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，根據不同的燃料，燃氣輪機將采用不同的燃料系統。根據國家對分布式能源聯產產業的技術政策要求[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，對6FA燃氣輪機試車臺的安全穩定運行有著至關重要作用。

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提供，再經過濾后進入機組燃燒室。燃油系統的流程圖見圖1。燃油系統正常工作時，燃油經過燃油泵加壓后經過燃油控制閥、燃油截止閥，后流經過濾器，過濾雜質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試車臺燃油系統流程圖

對于試車臺的燃油系統而言，燃油的截止功能不適于直接關閉閥門來實現截斷燃油，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燃氣輪機的轉速控制系統發出的信號從而調節流向燃氣輪機燃燒系統的燃油流量。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，通過調節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行器組件組成，該液壓執行器組件配有兩個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 控制閥的設計條件

燃油控制閥的閥門和執行機構的設計適用于6FA燃氣輪機試車臺連續或間歇工作。設計條件符合整個試車臺對燃油的進出口壓差、環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致的閥桿扭矩負載盡可能小。并且，該閥門的設計能夠在閥門出現了扭矩不平衡時，流向燃氣輪機的燃油壓力會關閉閥門，使所有泵出口的燃油旁通以切斷燃氣輪機的燃油供應。

閥的結構特性是閥芯的位移和燃油所流過的截面積成正比關系，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為可調比。閥門行程最大時流經閥門的燃油流量最大，因此當閥門的相對行程為1時燃料流經閥門的相對流量為1。

燃油流經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為可調比；m為比例系數。

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。根據控制閥的設計,流經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 執行機構的性能

6FA試車臺燃油控制閥的執行機構是一個不定位的四通電液伺服閥，該閥接受控制系統經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的液壓油壓力，從而達到改變燃油控制閥開度大小的目的，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速有關，因此控制閥的開度需要比較控制系統給出的燃油控制信號和轉速信號。當燃油控制信號考慮到轉速之后，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點相加，得到運算結果。若該結果為0，說明控制系統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生電流，對燃油控制閥不進行調節。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點相加結果不為0，則伺服放大器產生電流A，對燃油控制閥的開度進行調節。

由于執行機構需要靠LVDT的位置反饋信號檢測控制閥的開度，因此LVDT的安全穩定工作是執行機構正常運作的關鍵。根據6FA燃氣輪機試車臺的搭建地環境要求，燃油控制閥的LVDT的設計能夠在以下規定要求內運行：(1) 接頭端子處的環境壓力為15 Pa；(2) 相對濕度在工作溫度范圍內為0 %至100 %；(3) 環境溫度范圍-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分析

6FA燃氣輪機試車臺燃油控制閥閥門和執行機構的設計具備優良的故障響應能力。由于執行機構是由液壓油控制，因此當閥門和執行機構故障時，控制系統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。具體故障響應情況如下：

(1) 位置命令信號丟失。當控制系統對執行機構的位置命令信號丟失，此時執行機構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，則執行機構會繼續接收控制系統發出的冗余命令信號繼續控制閥門開度；若多個命令信號均丟失，則控制系統將切斷液壓油。

(2) 位置反饋信號丟失。當控制閥執行機構發出的位置反饋信號丟失，此時控制系統不再接收來自執行機構定位器的位置反饋。若只是一個反饋信號丟失，則控制系統會接收執行機構發出的冗余反饋信號；若多個反饋信號均丟失，則控制系統將切斷液壓油。

(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，則控制系統會根據冗余故障反饋信號繼續運行；若多個故障反饋信號均丟失，則控制系統將切斷液壓油。

(4) 執行器定位器故障。執行機構內的定位器發生了“位置控制丟失”故障，此時控制系統也將切斷液壓油，使燃油控制閥脫離工作狀態。

4 結語

6FA燃氣輪機試車臺燃油系統對整個試車臺的安全經濟運行十分重要。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搭建提供借鑒和參考。