СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ Российский патент 2009 года по МПК F02C9/28 

Изобретение относится к системам автоматического управления газотурбинными энергетическими установками, оборудованными свободной силовой турбиной и электрическим генератором, при изменениях потребляемой мощности.

Известна система автоматического управления газотурбинной установкой, включающей последовательно расположенные газотурбинный двигатель (газогенератор), переходный канал с поворотными лопатками, свободную силовую турбину и электрический генератор, размещенные на одном механическом валу, а также собственно устройство управления [Патент Японии №7003190, кл. F02C 9/46, 1995]. С целью управления газотурбинной установкой измеряют фактическую величину электрической нагрузки (N) на валу свободной турбины (СТ) и по результатам измерения нагрузки N в устройстве управления формируют заданное значение частоты вращения ротора двигателя (n_ВД ^ЗАД), обеспечивающее соответствующую мощность (нагрузку N), измеряют n_ВД, сравнивают n_ВД с n_ВД ^ЗАД и изменяют расход топлива в камеру сгорания двигателя пропорционально величине отклонения n_ВД от n_ВД ^ЗАД. Также измеряют частоту вращения ротора свободной турбины n_СТ, сравнивают измеренную величину n_СТ с заданной n_СТ ^ЗАД и дополнительно осуществляют поворот лопаток в переходном канале перед силовой турбиной, изменяя расход газа через свободную турбину, в зависимости от величины отклонения n_СТ от заданной величины n_СТ ^ЗАД [Патент Японии №7003190, кл. F02C 9/46, 1995].

К недостаткам известного устройства относятся наличие в переходном канале специального лопаточного аппарата, имеющего конструктивную сложность механизма его поворота, что приводит к снижению надежности и удорожанию установки, а также пониженная точность поддержания n_СТ из-за косвенного характера управляющего воздействия в камеру сгорания двигателя. Кроме того, при одновременном воздействии двух независимых контуров (органов) управления возможна неустойчивая работа системы из-за наличия длительных незатухающих автоколебаний по параметру n_СТ.

Известна также система автоматического управления газотурбинной энергетической установкой, включающая последовательно расположенные газотурбинный двигатель (газогенератор), свободную силовую турбину и электрический генератор, размещенные на одном механическом валу. При этом в устройстве управления газотурбинной установкой при изменении величины потребляемой нагрузки предусмотрено регулирование расхода топлива в камеру сгорания двигателя в зависимости от величины рассогласования текущей мощности (измеренной электрической нагрузки N) свободной силовой турбины и временного установочного значения мощности силовой турбины с учетом сигнала от ограничителя сброса нагрузки. [Патент США №5761895, кл. F01C 9/28, 1995].

Основным недостатком данного аналога и других подобных устройств, предусматривающих управление на основе информации о величине электрической нагрузки N, является необходимость введения дополнительного точного и быстродействующего измерительного канала N, что на практике не всегда удается реализовать из-за его конструктивной сложности и существенного уровня методической погрешности измерения N в трехфазных сетях при несимметричной (неравномерной) нагрузке. Погрешность измерения N становится особенно значимой в динамике при глубоких мгновенных переключениях реактивной нагрузки в промышленных энергосистемах.

Негативным последствием повышенной погрешности измерения N в динамике и в неблагоприятном сочетании с конструктивными особенностями газотурбинной установки (например, n_ст≥5000…6000 об/мин и более, вместо типовых 3000 об/мин), эксплуатационными факторами, например внезапный полный сброс максимальной нагрузки, может стать повышенная раскрутка силовой турбины и ее механическое разрушение.

Наиболее близкой по конструкции и достигаемому результату к заявляемой является система автоматического управления энергетической установкой, содержащая газотурбинный двигатель, выполненный в виде одновального газогенератора, силовую турбину и электрический генератор, размещенные на одном механическом валу, датчик измерения частоты вращения ротора газотурбинного двигателя (газогенератора) n_ВД, датчик измерения частоты вращения силовой турбины n_СТ, собственно устройство управления с тремя последовательно соединенными функциональными блоками в виде нелинейных регуляторов, два из которых имеют обратную связь по параметрам n_ВД и n_СТ и исполнительным механизмом, обеспечивающим подачу топлива в камеру сгорания двигателя в зависимости от величины рассогласования текущего n_ВД и заданного значения частоты n_ВД ^ЗАД [Патент РФ №2204044, F02C 9/28, 2003 г.].

