CN101078373A - 一种微型燃气轮机的燃烧控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种微型燃气轮机的燃烧控制装置及控制方法，该燃烧控制装置对燃气轮机参数进行在线辨识，并实时控制；控制方法利用传统的PID控制结合智能模糊控制理论，使该控制装置具有在线参数自校正功能，分为控制装置初始化和自检、燃烧器点火、功率闭环调节、停机控制和燃机性能指标实时监控五大模块。本发明的优点是控制精度高、安全、稳定，开发成本低。

Description

一种微型燃气轮机的燃烧控制装置及控制方法

技术领域

本发明属于微型燃气轮机技术领域，特别涉及一种微型燃气轮机的燃烧控制装置及控制方法。

背景技术

微型燃气轮机在未来我国电力、动力等国民经济领域和国家安全等方面具有重要作用和战略意义，先进燃气轮机技术是21世纪能源动力系统中的核心关键技术，对于我国相关领域如能源、电力、航空、航天、船舶、车辆、军事等国民经济和国防建设中的高新技术发展有着重大意义。微型燃气轮机是由高速旋转的叶轮构成，将燃料燃烧产生的能量经过透平对外做功而产生电能给负载供电。其主要由压缩机、燃烧室、透平以及一些发电机组、回热器组成，基本技术特征是采用径流式叶轮机械(向心式透平和离心式压气机)，在转子上两者叶轮为背靠背结构，回热器一般为高效板翅式，一些机组还采用空气轴承，不需要润滑油系统，这样结构更简单。微型燃气轮机发电机组具有高效率、低噪声、重量轻、体积小、低污染、以及多台集成扩容等一系列优点。目前燃气轮机的控制器产品品种繁多，而控制技术多采用可编程控制器(PLC)实现，属二次开发，成本较高，升级换代过于复杂。采用数字信号处理器(DSP)作为主控方式的仍为空白。

实际的过程控制与运动控制系统中，PID家族占有相当的地位，据统计，工业控制控制器中PID类控制器占有90％以上。PID控制器具有结构简单，各个控制参数有着明显的物理意义，调整方便的特点，其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于过程控制和运动控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。然而在实际工业生产过程中控制系统往往具有非线性、时变不确定性以及无法建立精确的数学模型，因此采用常规PID不能达到理想的控制效果。同时在实际生产的现场，由于受到参数整定方法复杂的限制，利用常规PID控制器参数往往整定不良，性能欠佳，对现场系统的运行适应性很差。随着计算机技术和只能控制理论的发展为复杂动态系统的控制停工了新的途径。采用只能控制技术，可设计智能PID和进行PID只能整定。在调试初期本控制装置采用传统的PID控制，但是由于本系统具有时变，非线性、滞后性等特点，采用传统的PID控制显示出弊端，为了能够得到更好的控制效果，本发明将利用传统的PID控制结合模糊控制理论，使该控制系统具有在线参数自校正功能。进一步提高了控制精度和系统的安全性、稳定性。从理论上说，本控制装置所涉及的装置和控制方法可成为通用控制技术，应用到其他需要燃料压力控制的场合。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，本发明提供一种微型燃气轮机的燃烧控制装置及控制方法(该项成果为国家高技术研究发展计划(“863”计划)课题成果)。

燃机控制系统包括上位机、显示及通讯装置、中央控制装置、燃烧控制装置、燃料压力控制装置、逆变控制装置、软启动控制装置、电池管理装置；其中显示及通讯装置分别与上位机、中央控制装置相连，燃烧控制装置、燃料压力控制装置、逆变控制装置、软启动控制装置、电池管理装置相连，如图1所示。

本发明即燃烧控制装置所依赖的硬件环境包括压气机、透平、燃烧室、回热器、空气轴承、喷油系统组成，系统工作过程如下：清洁的空气经过压气机增压后，进入回热器，与透平经调解阀排出的尾气进行热交换后，送入燃烧室，与燃料喷油嘴喷出的燃料混合燃烧，推动透平作功，带动轴输出转速，如图2所示。

燃烧控制装置通过传感器从燃烧室的测到转速、温度信号，同时输出电流信号控制燃烧室的给油量、温度。如图3所示。主要控制的变量有：

·燃料流量；

·燃料阀入口前的燃料压力；

·燃机转速；

·透平入口燃气温度T₁ ^*；

·转速加速度；

·温升率；

燃烧控制装置的硬件结构框图如图4所示，RAM、ROM、EEPROM、值班喷嘴、工作喷嘴、三路变送器、速度传感器、二路驱动电路、光耦、二路D/A转换器分别与数字信号处理器相连，压力传感器、大气温度、透平温度分别与三路变送器相连，放气阀与继电器相连，再与一路驱动电路相连；点火线圈与继电器相连，再与一路驱动电路相连；二路燃料调解阀分别与二路D/A转换器相连。

燃气轮机(简称燃机)运行时，燃烧控制装置对燃气轮机参数进行在线辨识，并实时控制，要求软件代码简洁，执行效率高。为达到这个要求，我们采用汇编语言进行燃烧控制装置的程序编写。燃烧控制装置的控制方法分为控制装置初始化和自检、燃烧器点火、功率闭环调节、停机控制和燃机性能指标实时监控五大模块。

1、控制装置初始化和自检模块

这一部分程序要为燃机的正常运行做好准备，如图(5)所示，是按以下步骤执行的：

(1)控制器初始化，自检；

(2)判断状态字是否正常，如果是，执行步骤(6)；如果否，执行步骤(3)；

(3)调用CAN发送子程序，向中央控制装置发故障代码；

(4)判断中央控制装置是否有代码；如果是，执行步骤(5)；如果否，执行步骤(4)；

(5)执行指令；

(6)向中央控制装置发自检正常信号；

(7)判断是否有燃机启动信号；如果是，执行步骤(10)；如果否，执行步骤(8)；

(8)判断是否有其它控制命令；如果是，执行步骤(9)；如果否，返回步骤(7)；

(9)执行命令，返回步骤(7)；

(10)调用燃烧器点火子程序；

(11)关闭调用子程序；

(12)正常停机；

(13)结束。

2.燃烧器点火模块

燃气轮机被软启动控制装置的同步高速电机拖动至点火转速时，接收到中央控制装置的点火指令后，点火线圈开始打火，值班喷嘴打开，向燃烧室内送入燃料，8秒后，停止打火，根据此时燃烧室温度判断点火成功或者点火失败，并向中央控制装置发点火成功或失败指令代码。具体工作步骤是按以下步骤执行的，如图(6)所示；

