某燃氣輪機半物理仿真試驗平臺的研制與調試

徐澤鵬，陳天祥，朱亞兵

(中航工業金城南京機電液壓工程研究中心， 南京 211106)

燃氣輪機控制系統從開始研制到定型需進行大量的試驗來驗證系統的準確性、可靠性和穩定性[1]。直接對燃氣輪機及其控制系統進行聯合試車的全物理試驗不僅存在高成本、高風險的問題，而且可能損壞燃氣輪機及其控制系統[2]。因此，可以借助仿真技術降低試驗風險、節省成本，同時可以提高試驗效率[3]。

仿真技術，就是用某種手段來模仿真實世界的變化過程，當前受到國內外認可并投入研究的仿真主要是指系統仿真[4]。系統仿真一般包括三種類型，即數字仿真、半物理仿真以及物理仿真[5]。數字仿真就是對研究系統的特性用數學關系進行抽象，得到該系統的數學模型，然后在計算機上對數學模型及相應編制的控制程序進行試驗研究和驗證的過程[6]。半物理仿真就是對研究系統的某些部分建立數學模型，有些部分用實物或物理模型(比如控制系統、傳感器和執行機構等)代替，并把它們連接形成仿真回路進行試驗的過程[7]。物理仿真就是對研究系統全部采用物理模型或實物，并把它們連接形成仿真回路進行試驗的過程[8]。

在數字仿真系統中，某些子系統或部件很難建立準確的數學模型，使得進行純數字仿真十分困難，而且精度受到模型的限制[9]。物理仿真的精度高、可信度高，具有實時性和在線性的特點，但其需進行大量的設備制造、安裝及調試等工作，結構復雜，造價高昂，模型難以重用，通用性不強[10]。半物理仿真避免了物理仿真中成本高、通用性不強的問題，同時又比數字仿真更接近于實際、仿真置信度高，在控制系統的研制過程中得到越來越多的應用[11]。

半物理仿真的逼真度取決于接入的實物部件的多少、對實物部件實際工作環境模擬的真實程度和燃氣輪機數學模型的精度，因此，針對不同型號的燃氣輪機及其控制系統需建立其相應的半物理仿真平臺，以提高仿真逼真度[12]。

本文以某導葉可調的三轉子燃氣輪機為研究對象，將控制系統、燃油調節、導葉調節等執行機構和運行于計算機上的燃氣輪機數學模型連接，并考慮燃油供油溫度、壓力、流量以及燃燒室背壓的影響，構建了半物理仿真試驗平臺，實現了對該型燃氣輪機工作過程的模擬，為控制系統的開發提供了良好的試驗支撐。

1 半物理仿真試驗平臺的研制

針對該型燃氣輪機搭建的半物理仿真試驗平臺主要由電控系統(包括操作站、主控柜、電氣柜和轉速模擬柜等)和執行機構系統(包括油站、執行機構和模擬燃燒室等)組成。電控系統對燃氣輪機數學模型的起動、加速、減速、穩態運行以及停車和重要參數實施全面的自動控制和限制。執行機構系統對燃油流量及導葉等設備進行精確、快速的控制。試驗平臺原理框圖如圖1所示。

圖1 試驗平臺原理框圖

電控系統主要包括操作站、主控柜、電氣柜和轉速模擬柜等，如圖2所示。

圖2 電控系統

操作站主要包括2臺工控機、監控系統、2套T型操縱桿和緊急停車操作按鈕等。一臺工控機用于運行燃氣輪機數學模型及監視試驗平臺的各項參數，另一臺工控機用于對試驗平臺進行各項操作及查詢試驗數據；監控系統用于對設備參數進行實時監控；T型操作桿用于在手操控制模式下，對燃油流量及導葉開度進行控制。

主控柜主要包括一對控制器、若干I/O模件和電源模塊等。控制器用于儲存、運算燃氣輪機控制策略，對I/O模件進行數據采集/輸出，與操作站通訊，使操作站可監視/控制試驗平臺各設備；I/O模件用于采集試驗平臺各項參數和輸出電信號控制指令，控制平臺各設備。