Однако известная система автоматического управления энергетической установкой, выбранная за прототип, не обеспечивает необходимую точность поддержания частоты вращения n_СТ при изменениях нагрузки, так как регулирование n_СТ осуществляется косвенно, т.е по рассогласованию текущего и заданного значения частоты ротора газогенератора n_ВД и n_ВД ^ЗАД соответственно. Кроме того, при определении n_ВД ^ЗАД возникает дополнительная погрешность управления из-за использования зависимости N=f(n_ВД), которая существенно «расслаивается» по температуре воздуха на входе в газотурбинный двигатель Т_ВХ.

Техническая задача заключается в повышении точности поддержания необходимой генерируемой мощности (величины n_СТ) за счет формирования управляющего сигнала на подачу топлива в зависимости от величины частоты вращения силовой турбины и условий окружающей среды, а также обеспечении требуемого качества вырабатываемой электрическим генератором электроэнергии за счет идентификации режима работы электрического генератора (автономная работа или параллельная с промышленной энергосистемой).

Сущность изобретения заключается в том, что система автоматического управления энергетической установкой, содержащая газотурбинный двигатель, силовую турбину, электрический генератор, датчики измерения частоты вращения ротора газотурбинного двигателя n_ВД и силовой турбины n_СТ, исполнительный механизм регулирования подачи топлива, первый, второй и третий электронные регуляторы, согласно изобретению дополнительно включает датчик температуры воздуха на входе в двигатель Т_ВХ, блок вычисления величины приведенной по Т_ВХ частоты вращения ротора n_{вд пр}, множитель-усилитель, блок формирования сигнала о режиме работы электрического генератора и ключ-коммутатор, при этом второй электронный регулятор через блок вычисления величины n_{вд пр} связан с датчиком температуры воздуха Т_ВХ на входе в двигатель и с датчиком измерения частоты вращения n_ВД ротора газотурбинного двигателя и выполнен с возможностью подачи выходного сигнала на множитель-усилитель о величине рассогласования между величинами n_{вд пр} и n_{вд пр} ^зад, на выходе второй электронный регулятор через множитель-усилитель соединен с первым входом ключа-коммутатора, второй вход которого соединен с выходом блока формирования сигнала о режиме работы электрического генератора, причем выход ключа-коммутатора связан с первым входом первого электронного регулятора, выход которого соединен с первым входом третьего электронного регулятора, второй вход которого соединен с выходом силовой турбины, при этом второй вход третьего электронного регулятора соединен с выходом силовой турбины, а первый электронный регулятор выполнен с возможностью подачи выходного сигнала о величине заданного значения частоты вращения ротора силовой турбины n_ст ^зад при работе электрического генератора под нагрузкой и без нее, причем третий электронный регулятор выполнен с возможностью формирования управляющего сигнала на исполнительный механизм подачи топлива в зависимости от величины рассогласования величин n_ст ^зад и n_ст.

Заявляемая система позволяет формировать управляющие сигналы на подачу топлива в зависимости от величины частоты вращения ротора силовой турбины и условий окружающей среды. Обеспечение требуемого качества вырабатываемой электрическим генератором электроэнергии осуществляется за счет идентификации режима работы электрического генератора - автономная работа или параллельная с промышленной энергосистемой.

На чертеже представлена структурная схема заявляемой системы автоматического управления энергетической установкой.

Блок 1 - датчик измерения частоты вращения n_ВД ротора высокого давления газотурбинного двигателя 2. Газотурбинный двигатель 2 включает компрессор, камеру сгорания и турбину высокого давления (не показаны)

Блок 3 - датчик температуры воздуха Т_ВХ на входе в двигатель 2.

Блок 4 - блок вычисления приведенной по температуре воздуха на входе в двигатель 2 частоты вращения ротора высокого давления n_ВДПР. По входным сигналам о величинах n_ВД и Т_ВХ на выходе блока 4 формируется сигнал I₁ о величине .

