燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)的控制方法

李 璟

（中海石油化學(xué)股份有限公司，海南東方 572600）

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)是一種以持續(xù)流動(dòng)的氣體來(lái)作為工質(zhì)帶動(dòng)機(jī)械內(nèi)葉輪高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，將燃料能量轉(zhuǎn)變成有用工的內(nèi)燃式動(dòng)力。燃?xì)廨啓C(jī)主要由壓氣機(jī)、燃?xì)馔钙揭约叭紵胰蠼Y(jié)構(gòu)部件組成，還配有這進(jìn)氣、過(guò)濾、排氣和附件齒輪箱等多種輔助設(shè)備。燃?xì)廨啓C(jī)是一種新型的發(fā)電動(dòng)力機(jī)組，使用了先進(jìn)的、高效的能源利用方式，對(duì)能源綜合利用的效率在最高時(shí)能夠達(dá)到90%以上，使用燃?xì)廨啓C(jī)作為動(dòng)力裝置能夠有效降低企業(yè)在能源方面的支出成本。同時(shí)，它使用氣體這種清潔的能源來(lái)作為啟動(dòng)燃料，還能大大減少二氧化硫和煙塵的排放數(shù)量，對(duì)環(huán)境有一定的保護(hù)作用。

燃?xì)廨啓C(jī)有著非常好的靈活性，熱與電比例能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)和適應(yīng)各種不同用戶的需求。在工作時(shí)間上，燃?xì)廨啓C(jī)非常適合長(zhǎng)時(shí)間的負(fù)荷工作，并且在日常工作的過(guò)程中燃?xì)廨啓C(jī)的維護(hù)費(fèi)用與其他裝置比較相應(yīng)較低，所以在其研發(fā)成功以來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用和快速的發(fā)展。

1 燃?xì)廨啓C(jī)的系統(tǒng)

燃?xì)廨啓C(jī)一般分為4 個(gè)不同的部分：第一部分是由蒸汽所驅(qū)動(dòng)的啟動(dòng)透平，通常在啟動(dòng)燃?xì)馔钙揭约叭細(xì)馔钙降墓β什蛔愕臅r(shí)候才將其啟動(dòng)使用；第二部分則是由氣壓機(jī)、燃燒室以及高壓透平3 個(gè)部件所組成的氣體發(fā)生器，而壓氣機(jī)則是通過(guò)高壓透平來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，以上3 個(gè)部件在同一個(gè)軸上則被稱為高壓軸；第三部分則是低壓透平所去頂?shù)目諌簷C(jī)并且也被稱為動(dòng)力透平，而動(dòng)力透平和壓縮機(jī)在一個(gè)軸上時(shí)該軸就被稱為低壓軸；第四部分則是由壓縮機(jī)之中低壓缸、齒輪箱、高壓缸等部分組成的空氣壓縮部分。

在空氣經(jīng)過(guò)濾器并被過(guò)濾之后，部分空氣便會(huì)被輸送到壓氣機(jī)之中，經(jīng)過(guò)機(jī)械壓縮后再和燃料進(jìn)行混合，并在混合完成之后再燃燒室之中通過(guò)燃燒的方式進(jìn)入到低壓透平與高壓透平之中做工，然后尾氣再排入到轉(zhuǎn)化爐。另外一部分的空氣就是被設(shè)備送入到壓縮機(jī)部分的低壓缸內(nèi)，該部分空氣只有在其中完成升壓的工序后才能進(jìn)入高壓缸部件制造進(jìn)行二次壓縮，以此成為工藝能夠使用的壓縮空氣。

2 燃?xì)廨啓C(jī)的控制原理

在啟動(dòng)信號(hào)發(fā)出之后，則會(huì)按照之前已經(jīng)設(shè)定好的機(jī)械邏輯控制開(kāi)關(guān)來(lái)打開(kāi)蒸汽閥，進(jìn)一步啟動(dòng)蒸汽透平來(lái)驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)。蒸汽透平的轉(zhuǎn)速則是通過(guò)其中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器使用測(cè)速探頭進(jìn)行測(cè)量信息并調(diào)節(jié)信號(hào)。在蒸汽透平的轉(zhuǎn)速達(dá)到了其額定轉(zhuǎn)速的17%～20%時(shí)，就能啟動(dòng)吹掃、機(jī)械噴氣、點(diǎn)火。在成功點(diǎn)火之后，壓氣機(jī)則會(huì)有燃?xì)馔钙脚c蒸汽透平的高壓制在同一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。如果高壓透平的轉(zhuǎn)速達(dá)到了額定轉(zhuǎn)速的60%，就能通過(guò)邏輯控制將蒸汽透平關(guān)閉。

