燃料供給及調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)淺析

李旭

（中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

1 概述

燃料供給及調(diào)節(jié)系統(tǒng)是為了給燃機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行的各種工況下，向燃?xì)廨啓C(jī)不同燃燒區(qū)供應(yīng)滿足燃燒室流量要求的燃料，并且可以根據(jù)操作人員指令或在保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)，及時(shí)而快速地關(guān)斷燃料供應(yīng)，保證燃機(jī)的安全。

2 燃?xì)廨啓C(jī)燃燒系統(tǒng)簡(jiǎn)介

現(xiàn)在地球污染問(wèn)題比較嚴(yán)重，環(huán)保問(wèn)題變得極其重要，為保證低污染排放，我們的燃機(jī)燃燒室采用先進(jìn)的低污染排放的燃燒室結(jié)構(gòu)。火焰筒設(shè)計(jì)成環(huán)形火焰筒和筒形火焰筒兩部分。為了有效降低氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）和未燃碳?xì)浠衔锏呐欧帕?，保證燃機(jī)排放的污染指標(biāo)滿足環(huán)保要求，燃料的燃燒在三個(gè)燃燒區(qū)（即環(huán)形燃燒區(qū)、擴(kuò)散燃燒區(qū)和均勻燃燒區(qū)）進(jìn)行。燃料氣分別由三根天然氣總管供應(yīng)。燃料與空氣在環(huán)形段和主火焰筒渦流器前預(yù)先進(jìn)行摻混，形成可燃的均勻預(yù)混氣，進(jìn)行均勻預(yù)混燃燒。這樣可將氮氧化物（NOx）的排放量控制在50mg/Nm3以內(nèi)。由于燃燒室的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此向燃燒室提供燃料的燃料供給及調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也很復(fù)雜。

3 設(shè)計(jì)依據(jù)

3.1 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

介質(zhì)：天然氣

溫度（℃）：20～40

點(diǎn)火壓力（MPa）：0.21

點(diǎn)火流量（kg/s）：0.0032

供氣壓力（MPa）：3.0±0.1

供氣流量范圍（kg/s）：2.97～12.89

3.2 系統(tǒng)的功能要求

燃料供給及調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功能是按照控制系統(tǒng)的指令要求，保證起動(dòng)和運(yùn)行各種工況下完成按照天然氣流量變化曲線向燃機(jī)的燃燒室供應(yīng)燃料，并可根據(jù)操作人員指令或在保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)，及時(shí)而快速地關(guān)斷燃料供應(yīng)。因此該系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能：(a)保證供給到燃機(jī)燃燒室的天然氣的清潔度；(b)保證向點(diǎn)火器供給所需壓力和流量的天然氣；(c)保證在機(jī)組正常停機(jī)和緊急停機(jī)時(shí)，快速切斷燃料供給；(d)保證機(jī)組的運(yùn)行要求，可調(diào)節(jié)供給燃燒室的天然氣流量。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)燃機(jī)對(duì)燃料系統(tǒng)功能的要求和燃燒室的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了燃機(jī)燃料供給及調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖（見(jiàn)圖1）。

4.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由壓力表1、隔斷閥2、壓力控制開(kāi)關(guān)3、壓力傳感器4、流量測(cè)量模塊5、過(guò)濾分離器6、溫度傳感器7、切斷閥8、壓力調(diào)節(jié)閥9、點(diǎn)火支路減壓閥10、點(diǎn)火支路調(diào)節(jié)閥11、點(diǎn)火支路壓力傳感器12、點(diǎn)火支路切斷閥 13、調(diào)節(jié)閥 15，16，17等元件組成。

4.2 系統(tǒng)工作原理及淺析

4.2.1 系統(tǒng)工作原理

由天然氣調(diào)壓站輸送來(lái)的天然氣經(jīng)過(guò)主管線后分成四個(gè)支管線，將天然氣輸送到點(diǎn)火器和燃燒室的噴嘴。當(dāng)燃機(jī)起動(dòng)前，首先將隔離閥2打開(kāi)，由天然氣調(diào)壓站輸送來(lái)的天然氣通過(guò)流量測(cè)量模塊5、過(guò)濾分離器6輸送到切斷閥8的上游。按照控制系統(tǒng)的指令，切斷閥8打開(kāi)。切斷閥8的下游分成兩個(gè)支路，一個(gè)支路是通向點(diǎn)火器即點(diǎn)火器支路，另一個(gè)支路是通向燃機(jī)三個(gè)燃料總管的燃料調(diào)節(jié)支路。

來(lái)自切斷閥8的天然氣經(jīng)過(guò)點(diǎn)火支路減壓閥10減壓后，通過(guò)點(diǎn)火支路調(diào)節(jié)閥11，輸送到點(diǎn)火支路切斷閥13的上游，按照控制系統(tǒng)的指令，給點(diǎn)火支路切斷閥13發(fā)出打開(kāi)的控制信號(hào)，切斷閥13打開(kāi)，天然氣被輸送到點(diǎn)火器，燃機(jī)開(kāi)始點(diǎn)火。

