CN104481704A - 一种实现燃气轮机起动过程中燃料实时控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明为解决现有燃气轮机起动过程中燃料开环控制容易导致超温或悬挂问题，公开了一种实现燃气轮机起动过程中燃料量实时闭环控制的方法及装置，适用于地面燃气轮机、航空发动机以及其它起动过程中对燃料控制要求高的动力装置中，在燃气轮机起动过程中增加了燃料质量流量计、压气机测速传感器、排气端温度传感器。燃气轮机点火成功后，燃气轮机控制器通过燃料质量流量计、速度传感器、温度传感器，实时检测和调整燃料量，从而实现燃气轮机起动过程中的燃料实时闭环控制。

Description

一种实现燃气轮机起动过程中燃料实时控制方法及装置

技术领域

本发明主要涉及一种燃气轮机起动过程中燃料量控制装置及程序，具体来说，燃气轮机起动过程中，基于压气机转速或基于排气温度控制燃料量的方法和装置。

背景技术

燃气轮机起动过程中对燃料控制精度要求较高，采用传统的开环控制方案难以保证起动的时效与可靠性，另外，传统的起动控制中由于采用机械液压结构，采用闭环控制实现难度较大，因此，起动过程仅采用开环控制，但随着电子控制技术的发展，起动过程采用闭环控制已具备相应硬件及技术条件，同时，起动过程中开环控制易导致起动超温或悬挂问题，降低了起动的可靠性，本发明就在此背景下提出的。

发明内容

本发明为解决燃气轮机起动过程中易出现超温或悬挂等现象，以及开环起动可靠性低等问题，进而提出了一种基于压气机转速或涡轮排气温度的燃料控制方法及装置，其技术方案包括燃料计量与控制单元和相应燃料控制逻辑。

为解决上述技术问题，根据本发明的一方面，提供了一种实现燃气轮机起动过程中燃料实时闭环控制的方法，所述燃气轮机包括燃料计量与控制单元A和燃气发生器单元B，其特征在于：

--所述燃料计量与控制单元A包括通过燃料管路依次连接的燃料箱、过滤器、燃料泵、稳压阀、主燃料阀，其中，

所述燃料泵的出口和稳压阀的进口之间通过燃料管路连通，所述燃料泵的进口和稳压阀的进口之间还设有一带安全阀的燃料管路；所述主燃料阀通过并联的主燃料控制阀和副燃料控制阀与燃气轮机的燃烧室的燃料进口连通；

所述燃料计量与控制单元A还包括燃气轮机控制器、燃气轮机测速装置、变频器、燃料质量流量计，其中，所述燃气轮测速装置、变频器和燃料质量流量计均与所述燃气轮机控制器通信连接；所述变频器与所述燃料泵的驱动马达电连接，为所述燃料泵提供驱动电力；所述燃料质量流量计设置在所述稳压阀和主燃料阀之间的燃料管路上或设置在所述燃料箱和燃料泵之间的燃料管路上；

--所述燃气发生器单元B包括进气端、压气机、燃烧室、涡轮及排气端；所述排气端上设置一与所述燃气轮机控制器通信连接的排气端温度传感器；所述燃烧室的燃料进口还通过一燃料管路与所述主燃料阀的出口连通；

其中，当所述燃气轮机处于起动过程时，按照基于压气机转速燃料控制逻辑和基于排气温度燃料控制逻辑来控制燃料供应量：

SS1.基于压气机转速燃料控制逻辑：根据燃气轮机测速装置测得不同状态下压气机的实际转速，与每一个状态要求的转速N_ε进行对比，当测量转速与转速N_ε之差的绝对值不大于最大误差时，增大燃料供应量，当测量转速与转速N_ε差值的绝对值大于最大误差时，切换到基于排气温度燃料控制逻辑；

SS2.基于排气温度燃料控制逻辑：通过温度传感器测量不同状态下涡轮排气温度，与每一个状态所要求的温度T_ε进行对比，当测量温度与温度T_ε差值的绝对值小于最大误差时，增大转速，当测量温度与温度T_ε之差的绝对值大于最大误差时，若出现喘振或悬挂现象，则停止燃气轮机的起动，若未出现喘振或悬挂现象，则减小燃料供应量，将排气温度与温度T_ε之差的绝对值稳定在最大误差之内后继续进行起动。

优选地，燃气轮机每一状态下转速N_ε与温度T_ε通过燃气轮机数学模型仿真计算得到，其流程为：由进气温度T₁，压气机压比π_c，压气机效率η_c及空气的绝热指数γ_a计算出压气机出口温度T₂，

