CN105822434B - 一种防止燃气轮机起动过程冷热悬挂的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为解决现有燃气轮机或航空发动机起动过程中容易出现冷热悬挂现象，导致燃气轮机或航空发动机起动失败问题，公开了一种防止燃气轮机起动过程冷热悬挂的装置与优化控制方法，可广泛适用于地面燃气轮机、航空发动机以及对起动性能可靠性要求高的动力控制装置中，通过在燃气轮机***中增加燃料质量流量计、测速装置及温度传感器。燃气轮机点火成功后，燃气轮机控制器通过转速传感器以及温度传感器实时监测压气机转速及动力涡轮后排气的温度，尽量避免起动过程中出现冷热悬挂故障。发明中所采用的燃料、转速和温度控制逻辑具有广泛应用价值。
Description
技术领域
本发明主要涉及一种燃气轮机或航空发动机根据转速或温度值控制燃料量的装置与优化控制方法，具体来说，提出一种防止燃气轮机或航空发动机点火成功后冷热悬挂的装置与优化控制方法，其起动过程中燃料量根据压气机转速或动力涡轮后排气温度闭环控制方法及相应装置。
背景技术
燃气轮机或航空发动机起动过程中，如果转子速度上升缓慢甚至停止，则会出现起动悬挂现象，导致发动机起动失败。起动悬挂分为热悬挂和冷悬挂，如果发动机在起动时，涡轮前燃气温度过高，导致压气机失速，结果产生转速不上升或上升缓慢而温度继续上升，严重时压气机会发生喘振，甚至烧坏涡轮叶片，这种现象称之为热悬挂。如果发动机在起动时，燃烧室供油不足，使得涡轮剩余扭矩太小甚至为零，同样会导致转速不上升或上升缓慢，此时涡轮后燃气温度虽然不高，但也会导致起动失败，这种现象称之为冷悬挂。无论是热悬挂还是冷悬挂，都会导致燃气涡轮发动机起动失败。其中超转或超温是导致起动悬挂的重要因素，在起动过程中如果压气机转速或动力涡轮后排气的温度其中一项控制不好就会出现起动悬挂现象，导致起动失败，如何有效避免燃气涡轮发动机在起动过程中出现冷、热悬挂故障，继而有效避免燃气涡轮发动机起动失败的问题，是燃气涡轮发动机起动控制中亟待解决的问题，本发明就在此背景下提出的。
发明内容
本发明为解决现有燃气轮机或航空发动机起动过程中容易出现冷热悬挂现象，导致燃气轮机或航空发动机起动失败问题，提出了一种燃气涡轮发动机起动过程中根据燃气轮机转速或动力涡轮后排气的温度控制燃料量的装置与优化控制方法，通过燃气轮机控制器中算法控制燃料量使得不同状态时的压气机转速和动力涡轮排气温度均在设定范围内，该装置与优化控制方法尤其适用于地面燃气轮机、航空发动机以及对起动性能可靠性要求高的动力装置。
根据本发明的一方面，本发明为解决其技术问题，提供了一种防止燃气轮机起动过程冷热悬挂的装置。
具体的技术方案为：
一种防止燃气轮机起动过程冷热悬挂的装置，包括燃气轮机单元A和测量控制单元B，所述燃气轮机单元A和测量控制单元B通信连接，其特征在于，
--所述燃气轮机单元A，包括起动电机、压气机、燃烧室、涡轮、动力涡轮、负载和回热器，所述起动电机、压气机、燃烧室、涡轮、动力涡轮和负载通过传动装置依次传动连接，所述压气机包括进气端和排气端，所述压气机产生的高压气体经其排气端通入所述回热器的冷侧，所述高压气体在所述回热器的冷侧被加热后通入所述燃烧室并与通入其中的燃料混合燃烧，所述燃烧室产生的高温高压燃气依次经所述涡轮、动力涡轮后通入所述回热器的热侧，用以进一步加热所述回热器冷侧的高压气体；