另一個(gè)支路是通向燃機(jī)三個(gè)燃料總管的燃料調(diào)節(jié)支路。燃料調(diào)節(jié)支路分成三個(gè)支路分別向環(huán)形燃燒區(qū)燃料總管、擴(kuò)散燃燒區(qū)燃料總管和均勻燃燒區(qū)燃料總管提供天然氣。

點(diǎn)火器支路停止供天然氣的同時(shí)控制系統(tǒng)給壓力調(diào)節(jié)閥9發(fā)出打開(kāi)的控制信號(hào)，壓力調(diào)節(jié)閥9開(kāi)始工作。接著控制系統(tǒng)也給環(huán)形燃燒區(qū)燃料調(diào)節(jié)閥17發(fā)出打開(kāi)的控制信號(hào)，流量調(diào)節(jié)閥17按照控制系統(tǒng)的控制信號(hào)調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥17閥門(mén)開(kāi)度，從而保證環(huán)形燃燒區(qū)所需燃料流量。當(dāng)燃機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到某一規(guī)定值時(shí)，按照控制系統(tǒng)的指令，同時(shí)向擴(kuò)散燃燒區(qū)和均勻燃燒區(qū)的燃料調(diào)節(jié)閥15、16發(fā)出打開(kāi)的控制信號(hào)，流量調(diào)節(jié)閥15、16按照控制系統(tǒng)的控制信號(hào)控制流量調(diào)節(jié)閥15、16的開(kāi)度，從而保證環(huán)形燃燒區(qū)所需燃料流量。

4.2.2 系統(tǒng)工作原理淺析

根據(jù)燃機(jī)燃料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)和功能要求，該系統(tǒng)分成點(diǎn)火器支路和燃料調(diào)節(jié)支路。之所以此系統(tǒng)中設(shè)置了一路單獨(dú)的點(diǎn)火器支路，是因?yàn)榻?jīng)過(guò)對(duì)燃料流量、壓力的分析，其壓力和流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于燃料調(diào)節(jié)支路所需的燃?xì)鈮毫土髁?，調(diào)節(jié)閥對(duì)壓力和流量的調(diào)節(jié)只能在一定的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)是穩(wěn)定值，因此與燃料調(diào)節(jié)支路采用同一個(gè)調(diào)節(jié)閥是不能滿足點(diǎn)火器支路對(duì)燃?xì)饬髁亢蛪毫Φ囊蟮模荒軉为?dú)設(shè)置一路點(diǎn)火支路，保證點(diǎn)火支路所需的供氣壓力和供氣流量。

圖1 燃料供給及調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖

由于燃機(jī)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)天然氣供氣精度要求比較高，所采用的燃料流量和壓力調(diào)節(jié)閥都是比較精密的元件，而且系統(tǒng)中所使用的流量計(jì)等測(cè)量元件也是比較精密的元件，因此對(duì)天然氣的潔凈度、含水量等的氣體品質(zhì)要求都挺高，為滿足此系統(tǒng)對(duì)天然氣的潔凈度的設(shè)計(jì)要求，我們選擇了過(guò)濾分離器模塊6。

該系統(tǒng)最重要的功能就是能夠向燃機(jī)提供所需流量和壓力的天然氣，保證機(jī)組在各種工況的運(yùn)行要求。為了滿足該項(xiàng)功能的要求，在系統(tǒng)中設(shè)置了壓力調(diào)節(jié)閥和流量調(diào)節(jié)閥兩個(gè)重要元件，由這兩個(gè)閥門(mén)共同調(diào)節(jié)輸送到燃燒室的燃料流量。流量調(diào)節(jié)閥用于控制輸送到燃燒室的天然氣的流量，進(jìn)入燃燒室的天然氣的流量是由調(diào)節(jié)閥開(kāi)度確定。壓力調(diào)節(jié)閥來(lái)控制流量調(diào)節(jié)閥上游的天然氣壓力，通過(guò)控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)進(jìn)入燃燒室的天然氣的流量，以適應(yīng)然機(jī)啟動(dòng)與正常運(yùn)行時(shí)的燃料流量的需要。

為了使壓力調(diào)節(jié)閥和流量調(diào)節(jié)閥能夠?qū)崿F(xiàn)上述要求和保證燃機(jī)的運(yùn)行安全，在燃料供給及調(diào)節(jié)系統(tǒng)中設(shè)置了一套與燃料控制系統(tǒng)傳遞信息的元件。燃料點(diǎn)火支路上減壓閥后安裝有壓力傳感器和壓力表，用于監(jiān)測(cè)供到點(diǎn)火器的天然氣壓力是否滿足點(diǎn)火要求；燃料供給和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的天然氣入口處設(shè)有壓力表，用于測(cè)試由天然氣調(diào)壓站來(lái)的天然氣是否輸送到燃料供給和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的入口；入口的隔離閥后設(shè)有兩個(gè)壓力控制開(kāi)關(guān)4，過(guò)濾器后設(shè)有溫度控制器。

5 結(jié)論

通過(guò)以上的分析可以看到燃料供給及調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠滿足燃機(jī)的技術(shù)參數(shù)及功能的要求，功能先進(jìn)，能夠滿足燃機(jī)正常運(yùn)行的各種工況下的燃料供給的要求。