СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ МЕХАНИЗМА СОБСТВЕННЫХ НУЖД ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2000 года по МПК F01K13/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть применено для управления приводами механизмов собственных нужд теплоэнергоустановок, содержащими тепловой двигатель и электромашину.

Предшествующий уровень техники
Известен способ управления приводом питательных насосов теплоэнергоустановки, содержащим кинематически связанные основной и дополнительный тепловые двигатели, заключающийся в регулировании мощности двигателей путем изменения расхода подводимого рабочего тела, по которому основной двигатель привода загружают в соответствии с его установленной мощностью, а дополнительным двигателем компенсируют превышения нагрузки над мощностью основного двигателя [1].

Способ [1] не позволяет полезно использовать избыточную установленную мощность основного двигателя при снижениях нагрузки.

Известен способ управления приводом питательных насосов теплоэнергоустановки, содержащим паровую турбину и электродвигатель [2].

Электродвигатель и паровая турбина, согласно [2], выполнены в составе отдельных турбо- и электронасосов, гидравлически связанных с общей напорной магистралью через обратные клапаны. При этом электродвигатель используется только в режимах пуска, останова и резервирования. В рабочем режиме вся мощность турбины передается насосу и управляется отклонениями от заданного давления в напорной магистрали, возникающими при колебаниях нагрузки питательного насоса.

Недостаток способа [2] - неэффективность использования установленных мощностей турбины и электродвигателя, низкая экономическая эффективность совместного использования тепловой и электрической энергии.

Известен способ управления приводом механизма собственных нужд теплоэнергетической установки, содержащим кинематически связанные тепловой двигатель и электромашину, заключающийся в регулировании производительности приводимого механизма и мощности электромашины путем изменения расхода подводимого к тепловому двигателю рабочего тела [3].

Согласно [3] электромашина в рабочем режиме является генератором, который использует избыточное тепло и мощность теплового двигателя для выработки переменного тока, частота которого связана со скоростью вращения приводимого механизма.

Однако управление приводом в соответствии с [3] не использует двигательный режим электромашины (за исключением момента запуска привода от аккумулятора через управляемый инвертор) и не согласовывает частоту вырабатываемого тока с частотой энергосистемы. Это не позволяет приводу обмениваться электроэнергией с энергосистемой при различных скоростях вращения приводимого механизма.

Известен выбранный в качестве прототипа способ управления приводом механизма собственных нужд теплоэнергетической установки, содержащим кинематически связанные тепловой двигатель и электромашину, подключенную к энергосистеме через преобразователь частоты, заключающийся в регулировании расхода подводимого к тепловому двигателю рабочего тела, возврате отработавшего тепла, регулировании производительности механизма собственных нужд и согласовании электромашины с энергосистемой путем преобразования частоты [4].

Согласно [4] электромашина в рабочем режиме является, как и в [3], генератором переменного тока, мощность которого, зависящая от его электрической нагрузки, как и требуемая производительность механизма собственных нужд, поддерживается регулированием расхода подводимого к тепловому двигателю рабочего тела, а частота связана со скоростью вращения приводимого механизма. Вместе с тем в [4] электроэнергия генератора выдается потребителю после преобразования частоты, которое обеспечивает согласование частоты генератора с частотой энергосистемы, что позволяет приводу обмениваться электроэнергией с энергосистемой при различных скоростях вращения приводимого механизма и соответственно улучшает решение [3] . Еще одним достоинством [4] является возврат в теплоэнергоустановку отработавшего в тепловом двигателе тепла, что позволяет частично компенсировать затраты на подводимое тепло.

Недостаток прототипа - низкая экономическая эффективность управления приводом и ограниченная генераторным режимом электромашины маневренность электрической мощностью. В результате управляемый по способу [4] привод потребляет тепло для выработки механической и электрической энергии даже в те периоды, когда выгоднее было бы потреблять соответствующую электроэнергию на собственные нужды из энергосистемы.

Задача изобретения - создание способа управления приводом механизма собственных нужд теплоэнергетической установки, позволяющего расширить пределы маневренности для экономически эффективного обмена электрической мощностью с энергосистемой и снизить суммарные затраты установки на тепловую и электрическую энергию с учетом утилизации тепла, отработанного в тепловом двигателе.

