徐文濤

(南京汽輪電機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，南京 210037)

近年來(lái)，在國(guó)家大力提倡分布式能源的主流環(huán)境下，電力行業(yè)在尋求高效、快速、穩(wěn)定的發(fā)電模式中，迅速地將眼光聚焦到燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)的聯(lián)合循環(huán)上。燃?xì)廨啓C(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、功率小、低噪聲、起?？?、運(yùn)行過(guò)程清潔無(wú)排放污染的特性，在保證良好的效率和熱電比的同時(shí)，還能滿足周圍企業(yè)的供熱需求，這些優(yōu)點(diǎn)令此種聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電模式迅速地成為了各個(gè)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)和調(diào)峰電廠的新寵。在燃?xì)廨啓C(jī)中，最重要的一環(huán)就是高效、穩(wěn)定、可靠地控制燃料的進(jìn)氣量。我司在引進(jìn)某型燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)制造過(guò)程中，使用GE公司的天然氣控制閥，速比閥和控制閥互相配合，由MOOG閥精確控制液壓油的壓力流量，從而實(shí)現(xiàn)天然氣的閉環(huán)控制。下文將分別從天然氣控制系統(tǒng)的控制原理、組成、計(jì)算等進(jìn)行分析描述。

1 燃?xì)廨啓C(jī)燃料控制的工作原理

燃?xì)廨啓C(jī)具有良好的效率和熱電比(以某型燃?xì)廨啓C(jī)為例，見(jiàn)圖1)，對(duì)氣體燃料的精確控制是實(shí)現(xiàn)良好的效率和熱電比的必要條件。氣體燃料的精確控制是通過(guò)VGC(控制閥)和VSR(速比閥)的相互配合，調(diào)整進(jìn)入燃燒室的天然氣量，從而滿足機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷要求。

圖1 基本負(fù)荷時(shí)某型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)效率、熱電比(抽凝機(jī))

VSR的作用是調(diào)節(jié)進(jìn)入控制閥前的天然氣壓力，使流量轉(zhuǎn)化為只與通流面積相關(guān)的函數(shù)。

對(duì)于天然氣，流量、流速、截面積、壓力之間的關(guān)系見(jiàn)式(1):

式中：Q1為流量，m3/s ；μ為流量系數(shù)，與閥門或管子的形狀有關(guān),取0.6～0.65；A為面積，m2；P為通過(guò)閥門前后的壓力差， Pa；ρ為流體的密度，kg/m3。

由此可以看出，當(dāng)一種介質(zhì)通一個(gè)閥門時(shí)，如果閥門前后壓力差恒定，則流量只與通流面積成正比。

另外，在燃?xì)廨啓C(jī)正常運(yùn)行或突發(fā)事故需要停機(jī)的時(shí)候，控制閥也能夠迅速地截?cái)嗳剂?，從而?shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)的安全停機(jī)。以GE公司的燃?xì)廨啓C(jī)為例，壓力P2(P2為VSR和VGC之間的天然氣壓力)由三個(gè)壓力變送器(96FG-2A、96FG-2B、96FG-2C)測(cè)量。VGC根據(jù)一個(gè)控制系統(tǒng)命令“燃料行程基準(zhǔn)(fuel stroke reference,FSR)”控制所需的燃料流量。將VGC上游的壓力維持在一個(gè)預(yù)定值，可預(yù)測(cè)燃料流量對(duì)VGC命令的響應(yīng)。根據(jù)轉(zhuǎn)速百分比(TNH)及P2來(lái)調(diào)節(jié)VSR，可控制VGC的上游壓力P2。將P2信號(hào)(FPG2)與卡件信號(hào)進(jìn)行比較，并進(jìn)行調(diào)整。VGC根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)負(fù)荷的要求，不斷地調(diào)整控制閥的開(kāi)度，進(jìn)而調(diào)節(jié)進(jìn)入燃燒室的天然氣量[1]。對(duì)于一臺(tái)聯(lián)合循環(huán)的某型燃?xì)廨啓C(jī)的純凝機(jī)組，標(biāo)準(zhǔn)工況下各負(fù)荷對(duì)應(yīng)的天然氣耗量、總熱效率見(jiàn)圖2。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)工況下各負(fù)荷對(duì)應(yīng)的天然氣耗量、總熱效率