(1)、将工作阶段标志置为工作在点火阶段，开定时器，打开放气活门电磁阀；

(2)、调用A/D采样子程序；

(3)、判断是否达到点火转速，如果是，执行步骤(4)；如果否，执行步骤(24)；

(4)、给中央控制装置发送等待点火指令；

(5)、判断是否收到中央控制装置允许点火指令；如果是，执行步骤(6)；如果否，返回步骤(5)；

(6)、接通点火线圈，设燃机工作阶段标志为1(点火)；

(7)、延时3秒；

(8)、选通DA燃料阀输出给定值；

(9)、调用AD子程序，调用转速捕获子程序，给软启动控制装置发送转速信号；

(10)、判断所发数据标志是否为1；如果是，执行步骤(11)；如果否，执行步骤(12)；

(11)、调用CAN发送子程序，向显示及通讯装置发转速和T2信号，并清除发送数据标志位；

(12)、判断是否已延时8秒；如果是，执行步骤(13)；如果否，返回步骤(9)；

(13)、关点火线圈；

(14)、判断点火是否成功；如果是，执行步骤(17)；如果否，执行步骤(15)；

(15)、通过CAN向中央控制装置发送点火失败信号；

(16)、关燃料调解阀，死循环；

(17)、通过CAN向中央控制装置发送点火成功信号，燃料阀降到暖风值；

(18)、调用AD子程序，调用转速捕获子程序，给软启动控制装置发送转速信号；

(19)、判断所发数据标志是否为1；如果是，执行步骤(20)；如果否，执行步骤(21)；

(20)、调用CAN子程序，向显示及通讯装置发送数据，并清除发送数据标志位；

(21)、判断是否已延时60秒；如果是，执行步骤(22)；如果否，返回步骤(18)；

(22)、当前温度给T2OLD，当前转速给NOOLD；

(23)、结束；

(24)、判断压气机压力是否大于XXXX；如果是，执行步骤(25)；如果否，执行步骤(26)；

(25)、调用捕获程序；

(26)、检查发送标志是否为1；如果是，返回步骤(2)；如果否，执行步骤(27)；

(27)、调CAN发送子程序，清发送标志，返回步骤(2)。

3.燃烧器功率闭环调节模块

燃机达到空载转速后，向中央控制装置发达到空载转速指令，燃烧控制装置的控制程序进入功率闭环调节阶段。逆变控制装置向燃烧控制装置传送当前功率值，燃烧控制装置根据当前功率值查找保存在固定内存区的表格数据，得到需要的转速值，送到转速给定单元，然后进行PID闭环调节，使之达到要求达到的功率所对应的转速值。

燃烧器功率闭环调节模块是按以下步骤执行的，如图(7)所示：

(1)、关闭串口，防止串口干扰；

(2)、置工作阶段标志；

(3)、将空载转速作为给定；

(4)、判断是否达到额定转速；如果是，执行步骤(8)；如果否，执行步骤(5)；

(5)、判断转速容差检测次数是否到达5次；如果是，执行步骤(6)；如果否，执行步骤(9)；

(6)、与中央控制装置通讯，达到空载转速；

(7)、关放气活门电磁阀，功率闭环标志置1，打开串口，执行步骤(9)；

(8)、转到空载时检测转速容差的次数；

(9)、调用AD采样子程序，调用捕获子程序，调用PID调节算法；

(10)、判断标志是否为1；如果是，执行步骤(11)；如果否，执行步骤(12)；

(11)、调整PID的增量；

(12)、调用DA子程序输出控制量；

(13)、判断T2是否超限；如果是，执行步骤(15)；如果否，执行步骤(14)；

(14)、判断速度是否超限；如果是，执行步骤(15)；如果否，执行步骤(16)；

(15)、IO给中央控制装置故障信号；

(16)、查询CAN邮箱是否有正常停机信号；如果是，执行步骤(21)；如果否，执行步骤(17)；

(17)、查询CAN邮箱是否有充电停机信号；如果是，执行步骤(22)；如果否，执行步骤(18)；

(18)、判断CAN发数据标志是否等于1；如果是，执行步骤(19)；如果否，执行步骤(20)；

(19)、调用CAN发送子程序，清发送标志；

(20)、判断闭环标志是否为1；如果是，返回步骤(9)；如果否，返回步骤(3)；

(21)、空载转速给NO，执行步骤(23)；

(22)、充电转速给NO，充电标志置1，执行步骤(23)；

(23)、调用停机程序；

(24)、结束。

4.燃烧控制装置停机控制模块

当燃烧控制装置接收到中央控制装置发送过来的停机指令之后，进入停机控制程序。首先判断接收到的是正常停机还是充电停机，然后将对应的转速值送到给定转速单元，将燃机转速闭环调节至空载转速或充电转速；然后延时15秒，通过已经打开的阀门排空燃烧室和管道内气体，最后执行关闭阀门，使燃机停止运转的操作。

燃烧控制装置停机控制模块是按以下步骤执行的，如图(8)所示；

(1)、开始；

(2)、调用AD子程序，调用捕获子程序，PID调节算法，调用DA子程序输出控制量；

(3)、判断是否有发数标志；如果是，执行步骤(4)；；如果否，执行步骤(5)；

(4)、调用CAN发子程序向显示及通讯装置发当前数据，清发送标志；

(5)、判断充电标志是否是1；如果是，执行步骤(9)；如果否，执行步骤(6)；

(6)、判断是否达到空载转速，如果是，执行步骤(7)；；如果否，执行步骤(8)；

(7)、判断转速容差检测是否到5；如果是，执行步骤(10)；如果否，返回步骤(2)；

(8)、转速容差次数清零，返回步骤(2)；

(9)、判断MBOX0A是否有充电结束信号；如果是，执行步骤(10)；如果否，返回步骤(2)；

(10)、调用延时子程序，关闭燃料阀，死循环；

(11)、结束。

5.燃机性能指标实时监控模块

在燃机运行过程中，一些性能指标必须实时监控，这些指标包括透平出口温度T₂、温升率和加速度，这四个量必须在燃机运行过程实时检测，并根据检测量的大小，作出相应的调节。

