6FA燃氣輪機試車臺燃油控制閥性能研究

趙 鯉

(南京汽輪電機(集團)有限責(zé)任公司，南京 210037)

燃氣輪機可以采用液體燃料或氣體燃料，根據(jù)不同的燃料，燃氣輪機將采用不同的燃料系統(tǒng)。根據(jù)國家對分布式能源聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)政策要求[1]，6FA燃氣輪機在電站中均采用天然氣為燃料，而對于6FA燃氣輪機試車臺，燃料系統(tǒng)將采用柴油作為燃料。

6FA燃氣輪機試車臺在對燃氣輪機本體及其輔機設(shè)備進行測試過程中，燃料的需求量隨運行的具體情況改變，如在機組的啟動、點火、暖機、升速這幾個過程中機組燃料量各有不同。因此擁有一套完整的燃料控制系統(tǒng)，對6FA燃氣輪機試車臺的安全穩(wěn)定運行有著至關(guān)重要作用。

1 6FA燃氣輪機試車臺燃油控制閥簡介

6FA燃氣輪機試車臺所需燃油是由底盤外的供油系統(tǒng)提供，再經(jīng)過濾后進入機組燃燒室。燃油系統(tǒng)的流程圖見圖1。燃油系統(tǒng)正常工作時，燃油經(jīng)過燃油泵加壓后經(jīng)過燃油控制閥、燃油截止閥，后流經(jīng)過濾器，過濾雜質(zhì)后的燃油再進入燃油分配器，最后進入燃燒室的燃油噴嘴。

圖1 6FA試車臺燃油系統(tǒng)流程圖

對于試車臺的燃油系統(tǒng)而言，燃油的截止功能不適于直接關(guān)閉閥門來實現(xiàn)截斷燃油，而是通過全開量的旁通來間接截斷流向燃氣輪機燃燒室的燃油。燃油截止閥的功能是利用閥門的兩個閥位來實現(xiàn)燃油是流向燃氣輪機或是旁路到泵出口。

燃油控制閥用于響應(yīng)燃氣輪機的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)發(fā)出的信號從而調(diào)節(jié)流向燃氣輪機燃燒系統(tǒng)的燃油流量。燃油泵是一個恒排量泵，其容量超過渦輪的最大燃油需求量，因此，通過調(diào)節(jié)控制閥可以將部分泵出口的燃油旁通回泵進口進而控制流向燃氣輪機的燃料流量。

燃油控制閥同時還擁有燃油截止閥的輔助功能。如果交流電丟失或歸零，或者控制油壓力丟失，閥門將轉(zhuǎn)到全開位置，將燃油泵出口的燃油流量全部旁通，從而間接截斷了流向燃氣輪機的燃油。

燃油旁通控制閥由一個控制閥體組件和一個伺服控制液壓執(zhí)行器組件組成，該液壓執(zhí)行器組件配有兩個LVDT(線性可變差動變壓器)，用于冗余閥位反饋。

2 6FA燃氣輪機試車臺燃油控制閥性能研究

2.1 控制閥的設(shè)計條件

燃油控制閥的閥門和執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計適用于6FA燃氣輪機試車臺連續(xù)或間歇工作。設(shè)計條件符合整個試車臺對燃油的進出口壓差、環(huán)境和燃油溫度以及對大氣污染物的排放要求。

2.2 閥體性能要求

燃油控制閥的閥門設(shè)計為壓力平衡閥，可使由于閥門正向和反向的燃油的不同壓力所導(dǎo)致的閥桿扭矩負載盡可能小。并且，該閥門的設(shè)計能夠在閥門出現(xiàn)了扭矩不平衡時，流向燃氣輪機的燃油壓力會關(guān)閉閥門，使所有泵出口的燃油旁通以切斷燃氣輪機的燃油供應(yīng)。

閥的結(jié)構(gòu)特性是閥芯的位移和燃油所流過的截面積成正比關(guān)系，燃油流過閥門的線性流量特性方程見式(1)：

(1)

式中：q為閥門的相對流量；Q為燃油流過閥門的流量；Qmax為燃油流過閥門的最大流量；L為閥門行程；Lmax為閥門的最大行程；R為可調(diào)比。閥門行程最大時流經(jīng)閥門的燃油流量最大，因此當(dāng)閥門的相對行程為1時燃料流經(jīng)閥門的相對流量為1。

燃油流經(jīng)閥門的拋物線流體性能特性見式(2)：

(2)

式中：Qmin為燃油流過閥門的最小流量；R為可調(diào)比；m為比例系數(shù)。

考慮到閥門兩端燃料的壓降，閥門進行試驗時，行程從0%到100%的范圍內(nèi)以至少10%的增量進行試驗，且在每個行程增量，閥門總壓降將以1 MPa的增量從1 MPa變化到11 MPa。根據(jù)控制閥的設(shè)計,流經(jīng)閥門的相對流量可用閥門的行程開度表示，因此閥門的允許最大流量偏差即表示為閥門開度與閥門誤差的關(guān)系，見圖2。計算的性能特性曲線見圖3。

