燃气轮机提供一定数量的天然气，本文研究的对象机组为低氮燃烧室，通过每个控制阀的协调控制，除保证燃气轮机稳定燃烧外，还要尽可能地降低氮氧化物的排放。

2 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，具体见图3。

本文提出采用混合燃烧模型运行，在这种运行模式下，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。

3 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動/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彈簧加载设计操作。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。燃料控制阀内部结构和燃烧模式选择见图4和图5所示。

燃烧系统运行图和燃气轮机整体运行图见图6和图7。

4 结语

本文针对燃气轮机中的燃烧控制系统进行了研究，包括了燃烧控制系统方式选择、燃烧系统参数整定以及燃气轮机的燃料截止阀和控制阀等。通过实际运行结果表明，改进的燃烧控制系统具有较好的稳定性，能够快速适应负荷的波动并能够保证良好的超低排放。

参考文献

[1] 李勇.GE燃气轮机Mark VI控制系统研究及调试[D].浙江大学，2007.

[2] 毛华军.燃机Mark VI控制系统网络构架简析[J].华电技术，2011（1）：21-26.

[3] 李鳞章.大型单轴燃气-蒸汽联合循环机组控制系统及其特点[J].电力系统自动化，2006，30（18）：99-102.

[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.