由圖2可以看出，隨著燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷需求的增加，所需要的天然氣量持續(xù)增加，其總熱效率也是在提高，即對(duì)于某型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組，在基本負(fù)荷下，其控制閥和速比閥全開(kāi)，燃?xì)廨啓C(jī)性能最佳。

2 燃料控制的驅(qū)動(dòng)方式及優(yōu)點(diǎn)

目前，市場(chǎng)主流的燃?xì)廨啓C(jī)天然氣控制閥的控制方式為液壓油控制。閥芯的移動(dòng)由液壓缸驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)的電氣信號(hào)驅(qū)動(dòng)的3個(gè)線圈伺服閥來(lái)調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)油缸中的液壓油。

液壓油來(lái)自潤(rùn)滑油油箱，從滑油母管取油(油壓為0.18 MPa),經(jīng)過(guò)輔助液壓油泵增壓至9.3 MPa，經(jīng)過(guò)雙聯(lián)過(guò)濾器的過(guò)濾清潔，向其服務(wù)對(duì)象包括天然氣控制閥，提供工作所需液壓油。

液壓技術(shù)作為一門成熟的應(yīng)用學(xué)科，雖然歷史很長(zhǎng)，但依舊充滿生機(jī)，發(fā)展速度非常驚人。液壓驅(qū)動(dòng)扭矩大，單位功率重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，反應(yīng)速度快、準(zhǔn)、穩(wěn)，又能在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，易實(shí)現(xiàn)功率放大，并進(jìn)行過(guò)載保護(hù)，又能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)潤(rùn)滑。除此之外，它還有壽命長(zhǎng)、制造成本低的優(yōu)點(diǎn)，不但在傳統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用很廣，在新興的機(jī)器人和工業(yè)控制領(lǐng)域也漸成主力軍[2]。雖然現(xiàn)階段幾個(gè)主流燃?xì)廨啓C(jī)制造公司比如GE、西門子、三菱等正在嘗試使用純電動(dòng)控制天然氣流量，但在成本、可靠性、響應(yīng)時(shí)間等方面依舊無(wú)法達(dá)到液壓油控制的程度。

3 閥門流量特性

天然氣燃料控制閥(見(jiàn)圖3)是一種控制氣體流量的高反饋性閥門，主要用于工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒系統(tǒng)的天然氣流量控制。其獨(dú)特的設(shè)計(jì)可在非常低的壓力比(P1/P2，P1為VSR前壓力)下產(chǎn)生不受排出壓力影響的流量特性。此設(shè)計(jì)具有幾乎全行程的線性流量特性，即使在0%到10%的行程，以及10%到100%行程，依舊能保證線性流量特性(見(jiàn)表1)。

圖3 氣體燃料控制閥

表1 各行程對(duì)應(yīng)的線性誤差

4 電液伺服閥

燃?xì)廨啓C(jī)中天然氣控制閥為MOOG閥，是一種動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制精度高、使用壽命長(zhǎng)的電液伺服閥。這種電液伺服閥的液壓執(zhí)行器是通過(guò)兩級(jí)液壓伺服閥來(lái)調(diào)節(jié)執(zhí)行器的輸出軸位置，從而控制氣體燃料閥。第一級(jí)扭矩馬達(dá)使用三繞組線圈，其控制第一級(jí)閥和第二級(jí)閥的位置與施加到三個(gè)線圈的總電流成比例(見(jiàn)圖4)。其中Q是指驅(qū)動(dòng)油的流量大小變化,i是指驅(qū)動(dòng)線圈電流大小。

圖4 伺服閥

如果燃?xì)廨啓C(jī)的控制系統(tǒng)需要閥門的快速移動(dòng)以達(dá)到向燃?xì)廨啓C(jī)輸送更多燃料的目的，則總電流增加。在這種情況下，控制端口連接到液壓油入口，傳遞到執(zhí)行器的活塞腔的流速與施加到三個(gè)線圈的總電流成比例。因此，打開(kāi)速度也與提供給扭矩電動(dòng)機(jī)的電流(高于零)成正比。

假如燃?xì)廨啓C(jī)的控制系統(tǒng)需要快速移動(dòng)來(lái)關(guān)閉氣體燃料控制閥，則會(huì)提供一個(gè)反向電流。在這種情況下，端口連接到液壓排放回路。從活塞腔到排出口的流速與總電流的大小成比例。因此，閉合速度也與提供給力矩電動(dòng)機(jī)的電流成比例。

