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摘要

輕型燃氣輪機通常作為發電機、壓縮機、泵組的驅動設備,廣泛應用于發電、油氣輸送、環保等領域。燃氣輪機起動系統是燃氣輪機機組的重要組成部分,其作用是將燃氣輪機從靜止狀態加速至自持轉速,保證燃氣輪機正常起動,液壓起動系統是一種常見的輕型燃氣輪機起動系統。本文根據液壓起動系統結構建立數學模型,對其動態特性進行分析,并對結構進一步優化,使其控制穩定性得到提高。該研究對改善燃氣輪機起動條件,提高其穩定性和安全性有重要意義。

關鍵詞：燃氣輪機;動態特性;電液伺服控制;系統優化 

燃氣輪機由氣體壓縮機、燃燒室和動力渦輪組成。燃氣發生器和動力渦輪核心都是高速旋轉的葉輪組軸,通過氣流軸向流動可將燃料燃燒產生的熱能轉換為機械能。燃氣輪機以天然氣或燃油為燃料,工作效率高于其他動力機械,排放物中NOx、CO等有害物質含量也相對較低。輕型燃氣輪機一般基于航空發動機結構設計,或由航空發動機改制而成,核心部件為回轉機構,無往復運動部件,結構簡單,運行平穩。基于以上優點,輕型燃氣輪機可作為艦船螺旋槳、天然氣壓縮機、發電機、大型泵組等設備的驅動機,在艦船制造、分布式能源開采、油氣管道運輸、電力輸送等領域得到越來越廣泛的應用。

起動系統是燃氣輪機機組中的重要輔助系統,在燃氣輪機起動或冷運轉時工作,其作用是將燃氣輪機由靜止狀態帶動至冷運轉轉速或自持轉速。起動系統的動態特性是起動系統輸出質量的重要表征,是影響燃氣輪機起動階段的穩定性和點火成功率的關鍵因素。液壓起動系統在輕型燃氣輪機機組中被普遍使用,因此,研究液壓起動系統對研究輕型燃氣輪機起動性能,提高燃氣輪機工作穩定性,增加燃氣輪機使用壽命有重要的意義。 

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液壓起動系統功能與原理

1.1 燃氣輪機起動方法

系統中的起動機帶動燃氣輪機轉動,根據起動機形式的不同,起動系統可分為電動機起動系統、內燃機起動系統、壓縮氣體起動系統、液壓起動系統、微型燃氣輪機起動系統等。液壓起動系統通過壓力油驅動液壓馬達帶動燃氣輪機轉子轉動。相對于其他起動系統,液壓起動系統具有輸出力矩平穩、避免沖擊和振動的優點,特別適用于中、小型燃氣輪機。液壓起動系統通過調節液壓泵組或液壓馬達排量,可實現轉速或扭矩的精準控制。系統中僅有馬達安裝在燃氣輪機本體上,其余設備通過橡膠軟管與液壓馬達連接,系統對安裝空間和燃氣輪機結構要求都比較低。液壓起動系統還具有一般液壓系統推力大、傳動比高、零部件標準化程度高、易于維護等優點, 并適用于高溫、高海拔、潮濕腐蝕、防爆區域等特殊環境,在輕型燃氣輪機機組中應用非常普遍。國產大部分輕型燃氣輪機機組起動系統均采用了液壓起動形式。 

附件機匣是燃氣輪機的一部分,安裝在燃氣發生器外部。附件機匣核心是兩到三級齒輪組成的齒輪變速機構。附件機匣的輸入端為內花鍵軸,與液壓起動馬達輸出軸連接,輸出端位于燃氣發生器內部,通過錐齒輪與燃氣輪機主軸上的齒輪嚙合。液壓起動系統接到起動命令后,液壓馬達帶動燃氣輪機附件機匣內的齒輪組轉動,附件機匣將轉速進一步提升,并帶動燃氣輪機主軸轉動。