--所述测量控制单元B，包括控制器、燃料质量流量计、测速装置和温度传感器，所述控制器分别与所述燃料质量流量计、测速装置和温度传感器通信连接，所述燃料质量流量计设置于所述燃烧室的燃料供应管路上，所述测速装置设置于所述燃气轮机的传动轴处，优选地设置于所述压气机和涡轮之间的传动轴处，所述温度传感器设置于所述动力涡轮的排气管路上，所述控制器通过燃料质量流量计、测速装置以及温度传感器分别采集燃烧室的燃料质量流量、压气机的转速、动力涡轮后的排气温度等信息，根据压气机转速或动力涡轮后的排气温度控制燃料量质量流量。
进一步地，所述控制器包括基于转速的起动阶段燃料量闭环控制模式和基于动力涡轮后排气温度的起动阶段燃料量闭环控制模式。
进一步地，在燃气轮机起动点火成功之后，所述控制器进入基于转速的起动阶段燃料量闭环控制模式或进入基于动力涡轮后排气温度的起动阶段燃料量闭环控制模式。通过测速装置测量燃气轮机压气机转速，与该状态要求的设计转速进行对比，当测量转速与设定转速差值的绝对值不大于最大误差ε1时，所述控制器发出计算燃料量、增大转速的控制指令，当测量转速与设定转速差值的绝对值大于最大误差ε1时，持续时间t>t1秒后，则停止燃气轮机的起动，其中，t1为控制器预先设定的的***延迟时间，用以判断测量转速N与设定转速N0差值是否处于稳定状态，而非随机的波动。
进一步地，在燃气轮机起动点火成功之后，所述控制器进入基于转速的起动阶段燃料量闭环控制模式或进入基于动力涡轮后排气温度的起动阶段燃料量闭环控制模式。通过所述温度传感器测量动力涡轮后的排气温度，与该状态要求的设定温度进行对比，若测量温度与设定温度差值的绝对值不大于最大误差ε2时，所述控制器计算燃料量、增大转速的控制指令，若测量温度与设定温度差值的绝对值大于最大误差ε2，持续时间t>t2秒后，则停止燃气轮机的起动，其中，t2为控制器预先设定的的***延迟时间，用以判断测量温度T与设定温度T0差值是否处于稳定状态，而非随机的波动。
根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种和上述防止燃气轮机起动阶段冷热悬挂装置对应的控制方法，具体的技术方案为：
一种防止燃气轮机起动阶段冷热悬挂的方法，利用测量控制单元B实现对燃气轮机单元A起动阶段的燃料供应量进行控制，其特征在于，
--所述燃气轮机单元A，包括起动电机、压气机、燃烧室、涡轮、动力涡轮、负载和回热器，所述起动电机、压气机、燃烧室、涡轮、动力涡轮和负载通过传动装置依次传动连接，所述压气机包括进气端和排气端，所述压气机产生的高压气体经其排气端通入所述回热器的冷侧，所述高压气体在所述回热器的冷侧被加热后通入所述燃烧室并与通入其中的燃料混合燃烧，所述燃烧室产生的高温高压燃气依次经所述涡轮、动力涡轮后通入所述回热器的热侧，用以进一步加热所述回热器冷侧的高压气体；
--所述测量控制单元B，包括控制器、燃料质量流量计、测速装置和温度传感器，所述控制器分别与所述燃料质量流量计、测速装置和温度传感器通信连接，所述燃料质量流量计设置于所述燃烧室的燃料供应管路上，所述测速装置设置于所述燃气轮机的传动轴处，优选地设置于所述压气机和涡轮之间的传动轴处，所述温度传感器设置于所述动力涡轮的排气管路上，所述控制器通过燃料质量流量计、测速装置以及温度传感器分别采集燃烧室的燃料质量流量、压气机的转速、动力涡轮的排气温度等信息，根据压气机转速或动力涡轮后的排气温度控制燃料量质量流量。