電氣柜主要包括5套AC380接觸器、5套AC220V斷路器、繼電器、端子排和伺服卡等。5套AC380接觸器分別用于“燃油泵1”“燃油泵2”“導調泵”“冷油機”“空壓機”的電氣回路控制；5套AC220V斷路器分別用于“主控柜”“轉速柜”“操作臺”“過濾器1”“過濾器2”的供電。

轉速模擬柜主要包括3套伺服電機和3套伺服驅動器等。3套伺服電機分別用于模擬低壓渦輪轉子轉速(簡稱NL)、高壓渦輪轉子轉速(簡稱NH)和動力渦輪轉子轉速(簡稱NP)；3套伺服驅動器用于控制伺服電機轉速和采集伺服電機轉速，通訊給主控柜。

執行機構系統主要包括油站、執行機構和模擬燃燒室等，如圖3所示。

圖3 執行機構系統

油站主要包括油箱、3套油泵電機、調壓閥和冷油機等。2臺油泵電機用于給燃油控制回路供給燃油,1臺油泵電機用于給導葉控制回路供給燃油；調壓閥用于調節燃油供給壓力；冷油機用于對燃油進行冷卻/加熱。

執行機構主要包括2套燃油比例流量閥、1套比例換向閥和導葉作動器等。比例流量閥用于對供給燃氣輪機的燃油流量進行精確的控制；比例換向閥用于對提供給導葉作動器的油壓進行精確的控制；導葉作動器用于接收比例換向閥控制的燃油，通過油動機改變導葉的開度。

模擬燃燒室主要包括壓力容器、背壓模擬裝置和2套噴嘴組件等，其原理圖如圖4所示。壓力容器用于提供試驗的空間；模擬背壓裝置通過油壓控制系統和氣動增壓裝置改變壓力容器內部壓力，用于模擬燃燒時產生的背壓，可控制背壓范圍為0.3～1.1 MPa；2套噴嘴組件為燃氣輪機實際使用的噴嘴，安裝在壓力容器上，用于霧化和噴射燃油，噴嘴組件1為9個氣動噴嘴，噴嘴組件2為9個離心噴嘴。

圖4 模擬燃燒室原理圖

2 調試與分析

對試驗平臺進行調試是為了檢驗其功能，發現并消除可能存在的缺陷，確保各設備和系統滿足功能需求。

2.1 比例流量閥流量特性調試

打開燃油泵，分別給兩個比例流量閥0%～100%的開度指令，記錄流量變化，兩個比例流量閥的流量特性分別如圖5所示。由圖可知，兩個比例流量閥的流量特性與開度基本成線性變化關系，滿足平臺功能需求。

圖5 比例流量閥流量特性曲線

2.2 背壓對燃油流量特性的影響調試

將比例流量閥開度固定在某個開度，在燃油控制回路中節流，從而產生一定的背壓，改變背壓的大小，得到相應的燃油流量變化如圖6所示。由圖可知，背壓在0.46～1.71 MPa范圍內變化時，燃油流量改變非常小，最大變化量為3.66%，可判定在此壓力范圍內，背壓對比例流量閥的流量特性影響很小。