Раскрытие изобретения
Предметом изобретения является способ управления приводом механизма собственных нужд теплоэнергетической установки, содержащим кинематически связанные тепловой двигатель и электромашину, подключенную к энергосистеме через преобразователь частоты, заключающийся в регулировании расхода подводимого к тепловому двигателю рабочего тела, возврате отработавшего тепла, регулировании производительности механизма собственных нужд и согласовании электромашины с энергосистемой путем преобразования частоты, отличающейся, согласно изобретению, тем, что изменяют электрическую мощность электромашины в диапазоне, охватывающем ее двигательный и генераторный режимы, путем воздействия на преобразователь частоты, регулируют производительность механизма собственных нужд путем изменения электрической мощности электромашины и увеличивают или уменьшают расход подводимого к тепловому двигателю рабочего тела в зависимости от того, положительна или отрицательна соответственно разность

где b_э и b_т - текущие значения удельных затрат на выработку электроэнергии в энергосистеме и на выработку подводимого к тепловому двигателю тепла соответственно,
T_отр и T_окр - абсолютные температуры отработанного рабочего тела теплового двигателя и окружающей среды соответственно,
q_подв - удельный расход подводимого тепла на единицу механической мощности на валу теплового двигателя,
c - отношение электрической мощности электромашины к механической мощности на валу теплового двигателя.

Указанная совокупность признаков позволяет расширить пределы маневрирования электрической мощностью теплоэнергоустановки и минимизировать суммарные затраты привода механизма собственных нужд на электроэнергию и тепло с учетом возврата отработавшего в его тепловом двигателе рабочего тела.

Краткое описание чертежей
Осуществление изобретения поясняется фиг. 1, на которой в качестве примера привода механизма собственных нужд, управляемого по предлагаемому способу, представлена структура автоматизированного привода насоса теплоэнергоустановки, содержащего кинематически связанные тепловой двигатель в виде паровой турбины и электромашину в виде асинхронного электродвигателя.

Описание осуществления изобретения
Автоматизированный привод фиг. 1 содержит насос 1, паровую турбину 2 и электромашину 3, кинематически связанные редуктором 4. Электромашина 3 подключена к энергосистеме через вентильный преобразователь 5 частоты, снабженный собственной системой управления.

В подводящей магистрали 6 турбины 2 установлен регулятор 7 расхода подводимого пара, а в напорной магистрали 8 насоса 1 - датчик 9 давления. Для управления приводом по предлагаемому способу используются также датчик 10 расхода тепла, подводимого к турбине 2, датчик 11 температуры отработавшего пара, датчик 12 электрической мощности (ваттметр) и установленные на валу турбины 2 датчики 13 и 14 крутящего момента и частоты вращения соответственно.

Управления приводом осуществляется блоком 15 управления, ко входам 16, 17, 18, 19, 20 и 21 которого подключены датчики 10, 11, 12, 13, 14 и 9 соответственно, а к выходам 22 и 23 - управляющие входы 24 и 25 преобразователя 5 и регулятора 7 соответственно. Блок 15 может быть выполнен в виде микроЭВМ, снабженной соответствующими элементами сопряжения, и снабжен интерфейсом 26 ввода-вывода данных, предназначенным для обмена данными, например, с АСУ теплоэнергоустановки или пультом диспетчера.

Насос 1, турбина 2 и электромашина 3 могут сочленяться с редуктором 4, например, с помощью муфт 27, 28, 29.

Предлагаемый способ управления осуществляется следующим образом.

Насос 1, вращаемый приводом, подает жидкость из всасывающей магистрали 30 в напорную магистраль 8, создавая в последней требуемое давление. Необходимая для поддержания давления мощность насоса 1 обеспечивается турбиной 2 и/или элеткромашиной 3 в режиме двигателя.

Мощность турбины 2 определяется расходом тепла рабочего тела, подводимого через регулятор 7. Отработанный пар турбины 2 через магистраль 31 может возвращаться в тепловую схему теплоэнергоустановки, где это тепловая энергия утилизируется.

Электромашина 3 может работать либо в режиме двигателя, потребляющего активную мощность из сети, либо в режиме генератора, отдающего активную мощность в сеть.

Преобразователь 5 осуществляет преобразование генерируемой электромашиной 3 частоты, которая связана с переменной скоростью вращения насоса 1, в сетевую частоту энергосистемы и обратное частотное преобразование в двигательном режиме электромашины 3. Изменение электрической мощности электромашины 4 также осуществляется с помощью вентильного преобразователя 5. При этом среднее значение напряжения на нагрузке преобразователя 5, а следовательно, и мощность электромашины 3 изменяют путем воздействия на систему управления преобразователя 5, которая соответственно изменяет угол включения его вентилей.

По интерфейсу 26 в блок 15 вводят требуемую величину давления в напорной магистрали 8 и текущие значения удельных затрат (например, значения расходов условного топлива в г/Дж): b_т - на выработку подводимого к турбине тепла и b_э - на выработку электроэнергии в энергосистеме. Вводимые данные о текущих удельных затратах могут характеризовать как сезонные, так и суточные изменения, отражающие решения диспетчера энергосистемы при маневрировании электрической мощностью.