1)、微型燃机燃烧控制起动控制方法(被控量：转速)

基本起动控制方法：

起动过程采用闭环控制，对起动过程的控制就是控制燃烧器按照合理的起动过程线工作。燃烧器的起动过程受系统本身的结构特点限制，起动过程线的上限是喘振线(在高转速是T_1max ^*)，下限是功率P_e＝0线，y为起动过程线，如图(10)所示。

起动控制分以下4个阶段：

a.准备阶段，此阶段软起动单元带动微型燃机按启动曲线升速，燃机控制单元不断监测点火条件。

b.点火，在转速达到14000rpm时，进入点火程序。

c.暖机，点火成功后，便进入暖机阶段。暖机结束后转子转速由14000rpm上升到24000rpm。

d.加速过程，暖机结束后，起动过程进入加速阶段。起动加速阶段转子转速由24000rpm上升到空载转速的95％(40000rpm)，此时燃机不对外做功。

2)、燃烧能量调节控制方法(被控量：功率)

燃气轮机的能量输入部分包括电池和燃料供给系统，输出部分主要是用户功率输出，当用户功率发生变化时，逆变、并网单元测量用户功率的变化，将之反馈给燃机控制单元，此时燃机逆变控制器作用，调节燃料输出变化。能量由燃料供给系统传输给用户部分。燃机的静态特性曲线采用最优曲线，它有别于常规交流发电机负荷曲线，如图11所示。

a、发电功率增加时电机转速也增高。

b、采用靠近边界的高效曲线。

3)、燃气轮机运行过程复杂，难于建立准确的数学模型，且常变工况运行，这就要求有一种控制算法能实时的调整控制参数，以适应工况变化对控制效果带来的影响，使燃机能始终高效率运行。

模糊PID控制方法的特点：模糊PID控制不仅可以像常规PID控制一样很好地解决简单线性系统的控制问题，而且对于复杂非线性、多变量、强干扰、参数时变的系统也具有理想的控制效果，模糊控制系统原理框图如图12所示，模糊控制器的原理如图13所示。

本系统的具体实现：

燃烧器功率闭环调节单元采用带有非线性跟踪微分器的模糊PID控制器。

燃机控制系统是一个多变量、非线性、时变的系统，其主要控制量功率、速度、回热器回热度及进入透平的温度等存在严重的相互耦合。在燃机发电过程中，当发电量一定时，针对不同热含量的燃料，需要的燃料流量是不同的，系统各部分参数的值也不尽相同，采用常规PID控制器无法达到高性能的控制。因此，采用先进的模糊PID控制器作为功频调节单元的逆变控制器，并采用跟踪微分器(TD)滤除信号中的干扰噪声。这样，通过模糊控制器对PID参数进行动态调整，以适应系统的时变性，确保系统的稳定性、快速性和准确性。燃烧控制装置采用的模糊PID控制器结构图如图14所示。

在燃机运行过程中，一些性能指标必须实时监控，这些指标包括透平出口温度T₂、温升率和加速度，这四个量必须在燃机运行过程实时检测，并根据检测量的大小，作出相应的调节。

神经网络的PID控制器主要由输入量、模糊控制规则表、去模糊化、输出量组成，分述如下：

输入量：以误差E和误差变化量EC作为模糊控制器的输入

对误差E、误差变化EC及控制量K_P，K_I，K_D的模糊集及其论域定义如下：

E、EC和K_P，K_I，K_D的模糊集均为：{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}

E的论域为：{-1.2，-0.8，-0.4，0，0.4，0.8，1.2}

EC的论域为：{-0.6，-0.4，-0.2，0，0.2，0.4，0.6}

K_P的论域为：{0.7，0.8，0.9，1，1.1，1.2，1.3}

K_I的论域为：{0，0.01，0.02，0.03，0.04，0.05，0.06}

K_D的论域为：{0，0.5，1，1.5，2，2.5，3}

模糊控制规则表如表所示，

共49条模糊规则，为IfA and B then C的形式，加权系数为1，如

a.If(e is NB)and(ec is NB)then(K_P is PB)(K_I is NB)(K_D is PS)(1)

b.If(e is NB)and(ec is NM)then(K_P is PB)(K_I is NB)(K_D is NS)(1)

                          ………………

            表1 K_P的模糊规则表

e    NB    NM    NS    Z    PS    PM    PBec  kp
	NB     PB    PB    PM    PM   PS    Z     ZNM     PB    PB    PM    PS   PS    Z     NSNS     PM    PM    PM    PS   Z     NS    NSZ      PM    PM    PS    Z    NS    NM    NMPS     PS    PS    Z     NS   NS    NM    NMPM     PS    Z     NS    NM   NM    NM    NBPB     Z     Z     NM    NM   NM    NB    NB

        表2 K_I的模糊规则表；

e    NB    NM    NS    Z     PS    PM    PBec  ki
	NB     NB    NB    NM    NM    NS    Z     ZNM     NB    NB    NM    NS    NS    Z     ZNS     NB    NM    NS    NS    Z     PS    PS

Z     NM    NM    NS    Z     PS    PM    PMPS    NM    NS    Z     PS    PS    PM    PBPM    Z     Z     PS    PS    PM    PB    PBPB    Z     Z     PS    PM    PM    PB    PB

         表3 K_I的模糊规则表；

e   NB    NM    NS    Z     PS    PM    PBec  kd
	NB    PS    NS    NB    NB    NB    NM    PSNM    PS    NS    NB    NM    NM    NS    ZNS    Z     NS    NM    NM    NS    NS    ZZ     Z     NS    NS    NS    NS    NS    ZPS    Z     Z     Z     Z     Z     Z     ZPM    PB    NS    PS    PS    PS    PS    PBPB    PB    PM    PM    PM    PS    PS    PB

去模糊化：

采用加权平均法，将控制量由模糊量变为精确量。针对论域中的每个元素 $x_i(i=\mathrm{1,2},\·\·\·,n)x_1\left(t\right)x_2=\stackrel{\·}{x_1}\mathrm{\δv}{x}_1{T}_{2\max }\mathrm{Pe}=0n_{\max },$ 以它作为待判决输出模糊集合的隶属度μ(i)的加权系数，即取乘积x_iμ(i)，再计算该乘积和

