汽輪燃油泵調節系統動態特性研究

馬新勇，蔡佐君，劉克成，倪 平

（上海船舶設備研究所，上海200031）

0 引言

某型汽輪燃油泵通過輔汽輪機驅動螺桿泵為鍋爐提供燃燒所需的燃油，是重要的輔助設備之一。該型汽輪燃油泵需要隨時調整轉速以適應鍋爐的工況變化，為避免系統工況波動，需要機組的調節系統動態性能良好，避免有擾動輸入時發生轉速的劇烈波動，出現意外的超速速關和滑油供應量不足等危險。因此需要對汽輪燃油泵調節系統開展仿真研究，掌握其調節特性。該調節系統采用機械液壓調節結構，其調節元件組成如圖1所示。

主蒸汽通過蒸汽調節閥進入汽輪機驅動汽輪機轉子轉動，汽輪機轉子與減速器轉子通過齒輪嚙合傳遞功率。

圖1 調節元件組成圖

減速器轉子一方面驅動螺桿泵增壓燃油給鍋爐燃燒用，另外通過傳遞一小部分動力給齒輪油泵產生反饋油壓給蒸汽調節閥進行工況調節。當機組穩定在某工況下運行時，若有擾動（例如蒸汽壓力升高、螺桿泵阻力減?。┦沟棉D速升高，則齒輪油泵反饋油壓相應升高，從而促使蒸汽調節閥關小，即減少蒸汽進入量，降低機組轉速的升高。反之，當擾動使轉速降低時，則反饋油壓的降低亦減小機組轉速的降低。

本文對汽輪燃油泵調節系統進行了簡化建模，獲得了各組成元件的調節方程，并對調節系統動態特性進行仿真計算，分析了工況調節、蒸汽壓力波動和螺桿泵阻力波動對機組運行參數的影響，并與試驗曲線進行了比較。

1 仿真模型建立

1.1 調節系統功能框圖

通過對汽輪燃油泵調節系統進行合理簡化，獲得如圖2所示的調節系統功能框圖。

圖2 調節系統功能框圖

油動機控制蒸汽調節閥的開度，從而影響蒸汽室容積的變化，進而影響汽輪機轉子、減速器轉子及齒輪油泵的轉速。齒輪油泵的反饋油壓受油泵轉速和工況給定器的共同影響，通過錯油門控制油動機的運動，從而反饋調節蒸汽調節閥的開度，使機組工況穩定。

1.2 轉子方程

1.2.1轉動慣量等效

汽輪燃油泵采用一級減速，汽輪機轉子通過齒輪嚙合傳動減速增扭到減速器轉子，減速器轉子通過聯軸器驅動螺桿泵工作。通過扭矩平衡關系及注意到齒輪嚙合時作用力與反作用力相等的條件，可以將低速端的減速器轉子、螺桿泵轉子的轉動慣量等效到高速端的汽輪機轉子側，有如下方程

1.3 容積方程

1.4 齒輪油泵信號方程

蒸汽調節閥開度與工況給定器輸出的脈沖油壓ps有關，脈沖油壓越高，調節閥開度越小，反之亦然。工況給定器輸出的脈沖油壓與齒輪泵輸出的油壓pg和工況給定器的回油量有關。齒輪油泵進入工況給定器內的流量為：

1.5 錯油門方程和油動機方程

1.5.1錯油門方程

錯油門滑閥位移與脈沖油壓有關，當脈沖油壓增加時，錯油門滑閥會克服拉簧上移，反之則下移。因為滑閥質量很小，且在潤滑油環境中摩擦力也很小，可以略去滑閥自身的慣性力和受到

式中：z是錯油門滑閥的相對位移變化；φ是轉子運動方程的輸出，作為錯油門方程的反饋輸入；β是齒輪泵由于工況給定器調節閥門改變回油量作為錯油門方程的擾動輸入，穩定運行時為0。以上變量已做無量綱化處理。

1.5.2油動機方程

油動機直接驅動蒸汽調節閥閥桿運動，改變閥門開度。汽輪燃油泵調節系統油動機與錯油門是跟隨式的，穩定狀態時，錯油門滑閥凸肩與油動機油口處于動態重疊狀態。當錯油門滑閥移動xΔ 時，油口開啟，油動機也要相應的移動mΔ ，直至穩定時再次達到動態重疊，即x mΔ =Δ 。油口打開時，油動機活塞腔體積變化率應與油的排出或流進量相等，從而有下式成立：

2 仿真計算及分析

圖3 蒸汽壓力階躍升高10%仿真曲線

圖4 蒸汽壓力階躍降低10%仿真曲線

圖5 泵阻力階躍升高10%仿真曲線

圖6 泵阻力階躍降低10%仿真曲線

圖7 工況調節階躍升高10%仿真曲線

圖8 工況調節階躍降低10%仿真曲線

圖9是輸入的蒸汽壓力曲線，圖10給出了同樣 算點進行了進行了同比例修正。從轉速響應曲線蒸汽壓力波動曲線作用時，試驗轉速響應曲線和 對比可以看出，試驗曲線和仿真計算的響應曲線仿真計算曲線的對比，曲線中對所有仿真曲線計 是比較接近的。

圖9 蒸汽波動曲線

圖10 仿真與試驗曲線對比

3 結論

本文對某型汽輪燃油泵機組的調節系統進行了合理簡化建模，采用傳遞函數方法對調節系統模型進行了仿真計算分析，分別討論了蒸汽壓力波動、螺桿泵阻力系數波動和工況調節的影響，另外還與試驗曲線進行了對比。研究結果表明：

1）該機組調節系統響應很快，調節時沒有明顯的超調現象；

2）工況給定器調節對轉速的影響最大，大約是蒸汽壓力波動和螺桿泵阻力波動影響的4倍，影響大小由各擾動項的系數大小決定；

3）仿真曲線與試驗曲線比較一致，較好地反映了機組的調節系統特性。