趙 鯉

(南京汽輪電機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，南京 210037)

燃?xì)廨啓C(jī)可以采用液體燃料或氣體燃料，根據(jù)不同的燃料，燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)在電站中均采用天然氣為燃料，而對于6FA燃?xì)廨啓C(jī)試車臺(tái)，燃料系統(tǒng)將采用柴油作為燃料。

6FA燃?xì)廨啓C(jī)試車臺(tái)在對燃?xì)廨啓C(jī)本體及其輔機(jī)設(shè)備進(jìn)行測試過程中，燃料的需求量隨運(yùn)行的具體情況改變，如在機(jī)組的啟動(dòng)、點(diǎn)火、暖機(jī)、升速這幾個(gè)過程中機(jī)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?xì)廨啓C(jī)試車臺(tái)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著至關(guān)重要作用。

1 6FA燃?xì)廨啓C(jī)試車臺(tái)燃油控制閥簡介

6FA燃?xì)廨啓C(jī)試車臺(tái)所需燃油是由底盤外的供油系統(tǒng)提供，再經(jīng)過濾后進(jìn)入機(jī)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(shí)，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(jìn)入燃油分配器，最后進(jìn)入燃燒室的燃油噴嘴。

圖1 6FA試車臺(tái)燃油系統(tǒng)流程圖

對于試車臺(tái)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(shí)現(xiàn)截?cái)嗳加?，而是通過全開量的旁通來間接截?cái)嗔飨蛉細(xì)廨啓C(jī)燃燒室的燃油。燃油截止閥的功能是利用閥門的兩個(gè)閥位來實(shí)現(xiàn)燃油是流向燃?xì)廨啓C(jī)或是旁路到泵出口。

燃油控制閥用于響應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)發(fā)出的信號從而調(diào)節(jié)流向燃?xì)廨啓C(jī)燃燒系統(tǒng)的燃油流量。燃油泵是一個(gè)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(jìn)口進(jìn)而控制流向燃?xì)廨啓C(jī)的燃料流量。

燃油控制閥同時(shí)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?cái)嗔肆飨蛉細(xì)廨啓C(jī)的燃油。

燃油旁通控制閥由一個(gè)控制閥體組件和一個(gè)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(gè)LVDT(線性可變差動(dòng)變壓器)，用于冗余閥位反饋。

2 6FA燃?xì)廨啓C(jī)試車臺(tái)燃油控制閥性能研究

2.1 控制閥的設(shè)計(jì)條件

燃油控制閥的閥門和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)適用于6FA燃?xì)廨啓C(jī)試車臺(tái)連續(xù)或間歇工作。設(shè)計(jì)條件符合整個(gè)試車臺(tái)對燃油的進(jìn)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(jì)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(fù)載盡可能小。并且，該閥門的設(shè)計(jì)能夠在閥門出現(xiàn)了扭矩不平衡時(shí)，流向燃?xì)廨啓C(jī)的燃油壓力會(huì)關(guān)閉閥門，使所有泵出口的燃油旁通以切斷燃?xì)廨啓C(jī)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(shí)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(shí)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(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，行程從0%到100%的范圍內(nèi)以至少10%的增量進(jìn)行試驗(yàn)，且在每個(gè)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(jì),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(jì)算的性能特性曲線見圖3。

圖2 6FA試車臺(tái)燃油控制閥最大允許流量偏差

圖3 6FA試車臺(tái)燃油控制閥特性曲線

2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能

6FA試車臺(tái)燃油控制閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一個(gè)不定位的四通電液伺服閥，該閥接受控制系統(tǒng)經(jīng)過計(jì)算的電信號來控制閥門位置，以控制進(jìn)入燃油控制閥控制機(jī)構(gòu)的液壓油壓力，從而達(dá)到改變?nèi)加涂刂崎y開度大小的目的，這樣能控制進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)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(yùn)算輸出信號；Q—流量反饋信號；A—控制電流。圖4 6FA試車臺(tái)燃油控制閥的控制流程簡圖

由于燃油泵的出油量與機(jī)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(shí)際流量反饋信號Q在伺服放大器的輸入節(jié)點(diǎn)相加，得到運(yùn)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(shí)際燃油流量相等，此時(shí)伺服放大器不產(chǎn)生電流，對燃油控制閥不進(jìn)行調(diào)節(jié)。反之，若輸出信號O與實(shí)際流量反饋信號Q在伺服放大器的輸入節(jié)點(diǎn)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(jìn)行調(diào)節(jié)。

由于執(zhí)行機(jī)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(jī)構(gòu)正常運(yùn)作的關(guān)鍵。根據(jù)6FA燃?xì)廨啓C(jī)試車臺(tái)的搭建地環(huán)境要求，燃油控制閥的LVDT的設(shè)計(jì)能夠在以下規(guī)定要求內(nèi)運(yùn)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(jī)械噪聲為120 dB。

3 6FA燃?xì)廨啓C(jī)試車臺(tái)燃油控制閥故障響應(yīng)分析

6FA燃?xì)廨啓C(jī)試車臺(tái)燃油控制閥閥門和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)具備優(yōu)良的故障響應(yīng)能力。由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由液壓油控制，因此當(dāng)閥門和執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障時(shí)，控制系統(tǒng)將切斷液壓油使燃油控制閥旁通全開，以截?cái)嗳加土飨蛉細(xì)廨啓C(jī)。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(jī)構(gòu)的位置命令信號丟失，此時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的定位器接收不到控制的位置命令信號。若只是一個(gè)命令信號丟失，則執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)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(gè)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(jī)構(gòu)發(fā)出的位置反饋信號丟失，此時(shí)控制系統(tǒng)不再接收來自執(zhí)行機(jī)構(gòu)定位器的位置反饋。若只是一個(gè)反饋信號丟失，則控制系統(tǒng)會(huì)接收執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出的冗余反饋信號；若多個(gè)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(cuò)誤的能力。若只是一個(gè)故障反饋信號丟失，則控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)冗余故障反饋信號繼續(xù)運(yùn)行；若多個(gè)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(jī)構(gòu)內(nèi)的定位器發(fā)生了“位置控制丟失”故障，此時(shí)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?xì)廨啓C(jī)試車臺(tái)燃油系統(tǒng)對整個(gè)試車臺(tái)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行十分重要。由于試車臺(tái)的燃料選用與目前燃?xì)廨啓C(jī)電站所用的天然氣燃料有天壤之別，因此對6FA燃?xì)廨啓C(jī)試車臺(tái)燃油控制閥的性能分析，可為同類型燃?xì)廨啓C(jī)試車臺(tái)的燃油系統(tǒng)搭建提供借鑒和參考。