对于隶属度和的平均值x₀，即：

$x_0=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\mathrm{\μ}\left(i\right)}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\μ}\left(i\right)}---\left(1\right)$

平均值x₀便是应用加权平均法为模糊集合求得的判决结果。最后，用输出量化因子乘以x₀以适应控制要求，从而可得到控制量的实际值。

信号噪声处理：

采用了一种新的非线性的跟踪——微分器来解决存在的由不连续或带随机噪声的量测信号合理地提取连续信号及微分信号的问题。其中，跟踪微分器(TD，Tracking Differentiator)是“自抗扰控制器(ADRC)”的重要组成部分。

所谓跟踪——微分器是这样的机构：对它输入一信号，它将输出两个信号x₁和x₂，其中x₁跟踪v(t)，而 $x_2=\stackrel{\·}{x_1},$ 从而把x₂作为v(t)的“近似微分”或“广义微分”。跟踪微分器得到的微分信号是输入信号广义导数的一种光滑逼近。

我们应用了下面形式的二阶跟踪微分器

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_1=x_2\\ {\stackrel{\·}{x}}_2=-R\·\mathrm{sign}(x_1-v\left(t\right)+\frac{\left|x_2\right|x_2}{2R})\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中R为决定跟踪快慢的参数

为了避免在原点附近的震颤，将符号函数sign改为线性饱和函数sat，就得到有效的二阶跟踪微分器：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_1=x_2\\ {\stackrel{\·}{x}}_2=-R\·\mathrm{sat}(x_1-v\left(t\right)+\frac{\left|x_2\right|x_2}{2R},\mathrm{\δ})\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中

$\mathrm{sat}(A,\mathrm{\δ})=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{sign}\left(A\right),\left|A\right|>\mathrm{\δ}\\ \frac{A}{\mathrm{\δ}},\left|A\right|\≤\mathrm{\δ},\mathrm{\δ}>0\end{array}\right.$

式中δ为线性饱和函数sat的参数

TD采用离散化的结构

TD的离散化公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1(k+1)=x_1\left(k\right)+h*x_2\left(k\right)\\ x_2(k+1)=x_2\left(k\right)+h*\mathrm{fst}(x_1\left(k\right)-v\left(k\right),x_2\left(k\right),R,h_1)\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，v是输入信号，x₁是v的跟踪信号，x₂是x₁的导数，可视为输入信号v的导数，

fst(x₁(k)-v(k)，x₂(k)，R，h₁)＝-R*sat(g(k)，δ)     (5)

δ＝h₁R                                                (6)

δ₁＝h₁δ                                                                                           (7)

e(k)＝x₁(k)-v(k)                                       (8)

y(k)＝e(k)+h₁*x₂(k)                                   (9)

$g\left(k\right)=\left\{\begin{array}{c}{x}_2\left(k\right)-\mathrm{sign}\left(y\left(k\right)\right)*((\mathrm{\δ}-\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+8R\left|y\left(k\right)\right|})/2),\left|y\left(k\right)\right|\≥{\mathrm{\δ}}_1\\ x_2\left(k\right)+y\left(k\right)/h_1,\left|y\left(k\right)\right|\≤{\mathrm{\δ}}_1\end{array}\right.----\left(10\right)$

$\mathrm{sat}(x,\mathrm{\δ})=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{sign}\left(x\right),\left|x\right|\≥\mathrm{\δ}\\ \frac{x}{\mathrm{\δ}},\left|x\right|\≤\mathrm{\δ}\end{array}\right.---\left(11\right)$

h是积分步长，R是决定跟踪快慢的参数。为了滤掉x₁所含的噪声，选取适当的h₁，能获得很好的滤波效果。跟踪效果要好，R要大，但R的过大会给微分信号增加高频噪声。折中的办法是在保证跟踪的前提下，R应尽可能小。

4)、燃烧控制装置的温度调节方法

燃机中控制透平进气温度是非常重要的控制量。由于进气温度很高，测量元件很容易被烧毁，温度场也很不均匀，其温度很难直接测量，因此用间接的测量方法对其进行检测控制。间接温度测量的原理图如图15所示，根据透平排出的气体温度T₂ ^*和透平进气温度T₁ ^*在特性曲线网上的走向最为相似，并且T₂ ^*是反映T₁ ^*的主要因素的特性，通过补充其它因素进行修正以达到对T₁ ^*的监测和控制。

通过压气机出口压力p₂进行修正：

根据透平进气温度T₁ ^*随T₂ ^*以及透平进出口气体压气比π_T的关系

$T_2^{*}=T_1^{*}[1-(1-\frac{1}{{\mathrm{\π}}_T^{m_g}}){\mathrm{\η}}_T]---\left(12\right)$

其中η_T为热效率，是，m＝1......m；

可得

$T_1=\frac{T_2^{*}}{1-{\mathrm{\η}}_T+\frac{1}{{\mathrm{\π}}_T^{m_g}}{\mathrm{\η}}_T}---\left(13\right)$

式中 $m_g=\frac{k_g-1}{k_g}$ (k_g＝1.33——比热比)。

对单轴恒速运行的燃机，T₁ ^*是需要控制的量，当系统满载时π_T的变化量很小，将上式在小范围内进行线性化得：

$\mathrm{\Δ}{T}_1^{*}=\frac{\∂T_1^{*}}{\∂T_2^{*}}\mathrm{\Δ}{T}_2^{*}+\frac{\∂T_1^{*}}{\∂{\mathrm{\π}}_T}{\mathrm{\Δ\π}}_T---\left(14\right)$

$\frac{\∂T_1^{*}}{\∂T_2^{*}}=\frac{1}{1-{\mathrm{\η}}_T+\frac{1}{{\mathrm{\π}}_T^{m_g}}{\mathrm{\η}}_T}---\left(15\right)$

$\frac{\∂T_1^{*}}{\∂T_2^{*}}=T_2^{*}\frac{m_g{\mathrm{\η}}_T{\mathrm{\π}}_T^{-(m_g+1)}}{{(1-{\mathrm{\η}}_T+\frac{1}{{\mathrm{\π}}_T^{m_g}}{\mathrm{\η}}_T)}^2}---\left(16\right)$