在工作過(guò)程中燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速直接受到進(jìn)入燃?xì)馐覂?nèi)燃料數(shù)量的影響，而在將燃料輸送到燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)需要經(jīng)過(guò)速比閥與氣體控制閥。而氣體控制閥與速比閥都是安裝在同一個(gè)殼體內(nèi)的?？刂茪怏w閥的打開(kāi)程度能夠反映出進(jìn)入到燃?xì)馔钙街械娜剂蠑?shù)量，在閥門(mén)處于相應(yīng)的壓力情況下，燃料的數(shù)量與閥門(mén)的打開(kāi)程度成正比。在投入運(yùn)行過(guò)程中燃?xì)廨啓C(jī)使用的燃料偶爾會(huì)出現(xiàn)壓力浮動(dòng)的情況，為了將該壓力保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍，通常使用速比閥門(mén)來(lái)進(jìn)行控制。通過(guò)速比閥門(mén)來(lái)進(jìn)行控制有兩個(gè)重要作用。

（1）在氣體控制閥門(mén)之前燃料的氣壓不穩(wěn)定情況下，即使閥門(mén)的打開(kāi)程度不發(fā)生變化相應(yīng)數(shù)量的流過(guò)的燃料也會(huì)對(duì)此造成波動(dòng)，最終導(dǎo)致閥門(mén)的打開(kāi)程度與閥門(mén)的氣體量不相符合。通過(guò)對(duì)閥門(mén)前氣體的壓力進(jìn)行測(cè)量，使用速比閥門(mén)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)保證控制氣體閥門(mén)前的壓力能夠處于穩(wěn)定的狀況。

（2）對(duì)進(jìn)過(guò)閥門(mén)而進(jìn)入燃料室的燃料數(shù)量進(jìn)行控制，在不改變控制氣體閥門(mén)打開(kāi)程度的情況下讓其與機(jī)組的轉(zhuǎn)速成正比。通常情況下，控制氣體的閥門(mén)前壓力一定要與機(jī)組轉(zhuǎn)速成正比，這樣才能保證經(jīng)過(guò)閥門(mén)傳輸燃料數(shù)量與轉(zhuǎn)速成正比。由于此速度閥門(mén)的打開(kāi)程度與機(jī)組轉(zhuǎn)速成正比，因此將其稱為速比閥。

燃?xì)廨啓C(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)通常使用混合氣和天然氣來(lái)作為燃料，而混合氣的熱值會(huì)低于天然氣的熱值，所以為了保證機(jī)組在使用的過(guò)程中的功率必須要加大燃料的數(shù)量，而加大燃料的數(shù)量則會(huì)加大噴咀前燃料的壓力，導(dǎo)致出現(xiàn)脫火的情況。所以，針對(duì)這一情況還為燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)置了旁路閥，以此來(lái)提升噴咀流通的面積。在保證空氣壓縮機(jī)出口的壓力穩(wěn)定且機(jī)組不超速、乏氣不超壓不超溫的情況下，燃?xì)廨啓C(jī)能夠進(jìn)入自動(dòng)操作的狀態(tài)。

3 燃?xì)廨啓C(jī)的主控制方案

燃?xì)廨啓C(jī)的整個(gè)控制系統(tǒng)主要分為控制和保護(hù)兩部分：以控制為主的操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制乏氣的溫度和轉(zhuǎn)速，主要是通過(guò)所制定系統(tǒng)對(duì)乏氣溫度、振動(dòng)、火焰、轉(zhuǎn)速等多項(xiàng)信號(hào)實(shí)時(shí)的檢測(cè)，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到信號(hào)出現(xiàn)異常情況的時(shí)候則會(huì)發(fā)出所設(shè)定的預(yù)警信號(hào)；以保護(hù)功能為主的系統(tǒng)則是判斷、執(zhí)行、檢測(cè)結(jié)合為一套完整的邏輯電路，并且還使用了多重保護(hù)，因此整個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)容較為復(fù)雜。主控制方案也分為4 個(gè)不同的部分，即啟動(dòng)控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、低壓速度控制系統(tǒng)和二級(jí)噴組控制系統(tǒng)。

3.1 啟動(dòng)控制系統(tǒng)

啟動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，它在整個(gè)機(jī)組啟動(dòng)的環(huán)節(jié)之中最主要的作用就是保證整個(gè)機(jī)組能夠按照所提前設(shè)置好的程序啟動(dòng)，在機(jī)組從靜止的狀態(tài)到定額轉(zhuǎn)速的80%時(shí)就能進(jìn)入轉(zhuǎn)速控制，同時(shí)還能對(duì)氣體控制電壓的最大值與最小值進(jìn)行調(diào)定。在機(jī)組設(shè)備控制啟動(dòng)整個(gè)過(guò)程中，又分為以下4 個(gè)不同的階段。

（1）準(zhǔn)備階段。在機(jī)組啟動(dòng)命令發(fā)出前，需要保證晶體管的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通、氣體控制電壓的電壓保持為0 并接地。在發(fā)出啟動(dòng)命令之后，斷開(kāi)晶體管的開(kāi)關(guān)、使氣體控制電壓為0，這個(gè)時(shí)候就已經(jīng)完成準(zhǔn)備工作。

（2）點(diǎn)火。在透平啟動(dòng)且將高壓軸轉(zhuǎn)速帶動(dòng)到所額定轉(zhuǎn)速的21%時(shí)，再通過(guò)其邏輯電路來(lái)檢測(cè)速度信號(hào)確定機(jī)組點(diǎn)火的程序已啟動(dòng)。在經(jīng)過(guò)2 min 的吹掃后燃燒室出現(xiàn)火花，同時(shí)點(diǎn)火的信號(hào)讓運(yùn)算放大器輸出相應(yīng)的電壓，讓氣體控制電壓從0 變換到點(diǎn)火程序需要的值。