进一步地，所述控制器包括基于转速的起动阶段燃料量闭环控制模式和基于动力涡轮后排气温度的起动阶段燃料量闭环控制模式。
进一步地，在燃气轮机起动点火成功之后，所述控制器进入基于转速的起动阶段燃料量闭环控制模式或进入基于涡轮后排气温度的起动阶段燃料量闭环控制模式。通过测速装置测量燃气轮机压气机转速N，与该状态要求的设计转速N0进行对比，当测量转速N与设定转速N0差值的绝对值不大于最大误差ε1时，所述控制器发出计算燃料量、增大转速的控制指令，当测量转速N与设定转速N0差值的绝对值大于最大误差ε1时，持续时间t>t2秒后，则停止燃气轮机的起动。
进一步地，在燃气轮机起动点火成功之后，所述控制器进入基于转速的起动阶段燃料量闭环控制模式或进入基于动力涡轮后排气温度的起动阶段燃料量闭环控制模式。通过所述温度传感器测量动力涡轮的排气温度 T，与该状态要求的设定温度进T0行对比，若测量温度与设定温度差值的绝对值不大于最大误差ε2时，所述控制器发出计算燃料量、增大转速的控制指令，若测量温度T与设定温度T0差值的绝对值大于最大误差ε2，持续时间t>t2秒后，则停止燃气轮机的起动。
进一步地，在燃气轮机起动点火成功之后，所述控制器进入基于转速的起动阶段燃料量闭环控制模式或进入基于动力涡轮后排气温度的起动阶段燃料量闭环控制模式，所述控制器基于转速的起动阶段燃料量闭环控制模式确定燃料量m1，控制器基于动力涡轮后的排气温度的起动阶段燃料量闭环控制模式确定燃料量m2，将两种不同控制模式下的燃料量进行对比，即对比燃料量m1和m2的大小，若m1＜m2，则控制器最终选择基于转速的起动阶段燃料量闭环控制模式，向燃烧室增加燃料量m1，若m2＜ m1，则控制器最终选择基于动力涡轮后的排气温度起动阶段燃料量闭环控制模式，向燃烧室增加燃料量m2。
相对于现有技术，本发明的防止燃气轮机起动阶段冷热悬挂的装置与优化控制方法的显著优点是：燃气轮机起动阶段根据实时采集的转速或动力涡轮后温度闭环控制燃料量，有效避免了燃气轮机起动过程中出现冷热悬挂故障，从而达到提高燃气轮机起动的可靠性。燃气轮机点火成功后，燃气轮机控制器通过转速传感器以及温度传感器实时监测压气机转速及动力涡轮排气温度，通过对压气机转速或动力涡轮后排气温度的控制逻辑，根据测得压气机转速或动力涡轮后排气温度，通过燃气轮机控制器根据燃料量，动力涡轮后排气温度以及控制器中相应算法或规定值判断压气机转速或动力涡轮后排气温度的合理性，防止压气机转速过高或过低或动力涡轮后温度过高或过低，有效避免了燃气轮机起动过程中出现冷热悬挂故障，降低了燃气轮机或航空发动机起动失败的风险，发明中所采用的燃料、转速和温度控制逻辑具有广泛应用价值。
附图说明
图1为本发明的防止燃气轮机起动过程冷热悬挂的装置的结构示意图；
图2为基于转速的起动阶段燃料量闭环控制逻辑流程图；
图3为基于动力涡轮后排气温度的起动阶段燃料量闭环控制逻辑流程图；
图4为燃气轮机燃料量最小值选择逻辑流程图；
其中1是起动电机，2是进气端，3是压气机，4是燃烧室，5是涡轮，6 是动力涡轮，7是负载，8是回热器，9是排气端，10是控制器，11是燃料质量流量计，12是测速装置，13是温度传感器。