Затем, используя текущие измерения параметров привода, определяют в соответствии с выражением (1) отношение K:

Отношение K представляет собой относительную долю тепла, затрачиваемого на выработку электрической энергии N_эл, в общем расходе тепла Q_подв, подводимого к тепловому двигателю.

Расчетная формула (2) основана на разработанном авторами "Диспетчерском методе разделения затрат на подводимое тепло при комбинированной выработке механической и тепловой энергии", в соответствии с которым на выработку N_мех относят долю подводимого к реальному тепловому двигателю тепла Q_подв, которую теоретически необходимо было бы затратить для выработки такой же механической мощности в установке с идеальными тепловыми машинами, раздельно вырабатывающими механическую и тепловую энергию по соответствующим циклам Карно с температурами подводимого и отводимого рабочего тела, а также окружающей среды, равными соответствующим температурам реального теплового двигателя. Оставшуюся часть Q_подв при этом считают потраченной на выработку тепла отработавшего рабочего тела, отводимого от реального теплового двигателя.

Необходимое для расчета по формуле (2) измерение температуры T_отр обеспечивается датчиком 11, а значение T_окр целесообразно вводить в блок 15 по интерфейсу 26 в виде фиксированной сезонной величины.

Значения q_подв и c для расчета по формуле (2) определяют по результатам измерений следующим образом.

Информация о величине крутящего момента M_кр на валу турбины 2 и о частоте ее вращения w, поступающая с датчиков 13 и 14 на валу турбины 2, используется в блоке 15 для расчета механической мощности N_мех=M_кр • w.

Результаты расчета N_мех и информацию о расходе подводимого к турбине 2 тепла Q_подв, поступающую с датчика 10, в свою очередь используют (в сопоставимых единицах, например, в кВт) для расчета отношения

Аналогичным образом значение электрической мощности N_эл, полученное с датчика 12, используется для расчета отношения

Затем определяют знак разности (1), которую с учетом (2) можно записать в виде:
b_э - b_т • K (5)
В тех случаях, когда разность (5) отрицательна и, следовательно, затраты тепла оказываются экономически менее выгодными, чем использование электроэнергии, блок 15, воздействуя на регулятор 7, уменьшает расход тепла, подводимого к турбине 2. Одновременно блок 15, воздействия на преобразователь 5, переводит электромашину 3 в двигательный режим, в котором регулирует производительность насоса 1 путем изменения электрической мощности электромашины 3.

В тех случаях, когда разность (5) положительна и, следовательно, затраты тепла оказываются экономически более выгодными, чем использование электроэнергии, а установленная мощность турбины 2 используется не полностью, блок 15, воздействуя на регулятор 7, увеличивает расход тепла, подводимого к турбине 2. Одновременно блок 15, воздействуя на преобразователь 5, обеспечивает переход электромашины 3 в генераторный режим и преобразование избыточной механической мощности турбины 2 в электроэнергию.

Электрическая мощность электромашины 3 изменяется в результате соответствующего воздействия блока 15 на систему управления преобразователя 5, которая регулирует угол включения его вентилей. При этом изменяется среднее значение напряжения на нагрузке преобразователя 5, а следовательно, и мощность электромашины 3.

При работе электромашины 3 в режиме двигателя блок 15, воздействуя соответствующим образом на преобразователь 5, увеличивает ее электрическую мощность, если измеренное датчиком 9 давление в магистрали 8 меньше заданного, и уменьшает ее в обратном случае.

При работе электромашины 3 в генераторном режиме производительность насоса 1 и давление в напорной магистрали 8 определяются разностью мощностей турбины 2 и электромашины 3. В этом режиме блок 15 также регулирует производительность насоса 1 путем изменения электрической мощности электромашины 3. Воздействуя соответствующим образом на преобразователь 5, блок 15 увеличивает отдаваемую в энергосистему электрическую мощность, если измеренное датчиком 9 давление в магистрали 8 превышает заданное, и уменьшает ее в обратном случае.

Предлагаемый способ управления применим также к приводам с газотурбинным двигателем, двигателем внутреннего сгорания или с другими тепловыми двигателями. В качестве электромашины привод может содержать синхронную, асинхронную электромашину или электромашину постоянного тока. В качестве преобразователя частоты 5 могут быть использованы, например, непосредственные вентильные преобразователи частоты [5] или [6].