圖2 6FA試車臺燃油控制閥最大允許流量偏差

圖3 6FA試車臺燃油控制閥特性曲線

2.3 執(zhí)行機構(gòu)的性能

6FA試車臺燃油控制閥的執(zhí)行機構(gòu)是一個不定位的四通電液伺服閥，該閥接受控制系統(tǒng)經(jīng)過計算的電信號來控制閥門位置，以控制進入燃油控制閥控制機構(gòu)的液壓油壓力，從而達到改變?nèi)加涂刂崎y開度大小的目的，這樣能控制進入燃氣輪機燃油噴嘴的流量。燃油控制閥的控制流程簡圖見圖4。

F—控制信號；T—轉(zhuǎn)速信號；O—運算輸出信號；Q—流量反饋信號；A—控制電流。圖4 6FA試車臺燃油控制閥的控制流程簡圖

由于燃油泵的出油量與機組轉(zhuǎn)速有關(guān)，因此控制閥的開度需要比較控制系統(tǒng)給出的燃油控制信號和轉(zhuǎn)速信號。當(dāng)燃油控制信號考慮到轉(zhuǎn)速之后，則輸出信號O，它與來自流量分配器的實際流量反饋信號Q在伺服放大器的輸入節(jié)點相加，得到運算結(jié)果。若該結(jié)果為0，說明控制系統(tǒng)要求的輸出流量和實際燃油流量相等，此時伺服放大器不產(chǎn)生電流，對燃油控制閥不進行調(diào)節(jié)。反之，若輸出信號O與實際流量反饋信號Q在伺服放大器的輸入節(jié)點相加結(jié)果不為0，則伺服放大器產(chǎn)生電流A，對燃油控制閥的開度進行調(diào)節(jié)。

由于執(zhí)行機構(gòu)需要靠LVDT的位置反饋信號檢測控制閥的開度，因此LVDT的安全穩(wěn)定工作是執(zhí)行機構(gòu)正常運作的關(guān)鍵。根據(jù)6FA燃氣輪機試車臺的搭建地環(huán)境要求，燃油控制閥的LVDT的設(shè)計能夠在以下規(guī)定要求內(nèi)運行：(1) 接頭端子處的環(huán)境壓力為15 Pa；(2) 相對濕度在工作溫度范圍內(nèi)為0 %至100 %；(3) 環(huán)境溫度范圍-40 ℃至177 ℃；(4) 機械噪聲為120 dB。

3 6FA燃氣輪機試車臺燃油控制閥故障響應(yīng)分析

6FA燃氣輪機試車臺燃油控制閥閥門和執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計具備優(yōu)良的故障響應(yīng)能力。由于執(zhí)行機構(gòu)是由液壓油控制，因此當(dāng)閥門和執(zhí)行機構(gòu)故障時，控制系統(tǒng)將切斷液壓油使燃油控制閥旁通全開，以截斷燃油流向燃氣輪機。具體故障響應(yīng)情況如下：

(1) 位置命令信號丟失。當(dāng)控制系統(tǒng)對執(zhí)行機構(gòu)的位置命令信號丟失，此時執(zhí)行機構(gòu)的定位器接收不到控制的位置命令信號。若只是一個命令信號丟失，則執(zhí)行機構(gòu)會繼續(xù)接收控制系統(tǒng)發(fā)出的冗余命令信號繼續(xù)控制閥門開度；若多個命令信號均丟失，則控制系統(tǒng)將切斷液壓油。

(2) 位置反饋信號丟失。當(dāng)控制閥執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出的位置反饋信號丟失，此時控制系統(tǒng)不再接收來自執(zhí)行機構(gòu)定位器的位置反饋。若只是一個反饋信號丟失，則控制系統(tǒng)會接收執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出的冗余反饋信號；若多個反饋信號均丟失，則控制系統(tǒng)將切斷液壓油。

(3) 故障反饋信號丟失。燃油控制閥具有檢測自身開度是否超出范圍或信號連接錯誤的能力。若只是一個故障反饋信號丟失，則控制系統(tǒng)會根據(jù)冗余故障反饋信號繼續(xù)運行；若多個故障反饋信號均丟失，則控制系統(tǒng)將切斷液壓油。

(4) 執(zhí)行器定位器故障。執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)的定位器發(fā)生了“位置控制丟失”故障，此時控制系統(tǒng)也將切斷液壓油，使燃油控制閥脫離工作狀態(tài)。

4 結(jié)語

6FA燃氣輪機試車臺燃油系統(tǒng)對整個試車臺的安全經(jīng)濟運行十分重要。由于試車臺的燃料選用與目前燃氣輪機電站所用的天然氣燃料有天壤之別，因此對6FA燃氣輪機試車臺燃油控制閥的性能分析，可為同類型燃氣輪機試車臺的燃油系統(tǒng)搭建提供借鑒和參考。