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。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的防止燃气轮机起动过程冷热悬挂的装置，包括通信连接的燃气轮机单元A和测量控制单元B，其中，燃气轮机单元A 包括起动电机1、进气端2、压气机3、燃烧室4、涡轮5、动力涡轮6、负载7、回热器8、排气端9，所述起动电机1、压气机3、燃烧室4、涡轮5、动力涡轮6和负载7通过传动装置依次传动连接，所述压气机3产生的高压气体经其排气端通入所述回热器8的冷侧，所述高压气体在所述回热器8的冷侧被加热后通入所述燃烧室4并与通入其中的燃料混合燃烧，所述燃烧室4产生的高温高压燃气依次经所述涡轮5、动力涡轮6后通入所述回热器8的热侧，用以进一步加热所述回热器8冷侧的高压气体。
所述测量控制单元B，包括控制器10、燃料质量流量计11、测速装置12以及温度传感器13。所述控制器10分别与所述燃料质量流量计11、测速装置12和温度传感器13通信连接，所述燃料质量流量计11设置于所述燃烧室4的燃料供应管路上，所述测速装置12设置于所述燃气轮机的传动轴处，优选地设置于所述压气机3和涡轮5之间的传动轴处，所述温度传感器13设置于所述动力涡轮6的排气管路上，所述控制器10通过燃料质量流量计11、测速装置12以及温度传感器13分别采集燃烧室的燃料质量流量、压气机3的转速、动力涡轮6的排气温度等信息，根据压气机转速或动力涡轮后的排气温度控制燃料量质量流量。
如图2所示，在燃气轮机起动点火成功之后，在燃气轮机起动点火成功之后，所述控制器10进入基于转速的起动阶段燃料量闭环控制模式或进入基于动力涡轮后排气温度的起动阶段燃料量闭环控制模式。通过测速装置12测量燃气轮机压气机转速N，与每一个状态要求的设计转速N0进行对比，当测量转速N与设定转速N0差值的绝对值不大于最大误差ε1时，控制逻辑计算燃料量m1，当测量转速N与设定转速N0差值的绝对值大于最大误差ε1时，持续时间t>t1秒后，则停止燃气轮机的起动。
如图3所示，在燃气轮机起动点火成功之后，所述控制器进入基于转速的起动阶段燃料量闭环控制模式或进入基于动力涡轮后排气温度的起动阶段燃料量闭环控制模式。通过温度传感器测量排气温度T，与每一个状态所要求的设计温度T0进行对比，若测量温度T与设定温度T0差值的绝对值小于最大误差ε2时，控制逻辑计算燃料量m2，若测量温度T与设定温度T0差值的绝对值大于最大误差ε2，持续时间t>t2秒后，则停止燃气轮机的起动。
如图4所示，在燃气轮机起动点火成功之后，所述控制器进入基于转速的起动阶段燃料量闭环控制模式或进入基于动力涡轮后排气温度的起动阶段燃料量闭环控制模式，所述控制器基于转速的起动阶段燃料量闭环控制模式确定燃料量m1，控制器基于动力涡轮后排气温度的起动阶段燃料量闭环控制模式确定燃料量m2，将两种不同控制模式下的燃料量进行对比，即对比燃料量m1和m2的大小，若m1＜m2，则控制器10最终选择基于转速的起动阶段燃料量闭环控制模式，向燃烧室增加燃料量m1，若m2＜m1，则控制器最终选择基于动力涡轮后的排气温度的起动阶段燃料量闭环控制模式，向燃烧室增加燃料量m2。
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
Claims (4)
1.一种防止燃气轮机起动过程冷热悬挂的装置，包括燃气轮机单元A和测量控制单元B，所述燃气轮机单元A和测量控制单元B通信连接，其特征在于，