在π_T变化很小时，通过改变T₂ ^*值的变化来加以修正保持T₁ ^*不变，即ΔT₁ ^*＝0，建立ΔT₂ ^*与Δπ_T之间关系：

$\frac{\mathrm{\Δ}{T}_2^{*}}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\π}}_T}=-\left(\frac{\∂T_1^{*}}{\∂{\mathrm{\π}}_T}\right)/\left(\frac{\∂T_1}{\∂T_2^{*}}\right)---\left(17\right)$

上式在保持T₁ ^*不变条件下，ΔT₂ ^*随Δπ_T变化的曲线就是线性化后的等T₁ ^*线。可以看出以T₂ ^*间接测量T₁ ^*时，应用π_T修正方法，达到对温度T₁ ^*的控制。

5)、燃烧控制装置汽油柴油多级喷嘴点火实现方法：微型燃机发电机组主要由压气机、透平、燃烧室、回热器、空气轴承、发电机、电力变换器、燃料喷射系统等组成。系统工作过程如下：清洁的空气经过压气机增压后，进入回热器，与透平排出的尾气进行热交换后，送入燃烧室，与喷嘴喷出的燃料混合燃烧，并推动透平做功，带动发电机发电。发电机发出的电能，经过电力变换器变换后，输出满足用户要求的交流电。

燃机被软启动装置的同步高速电机拖动至点火转速时，接收到中央控制装置的点火指令后，点火线圈开始打火，值班喷嘴打开，向燃烧室内送入燃油，8秒后，停止打火，根据此时燃烧室温度判断点火成功或者点火失败，并发点火成功或失败指令代码。

点火成功后再开主喷嘴。具体流程如下：确定作为主喷嘴的燃烧室运行；确定燃烧已经停止；打开点火器；确定燃烧室被重新点火；关闭点火器；主喷嘴持续运行。

从燃烧器点火成功到转速上升到空载转速的95％采用闭环控制，同时供燃油量受燃烧器排气温度T₂ ^*最高温度包络线等参数的约束。燃烧器点火后，透平产生动力，在起动机和透平共同驱动下微型燃机转速持续上升，双机拖动时，保持起动机的电流值维持低值不变。

6)、燃烧控制装置汽油柴油多级喷嘴点火实现方法：

燃烧控制装置主要由压气机、透平、燃烧室、回热器、空气轴承、发电机、电力变换器、燃料喷射系统等组成。系统工作过程如下：

清洁的空气经过压气机增压后，进入回热器，与透平排出的尾气进行热交换后，送入燃烧室，与喷嘴喷出的燃料混合燃烧，并推动透平做功，带动发电机发电。发电机发出的电能，经过电力变换器变换后，输出满足用户要求的交流电。

燃机被软启动单元的同步高速电机拖动至点火转速时，接收到中央控制单元的点火指令后，点火线圈开始打火，值班喷嘴打开，向燃烧室内送入燃油，8秒后，停止打火，根据此时燃烧室温度判断点火成功或者点火失败，并发点火成功或失败指令代码。

点火成功后再开主喷嘴。具体流程如下：

确定作为主喷嘴的燃烧室运行；确定燃烧已经停止；打开点火器；确定燃烧室被重新点火；关闭点火器；主喷嘴持续运行。

从微型燃机点火成功到转速上升到空载转速的95％采用闭环控制，同时供燃油量受燃烧器排气温度T₄ ^*最高温度包络线等参数的约束。微型燃机点火后，透平产生动力，在起动机和透平共同驱动下微型燃机转速持续上升，双机拖动时，保持起动机的电流值维持低值不变。

7)、燃烧控制装置的停机熄火控制方法

当燃烧控制装置接到熄火指令执行正常停机时，先关闭与电力变换模块的连接，向主控单元发出申请经同意后关闭值班喷嘴和主喷嘴。

当燃烧控制装置接到紧急停机指令时，直接关闭主喷嘴和值班喷嘴，并向逆变控制装置发送信号指令。

a)透平出口温度T₂

在燃机运行过程中，程序每经过一个控制周期进行一次检测，并与设置好的最大值和调节值相比较，若此时透平出口温度T₂大于最大值，则直接报警停机；若此时透平出口温度T₂大于调节值，则进行调节，而不是停机。

b)温升率和加速度

利用数字信号处理器内部的定时器进行定时，对温升率和加速度每秒钟检测一次，将当前温度值和速度值与保留的前一秒的温度值和速度值相减得到温升率和加速度，如果该值大于设定好的标准值，则进行调节，反之，则正常运行。

c)透平出口温度T₂

在燃机运行过程中，程序每经过一个控制周期进行一次检测，并与设置好的最大值和调节值相比较，若此时透平出口温度T₂大于最大值，则直接报警停机；若此时透平出口温度T₂大于调节值，则进行调节，而不是停机。

d)温升率和加速度

利用数字信号处理器内部的定时器进行定时，对温升率和加速度每秒钟检测一次，将当前温度值和速度值与保留的前一秒的温度值和速度值相减得到温升率和加速度，如果该值大于设定好的标准值，则进行调节，反之，则正常运行。

燃机性能指标实时监控模块是按以下步骤执行，如图(9)所示；

(1)、开始；

(2)、1秒循环标志加1；

(3)、判断1秒循环标志是否为5；如果是，执行步骤(4)；如果否，执行步骤(15)；

(4)、发数标志置1，1秒循环标志置0；

(5)、判断是否工作在点火阶段；如果是，执行步骤(6)；如果否，执行步骤(7)；

(6)、时间标志加1，执行步骤(17)；

(7)、判断是否工作在电流闭环阶段；如果是，执行步骤(9)；如果否，执行步骤(8)；

(8)、判断是否工作在转速闭环阶段；如果是，执行步骤(9)；如果否，执行步骤(18)；

(9)、判断包络线是否已结束；如果是，执行步骤(11)；如果否，执行步骤(10)；

(10)、判断T2温度是否超过裕度；如果是，执行步骤(15)；如果否，执行步骤(13)；

(11)、读包络线值；

(12)、判断温度是否超过包络裕度；如果是，执行步骤(15)；如果否，执行步骤(13)；

(13)、判断温度是否升温；如果是，执行步骤(15)；如果否，执行步骤(14)；

(14)、判断加速度是否越限；如果是，执行步骤(15)；如果否，执行步骤(16)；

(15)、调整标志置1，执行步骤(17)；

(16)、调整标志置0，执行步骤(17)；

(17)、当前转速给NOOLN，当前温度给T2OLD；

(18)、结束。

本发明首次实现了使用TI公司数字信号处理器TM320LF2407a实现控制目标，添补了国内空白，提高控制精度并降低技术成本，同时便于产品的更新换代。在控制方法上使用多种调节方法和模糊PID控制器，进一步提高了控制精度和系统的安全性、稳定性。本控制器所涉及的器和控制方法可成为通用控制技术，应用到其他需要燃料压力控制的场合。它的优点是控制精度高、安全、稳定，开发成本低。