（3）暖機(jī)階段。當(dāng)啟動(dòng)程序建立好所需火焰后則需要將氣體控制電壓的值降低，讓設(shè)備進(jìn)入暖機(jī)階段中。在暖機(jī)的階段之中，若氣體控制電壓保持不變的情況下燃料數(shù)量不斷加多，而機(jī)組排氣的溫度則會(huì)因?yàn)闄C(jī)殼所能吸收熱量達(dá)到飽和、燃料數(shù)量的不斷增加這兩個(gè)因素而增加，并且在持續(xù)一段時(shí)間之后使機(jī)組設(shè)備的溫度達(dá)到所預(yù)設(shè)的極限溫度。

（4）加速階段。在組件的暖機(jī)階段完成之后，加速信號(hào)的狀態(tài)則會(huì)發(fā)生改變，并使控制系統(tǒng)中氣體控制電壓的數(shù)值曲線上升在達(dá)到設(shè)定數(shù)值后停止。

在加速的過(guò)程中，氣體控制電壓和轉(zhuǎn)速同時(shí)上升，燃料數(shù)量也會(huì)快速增加，排氣的溫度以及機(jī)組設(shè)備的轉(zhuǎn)速也會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速上升，在排氣溫度還沒(méi)有達(dá)到極限的排氣溫度時(shí)溫升率為5 ℃/s。如果排氣溫度達(dá)到設(shè)定的極限溫度或者溫升度超過(guò)5 ℃/s 時(shí)，氣體控制電壓則會(huì)受到溫升率和排氣溫度的控制。

3.2 低壓速度控制系統(tǒng)

低壓速度控制系統(tǒng)是屬于一個(gè)閉環(huán)式的控制系統(tǒng)，在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行過(guò)程中起到控制的作用，其整體結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。低壓速度控制系統(tǒng)主要是在空氣壓縮機(jī)的出口流量有所變化時(shí)，控制壓縮機(jī)出口的壓力在基本不變的狀態(tài)。當(dāng)用戶需要使用空氣時(shí)則會(huì)的改變出口的壓力。不僅如此，還需要在低壓透平負(fù)荷不變動(dòng)的情況下保證機(jī)組的轉(zhuǎn)速基本沒(méi)有變化。當(dāng)?shù)蛪和钙睫D(zhuǎn)速有所變化時(shí)，則會(huì)傳遞出相應(yīng)的信號(hào)，通過(guò)增減燃料數(shù)量的方式將穩(wěn)定轉(zhuǎn)速使其平衡。

3.3 排氣溫度控制

當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)在高速高溫的狀態(tài)下持續(xù)運(yùn)行，其自身的材料強(qiáng)度則會(huì)隨著機(jī)組設(shè)備溫度不斷的上升而下降，與之成反比。若機(jī)組設(shè)備的溫度過(guò)低就不能使用其熱能的作用達(dá)到節(jié)能的目的，因此，在其調(diào)節(jié)系統(tǒng)中機(jī)組溫度是極其重要的一個(gè)參數(shù)。

在控制操作的過(guò)程中，應(yīng)該是將控制室內(nèi)的溫度作為操作參數(shù)，而測(cè)量則需要以乏氣的溫度作為參數(shù)。以乏氣的溫度作為測(cè)量溫度的參數(shù)主要原因?yàn)椋寒?dāng)燃燒室的溫度達(dá)到1000 ℃以上時(shí)，雖然能夠?qū)囟冗M(jìn)行測(cè)量，但是感溫元件容易因?yàn)楦邷囟鴵p壞，并且燃燒室內(nèi)的溫度還存在熱度不均、準(zhǔn)確度低的情況。所以，在溫度控制系統(tǒng)中，以乏氣溫度作為測(cè)量的參數(shù)能夠得到準(zhǔn)確的溫度值。

3.4 二級(jí)噴咀控制系統(tǒng)

二級(jí)噴咀控制系統(tǒng)則是為了對(duì)高壓軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整和改變低壓靜葉片的角度，因此將低壓透平氣體流通的面積進(jìn)行改變，在加大低壓透平流通的面積時(shí)候則會(huì)降低低壓透平流通的阻力，同時(shí)高壓透平的功率隨之上升并提升高壓軸的轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)束語(yǔ)

燃?xì)廨啓C(jī)是由信息電子、工程熱物理、自動(dòng)控制、機(jī)械制造等多項(xiàng)技術(shù)相互結(jié)合而形成的，是各類(lèi)先進(jìn)技術(shù)的核心動(dòng)力，燃?xì)廨啓C(jī)及系統(tǒng)已經(jīng)成為21 世紀(jì)持續(xù)發(fā)展經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，所以必須要深入了解Mark Ⅵ燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的控制原理和方法，這樣才能更加深入地研究和使用好燃?xì)廨啓C(jī)。