在燃氣輪機起動過程中,燃氣發生器轉速先按照固定加速率上升至一定轉速,隨后將該轉速穩定維持一段時間, 利用該轉速下產生的氣流對燃氣發生器內部進行清吹,以清除燃氣發生器內可能殘留的燃氣或油液,以免點火或停機過程中這些殘留物引起爆燃或起火。清吹過程結束后,轉速短暫下降,隨后以更高的固定加速率增速,并點火。燃氣發生器點火后保持固定加速率,直至點火器關閉。

點火后,燃料燃燒參與做功,燃燒產生的推力逐漸增大并超過液壓馬達驅動力,成為驅動燃氣輪機轉動的主要動力。此時液壓馬達隨附件機匣輸入軸保持固定增速率跟轉,直至燃氣發生器達到自持轉速,液壓馬達輸出軸與附件機匣通過超越離合器分離,起動系統退出,完成起動過程。

1.2 液氣起動系統工動原理 

燃氣輪機液壓起動系統通常安裝在燃氣輪機機組撬體內部,或以獨立撬體安裝在機組附近,系統供油可單獨設置液壓油箱,也可取自燃氣輪機機組潤滑系統供油管道。液壓起動系統由起動電機、聯軸器、液壓起動泵、液壓馬達、單向閥、溢流閥及壓力表、壓力變送器、溫度變送器等零組件構成。液壓馬達一般直接掛載在燃氣輪機附件機匣上,通過橡膠軟管與液壓泵或油箱輸、回油管道連接,以隔絕燃氣發生器與燃氣輪機機組底座間的相對振動。

液壓泵組從油箱吸油,并將油液經單向閥輸入液壓馬達,推動液壓馬達帶動附件機匣轉動,液壓馬達回油及殼體泄油經管道流回油箱。單向閥出口設有溢流閥,作為安全閥使用,在系統壓力過高時溢流。

在燃氣輪機控制系統點火前,燃料不產生推力,燃氣發生器完全靠液壓馬達驅動,液壓馬達以最大扭矩輸出,系統輸出轉速通過調節泵的排量控制,此時液壓馬達輸出扭矩不變,功率變化趨勢與轉速一致。這一階段燃氣輪機轉動推力完全由液壓起動系統提供,該階段起動系統工況特性對燃氣輪機起動質量有重要影響。點火后燃氣輪機轉速主要通過調節燃料供應量控制,液壓起動系統只起輔助推動作用,對燃氣輪機影響很小。因此本文重點討論點火前階段起動系統的動態特性。

燃氣輪機冷運轉起動過程與燃氣輪機正常起動時從靜止到清吹轉速升轉過程相似,在此不做贅述。 

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系統建模與分析

2.1 機組對系統性能要求

為保證燃氣輪機機組的正常起動,液壓起動系統必須滿足一些關鍵性能要求,系統的設計需以這些要求中的參數為設計依據。根據某輕型燃氣輪機機組的實際工況,整理出液壓起動系統的關鍵技術參數,如表1所示。

根據1.2節內容分析,在60s時液壓氣動系統輸出扭矩和功率達到峰值,根據此時馬達輸出扭矩選取馬達排量Vm為107mL/min。此時泵的輸出流量最大,計算泵的輸出流量Q: 

式中,n60為60s時系統輸出的轉速;η3為液壓馬達容積效率;計算得Q為185L/min。

計算液壓泵的最大排量Vp:

式中,n*為液壓泵驅動電機轉速;η2為液壓泵容積效率;計算得Vp為130mL/r。

系統最大功率為60s時系統消耗功率,忽略泵和馬達的機械損耗,計算系統消耗功率P為: 