--所述燃气轮机单元A，包括起动电机、压气机、燃烧室、涡轮、动力涡轮、负载和回热器，所述起动电机、压气机、燃烧室、涡轮、动力涡轮和负载依次布置，其中，所述起动电机与压气机之间、压气机与涡轮之间、涡轮与动力涡轮之间、动力涡轮与负载之间通过传动装置传动连接，所述压气机包括进气端和排气端，所述压气机产生的高压气体经其排气端通入所述回热器的冷侧，所述高压气体在所述回热器的冷侧被加热后通入所述燃烧室并与通入其中的燃料混合燃烧，所述燃烧室产生的高温高压燃气依次经所述涡轮、动力涡轮后通入所述回热器的热侧，用以进一步加热所述回热器冷侧的高压气体；
--所述测量控制单元B，包括控制器、燃料质量流量计、测速装置和温度传感器，所述控制器分别与所述燃料质量流量计、测速装置和温度传感器通信连接，所述燃料质量流量计设置于所述燃烧室的燃料供应管路上，所述测速装置设置于所述燃气轮机的传动轴处，所述温度传感器设置于所述动力涡轮的排气管路上，所述控制器通过燃料质量流量计、测速装置以及温度传感器分别采集燃烧室的燃料质量流量、压气机的转速、动力涡轮后的排气温度，根据压气机转速或动力涡轮后的排气温度控制燃料质量流量；
所述控制器包括基于转速的起动阶段燃料量闭环控制模式和基于动力涡轮后排气温度的起动阶段燃料量闭环控制模式；在燃气轮机起动点火成功之后，通过测速装置以及温度传感器实时监测燃气轮机压气机转速及动力涡轮后的排气温度，所述控制器进入基于转速的起动阶段燃料量闭环控制模式或进入基于动力涡轮后排气温度的起动阶段燃料量闭环控制模式；
其中，
所述基于转速的起动阶段燃料量闭环控制模式为：通过测速装置测量燃气轮机压气机转速N，与当前状态要求的设定转速N0进行对比，当燃气轮机压气机转速N与设定转速N0差值的绝对值不大于最大误差ε1时，所述控制器发出计算燃料量m1，当燃气轮机压气机转速N与设定转速N0差值的绝对值大于最大误差ε1时，持续时间t>t1后，则停止燃气轮机的起动，其中，t1为控制器预先设定的***延迟时间，用以判断燃气轮机压气机转速N与设定转速N0差值是否处于稳定状态，而非随机的波动；
所述基于动力涡轮后排气温度的起动阶段燃料量闭环控制模式为：通过所述温度传感器测量动力涡轮后的排气温度T，与当前状态要求的设定温度T0进行对比，若动力涡轮后的排气温度T与设定温度T0差值的绝对值不大于最大误差ε2时，所述控制器计算燃料量m2，若动力涡轮后的排气温度T与设定温度T0差值的绝对值大于最大误差ε2，持续时间t>t2后，则停止燃气轮机的起动,其中，t2为控制器预先设定的***延迟时间，用以判断动力涡轮后的排气温度T与设定温度T0差值是否处于稳定状态，而非随机的波动。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制器还包括燃气轮机燃料量最小值选择控制模式，所述控制器基于转速的起动阶段燃料量闭环控制模式确定燃料量m1，控制器基于动力涡轮后的排气温度的起动阶段燃料量闭环控制模式确定燃料量m2，将两种不同控制模式下的燃料量进行对比，即对比燃料量m1和燃料量m2的大小，若燃料量m1＜燃料量m2，则控制器最终选择基于转速的起动阶段燃料量闭环控制模式，向燃烧室增加燃料量m1；若燃料量m2＜燃料量m1，则控制器最终选择基于动力涡轮后的排气温度起动阶段燃料量闭环控制模式，向燃烧室增加燃料量m2。
3.一种防止燃气轮机起动阶段冷热悬挂的方法，利用测量控制单元B实现对燃气轮机单元A起动阶段的燃料供应量进行控制，其特征在于，
