【燃机技术】轻型燃气轮机液压起动系统动态性能分析与优化

点击蓝字，关注我们，获取更多资讯

NEWS

摘要

轻型燃气轮机通常作为发电机、压缩机、泵组的驱动设备,广泛应用于发电、油气输送、环保等领域。燃气轮机起动系统是燃气轮机机组的重要组成部分,其作用是将燃气轮机从静止状态加速至自持转速,保证燃气轮机正常起动,液压起动系统是一种常见的轻型燃气轮机起动系统。本文根据液压起动系统结构建立数学模型,对其动态特性进行分析,并对结构进一步优化,使其控制稳定性得到提高。该研究对改善燃气轮机起动条件,提高其稳定性和安全性有重要意义。

关键词：燃气轮机;动态特性;电液伺服控制;系统优化 

燃气轮机由气体压缩机、燃烧室和动力涡轮组成。燃气发生器和动力涡轮核心都是高速旋转的叶轮组轴,通过气流轴向流动可将燃料燃烧产生的热能转换为机械能。燃气轮机以天然气或燃油为燃料,工作效率高于其他动力机械,排放物中NOx、CO等有害物质含量也相对较低。轻型燃气轮机一般基于航空发动机结构设计,或由航空发动机改制而成,核心部件为回转机构,无往复运动部件,结构简单,运行平稳。基于以上优点,轻型燃气轮机可作为舰船螺旋桨、天然气压缩机、发电机、大型泵组等设备的驱动机,在舰船制造、分布式能源开采、油气管道运输、电力输送等领域得到越来越广泛的应用。

起动系统是燃气轮机机组中的重要辅助系统,在燃气轮机起动或冷运转时工作,其作用是将燃气轮机由静止状态带动至冷运转转速或自持转速。起动系统的动态特性是起动系统输出质量的重要表征,是影响燃气轮机起动阶段的稳定性和点火成功率的关键因素。液压起动系统在轻型燃气轮机机组中被普遍使用,因此,研究液压起动系统对研究轻型燃气轮机起动性能,提高燃气轮机工作稳定性,增加燃气轮机使用寿命有重要的意义。 

1

液压起动系统功能与原理

1.1 燃气轮机起动方法

系统中的起动机带动燃气轮机转动,根据起动机形式的不同,起动系统可分为电动机起动系统、内燃机起动系统、压缩气体起动系统、液压起动系统、微型燃气轮机起动系统等。液压起动系统通过压力油驱动液压马达带动燃气轮机转子转动。相对于其他起动系统,液压起动系统具有输出力矩平稳、避免冲击和振动的优点,特别适用于中、小型燃气轮机。液压起动系统通过调节液压泵组或液压马达排量,可实现转速或扭矩的精准控制。系统中仅有马达安装在燃气轮机本体上,其余设备通过橡胶软管与液压马达连接,系统对安装空间和燃气轮机结构要求都比较低。液压起动系统还具有一般液压系统推力大、传动比高、零部件标准化程度高、易于维护等优点, 并适用于高温、高海拔、潮湿腐蚀、防爆区域等特殊环境,在轻型燃气轮机机组中应用非常普遍。国产大部分轻型燃气轮机机组起动系统均采用了液压起动形式。 

附件机匣是燃气轮机的一部分,安装在燃气发生器外部。附件机匣核心是两到三级齿轮组成的齿轮变速机构。附件机匣的输入端为内花键轴,与液压起动马达输出轴连接,输出端位于燃气发生器内部,通过锥齿轮与燃气轮机主轴上的齿轮啮合。液压起动系统接到起动命令后,液压马达带动燃气轮机附件机匣内的齿轮组转动,附件机匣将转速进一步提升,并带动燃气轮机主轴转动。

在燃气轮机起动过程中,燃气发生器转速先按照固定加速率上升至一定转速,随后将该转速稳定维持一段时间, 利用该转速下产生的气流对燃气发生器内部进行清吹,以清除燃气发生器内可能残留的燃气或油液,以免点火或停机过程中这些残留物引起爆燃或起火。清吹过程结束后,转速短暂下降,随后以更高的固定加速率增速,并点火。燃气发生器点火后保持固定加速率,直至点火器关闭。

点火后,燃料燃烧参与做功,燃烧产生的推力逐渐增大并超过液压马达驱动力,成为驱动燃气轮机转动的主要动力。此时液压马达随附件机匣输入轴保持固定增速率跟转,直至燃气发生器达到自持转速,液压马达输出轴与附件机匣通过超越离合器分离,起动系统退出,完成起动过程。

1.2 液气起动系统工动原理 

燃气轮机液压起动系统通常安装在燃气轮机机组撬体内部,或以独立撬体安装在机组附近,系统供油可单独设置液压油箱,也可取自燃气轮机机组润滑系统供油管道。液压起动系统由起动电机、联轴器、液压起动泵、液压马达、单向阀、溢流阀及压力表、压力变送器、温度变送器等零组件构成。液压马达一般直接挂载在燃气轮机附件机匣上,通过橡胶软管与液压泵或油箱输、回油管道连接,以隔绝燃气发生器与燃气轮机机组底座间的相对振动。

液压泵组从油箱吸油,并将油液经单向阀输入液压马达,推动液压马达带动附件机匣转动,液压马达回油及壳体泄油经管道流回油箱。单向阀出口设有溢流阀,作为安全阀使用,在系统压力过高时溢流。