式中,η1為電機機械效率;計算得P為72kW。 

2.2 系統建模與仿真

液壓起動系統采用電液伺服控制方式,控制系統下達量命令時,向燃氣輪機控制系統輸入4~20mA控制電流,由電氣控制器轉換為控制電壓,與反饋電壓比較后將電壓信號輸入電磁鐵,控制閥芯發生位移,經液壓控制機構放大后,控制液壓泵斜盤驅動機構發生位移,同時斜盤驅動機構通過位置反饋器將位移變化轉化為電壓信號, 反饋給電氣控制器,形成控制閉環。斜盤驅動機構動作改變柱塞泵斜盤傾斜角度,導致泵的排量改變,從而控制系統流量。 

液壓控制機構由控制閥、液壓控制缸等部件組成,泵組供油斜盤傾斜角度由兩個控制缸位移控制,如圖1所示。液壓泵打出壓力為Ps的高壓油分為兩路,一路接入控制缸1,另一路接入控制閥P口，控制閥A口與控制缸2連接,T口與油箱連接。

圖1 流量控制機構示意圖

當電磁力F為0時,控制閥芯保持中位,各油路封閉,斜盤角固定;當電磁力F為正值時,閥芯左移,壓力油經閥口流入控制缸2,壓力降為Pp,但控制缸2活塞截面大于控制缸1,故產生推力大于控制缸1,斜盤角增大;當電磁力F為負值時,閥芯右移,控制缸2內的壓力油經閥口流入油箱，控制缸1推力大于控制缸2，斜盤角減小。

根據薄壁小孔節流公式,控制閥出口流量方程為:

式中,Cd為小孔流量系數;ω為閥口面積梯度。

將式(4)在工作點A(xv=xa,pp=pa)處展開成泰勒級數，并忽略高階無窮小項,則該式可化簡為: 

式中,A2為控制缸2截面積;Ctp為控制缸2泄漏系數。

忽略負載摩擦產生阻尼,控制缸2活塞受力平衡方程為:

式中,A1為控制缸1截面積;F為負載力;m為控制缸1、2活塞及其附屬運動部件質量;B為控制缸1、2的阻尼比;K1為控制缸1無桿腔彈簧剛度。

流量控制機構參數如表2所示。

根據式(10)通過軟件繪制bode圖,如圖2所示,相位裕度為5.97°,裕度較小,系統產生振動較大。為提高系統響應速率,應通過加入滯后控制器進行相位補償。

相位滯后控制器傳遞函數Gc(s)如式(11)所示: 

式(11)中,T1值計算如下,其中ωc為原傳遞函數G(s)的穿越頻率。

設計相位裕度為30°，增加補償量10°，代入式(11)得到傳遞函數Gc(s)：

計算校正后傳遞函數G1(s),可得到: 

通過軟件繪制bode圖,如圖2所示,相位裕度為37.7°。

圖2 校正前后系統bode圖對比

對矯正前后單位反饋系統進行對比,對各系統輸入單位階躍信號進行仿真,時域響應曲線如圖3所示。

圖3 單位階躍響應

階躍響應初期,原系統產生高應頻振蕩,超調量達到1.8個單位,在1s以后振蕩逐漸收斂,這種振動會嚴重影響系統的穩定性和準確性。矯正優化后的系統基本消除了響應中的超調量,并且振蕩次數顯著下降,在1s以后振蕩逐漸收斂,控制質量明顯提高。

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結束語

本文對燃氣輪機的起動規律和液壓起動系統輸出主要參數進行了簡要分析和歸納,并對典型的液壓起動系統和其流量控制機構的結構進行了詳細分析。對該結構特點,提出了一種基于數學模型的控制系統優化方法,通過該方法對典型系統進行計算,得出系統傳遞函數,并得出系統裕度和穿越頻率。通過相位滯后補償方法對系統進行優化,并通過計算軟件對優化前后的模型進行頻域和時域分析和對比。分析結果表明,采用正確的優化方法,能有效改善液壓起動系統的控制質量,減小輸入變化引起的振動幅度和振動頻率。同時也可以將該計算方法作為同類型控制系統設計的參考依據。

論文來源：內燃機與配件www.nrjpj.cn

作者：陳光