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串级调节系统在燃气轮机燃油控制系统中的应用

供稿:中国工控网 2014/7/7 9:12:00

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武汉沌口燃机电厂的燃气轮机控制系统为美国GE公司生产的SPEEDTRONICTM  MARK V系统,该系统采用了许多较先进的技术,这包括三重冗余的十六位微处理机控制器,对于关键的控制和保护参数采用三取二冗余表决,以及软件实现的故障容错(SIFT)。系统中重要的控制和保护传感器也都是三重冗余的,而且对于关键的开关信号输出在继电器节点级进行表决,对其他的开关信号在逻辑级进行表决,对于模拟控制信号则利用伺服阀的三个线圈进行冗余控制。
燃气轮机从点火启动到加速、全速空载、并车后加载、解列而后降速直至熄焰都与燃油量的控制密切相关,另一方面,燃油量控制系统在整个燃机控制系统中也是十分重要和具有代表性的。



燃机的燃油系统框图如图(1)所示。由于主燃油泵为正排量泵,燃油系统通过将主燃油泵泵出的多余燃油通过旁路阀送回泵的入口从而实现燃油流量的控制。这其中,燃油截止阀的控制信号为开关量,它的开闭取决于控制系统内继电器节点级进行的三取二表决结果;旁路阀的开度由所设的位置传感器LVDT来测量;流量分配器所设的三个转速传感器用来测量实际的燃油量,这三个转速传感器信号分别引入三个微处理器从而实现输入信号的冗余。



燃油量控制系统框图如图(2)所示。其中燃油流量为被调量,控制系统综合转速、排气温度等因素给出的燃油量规定值FSR为目标值,而引起燃油流量偏离目标值的各种原因(如供给油压变化、主燃油泵出力变化等)为扰动,调节燃油量的伺服阀为调节机构,随调节机构动作而改变的盘路法位置就是调节量。
实际上,图(2)可以简化为图(3)所示的系统



由此可以看出燃油量控制系统为一个串级调节系统,它有两个调节器和两个闭回路控制。其中调节器1和调节对象1构成的回路称为副回路,调节器1称为副调节器,调节对象1(伺服阀和旁路阀)的输出信号(旁路阀开度)为辅助被调量。由调节器2,副回路和调节对象2(流量分配器)所构成的回路为主回路,调节器2为主调节器,调节对象2的输出信号(燃油流量)为主被调量。
因此,该燃油量调节系统具有以下特点:
(1) 对副回路所受到的扰动具有很强的克服能力。从图(3)可以看出,进入副回路的扰动为λ1(可能为伺服阀的三个线圈中的某个线圈故障或旁路阀在某处卡涩等),主被调量对扰动λ1的响应较慢,辅助被调量则相对较快。如果没有副回路,扰动λ1的影响就需要由主被调量的变化通过主调节器来克服,而现在就可以由辅助被调量的变化通过副调节器来克服。
(2) 由于副回路起了改善调节对象动态特性的作用,从而提高了整个系统的调节品质。这是由于串级调节系统在结构上区别于单回路调节系统,它用闭合的副回路取代原来的一部分对象,而由此副回路等效而成的调节对象,其比例带和积分时间比单回路调节器的比例带和积分时间更小,可见其调节品质要比单回路调节系统有所改善。换句话说,尽管加入主回路中的各种扰动不包含在副回路中,但副回路起了使等效调节对象的时间常数和放大系数减小的作用,因而串级调节系统在这些扰动下的调节品质要优于单回路系统。
综上所述,燃气轮机燃油量控制系统体现了三机冗余控制的特点,并且也是一个典型的串级调节系统,因而具有很好的调节品质,实践也证明其调节性能是比较优异的。

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