在零電流附近，伺服閥將控制端口與液壓油進(jìn)油和排油隔離，使活塞壓力與彈簧平衡以保持恒定位置。控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)輸送到線圈的電流量，調(diào)節(jié)提供給線圈的電流以獲得閥門的適當(dāng)開(kāi)度位置[3]。

5 跳閘電磁閥

跳閘電磁閥(20FG-1)使用二位四通電磁閥(見(jiàn)圖5)。該電磁閥是在機(jī)組正常停機(jī)或事故停機(jī)時(shí)負(fù)責(zé)控制閥的遮斷，使控制閥和截止閥迅速關(guān)閉，從而達(dá)到切斷燃料供應(yīng)的目的。在起機(jī)點(diǎn)火及正常運(yùn)行時(shí)，建立跳閘油壓力，打開(kāi)燃料控制閥，保證燃料的供給。

圖5 跳閘電磁閥

燃?xì)廨啓C(jī)控制裝置為電磁閥提供一個(gè)單獨(dú)熔斷的125 V直流饋線，電磁閥在運(yùn)行模式下通電，在跳閘模式下斷電。診斷系統(tǒng)在接線板上的電源分配模塊入口點(diǎn)監(jiān)控每個(gè)125 V直流饋線，以保證保險(xiǎn)絲完整性和電纜連接。

每個(gè)緊急跳閘繼電器(ETR1、ETR2、ETR3)的兩個(gè)串聯(lián)觸點(diǎn)連接到每個(gè)電磁閥的正極125 V直流饋線，每個(gè)主跳閘繼電器(卡件中的緊急跳閘繼電器PTR1、PTR2、PTR3)的兩個(gè)串聯(lián)觸點(diǎn)連接到每個(gè)電磁閥的負(fù)極125 V直流饋線。每個(gè)電磁閥配套一個(gè)節(jié)電繼電器(KE1、KE2、KE3)，常閉觸點(diǎn)與限流電阻器并聯(lián)。這些繼電器用于在電磁閥通電后降低電流負(fù)載。ETR和KE繼電器線圈由每個(gè)R、S和T段中的I/O組件供電，該組件提供獨(dú)立的28 V直流電源。

28 V直流母線為限流母線，用于向外部手動(dòng)緊急跳閘觸點(diǎn)供電，顯示為緊急停機(jī)。如果發(fā)生手動(dòng)緊急跳閘，三個(gè)主跳閘繼電器(KX4、KY4、KZ4)將28 V直流母線從ETR和KE繼電器線圈上斷開(kāi)。任何源自保護(hù)模塊(如EOS)或操作模塊(如手動(dòng)跳閘)的跳閘將導(dǎo)致三個(gè)保護(hù)模塊段中的每一段通過(guò)IO模塊向控制模塊發(fā)送跳閘命令，并可用于識(shí)別跳閘源。

6 LVDT位置反饋傳感器

安裝在每個(gè)閥門上的線性變量差動(dòng)變壓器(LVDT)三冗余傳感器(可選雙冗余或單冗余)為控制系統(tǒng)提供閉環(huán)位置控制所需的閥門位置反饋信號(hào)。控制閥使用雙線圈雙桿LVDT進(jìn)行位置反饋，兩個(gè) LVDT 的反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)伺服放大器，在伺服放大器中兩個(gè)獨(dú)立的變壓器和一個(gè)解調(diào)器將 LVDT 輸出信號(hào)解調(diào)為可用于位置控制的直流反饋信號(hào)。最大的信號(hào)由二極管解調(diào)，并由一個(gè)放大器變換為與閥門的正確行程校準(zhǔn)值相一致。直流信號(hào)經(jīng)過(guò)反饋，并在伺服驅(qū)動(dòng)器電路中的一個(gè)誤差放大器的求和點(diǎn)處與 FSR 進(jìn)行比較(見(jiàn)圖6)。為便于穩(wěn)定的控制，放大后的誤差在經(jīng)過(guò)恰當(dāng)?shù)木夂?，再通過(guò)積分放大器驅(qū)動(dòng)伺服閥 65GC。當(dāng) LVDT 反饋信號(hào)等于 FSR 輸入信號(hào)時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器放大器求和點(diǎn)的目標(biāo)便達(dá)到了。