在燃气轮机控制系统点火前,燃料不产生推力,燃气发生器完全靠液压马达驱动,液压马达以最大扭矩输出,系统输出转速通过调节泵的排量控制,此时液压马达输出扭矩不变,功率变化趋势与转速一致。这一阶段燃气轮机转动推力完全由液压起动系统提供,该阶段起动系统工况特性对燃气轮机起动质量有重要影响。点火后燃气轮机转速主要通过调节燃料供应量控制,液压起动系统只起辅助推动作用,对燃气轮机影响很小。因此本文重点讨论点火前阶段起动系统的动态特性。

燃气轮机冷运转起动过程与燃气轮机正常起动时从静止到清吹转速升转过程相似,在此不做赘述。 

2

系统建模与分析

2.1 机组对系统性能要求

为保证燃气轮机机组的正常起动,液压起动系统必须满足一些关键性能要求,系统的设计需以这些要求中的参数为设计依据。根据某轻型燃气轮机机组的实际工况,整理出液压起动系统的关键技术参数,如表1所示。

根据1.2节内容分析,在60s时液压气动系统输出扭矩和功率达到峰值,根据此时马达输出扭矩选取马达排量Vm为107mL/min。此时泵的输出流量最大,计算泵的输出流量Q: 

式中,n60为60s时系统输出的转速;η3为液压马达容积效率;计算得Q为185L/min。

计算液压泵的最大排量Vp:

式中,n*为液压泵驱动电机转速;η2为液压泵容积效率;计算得Vp为130mL/r。

系统最大功率为60s时系统消耗功率,忽略泵和马达的机械损耗,计算系统消耗功率P为: 

式中,η1为电机机械效率;计算得P为72kW。 

2.2 系统建模与仿真

液压起动系统采用电液伺服控制方式,控制系统下达量命令时,向燃气轮机控制系统输入4~20mA控制电流,由电气控制器转换为控制电压,与反馈电压比较后将电压信号输入电磁铁,控制阀芯发生位移,经液压控制机构放大后,控制液压泵斜盘驱动机构发生位移,同时斜盘驱动机构通过位置反馈器将位移变化转化为电压信号, 反馈给电气控制器,形成控制闭环。斜盘驱动机构动作改变柱塞泵斜盘倾斜角度,导致泵的排量改变,从而控制系统流量。 

液压控制机构由控制阀、液压控制缸等部件组成,泵组供油斜盘倾斜角度由两个控制缸位移控制,如图1所示。液压泵打出压力为Ps的高压油分为两路,一路接入控制缸1,另一路接入控制阀P口，控制阀A口与控制缸2连接,T口与油箱连接。

图1 流量控制机构示意图

当电磁力F为0时,控制阀芯保持中位,各油路封闭,斜盘角固定;当电磁力F为正值时,阀芯左移,压力油经阀口流入控制缸2,压力降为Pp,但控制缸2活塞截面大于控制缸1,故产生推力大于控制缸1,斜盘角增大;当电磁力F为负值时,阀芯右移,控制缸2内的压力油经阀口流入油箱，控制缸1推力大于控制缸2，斜盘角减小。

根据薄壁小孔节流公式,控制阀出口流量方程为:

式中,Cd为小孔流量系数;ω为阀口面积梯度。

将式(4)在工作点A(xv=xa,pp=pa)处展开成泰勒级数，并忽略高阶无穷小项,则该式可化简为: 

式中,A2为控制缸2截面积;Ctp为控制缸2泄漏系数。

忽略负载摩擦产生阻尼,控制缸2活塞受力平衡方程为:

式中,A1为控制缸1截面积;F为负载力;m为控制缸1、2活塞及其附属运动部件质量;B为控制缸1、2的阻尼比;K1为控制缸1无杆腔弹簧刚度。

流量控制机构参数如表2所示。

根据式(10)通过软件绘制bode图,如图2所示,相位裕度为5.97°,裕度较小,系统产生振动较大。为提高系统响应速率,应通过加入滞后控制器进行相位补偿。

相位滞后控制器传递函数Gc(s)如式(11)所示: 

式(11)中,T1值计算如下,其中ωc为原传递函数G(s)的穿越频率。

设计相位裕度为30°，增加补偿量10°，代入式(11)得到传递函数Gc(s)：

计算校正后传递函数G1(s),可得到: 

通过软件绘制bode图,如图2所示,相位裕度为37.7°。

图2 校正前后系统bode图对比

对矫正前后单位反馈系统进行对比,对各系统输入单位阶跃信号进行仿真,时域响应曲线如图3所示。

图3 单位阶跃响应

阶跃响应初期,原系统产生高应频振荡,超调量达到1.8个单位,在1s以后振荡逐渐收敛,这种振动会严重影响系统的稳定性和准确性。矫正优化后的系统基本消除了响应中的超调量,并且振荡次数显著下降,在1s以后振荡逐渐收敛,控制质量明显提高。

3

结束语

本文对燃气轮机的起动规律和液压起动系统输出主要参数进行了简要分析和归纳,并对典型的液压起动系统和其流量控制机构的结构进行了详细分析。对该结构特点,提出了一种基于数学模型的控制系统优化方法,通过该方法对典型系统进行计算,得出系统传递函数,并得出系统裕度和穿越频率。通过相位滞后补偿方法对系统进行优化,并通过计算软件对优化前后的模型进行频域和时域分析和对比。分析结果表明,采用正确的优化方法,能有效改善液压起动系统的控制质量,减小输入变化引起的振动幅度和振动频率。同时也可以将该计算方法作为同类型控制系统设计的参考依据。

论文来源：内燃机与配件www.nrjpj.cn

作者：陈光