На основе предлагаемого способа может осуществляться управление и в тех случаях, когда к тепловому двигателю привода подводится два или более потоков тепла, полученных с разными удельными затратами, и возврат рабочего тела производится двумя или более потоками с различной температурой. В этих случаях при расчетах по приведенным формулам в качестве b_т должно использоваться средневзвешенное значение удельных затрат на подводимое тепло, а в качестве температуры T_отр - средневзвешенное значение температуры отработавшего рабочего тела по всем потокам возвращаемого тепла.

На основе предлагаемого способа также может осуществляться управление групповым приводом нескольких механизмов собственных нужд, содержащим помимо насоса 1 другие гидромашины, связанные с ним многоконтурной гидравлической схемой с гидроприводами. Такой групповой привод может содержать помимо электромашины 3 еще одну или более электрических машин. В этих случаях в формуле (4) в качестве N_эл должна использоваться суммарная электрическая мощность всех электромашин привода.

Как видно из изложенного, предлагаемый способ управления обеспечивает расширенный диапазон маневрирования электрической мощностью, охватывающий генераторный и двигательный режимы электромашины. Использование расширенных возможностей маневрирования электрической мощностью по предлагаемому способу позволяет минимизировать суммарные затраты теплоэнергоустановки на тепло и электроэнергию. Для этого требуется выполнить в реальном масштабе времени достаточно простые измерения и расчеты.

Промышленная применимость
Предлагаемый способ управления приводом был промоделирован на ЭВМ. Моделирование показало, что применение предложенного способа в локальных системах управления приводами собственных нужд теплоэнергоустановок позволяет реализовать оптимальное управление по критерию минимума суммарных затрат в энергосистеме, а ожидаемая среднегодовая экономия суммарных затрат условного топлива на привод механизма собственных нужд может составить от 10 до 40% в зависимости от условий применения в конкретной теплоэнергетической установке.

Источники информации
1. Авт. свид. СССР N 1101562, МПК F 01 K 13/00, 1984 г.

2. Плетнев Г. П. Автоматизированное управление и защита теплоэнергетических установок электростанций. Энергоатомиздат, 1986, стр. 314, рис. 15.10.

3. Патент РФ N 2053376, МПК F 01 K 13/00, 1992 г.

4. Патент РФ N 2053375, МПК F 01 K 13/00, 1993 г. (прототип)
5. Преобразователь частоты серии ТТС. Каталог 05.70.06-89. Информэлектро. Москва, 1989 г.

6. Авт. св. СССР N 1372543, МПК H 02 M 5/27, 1986 г.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть применено для управления приводами механизмов собственных нужд теплоэнергоустановок, содержащими тепловой двигатель и электромашину, подключенную к энергосистеме через преобразователь частоты. Способ заключается в регулировании расхода подводимого к тепловому двигателю рабочего тела, возврате отработавшего тепла, регулировании производительности механизма собственных нужд и согласовании параметров электромашины с энергосистемой путем преобразования частоты. Согласно изобретению изменение электрической мощности электромашины осуществляют в диапазоне, охватывающем ее двигательный и генераторный режимы, путем воздействия на преобразователь частоты, регулирование производительности механизма собственных нужд выполняют путем изменения электрической мощности электромашины, а регулирование расхода подводимого к тепловому двигателю рабочего тела ведут в соответствии с приведенным в описании расчетным выражением, использующим текущие измерения параметров привода. Изобретение позволяет расширить пределы маневрирования электрической мощностью теплоэнергоустановки и минимизировать суммарные затраты на тепловую и электрическую энергию с учетом возврата отработавшего в тепловом двигателе рабочего тела. 1 ил.

Способ управления приводом механизма собственных нужд теплоэнергетической установки, содержащим кинематически связанные тепловой двигатель и электромашину, подключенную к энергосистеме через преобразователь частоты, заключающийся в регулировании расхода подводимого к тепловому двигателю рабочего тела, возврате отработавшего тепла, регулировании производительности механизма собственных нужд и согласовании электромашины с энергосистемой путем преобразования частоты, отличающийся тем, что изменяют электрическую мощность электромашины в диапазоне, охватывающем ее двигательный и генераторный режимы, путем воздействия на преобразователь частоты, регулируют производительность механизма собственных нужд путем изменения электрической мощности электромашины и увеличивают или уменьшают расход подводимого к тепловому двигателю рабочего тела в зависимости от того положительна или отрицательна соответственно разность

где b_э и b_т - текущие значения удельных затрат на выработку электроэнергии в энергосистеме и на выработку подводимого к тепловому двигателю тепла соответственно; Т_отр и Т_окр - абсолютные температуры отработанного рабочего тела теплового двигателя и окружающей среды соответственно; Q_подв - удельный расход подводимого тепла на единицу механической мощности на валу теплового двигателя; с - отношение электрической мощности электромашины к механической мощности на валу теплового двигателя.