CLCSO在燃?xì)廨啓C(jī)控制策略中的應(yīng)用分析

王東升

（北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司成都分公司，四川 成都 610051）

1 前言

日本三菱燃?xì)廨啓C(jī)在結(jié)構(gòu)上最大的變化是：F5、F4與F3相比，燃燒器增加了頂環(huán)噴嘴（Tophat），頂環(huán)噴嘴位于燃燒器最外沿的一圈，它的預(yù)混度介于值班噴嘴（Pilot）和主噴嘴（MA/MB）之間。這樣的結(jié)構(gòu)會(huì)形成中心是值班噴嘴的擴(kuò)散燃燒，中間是主噴嘴的低燃空比預(yù)混燃燒，最外層是頂環(huán)噴嘴的高燃空比預(yù)混燃燒，與F3比較，溫度場(chǎng)分布更均勻，有效抑制了燃燒壓力波動(dòng)的幅值，使燃燒調(diào)整更加容易。

F5與F4比較，取消了空氣旁路閥（Bypass Valve），空氣旁路閥的作用是對(duì)進(jìn)入燃燒器參與燃燒的空氣量進(jìn)行控制。取消空氣旁路閥采用燃料階段控制策略，減少了控制量，使燃燒調(diào)整更加容易。

在控制策略中，F(xiàn)5、F4引入了燃燒器功率控制信號(hào)輸出（CLCSO）參考變量，這個(gè)變量使燃?xì)廨啓C(jī)能更好地抑制因環(huán)境溫度（T1C）變化帶來(lái)的功率波動(dòng)和燃燒壓力波動(dòng)的幅值。

2 三菱燃?xì)廨啓C(jī)的控制策略

2.1 空氣流量函數(shù)

根據(jù)壓氣機(jī)的工作特性有這樣的結(jié)論：環(huán)境溫度（T1C）和壓氣機(jī)入口導(dǎo)葉角度（IGV）決定了進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣流量（Vair），即：

2.2 燃料流量函數(shù)

三菱燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)的控制回路輸出CSO(Control Signal Output)決定了燃料流量（Vgas），即：

2.3 燃燒器功率函數(shù)

燃燒器功率函數(shù)—CLCSO（Combustion Load Control Signal Output）為：

CLCSO其實(shí)反應(yīng)的是透平入口溫度（T1T），如圖1所示。

圖1 CLCSO與T1T的關(guān)系

所以T1T與CLCSO的關(guān)系為：

公式（3）中的GT Load@700degC和GT Load@100%Load的值由T1C和IGV共同決定，如表1、表2所示。所以，公式（4）可以轉(zhuǎn)換為：

表1 GT Load @700degC

表2 GT Load @100% Load

2.4 透平入口溫度（T1T）折算

在F3機(jī)型中沒(méi)有引入CLCSO，T1T的估算是根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量的葉片通道溫度（BPT）、排氣溫度（EXT）和膨脹比折算出來(lái)的，公式如下：

式中，T2T為透平出口溫度，即BPT的平均值，deg C；T1T為透平入口溫度，deg C；P2為透平入口壓力，MPa；P1為透平出口壓力，MPa；n為空氣因子常量，無(wú)量綱；P2/P1即膨脹比，無(wú)量綱。

通過(guò)這種方式折算出的T1T受溫度傳感器和壓力傳感器的精度及空氣因子常數(shù)的影響較大，且空氣因子n受環(huán)境溫度影響，并非定值，這給T1T折算的準(zhǔn)確度帶來(lái)了不利影響。另外，BPT、EXT的測(cè)試是燃燒煙氣通過(guò)透平做功后測(cè)量的，在時(shí)間上有一定的延遲，這給系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制帶來(lái)了不利影響，可能會(huì)帶來(lái)MW、T1T、燃燒壓力等重要變量的波動(dòng)。

3 CLCSO在控制策略中應(yīng)用的分析

CLCSO反映的是在當(dāng)前T1C和IGV條件下，T1T與MW的線性關(guān)系。由公式（5）可以猜想：功率（MW）與透平入口溫度（T1T）高度相關(guān)，即通過(guò)調(diào)節(jié)T1T可以對(duì)MW進(jìn)行控制。這個(gè)猜想可以通過(guò)以下幾個(gè)燃機(jī)特性進(jìn)行論證。

（1）當(dāng)T1C下降時(shí)，功率輸出增加，效率提高，如圖2、圖3所示。

圖2 環(huán)境溫度對(duì)功率輸出的影響

圖3 環(huán)境溫度對(duì)效率的影響

當(dāng)T1C下降時(shí)，空氣密度增加，進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣質(zhì)量流量增加。如果功率僅僅與燃料流量相關(guān)，由公式2可以推理出CSO=F(MW)，那么，功率的增加是完全由燃料流量的增大帶來(lái)的，而與空氣流量無(wú)關(guān)，這就與燃機(jī)的運(yùn)行特性矛盾。如果引入T1T這個(gè)參考量，可以這樣進(jìn)行解釋，當(dāng)燃料流量不變時(shí)，增大空氣流量，根據(jù)能量守恒定律，T1T必定下降，如果要保證T1T不變，必須增大燃料流量，進(jìn)而提高了輸出功率。由于T1C變小，T1T不變，溫比（T1T/T1C）提高，所以燃機(jī)效率提高，輸出同樣功率需要的燃料更少。