附图说明

图1为燃气轮机系统结构框图；

图2为燃烧控制装置与燃烧室的连接示意图；

图3为燃烧控制装置与燃烧室的变量关系示意图；

图4为燃烧控制装置硬件结构框图；

图5为系统初始化和自检模块的程序流程图；

图6为燃烧器点火模块的程序流程图；

图7为燃烧器功率闭环调节模块的程序流程图；

图8为燃烧控制装置停机控制模块的程序流程图；

图9为燃机性能指标实时监控模块的程序流程图；

图10为启动过程速度限制曲线图；

图11为最优控制曲线图；

图12为模糊控制系统原理框图；

图13为模糊控制器的原理框图；

图14为模糊PID控制器的结构框图；

图15为间接温度测量原理图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明；

燃气轮机(简称燃机)运行时，燃烧控制装置对燃气轮机参数进行在线辨识，并实时控制，要求软件代码简洁，执行效率高。为达到这个要求，我们采用汇编语言进行燃烧控制装置的程序编写。燃烧控制装置的控制方法分为控制装置初始化和自检、燃机点火、功率闭环调节、停机控制和燃机性能指标实时监控五大模块。

1、控制装置初始化和自检模块

这一部分程序要为燃机的正常运行做好准备，如图(5)所示，是按以下步骤执行的：

(1)控制装置初始化，自检；

(2)判断状态字是否正常，如果是，执行步骤(6)；如果否，执行步骤(3)；

(3)调用CAN发送子程序，向中央控制装置发故障代码；

(4)判断中央控制装置是否有代码；如果是，执行步骤(5)；如果否，执行步骤(4)；

(5)执行指令；

(6)向中央控制装置发自检正常信号；

(7)判断是否有燃机启动信号；如果是，执行步骤(10)；如果否，执行步骤(8)；

(8)判断是否有其它控制命令；如果是，执行步骤(9)；如果否，返回步骤(7)；

(9)执行命令，返回步骤(7)；

(10)调用燃烧器点火子程序；

(11)关闭调用子程序；

(12)正常停机；

(13)结束。

2.燃烧器点火模块

燃气轮机被软启动控制装置的同步高速电机拖动至点火转速时，接收到中央控制装置的点火指令后，点火线圈开始打火，值班喷嘴打开，向燃烧室内送入燃料，8秒后，停止打火，根据此时燃烧室温度判断点火成功或者点火失败，并向中央控制装置发点火成功或失败指令代码。具体工作步骤是按以下步骤执行的，如图(6)所示；

(1)、将工作阶段标志置为工作在点火阶段，开定时器，打开放气活门电磁阀；

(2)、调用A/D采样子程序；

(3)、判断是否达到点火转速，如果是，执行步骤(4)；如果否，执行步骤(24)；

(4)、给中央控制装置发送等待点火指令；

(5)、判断是否收到中央控制装置允许点火指令；如果是，执行步骤(6)；如果否，返回步骤(5)；

(6)、接通点火线圈，设燃机工作阶段标志为1(点火)；

(7)、延时3秒；

(8)、选通DA燃料阀输出给定值；

(9)、调用AD子程序，调用转速捕获子程序，给软启动控制装置发送转速信号；

(10)、判断所发数据标志是否为1；如果是，执行步骤(11)；如果否，执行步骤(12)；

(11)、调用CAN发送子程序，向显示及通讯装置发转速和T2信号，并清除发送数据标志位；

(12)、判断是否已延时8秒；如果是，执行步骤(13)；如果否，返回步骤(9)；

(13)、关点火线圈；

(14)、判断点火是否成功；如果是，执行步骤(17)；如果否，执行步骤(15)；

(15)、通过CAN向中央控制装置发送点火失败信号；

(16)、关燃料调解阀，死循环；

(17)、通过CAN向中央控制装置发送点火成功信号，燃料阀降到暖风值；

(18)、调用AD子程序，调用转速捕获子程序，给软启动控制装置发送转速信号；

(19)、判断所发数据标志是否为1；如果是，执行步骤(20)；如果否，执行步骤(21)；

(20)、调用CAN子程序，向显示及通讯装置发送数据，并清除发送数据标志位；

(21)、判断是否已延时60秒；如果是，执行步骤(22)；如果否，返回步骤(18)；

(22)、当前温度给T2OLD，当前转速给NOOLD；

(23)、结束；

(24)、判断压气机压力是否大于XXXX；如果是，执行步骤(25)；如果否，执行步骤(26)；

(25)、调用捕获程序；

(26)、检查发送标志是否为1；如果是，返回步骤(2)；如果否，执行步骤(27)；

(27)、调CAN发送子程序，清发送标志，返回步骤(2)。

3.燃烧器功率闭环调节模块

燃机达到空载转速后，向中央控制装置发达到空载转速指令，燃烧控制装置的控制程序进入功率闭环调节阶段。逆变控制装置向燃烧控制器传送当前功率值，燃烧控制装置根据当前功率值查找保存在固定内存区的表格数据，得到需要的转速值，送到转速给定装置，然后进行PID闭环调节，使之达到要求达到的功率所对应的转速值。