圖6 背壓對燃油流量特性的影響

2.3 導葉控制特性調試

打開導調泵，給導葉0%～100%的開度指令，記錄反饋變化，導葉控制特性如圖7所示。由圖可知，反饋與指令完全契合，控制特性滿足平臺功能需求。

圖7 導葉控制特性

2.4 控制系統和燃氣輪機模型聯合調試

2.4.1 開環控制調試

將控制系統與燃氣輪機數學模型連接，進入“正常啟動(手操)”模式調試，該模式起動步驟如下：

1) 燃油泵1、2和導調泵運行，燃油截止閥1、2和導葉遮斷閥打開；

2) 啟動電機運行，NH上升到點火轉速，點火器點火，燃油量增大，NH持續上升；

3) 當NH>26 000 r/min時，進入NH閉環控制，NH穩定控制在28 000 r/min；

4) 操作員控制燃調桿與導調桿，當操縱桿指令與程序運算指令誤差<2%時，切換到手操控制模式，燃油比例流量閥開度由燃調桿手動控制，導葉開度由導調桿手動控制；

5) 控制燃調桿，使NH達到32 000 r/min，控制導調桿使導葉開度從90°緩慢關至30°，NP上升；

6) 控制燃調桿，使機組穩定在任意帶載工況。

“正常啟動(手操)”模式調試過程中NL、NH、NP轉速和燃油流量變化曲線如圖8所示。調試過程表明：試驗平臺具有使用燃調桿、導調桿手動快速、精確控制燃油流量、導葉角度的功能；各功能模塊能夠協同工作，較好地模擬了燃氣輪機起動、加速和加載的過程(手動調節燃調桿、導調桿，手動加載)；在整個調試過程中，系統對“燃燒室出口溫度”“動力渦輪前溫度”“排氣溫度”等參數的監控、保護功能正常。

圖8 手操模式調試過程

2.4.2 閉環控制調試

將控制系統與燃氣輪機數學模型連接，進入“正常啟動(自動)”模式調試，該模式起動步驟如下：

1) 燃油泵1、2和導調泵運行，燃油截止閥1、2和導葉遮斷閥打開；

2) 啟動電機運行，NH上升速到點火轉速，點火器點火，燃油量增大，NH持續上升；

3) NH>26 000 r/min時，進入NH閉環控制，NH穩定控制在28 000 r/min；

4) 操作員將NH目標值修改為32 000 r/min，燃油量增大，NH穩定控制在32 000 r/min，當NH>32 000 r/min時，導葉開度從90°緩慢關至30°，NP上升；

5) NP>25 500 r/min時，進入NP閉環控制，NP穩定控制在26 600 r/min；

6) NP穩定26 600 r/min，操作員可點擊“加載投入”按鈕，模擬加載；

7) 進入加載功率閉環控制，此時操作員可通過設定功率目標值，使機組穩定在任意帶載工況。

“正常啟動(自動)”模式調試過程中NL、NH、NP轉速和燃油流量變化曲線如圖9所示。調試過程表明：試驗平臺具有模擬控制系統“一鍵啟動”燃氣輪機的功能；各功能模塊能夠協同工作，較好地模擬了燃氣輪機起動、加速和加載的過程(系統自動調節燃調桿、導調桿，自動加載)；在整個調試過程中，系統對“燃燒室出口溫度”“ 動力渦輪前溫度”“排氣溫度”等參數的監控、保護功能正常。

圖9 自動模式調試過程

3 結語

(1) 針對某導葉可調的三轉子燃氣輪機構建了半物理仿真試驗平臺，其中燃油控制系統可對燃油供油溫度、壓力、流量進行調節，同時進行了燃燒室背壓和三轉子轉速的模擬，模擬燃氣輪機及其控制系統工作過程,具有較大的真實性，具有較高的工程應用價值。

(2) 對構建好的半物理仿真試驗平臺進行了單體設備調試和系統聯調，調試結果說明：試驗平臺具備手動/自動對燃油流量及導葉等設備進行快速、精確控制的功能；試驗平臺各功能模塊能夠協同工作，較好地模擬燃氣輪機起動、加速、加載、停車等各個過程，可為燃氣輪機控制系統開發提供良好的試驗支撐。

(3) 試驗平臺后期可以進行如下改進：優化燃氣輪機數學模型，提高其精度，使其更加接近真實燃氣輪機；拓寬模擬燃燒室的模擬背壓范圍，且優先使用氣動增壓設備使模擬燃燒室背壓達到所需值，其次使用油系統改變模擬燃燒室背壓；增加模擬燃燒室溫度模擬功能，使其更加接近于燃氣輪機真實燃燒室的工作環境。