由此可以猜想：

（2）當(dāng)頻率增大時(shí)，輸出功率增加，效率提高，如圖4、圖5所示。

圖4 頻率對(duì)功率輸出的影響

圖5 頻率對(duì)效率的影響

當(dāng)頻率增大時(shí)，燃機(jī)轉(zhuǎn)速上升，進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣流量增大，后面的推理與特性1相同。

如果猜想成立，聯(lián)合公式（5）、公式（6）可以得到：

即CSO與MW，T1C和IGV相關(guān)，不是僅僅與MW相關(guān)，即在調(diào)節(jié)功率時(shí)不能僅僅靠調(diào)節(jié)CSO，需要IGV來(lái)配合來(lái)保證功率對(duì)應(yīng)的T1T，因?yàn)楹线m的T1T是提高效率的保證。

在T1C、IGV一定時(shí)，CSO與MW為線性關(guān)系，如圖6所示。

圖6 燃料流量與轉(zhuǎn)速/功率的關(guān)系

此時(shí)，燃料流量與功率之間的關(guān)系的固定斜率的直線，當(dāng)T1C或者IGV變化時(shí)，由于燃機(jī)效率的變化引起斜率發(fā)生變化。

所以，當(dāng)T1C或者IGV變化時(shí)，首先引起T1T的變化，進(jìn)而引起MW的變化，如果把MW作為控制目標(biāo)，在響應(yīng)速度上會(huì)有延后，如果在發(fā)生MW波動(dòng)前進(jìn)行T1T的控制則能更好地抑制功率波動(dòng)。

所以，三菱在引入CLCSO這個(gè)參考變量是為了把T1T作為控制目標(biāo)，把MW作為反饋，可以把CSO和IGV聯(lián)合起來(lái)在當(dāng)前的T1C下同時(shí)進(jìn)行控制，在保證燃機(jī)效率的同時(shí)，提前抑制MW波動(dòng)。T1T和 MW波動(dòng)的抑制必定會(huì)使燃燒更加穩(wěn)定，即燃燒壓力波動(dòng)幅值得到削弱，提高了燃機(jī)運(yùn)行的安全性。

4 CLCSO在燃燒調(diào)整中應(yīng)用的分析

燃燒調(diào)整的目的有兩個(gè)：一是減少NOx排放；二是減小燃燒壓力波動(dòng)。這兩個(gè)目標(biāo)是一對(duì)矛盾，因?yàn)閿U(kuò)散燃燒的效果的燃燒穩(wěn)定，燃燒壓力波動(dòng)小，但是NOx排放高；預(yù)混燃燒的效果是NOx排放低，但是火焰不穩(wěn)定，帶來(lái)強(qiáng)烈的燃燒壓力波動(dòng)的。所以，燃燒調(diào)整就是在這對(duì)矛盾中尋找一個(gè)平衡點(diǎn)，既要滿足環(huán)保要求的NOx排量，又要滿足燃機(jī)的安全運(yùn)行，即動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)擴(kuò)散燃燒和預(yù)混燃燒的比例及參與燃燒的空氣量與燃料量的比例。

不同的機(jī)型燃燒調(diào)整的策略不同，圖7所示為F3機(jī)型的值班燃料調(diào)節(jié)曲線，它是參考總?cè)剂狭浚–SO），這樣的調(diào)節(jié)策略兩點(diǎn)不足之處：一是CSO不能準(zhǔn)確地反映燃燒器內(nèi)燃燒的情況；二是CSO確定后燃料量就確定了，進(jìn)入燃燒器后進(jìn)行燃燒，然后，才能通過(guò)壓力傳感器測(cè)量燃燒后壓力波動(dòng)，在時(shí)間上有一定的延遲，所以調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性及實(shí)時(shí)性較差。

圖7 F3機(jī)型燃燒調(diào)整中值班流量的調(diào)節(jié)曲線

圖8、圖9分別表示F4、F5機(jī)型中燃燒調(diào)整的調(diào)整參數(shù)值班流量（Pilot）、頂環(huán)流量（Tophat）與CLCSO的關(guān)系。因?yàn)镃LCSO所表示的T1T能更早更準(zhǔn)確地表征了燃燒器內(nèi)部的燃燒情況，通過(guò)這個(gè)參考量來(lái)調(diào)節(jié)Pilot和Tophat能更快更準(zhǔn)確地對(duì)燃燒進(jìn)行調(diào)整。

圖8 F5、F4機(jī)型燃燒調(diào)整中值班流量的調(diào)節(jié)曲線

圖9 F5、F4機(jī)型燃燒調(diào)整中頂環(huán)流量的調(diào)節(jié)曲線

5 結(jié)語(yǔ)

日本三菱燃?xì)廨啓C(jī)控制策略中以CLCSO折算出的T1T代替由排氣溫度和膨脹比折算出的T1T，由其折算出的T1T的準(zhǔn)確度和快速性帶來(lái)了以下兩點(diǎn)優(yōu)越性能。

功率波動(dòng)幅值減小，在T1C和IGV不變的情況下，T1T與MW一一對(duì)應(yīng)，通過(guò)控制T1T來(lái)調(diào)節(jié)CSO，使燃料量更快速地跟隨T1T變化，進(jìn)而達(dá)到快速有效抑制功率波動(dòng)的目的。

由于CSO快速跟隨T1T的變化，使得T1T和MW波動(dòng)幅值大幅減小。T1T的波動(dòng)會(huì)使燃燒壓力波動(dòng)放大，所以減小T1T波動(dòng)幅值會(huì)有效地抑制燃燒壓力波動(dòng)，為燃機(jī)的安全運(yùn)行和燃燒調(diào)整帶來(lái)益處。