圖6 燃?xì)饪刂崎y方框圖

7 動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)整

控制系統(tǒng)零電流必須與燃?xì)廨啓C(jī)中每個(gè)閥門的測(cè)量電流相匹配。不正確的零電流設(shè)置(僅限比例控制)將影響閥門的正確開(kāi)度。因此必須將控制閥正確的動(dòng)態(tài)特性輸入燃?xì)廨啓C(jī)的控制系統(tǒng)，從而確保燃?xì)廨啓C(jī)的安全有序運(yùn)行。

一旦控制系統(tǒng)連接到閥門并建立閥門控制，將閥門指令位置設(shè)置為全行程的10%，測(cè)量每個(gè)LVDT的反饋電壓，調(diào)整反饋環(huán)路中的增益，直到反饋電壓與該位置的記錄值相匹配。LVDT位置和FSR對(duì)應(yīng)如圖7所示。 再次將閥門指令位置調(diào)整為全行程的90%， 調(diào)整反饋環(huán)路的增益，直到LVDT反饋電壓與記錄的值匹配為止。最后確認(rèn)閥門是否在視覺(jué)上關(guān)閉，并且LVDT的反饋電壓為0.7 V。 有時(shí)必須重復(fù)此過(guò)程以確保10%和90%命令位置處的反饋電壓與記錄的值匹配。

圖7 燃?xì)饪刂崎y位置回路校準(zhǔn)趨勢(shì)圖

8 控制閥故障排除事例

以某電廠某型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題為例，在保證潤(rùn)滑油、液壓油、控制線路通路沒(méi)問(wèn)題的情況下，在控制系統(tǒng)給出開(kāi)啟命令時(shí)，控制閥沒(méi)有任何動(dòng)作，反饋與實(shí)際情況一致。如果一直存在一個(gè)“Stale Speed _ trip”信號(hào)，即硬件上有跳機(jī)信號(hào)。燃?xì)廨啓C(jī)控制盤處于保護(hù)狀態(tài)，電磁閥無(wú)法正常帶電。此IO保護(hù)模塊提供基于實(shí)時(shí)速度信號(hào)，并附加主控制最終檢查的功能，保護(hù)工作如下：如果塊脈沖信號(hào)被確定為零速度，則保護(hù)關(guān)閉。如果塊脈沖信號(hào)高于零速度，程序包從主控件查看轉(zhuǎn)速的值，若最近的轉(zhuǎn)速值與上一個(gè)數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)速值完全匹配，則計(jì)數(shù)器遞增，一旦計(jì)數(shù)器達(dá)到閾值，則宣布并鎖定陳舊速度跳閘；若速度不同，計(jì)數(shù)器將被清除。

該保護(hù)基于實(shí)時(shí)速度信號(hào)總是抖動(dòng)或移動(dòng)少量的情況。如果控制系統(tǒng)從控制器讀取的速度值沒(méi)有變化(抖動(dòng))，控制器的速度信號(hào)完整性缺失。如果跳閘被解除，允許主控制裝置恢復(fù)，主控制裝置恢復(fù)60 s后備用保護(hù)裝置重新啟動(dòng)。該保護(hù)在兩個(gè)以太網(wǎng)端口連接時(shí)提供對(duì)兩個(gè)主控件的監(jiān)控。為兩個(gè)控件配置時(shí)，有一個(gè)控制裝置滿足試驗(yàn)要求就足以防止跳閘。

最終處理方式就是通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)發(fā)生器，給控制程序提供一個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)，控制系統(tǒng)接受之后，認(rèn)為具備了控制閥動(dòng)作的條件，最終允許電磁閥帶電，液壓油進(jìn)入MOOG閥，從而使控制閥執(zhí)行正常的動(dòng)作，并通過(guò)LVDT反饋回控制系統(tǒng)。

9 結(jié)語(yǔ)

在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行過(guò)程中，控制系統(tǒng)給出FSR信號(hào)，經(jīng)過(guò)程序計(jì)算，給出伺服馬達(dá)的控制電流，從而控制伺服馬達(dá)，以達(dá)到控制閥門開(kāi)度的目的，然后通過(guò)LVDT 的反饋，驗(yàn)證閥門是否開(kāi)或者關(guān)到預(yù)定位置?？刂崎y的控制特性決定了它的控制曲線越接近線性，控制越準(zhǔn)確，所以在燃?xì)廨啓C(jī)的調(diào)試過(guò)程中，要調(diào)整其各個(gè)參數(shù)，以達(dá)到精確控制的目的，最終滿足燃?xì)廨啓C(jī)相對(duì)應(yīng)的負(fù)荷要求。