--所述燃气轮机单元A，包括起动电机、压气机、燃烧室、涡轮、动力涡轮、负载和回热器，所述起动电机、压气机、燃烧室、涡轮、动力涡轮和负载依次布置，其中，所述起动电机与压气机之间、压气机与涡轮之间、涡轮与动力涡轮之间、动力涡轮与负载之间通过传动装置传动连接，所述压气机包括进气端和排气端，所述压气机产生的高压气体经其排气端通入所述回热器的冷侧，所述高压气体在所述回热器的冷侧被加热后通入所述燃烧室并与通入其中的燃料混合燃烧，所述燃烧室产生的高温高压燃气依次经所述涡轮、动力涡轮后通入所述回热器的热侧，用以进一步加热所述回热器冷侧的高压气体；
--所述测量控制单元B，包括控制器、燃料质量流量计、测速装置和温度传感器，所述控制器分别与所述燃料质量流量计、测速装置和温度传感器通信连接，所述燃料质量流量计设置于所述燃烧室的燃料供应管路上，所述测速装置设置于所述燃气轮机的传动轴处，所述温度传感器设置于所述动力涡轮的排气管路上，所述控制器通过燃料质量流量计、测速装置以及温度传感器分别采集燃烧室的燃料质量流量、压气机的转速、动力涡轮的排气温度，根据压气机转速或动力涡轮后的排气温度控制燃料量质量流量；
所述控制器包括基于转速的起动阶段燃料量闭环控制模式和基于动力涡轮后排气温度的起动阶段燃料量闭环控制模式；在燃气轮机起动点火成功之后，通过测速装置以及温度传感器实时监测燃气轮机压气机转速及动力涡轮后的排气温度，所述控制器进入基于转速的起动阶段燃料量闭环控制模式或进入基于动力涡轮后排气温度的起动阶段燃料量闭环控制模式；
其中，
所述基于转速的起动阶段燃料量闭环控制模式为：通过测速装置测量燃气轮机压气机转速N，与当前状态要求的设定转速N0进行对比，当燃气轮机压气机转速N与设定转速N0差值的绝对值不大于最大误差ε1时，所述控制器发出计算燃料量、增大转速的控制指令，当燃气轮机压气机转速N与设定转速N0差值的绝对值大于最大误差ε1时，持续时间t>t1后，则停止燃气轮机的起动，其中，t1为控制器预先设定的***延迟时间，用以判断燃气轮机压气机转速N与设定转速N0差值是否处于稳定状态，而非随机的波动；
所述基于动力涡轮后排气温度的起动阶段燃料量闭环控制模式为：通过所述温度传感器测量动力涡轮后的排气温度T，与当前状态要求的设定温度进T0行对比，若动力涡轮后的排气温度T与设定温度T0差值的绝对值不大于最大误差ε2时，所述控制器发出计算燃料量、增大转速的控制指令，若动力涡轮后的排气温度T与设定温度T0差值的绝对值大于最大误差ε2，持续时间t>t2后，则停止燃气轮机的起动，其中，t2为控制器预先设定的***延迟时间，用以判断动力涡轮后的排气温度T与设定温度T0差值是否处于稳定状态，而非随机的波动。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述控制器还包括燃气轮机燃料量最小值选择控制模式，所述控制器基于转速的起动阶段燃料量闭环控制模式确定燃料量m1，控制器基于动力涡轮后的排气温度的起动阶段燃料量闭环控制模式确定燃料量m2，将两种不同控制模式下的燃料量进行对比，即对比燃料量m1和燃料量m2的大小，若燃料量m1＜燃料量m2，则控制器最终选择基于转速的起动阶段燃料量闭环控制模式，向燃烧室增加燃料量m1，若燃料量m2＜燃料量m1，则控制器最终选择基于动力涡轮后的排气温度起动阶段燃料量闭环控制模式，向燃烧室增加燃料量m2。
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