燃烧器功率闭环调节模块的工作流程如图(7)所示，是按以下步骤执行的：

(1)、关闭串口，防止串口干扰；

(2)、置工作阶段标志；

(3)、将空载转速作为给定；

(4)、判断是否达到额定转速；如果是，执行步骤(8)；如果否，执行步骤(5)；

(5)、判断转速容差检测次数是否到达5次；如果是，执行步骤(6)；如果否，执行步骤(9)；

(6)、与中央控制装置通讯，达到空载转速；

(7)、关放气活门电磁阀，功率闭环标志置1，打开串口，执行步骤(9)；

(8)、转到空载时检测转速容差的次数；

(9)、调用AD采样子程序，调用捕获子程序，调用PID调节算法；

(10)、判断标志是否为1；如果是，执行步骤(11)；如果否，执行步骤(12)；

(11)、调整PID的增量；

(12)、调用DA子程序输出控制量；

(13)、判断T2是否超限；如果是，执行步骤(15)；如果否，执行步骤(14)；

(14)、判断速度是否超限；如果是，执行步骤(15)；如果否，执行步骤(16)；

(15)、IO给中央控制装置故障信号；

(16)、查询CAN邮箱是否有正常停机信号；如果是，执行步骤(21)；如果否，执行步骤(17)；

(17)、查询CAN邮箱是否有充电停机信号；如果是，执行步骤(22)；如果否，执行步骤(18)；

(18)、判断CAN发数据标志是否等于1；如果是，执行步骤(19)；如果否，执行步骤(20)；

(19)、调用CAN发送子程序，清发送标志；

(20)、判断闭环标志是否为1；如果是，返回步骤(9)；如果否，返回步骤(3)；

(21)、空载转速给NO，执行步骤(23)；

(22)、充电转速给NO，充电标志置1，执行步骤(23)；

(23)、调用停机程序；

(24)、结束。

4.燃烧控制装置停机控制模块

当燃烧控制装置接收到中央控制装置发送过来的停机指令之后，进入停机控制程序。首先判断接收到的是正常停机还是充电停机，然后将对应的转速值送到给定转速单元，将燃烧器转速闭环调节至空载转速或充电转速；然后延时15秒，通过已经打开的阀门排空燃烧室和管道内气体，最后执行关闭阀门，使燃机停止运转的操作。

燃烧控制器停机控制模块的工作流程如图(8)所示，是按以下步骤执行的；

(1)、开始；

(2)、调用AD子程序，调用捕获子程序，PID调节算法，调用DA子程序输出控制量；

(3)、判断是否有发数标志；如果是，执行步骤(4)；；如果否，执行步骤(5)；

(4)、调用CAN发子程序向显示及通讯装置发当前数据，清发送标志；

(5)、判断充电标志是否是1；如果是，执行步骤(9)；如果否，执行步骤(6)；

(6)、判断是否达到空载转速，如果是，执行步骤(7)；如果否，执行步骤(8)；

(7)、判断转速容差检测是否到5；如果是，执行步骤(10)；如果否，返回步骤(2)；

(8)、转速容差次数清零，返回步骤(2)；

(9)、判断MBOX0A是否有充电结束信号；如果是，执行步骤(10)；如果否，返回步骤(2)；

(10)、调用延时子程序，关闭燃料阀，死循环；

(11)、结束。

5、燃机性能指标实时监控模块

燃机性能指标实时监控模块采用PID模糊控制理论，是按以下步骤执行，如图(9)所示；

(1)、开始；

(2)、1秒循环标志加1；

(3)、判断1秒循环标志是否为5；如果是，执行步骤(4)；如果否，执行步骤(15)；

(4)、发数标志置1，1秒循环标志置0；

(5)、判断是否工作在点火阶段；如果是，执行步骤(6)；如果否，执行步骤(7)；

(6)、时间标志加1，执行步骤(17)；

(7)、判断是否工作在电流闭环阶段；如果是，执行步骤(9)；如果否，执行步骤(8)；

(8)、判断是否工作在转速闭环阶段；如果是，执行步骤(9)；如果否，执行步骤(18)；

(9)、判断包络线是否已结束；如果是，执行步骤(11)；如果否，执行步骤(10)；

(10)、判断T2温度是否超过裕度；如果是，执行步骤(15)；如果否，执行步骤(13)；

(11)、读包络线值；

(12)、判断温度是否超过包络裕度；如果是，执行步骤(15)；如果否，执行步骤(13)；

(13)、判断温度是否升温；如果是，执行步骤(15)；如果否，执行步骤(14)；

(14)、判断加速度是否越限；如果是，执行步骤(15)；如果否，执行步骤(16)；

(15)、调整标志置1，执行步骤(17)；

(16)、调整标志置0，执行步骤(17)；

(17)、当前转速给NOOLN，当前温度给T2OLD；

(18)、结束。

Claims (6)

