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)
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。
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:

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:

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

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)。
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。
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
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。