根据燃烧室内气体能量方程(m₁+m_f)C_pgT₃-m₁C_paT₂＝m_fh_fη_cc(方程中，m₁和m_f分别表示空气流量和燃料流量，C_pg和C_pa分别表示燃气和空气的定压比热，h_f表示燃料热焓，表示η_cc表示燃烧室的效率)计算出口温度T₃， $T_3=\frac{m_f{h}_f{\mathrm{\η}}_{\mathrm{cc}}+m_1{C}_{\mathrm{pa}}{T}_2}{(m_1+m_f)C_{\mathrm{pg}}};$

气体温度升高，内能增加，达到涡轮处，气体膨胀对外输出功，涡轮输出功率W_T与压气机消耗功率W_C之差使燃气轮机转速增加△N，其中，(公式中，J表示旋转体的转动惯量，N表示燃气轮机转速)，转速达到N_model，N_ε-model＝N₂+ΔN，同时涡轮排气端温度降低为T_model，(公式中，π_T表示涡轮的膨胀比，γ_g表示燃气的绝热指数，η_T表示涡轮的效率)。

优选地，所述压气机和涡轮间通过转动传动轴连接。

优选地，所述燃气轮机控制器通过所述变频器调节燃烧室的实际燃料供应量。

优选地，所述燃气轮机控制器通过燃气轮机测速装置、燃料质量流量计、温度传感器，实时检测和调整燃料量，从而实现燃气轮机起动过程中的燃料实时闭环控制。

优选地，所述方法适用于地面燃气轮机、航空发动机以及其它起动过程中对燃料控制要求高的动力装置。

根据本发明的另一方面，还提供了利用上述方法来控制实现燃气轮机起动过程中燃料实时闭环控制的装置，包括燃料计量与控制单元A和燃气发生器单元B，其特征在于：

--所述燃料计量与控制单元A包括通过燃料管路依次连接的燃料箱、过滤器、燃料泵、稳压阀、主燃料阀，其中，

所述燃料泵的出口和稳压阀的进口之间通过燃料管路连通，所述燃料泵的进口和稳压阀的进口之间还设有一带安全阀的燃料管路；所述主燃料阀通过并联的主燃料控制阀和副燃料控制阀与燃气轮机的燃烧室的燃料进口连通；

所述燃料计量与控制单元A还包括燃气轮机控制器、燃气轮机测速装置、变频器、燃料质量流量计，其中，所述燃气轮测速装置、变频器和燃料质量流量计均与所述燃气轮机控制器通信连接；所述变频器与所述燃料泵的驱动马达电连接，为所述燃料泵提供驱动电力；所述燃料质量流量计设置在所述稳压阀和主燃料阀之间的燃料管路上或设置在所述燃料箱和燃料泵之间的燃料管路上；

--所述燃气发生器单元B包括进气端、压气机、燃烧室、涡轮及排气端；所述排气端上设置一与所述燃气轮机控制器通信连接的排气端温度传感器；所述燃烧室的燃料进口还通过一燃料管路与所述主燃料阀的出口连通。

本发明相对于现有技术的显著优点为通过压气机转速或涡轮排气温度闭环控制起动过程燃料量，提高了可靠性，并能有效控制和减少起动过程中喘振或悬挂等现象发生。

附图说明

图1为燃气轮机起动过程燃料实时闭环控制装置

图2为燃气轮机起动过程基于经验值燃料控制逻辑流程图

图3为燃气轮机起动过程基于发动机数学模型燃料控制逻辑流程图

图4为基于燃气轮机数学模型涡轮排气温度计算流程图

图5为基于燃气轮机数学模型压气机转速计算流程图

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

实施例一

控制装置连接方式如图1所示，燃料控制原理及流程如图2所示。如图1所示，本发明的实现燃气轮机起动过程中燃料实时闭环控制的装置，包括燃料计量与控制单元A和燃气发生器单元B。

所述燃料计量与控制单元A包括通过燃料管路依次连接的燃料箱1、过滤器10、燃料泵11、稳压阀13、主燃料阀14，所述燃料泵11的出口和稳压阀13的进口之间通过燃料管路连通，所述燃料泵11的进口和稳压阀13的进口之间还设有一带安全阀12的燃料管路；所述主燃料阀14通过并联的主燃料控制阀6和副燃料控制阀7与燃气轮机的燃烧室17的燃料进口连通。

所述燃料计量与控制单元A还包括燃气轮机控制器4、燃气轮机测速装置2、变频器3、燃料质量流量计5，其中，所述燃气轮测速装置2、变频器3和燃料质量流量计5均与所述燃气轮机控制器4通信连接；所述变频器3与所述燃料泵11的驱动马达电连接，为所述燃料泵11提供驱动电力；所述燃料质量流量计5设置在所述稳压阀13和主燃料阀14之间的燃料管路上或设置在所述燃料箱1和燃料泵11之间的燃料管路上。

