燃气轮机试验台水力测功器系统设计

　　
　　摘要：基于ENN1500燃气轮机试验台建设， 讨论了水力测功器的特性曲线， 给出了水力测功器的选型方法、水系统设计要求以及水力测功器控制PID调节方法；讨论了转速转矩传感器的测量原理， 给出了选型方法和安装使用要求；同时， 还设计了基于PXI和LabVIEW的测控系统平台， 经试验验证， 设备运行良好， 满足燃气轮机试验需求。
　　
　　关键词：水力测功器； 燃气轮机； 台架试验；
　　
　　根据《燃气轮机制造与验收规范》要求，燃气轮机在设计定型前要进行大量台架试验工作，每台新机交付时也要进行出厂试验。
　　
　　水力测功器是测量和诊断燃气轮机性能的重要设备之一，是燃气轮机进行研制、耐久性、生产试验和维修后试验用的标准手段。水力测功器作为燃气轮机试验的负载，相比电力机械负载具有更小的尺寸重量、更低转动惯量以及更高的转速运行能力。
　　
　　本文对ENN1500燃气轮机整机试验台水力测功器和转速转矩传感器的工作原理、选型要求/使用条件及水力测功器控制系统参数调节作了详细介绍，可为今后类似燃气轮机试验台水力测功器系统设计与选型提供参考。

　　
　　1 水力测功器
　　
　　1.1 水力测功器特性曲线
　　
　　水力测功器的功率性能曲线由五条线组成，如图1所示。
　　 　　
　　OA为满水环线，表示水力测功器转子与定子之间的工作水腔充满水时的吸收功率。
　　
　　AB线为恒扭矩功率线，是水力测功器在最大扭矩运行时的功率线，该线受水力测功器主轴所能承受的最大扭矩限制。
　　
　　BC线为水力测功器最大吸收功率线，由最大排水量和进排水温差确定的，考虑到气蚀和密封影响，水力测功器排水温度一般不高于60℃。因为水力测功器吸收功率几乎全部转换为水的热能，当供水量一定时，最大吸收功率与进水温度有关；当进水温度降低、排水温度不变时，最大功率线上移，水力测功器最大吸收功率增加；当进水温度升高、排水温度不变时，最大功率线下降，水力测功器最大吸收功率下降。
　　
　　CD线是水力测功器的最高转速线，受轴承允许最高转速限制，由轴承最高转速和润滑等条件决定。
　　
　　DO线是水力测功器最小吸收功率线，如果燃气轮机在低于该功率线工况下运行，水力测功器的转定子间的水环不能建立，测功器不能保持稳定吸收功率。
　　
　　1.2 水力测功器的选型方法
　　
　　首先，应检查燃气轮机的所有测试工况点是否完全落在水力测功器功率曲线范围内；其次，应考虑燃气轮机输出轴转向问题；最后，应考虑水力测功器的中心高度能否与燃气轮机或减速齿轮箱的中心高度相匹配。
　　
　　燃气轮机的动态性能是一个重要指标，燃气轮机试验用水力测功器是否具有较高响应速度，其很大程度上决定于转子部件转动惯量，即转动惯量越大，水力测功器的响应越慢。因此，在选择水力测功器时，在其他性能相同情况下，转动惯量越小，工况过渡越短，水力测功器响应速度越快。
　　
　　1.3 水系统设计
　　
　　水力测功器所需的水流量与吸收功率和进出水的温差有关，如式（1）所示。
　　
　　式中，Q为水流量，L/min;P为吸收功率，kW;t1为进水温度，℃；t2为出水温度，℃。
　　
　　在进行水力测功器水系统设计时，要保证水力测功器供水稳定，考虑因泵和管道导致的供水脉动及紧急停机时的供水；需要在水力测功器水管线中设置蓄水器，蓄水器应为流通式设计，其总容积不低于最大水流量的3倍。
　　
　　在从供水管路到热水池的旁通线路中，通过安装背压调节阀，可保持水泵流量为恒定，保证水泵始终在性能稳定区工作，这需要水力测功器供水泵设计流量比流经水力测功器所需的水流量高出10%~20%.
　　
　　较低温度进水可以有效减少水垢形成和腐蚀，防止测功器水流通道变窄或过早磨损。同时，需要在进水管路上安装过滤器，阻挡固体物进入。
　　
　　2 水力测功器的控制
　　
　　水力测功器通过控制水门开度，通过改变水力测功器工作腔内水压力大小来控制水力测功器吸收功率。测功器转速可以由霍尔转速传感器或磁电式转速传感器测得，在水力测功器测控仪表上显示出来，并通过TCP/IP网络通信传输给上位机采集系统。因为水力测功器是压力控制式的，又是通过改变水门开度来调节工作腔内水压力，所以整个过程必须是自动闭环控制系统。
　　
　　燃气轮机试验时，水力测功器控制系统自动跟随设定好的转速，待燃气轮机达到额定转速时，实现自动加载。随着燃料增加，水力测功器通过水门自动开度调节，实现功率吸收，并保持燃气轮机转速恒定。
　　
　　水力测功器恒转速控制模式对燃气轮机产生的制动负荷特性，在n-M图上测功器工作区域范围内呈现垂直特性曲线簇。在进行燃气轮机试验时，只要运行工况点落在燃气轮机和水力测功器重叠的工作区域内，不论燃气轮机输出扭矩如何变化，在水力测功器控制回路闭环调节作用下，输出转速为一恒定值。
　　
　　在进行燃气轮机试验时，如果出现响应过慢或工作不稳定情况，可通过调整水力测功器恒转速控制PID参数，对控制回路比例系数、积分以及微分时间常数进行整定，保证系统运行时具有最佳动态和静态品质。另外，比例系数决定了系统响应速度，积分项作用在于消除系统静差，微分项的作用是抑制系统振荡，减小系统回差。在整定PID参数时，按照P、I、D顺序进行，先整定比例系数，再整定微分参数，最后整定积分参数；将已整定好的参数固定后，再将需要整定的参数从小到大调整，直到获取最佳参数匹配。
　　
　　3 转速转矩测量
　　
　　3.1 测量原理
　　
　　转速转矩传感器测量原理是通过弹性轴和两组磁电信号发生器，把被测转矩、转速转换成具有相位差的两组交流电信号，这两组交流电信号频率相同，并且与轴转速成正比；交流电信号相位差的变化部分与被测转矩成正比，通过计算可得到被测燃气轮机的扭矩、转速，从而计算出功率。
　　
　　3.2 转速转矩传感器的选型
　　
　　进行转速转矩传感器的选型，首先要确定燃气轮的最大扭矩和转速，若有减速齿轮箱，还需要确定减速齿轮箱的减速比，以此来确定转速值。根据燃气轮机的设计功率、减速齿轮箱转速，被测扭矩大小计算方法如式（2）所示。
　　
　　式中，M为扭矩，N·m;n为转速，r/min;P为功率，k W.