Блок 5 - второй электронный регулятор, выполненный в виде блока вычитания. Имеет два входа и один выход.

На первый вход блока 5 поступает сигнал I₁ о величине n_ВДПР, на второй вход - сигнал о заданной величине приведенной по температуре воздуха на входе в двигатель частоты вращения ротора высокого давления n_ВДПР ^ЗАД.

На выходе блока 5 формируется сигнал I₂ о величине

Δn_ВДПР=n_ВДПР ^ЗАД-n_ВДПР, который подается на вход блока 6.

Блок 6 - множитель-усилитель, на выходе которого формируется сигнал I₃=К_СТ×К_Р×Δn_ВДПР, где К_СТ - коэффициент статизма регулирования,

К_Р - коэффициент связи (пропорциональности), определяемый соотношением мощности, развиваемой свободной турбины, и величиной n_ВДПР, соответствующей этой мощности.

Блок 7 - блок формирования сигнала о режиме работы электрического генератора. Имеет два входа и один выход.

На первый вход блока 7 поступает сигнал на автономную работу, характеризующий работу энергетической установки на автономную нагрузку, т.е. изолированную от энергосистемы и не потребляющую электроэнергию от других параллельно подключенных генераторов. На второй вход блока 7 поступает сигнал включения нагрузки генератора.

При отсутствии сигнала на автономную работу и наличии сигнала о включении нагрузки генератора на выходе блока 7 формируется сигнал I₄=1 (режим работы электрического генератора параллельно с энергосистемой), во всех других случаях I₄=0.

Блок 8 - ключ-коммутатор, на первый (информационный) вход блока 8 поступает сигнал I₃, а на второй вход - сигнал I₄. При I₄=0 на выходе блока 8 сигнал I₅ равен 0. При I₄=1 на выходе блока 8 формируется сигнал I₅=I₃=К_СТ·К_Р·Δn_ВДПР. Выход блока 8 соединен с первым входом блока 9.

Блок 9 - первый электронный регулятор, который представляет собой сумматор, имеющий два входа и один выход.

На первый вход блока 9 поступает сигнал I₅.

При работе генератора на нагрузку параллельно с сетью I₅=I₃=К_СТ×К_Р×Δn_ВДПР, а при работе генератора в автономном режиме или при отключенной нагрузке I₅=0.

На второй вход блока 9 подается сигнал о величине частоты вращения ротора свободной турбины n_ст ^УСТ (заданная величина n_СТ на режиме холостого хода).

На выходе блока 9 формируется сигнал I₆ о заданной величине частоты вращения

n_СТ:

n_СТ ^ЗАД=n_СТ ^УСТ+К_СТ×(n_ВДПР ^ЗАД-n_ВДПР)×К_Р, где

n_СТ ^ЗАД - заданная величина частоты вращения n_СТ, соответствующая требуемой величине генерируемой нагрузки;

n_СТ ^УСТ - заданная величина n_СТ на режиме холостого хода;

К_СТ - коэффициент статизма К_СТ=Δω/ΔР, где Δω - изменение частоты вращения n_СТ в относительных единицах (Δω=Δn_СТ/n_СТ ^НОМ), ΔР - изменение мощности, развиваемой генератором, в относительных единицах (ΔP=ΔN/N_НОМ), где n_СТ ^НОМ - частота вращения свободной турбины на заданном установившемся режиме (N - const);

N_НОМ - электрическая нагрузка на валу свободной турбины при частоте n_СТ ^НОМ.

ΔN - изменение электрической нагрузки на валу свободной турбины при изменении частоты вращения свободной турбины на величину Δn_СТ,

К_Р - коэффициент связи, определяемый соотношением единиц измерения мощности, развиваемой свободной турбиной, и приведенной частоты вращения n_ВДПР, соответствующей этой мощности.

Блок 10 представляет собой третий электронный регулятор, на первый вход которого поступает сигнал I₆ о величине n_СТ ^ЗАД, на второй вход поступает сигнал I₇ о величине n_СТ, а на выходе формируется управляющий сигнал I_упр на дозатор топлива в зависимости от величины рассогласования

Δn_СТ=n_СТ ^ЗАД-n_СТ.