燃气发生器单元B包括进气端15、压气机16、燃烧室17、涡轮18及排气端8；所述排气端8上设置一与所述燃气轮机控制器4通信连接的排气端温度传感器9；所述燃烧室17的燃料进口还通过一燃料管路与所述主燃料阀14的出口连通。

如图2所示，在进行燃料控制时，燃料计量与控制单元A与单位B同时工作，当所述燃气轮机处于起动过程时，按照基于压气机转速燃料控制逻辑和基于排气温度燃料控制逻辑来控制燃料供应量：

SS1.基于压气机转速燃料控制逻辑：根据燃气轮机测速装置2测得不同状态下压气机的实际转速，与每一个状态要求的转速N_ε进行对比，当测量转速与转速N_ε之差的绝对值不大于最大误差时，增大燃料供应量，当测量转速与转速N_ε差值的绝对值大于最大误差时，切换到基于排气温度燃料控制逻辑；

SS2.基于排气温度燃料控制逻辑：通过温度传感器测量不同状态下涡轮排气温度，与每一个状态所要求的温度T_ε进行对比，当测量温度与温度T_ε差值的绝对值小于最大误差时，增大转速，当测量温度与温度T_ε之差的绝对值大于最大误差时，若出现喘振或悬挂现象，则停止燃气轮机的起动，若未出现喘振或悬挂现象，则减小燃料供应量，将排气温度与温度T_ε之差的绝对值稳定在最大误差之内后继续进行起动。

燃气轮机每一状态下的转速N_ε与温度T_ε按经验计算公式给定为N_ε-0和T_ε-0。

实施例二

控制装置连接方式如图1所示，燃料控制原理及流程如图3所示。其中对比温度T_ε按图4流程计算得出，对比转速N_ε按图5流程计算得出。

燃气轮机每一状态下转速N_ε与温度T_ε通过燃气轮机数学模型仿真计算得到，其流程为：由进气温度T₁，压气机压比π_c，压气机效率η_c及空气的绝热指数γ_a计算出压气机出口温度T₂，

根据燃烧室内气体能量方程(m₁+m_f)C_pgT₃-m₁C_paT₂＝m_fh_fη_cc(方程中，m₁和m_f分别表示空气流量和燃料流量，C_pg和C_pa分别表示燃气和空气的定压比热，h_f表示燃料热焓，表示η_cc表示燃烧室的效率)计算出口温度T₃， $T_3=\frac{m_f{h}_f{\mathrm{\η}}_{\mathrm{cc}}+m_1{C}_{\mathrm{pa}}{T}_2}{(m_1+m_f)C_{\mathrm{pg}}};$

气体温度升高，内能增加，达到涡轮处，气体膨胀对外输出功，涡轮输出功率W_T与压气机消耗功率W_C之差使燃气轮机转速增加△N，其中，(公式中，J表示旋转体的转动惯量，N表示燃气轮机转速)，转速达到N_model，N_ε-model＝N₂+ΔN，同时涡轮排气端温度降低为T_model，(公式中，π_T表示涡轮的膨胀比，γ_g表示燃气的绝热指数，η_T表示涡轮的效率)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种实现燃气轮机起动过程中燃料实时闭环控制的方法，所述燃气轮机包括燃料计量与控制单元A和燃气发生器单元B，其特征在于：

所述燃料计量与控制单元A包括通过燃料管路依次连接的燃料箱(1)、过滤器(10)、燃料泵(11)、稳压阀(13)、主燃料阀(14)，其中，所述燃料泵(11)的出口和稳压阀(13)的进口之间通过燃料管路连通，所述燃料泵(11)的进口和稳压阀(13)的进口之间还设有一带安全阀(12)的燃料管路；所述主燃料阀(14)通过并联的主燃料控制阀(6)和副燃料控制阀(7)与燃气轮机的燃烧室(17)的燃料进口连通；

所述燃料计量与控制单元A还包括燃气轮机控制器(4)、燃气轮机测速装置(2)、变频器(3)、燃料质量流量计(5)，其中，所述燃气轮机测速装置(2)、变频器(3)和燃料质量流量计(5)均与所述燃气轮机控制器(4)通信连接；所述变频器(3)与所述燃料泵(11)的驱动马达电连接，为所述燃料泵(11)提供驱动电力；所述燃料质量流量计(5)设置在所述稳压阀(13)和主燃料阀(14)之间的燃料管路上或设置在所述燃料箱(1)和燃料泵(11)之间的燃料管路上；

--所述燃气发生器单元B包括进气端(15)、压气机(16)、燃烧室(17)、涡轮(18)及排气端(8)；所述排气端(8)上设置一与所述燃气轮机控制器(4)通信连接的排气端温度传感器(9)；所述燃烧室(17)的燃料进口还通过一燃料管路与所述主燃料阀(14)的出口连通；