　　
　　燃气轮机的最大扭矩一般是在转速转矩传感器额定扭矩的三分之二处。此外，转矩转速传感器的信号输出方式在能够保证系统测量精度基础上，信号类型尽量统一，如与燃气轮机试车台上其他仪器仪表类型一致，选择电压0~5V或电流4~20mA的输出方式，这样可以减少数据采集模块种类与试车台建设成本，为后续设备维护和测控设备排故带来方便。
　　
　　3.3 转速转矩传感器的安装
　　
　　转速转矩传感器本身只传递被测扭矩，而不能吸收功率，也不能产生功率。因此，为了使燃气轮机所产生机械功率被吸收，需要连接水力测功器。
　　
　　水力测功器、转速转矩传感器、减速齿轮箱和燃气轮机通过联轴器安装在稳固基础上，可以通过调节基础高度来保证较好的同轴度，以此来保证测试数据稳定有效，保护转速转矩传感器不受损坏。
　　
　　3.4 转速转矩传感器的技术要求
　　
　　转矩测量精度一般选择0.2级，对转矩静态校准有砝码校准和液压校准两种方式，杠杆砝码校准结构简单，但是耗费人力，且力臂长度受试车台的空间限制；液压校准方式，能够提高转矩静态校准效率。另外，在燃气轮机试验时，应考虑转速变化引起的附加误差。
　　
　　转速转矩传感器要有一定过载能力，在超载不大于120%额定转矩时，保证转矩测量精度；在瞬间冲击负载不大于300%额定转矩时，负载消失后，要能保证转矩零点读数变化不大于±0.1%.
　　
　　4 软件系统
　　
　　测功器测控仪虽然可以采集扭矩、转速和压力等参数，但是燃气轮机试车台是一个整体试验系统，不仅包含水力测功器，还包含燃气轮机、燃料供应系统以及滑油站等设备，要求设计一个测试系统，能够将所有参数整合融入其中，便于试验时进行监控以及试验后对数据进行处理和分析。
　　
　　测试平台硬件设备采用了NI的PXIe-1082机箱和PXe-8840嵌入式控制器，使用PXIe-4302电流采集模块进行4~20mA电流信号采集；PXIe-4357铂电阻温度采集模块进行PT100传感器的采集；DTS3250温度扫描阀进行T型和K型电偶温度采集；DSA3217气压扫描阀进行气体压力采集；测试软件系统基于NI的LabVIW语言和SQL数据库进行编写，所有网络设备和上位机电脑通过网络交换机进行数据交互。
　　
　　上位机中的采集软件，通过TCP/IP网络协议从网络交换机中读取水力测功器测控仪、温度扫描阀、气压扫描阀、烟气分析仪、变频器以及减压撬等设备发送的数据，将数据整合处理后，按照燃气轮机型号、编号、装配次、上台次、点火次以及时间的数据格式存入SQL数据库中。
　　
　　上位机中的监视软件将燃气轮机试验中的关键参数，如扭矩、轴承温度和水门开度等，通过网络交换机实时从SQL数据库中读取，并显示在监视界面上；如果参数超出限制值，则以声光报警的形式提醒操作员注意当前试验状态，保障试验安全进行。
　　
　　上位机中的操纵员软件，方便试验人员依据试验操作流程，进行水泵开闭、燃气流量调节以及启动电机转速调节等工作，同时监视部分关键参数。
　　
　　上位机中的数据回放软件，按照燃气轮机型号、编号、装配次、上台次、点火次以及时间的格式，从试验数据库中调取试验数据，供试验人员分析处理。
　　
　　5 结语
　　
　　本文主要对ENN1500燃气轮机试验中应用水力测功器的特性曲线做了详细介绍，对水力测功器选型方法做了详细说明，对影响其性能的因素也进行了深入探讨，并总结了水力测功器水系统流量、管路设计等影响因素。对水力测功器的自动闭环控制的必要性、控制模式和调节方式做了介绍；对转速转矩传感器测量原理、选型要求、安装要求和技术要求做了深入探讨，给出了燃气轮机试车台测控系统软件和硬件平台设计及软件模块功能划分方法。总之，通过ENN1500燃机在该试验台上完成的各项试验证明，该水力测功器与转速转矩传感器选型正确，测试平台运行良好，达到了水力测功器选型及相应系统设计要求。
　　
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