1、一种微型燃气轮机的燃烧控制装置的控制方法，其特征在于该控制方法分为控制装置初始化和自检、燃烧器点火、功率闭环调节、停机控制和燃机性能指标实时监控五大模块。

2、根据权利要求1所述的微型燃气轮机的燃烧控制装置的控制方法，其特征在于所述的控制装置初始化和自检模块是按以下步骤执行的：

(1)系统初始化，系统自检；

(2)判断状态字是否正常，如果是，执行步骤(6)；如果否，执行步骤(3)；

(3)调用CAN发送子程序，向中央控制装置发故障代码；

(4)判断中央控制装置是否有代码；如果是，执行步骤(5)；如果否，执行步骤(4)；

(5)执行指令；

(6)向中央控制装置发自检正常信号；

(7)判断是否有燃机启动信号；如果是，执行步骤(10)；如果否，执行步骤(8)；

(8)判断是否有其它控制命令；如果是，执行步骤(9)；如果否，返回步骤(7)；

(9)执行命令，返回步骤(7)；

(10)调用燃烧器点火子程序；

(11)关闭调用子程序；

(12)正常停机；

(13)结束。

3、根据权利要求1所述的微型燃气轮机的燃烧控制装置的控制方法，其特征在于所述的燃烧器点火模块，是按以下步骤执行的；

(1)、将工作阶段标志置为工作在点火阶段，开定时装置，打开放气活门电磁阀；

(2)、调用A/D采样子程序；

(3)、判断是否达到点火转速，如果是，执行步骤(4)；如果否，执行步骤(24)；

(4)、给中央控制装置发送等待点火指令；

(5)、判断是否收到中央控制装置允许点火指令；如果是，执行步骤(6)；如果否，返回步骤(5)；

(6)、接通点火线圈，设燃机工作阶段标志为1；

(7)、延时3秒；

(8)、选通DA燃料阀输出给定值；

(9)、调用AD子程序，调用转速捕获子程序，给软启动控制装置发送转速信号；

(10)、判断所发数据标志是否为1；如果是，执行步骤(11)；如果否，执行步骤(12)；

(11)、调用CAN发送子程序，向显示及通讯装置发转速和T2信号，并清除发送数据标志位；

(12)、判断是否已延时8秒；如果是，执行步骤(13)；如果否，返回步骤(9)；

(13)、关点火线圈；

(14)、判断点火是否成功；如果是，执行步骤(17)；如果否，执行步骤(15)；

(15)、通过CAN向中央控制装置发送点火失败信号；

(16)、关燃料调解阀，死循环；

(17)、通过CAN向中央控制装置发送点火成功信号，燃料阀降到暖风值；

(18)、调用AD子程序，调用转速捕获子程序，给软启动控制装置发送转速信号；

(19)、判断所发数据标志是否为1；如果是，执行步骤(20)；如果否，执行步骤(21)；

(20)、调用CAN子程序，向显示及通讯装置发送数据，并清除发送数据标志位；

(21)、判断是否已延时60秒；如果是，执行步骤(22)；如果否，返回步骤(18)；

(22)、当前温度给T20LD，当前转速给NOOLD；

(23)、结束；

(24)、判断压气机压力是否大于XXXX；如果是，执行步骤(25)；如果否，执行步骤(26)；

(25)、调用捕获程序；

(26)、检查发送标志是否为1；如果是，返回步骤(2)；如果否，执行步骤(27)；

(27)、调CAN发送子程序，清发送标志，返回步骤(2)。

4、根据权利要求1所述的微型燃气轮机的燃烧控制装置的控制方法，其特征在于所述的燃烧装置功率闭环调节模块，按以下步骤执行：

(1)、关闭串口，防止串口干扰；

(2)、置工作阶段标志；

(3)、将空载转速作为给定；

(4)、判断是否达到额定转速；如果是，执行步骤(8)；如果否，执行步骤(5)；

(5)、判断转速容差检测次数是否到达5次；如果是，执行步骤(6)；如果否，执行步骤(9)；

(6)、与中央控制装置通讯，达到空载转速；

(7)、关放气活门电磁阀，功率闭环标志置1，打开串口，执行步骤(9)；

(8)、转到空载时检测转速容差的次数；

(9)、调用AD采样子程序，调用捕获子程序，调用PID调节算法；

(10)、判断标志是否为1；如果是，执行步骤(11)；如果否，执行步骤(12)；

(11)、调整PID的增量；

(12)、调用DA子程序输出控制量；

(13)、判断T2是否超限；如果是，执行步骤(15)；如果否，执行步骤(14)；

(14)、判断速度是否超限；如果是，执行步骤(15)；如果否，执行步骤(16)；

(15)、IO给中央控制装置故障信号；

(16)、查询CAN邮箱是否有正常停机信号；如果是，执行步骤(21)；如果否，执行步骤(17)；

(17)、查询CAN邮箱是否有充电停机信号；如果是，执行步骤(22)；如果否，执行步骤(18)；

(18)、判断CAN发数据标志是否等于1；如果是，执行步骤(19)；如果否，执行步骤(20)；

(19)、调用CAN发送子程序，清发送标志；

(20)、判断闭环标志是否为1；如果是，返回步骤(9)；如果否，返回步骤(3)；

(21)、空载转速给NO，执行步骤(23)；

(22)、充电转速给NO，充电标志置1，执行步骤(23)；

(23)、调用停机程序；

(24)、结束。

5、根据权利要求1所述的微型燃气轮机的燃烧控制装置的控制方法，其特征在于所述的燃烧控制装置停机控制模块，按以下步骤执行：

(1)、开始；

(2)、调用AD子程序，调用捕获子程序，PID调节算法，调用DA子程序输出控制量；

(3)、判断是否有发数标志；如果是，执行步骤(4)；；如果否，执行步骤(5)；

(4)、调用CAN发子程序向显示及通讯控制装置发当前数据，清发送标志；

(5)、判断充电标志是否是1；如果是，执行步骤(9)；如果否，执行步骤(6)；

(6)、判断是否达到空载转速，如果是，执行步骤(7)；如果否，执行步骤(8)；

(7)、判断转速容差检测是否到5；如果是，执行步骤(10)；如果否，返回步骤(2)；

(8)、转速容差次数清零，返回步骤(2)；

(9)、判断MBOX0A是否有充电结束信号；如果是，执行步骤(10)；如果否，返回步骤(2)；

(10)、调用延时子程序，关闭燃料阀，死循环；

(11)、结束。

6、根据权利要求1所述的微型燃气轮机的燃烧控制装置的控制方法，其特征在于所述的燃机性能指标实时监控模块，采用PID模糊控制理论，按以下步骤执行：

(1)、开始；

(2)、1秒循环标志加1；

(3)、判断1秒循环标志是否为5；如果是，执行步骤(4)；如果否，执行步骤(15)；

(4)、发数标志置1，1秒循环标志置0；

(5)、判断是否工作在点火阶段；如果是，执行步骤(6)；如果否，执行步骤(7)；

(6)、时间标志加1，执行步骤(17)；

(7)、判断是否工作在电流闭环阶段；如果是，执行步骤(9)；如果否，执行步骤(8)；

(8)、判断是否工作在转速闭环阶段；如果是，执行步骤(9)；如果否，执行步骤(18)；

(9)、判断包络线是否已结束；如果是，执行步骤(11)；如果否，执行步骤(10)；

(10)、判断T2温度是否超过裕度；如果是，执行步骤(15)；如果否，执行步骤(13)；

(11)、读包络线值；

(12)、判断温度是否超过包络裕度；如果是，执行步骤(15)；如果否，执行步骤(13)；

(13)、判断温度是否升温；如果是，执行步骤(15)；如果否，执行步骤(14)；

(14)、判断加速度是否越限；如果是，执行步骤(15)；如果否，执行步骤(16)；

(15)、调整标志置1，执行步骤(17)；

(16)、调整标志置0，执行步骤(17)；

(17)、当前转速给NOOLN，当前温度给T2OLD；

(18)、结束。

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