其中，当所述燃气轮机处于起动过程时，按照基于压气机转速燃料控制逻辑和基于排气温度燃料控制逻辑来控制燃料供应量：

SS1.基于压气机转速燃料控制逻辑：根据燃气轮机测速装置(2)测得不同状态下压气机的实际转速，与每一个状态要求的转速N_ε行对比，当测量转速与转速N_ε之差的绝对值不大于最大误差时，增大燃料供应量，当测量转速与转速N_ε差值的绝对值大于最大误差时，切换到基于排气温度燃料控制逻辑；

SS2.基于排气温度燃料控制逻辑：通过温度传感器测量不同状态下涡轮排气温度，与每一个状态所要求的温度T_ε进行对比，当测量温度与温度T_ε差值的绝对值小于最大误差时，增大转速，当测量温度与温度T_ε之差的绝对值大于最大误差时，若出现喘振或悬挂现象，则停止燃气轮机的起动，若未出现喘振或悬挂现象，则减小燃料供应量，将排气温度与温度T_ε之差的绝对值稳定在最大误差之内后继续进行起动。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，燃气轮机每一状态下转速N_ε与温度T_ε通过燃气轮机数学模型仿真计算得到，其流程为：

由进气温度T₁，压气机压比π_c，压气机效率η_c及空气的绝热指数γ_a计算出压气机出口温度T₂， $T_2=T_1[1+(\mathrm{\π}{c}^{\frac{{\mathrm{\γa}}^{-1}}{\mathrm{\γa}}}-1)/\mathrm{\ηc}];$

根据燃烧室内气体能量方程(m₁+m_f)C_pgT₃-m₁C_paT₂＝m_fh_fη_cc计算燃烧室出口温度T₃，其中，m₁和m_f分别表示空气流量和燃料流量，C_pg和C_pa分别表示燃气和空气的定压比热，h_f表示燃料热焓，η_cc表示燃烧室的效率；

气体温度升高，内能增加，达到涡轮处，气体膨胀对外输出功，涡轮输出功率W_T与压气机消耗功率W_C之差使燃气轮机转速增加△N，其中，

J表示旋转体的转动惯量，N表示燃气轮机转速；

转速达到N_model，N_ε-model＝N₂+ΔN，同时涡轮排气端温度降低为T_model，π_T表示涡轮的膨胀比，γ_g表示燃气的绝热指数，η_T表示涡轮的效率。

3.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，所述压气机(16)、涡轮(18)间通过转动传动轴连接。

4.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，所述燃气轮机控制器(4)通过所述燃料质量流量计(5)调节燃烧室的实际燃料供应量。

5.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，所述燃气轮机控制器(4)通过燃气轮机测速装置(2)、燃料质量流量计(5)、温度传感器(9)，实时检测和调整燃料量，从而实现燃气轮机起动过程中的燃料实时闭环控制。

6.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法适用于地面燃气轮机、航空发动机以及其它起动过程中对燃料控制要求高的动力装置。

7.一种利用上述任一项权利要求所述的方法来控制实现燃气轮机起动过程中燃料实时闭环控制的装置，包括燃料计量与控制单元A和燃气发生器单元B，其特征在于：

--所述燃料计量与控制单元A包括通过燃料管路依次连接的燃料箱(1)、过滤器(10)、燃料泵(11)、稳压阀(13)、主燃料阀(14)，其中，

所述燃料泵(11)的出口和稳压阀(13)的进口之间通过燃料管路连通，所述燃料泵(11)的进口和稳压阀(13)的进口之间还设有一带安全阀(12)的燃料管路；所述主燃料阀(14)通过并联的主燃料控制阀(6)和副燃料控制阀(7)与燃气轮机的燃烧室(17)的燃料进口连通；

所述燃料计量与控制单元A还包括燃气轮机控制器(4)、燃气轮机测速装置(2)、变频器(3)、燃料质量流量计(5)，其中，所述燃气轮测速装置(2)、变频器(3)和燃料质量流量计(5)均与所述燃气轮机控制器(4)通信连接；所述变频器(3)与所述燃料泵(11)的驱动马达电连接，为所述燃料泵(11)提供驱动电力；所述燃料质量流量计(5)设置在所述稳压阀(13)和主燃料阀(14)之间的燃料管路上或设置在所述燃料箱(1)和燃料泵(11)之间的燃料管路上；

--所述燃气发生器单元B包括进气端(15)、压气机(16)、燃烧室(17)、涡轮(18)及排气端(8)；所述排气端(8)上设置一与所述燃气轮机控制器(4)通信连接的排气端温度传感器(9)；所述燃烧室(17)的燃料进口还通过一燃料管路与所述主燃料阀(14)的出口连通。