При Δn_СТ>0 сигнал I_упр обеспечивает увеличение расхода топлива (G_T) в камеру сгорания, что обеспечивает увеличение n_СТ. При n_СТ<0 сигнал I_упр обеспечивает уменьшение G_T в камеру сгорания и, следовательно, снижение n_СТ.

Блок 11 - дозатор топлива (исполнительный механизм), который обеспечивает подачу топлива в камеру сгорания по сигналу I_упр.

Блок 12 - силовая турбина.

Блок 13 - электрический генератор, расположенный на одном валу со свободной турбиной.

Работа устройства осуществляется следующим образом:

При наличии сигнала на автономную работу или при отсутствии сигнала включения нагрузки на входе в блок 7 (работа генератора на автономную нагрузку или работа генератора в режиме холостого хода) на выходе блока 7 формируется сигнал I₄=0.

При значении сигнала I₄=0 от блока 7 (работа на автономную нагрузку или при отключенной нагрузке) на вход блока 9 из блока 8 поступает сигнал I₅=0 и на выходе первого электронного регулятора 9 формируется заданная величина частоты вращения n_СТ ^ЗАД=n_СТ ^УСТ.

Величина n_СТ ^ЗАД сравнивается с измеренной частотой вращения n_СТ в третьем электронном регуляторе 10. На выходе последнего формируется сигнал управления

I_упр исполнительным механизмом дозатора топлива 11, который изменяет расход топлива G_T в камеру сгорания ГТД пропорционально величине отклонения Δn_СТ с целью поддержания заданной частоты вращения n_СТ ^ЗАД.

При отсутствии сигнала на автономную работу и при наличии сигнала включения нагрузки на входе в блок 7 (работа генератора на нагрузку параллельно с электрической сетью) на выходе блока 7 формируется сигнал I₄=1.

При увеличении частоты переменного тока в сети электрическая мощность, отдаваемая электрическим генератором, начнет уменьшаться. Уменьшение мощности приведет к увеличению текущей величины n_СТ по сравнению с n_СТ ^ЗАД. В третьем электронном регуляторе 10 возникнет сигнал рассогласования Δn_СТ=n_СТ ^ЗАД-n_СТ и на выходе блока 10 сформируется управляющий сигнал I_УПР на уменьшение расхода топлива G_T в камеру сгорания ГТД. Уменьшение G_T приведет к уменьшению частоты вращения ротора высокого давления двигателя n_ВД.

Уменьшение n_ВД приведет к уменьшению величины

, формируемой в блоке 4 по входным сигналам о величине n_ВД и величине Т_ВХ, и возникновению сигнала рассогласования Δn_ВДПР=n_ВДПР ^ЗАД-n_ВДПР на выходе второго электронного регулятора 5, сравнивающего приведенную частоту вращения ротора высокого давления с заданной n_СТ ^ЗАД. При этом в блоке 6 величина рассогласования Δn_ВДПР корректируется с учетом коэффициента статизма К_СТ и коэффициента связи К_Р.

Сигнал I₃=К_СТ×(n_ВДПР-n_ВДПР)×К_Р) поступает на первый вход ключа-коммутатора 8. На второй вход поступает сигнал I₄=1 от блока 7.

При значении сигнала I₄=1 от блока 7 на выходе ключа-коммутатора 8 формируется величина I₅=I₃=К_СТ×(n_ВДПР ^ЗАД-n_ВДПР)×К_Р, которая складывается в первом электронном регуляторе 9 с величиной n^УСТ _СТ и на выходе первого электронного регулятора 9 формируется заданная величина частоты вращения

n_СТ ^ЗАД= n_СТ ^УСТК_ст×(n_вдпр ^ЗАД-n_вдпр)×К_р.

При достижении равенства

n_СТ=n_СТ ^ЗАД=n_СТ ^УСТ+К_СТ×(n_ВДПР-n_ВДПР)×К_Р уменьшение подачи топлива G_T прекратится (в третьем электронном регуляторе 10 сигнал рассогласования Δn_СТ=0), при этом величина n_ВДПР будет соответствовать меньшей мощности, отдаваемой генератором в сеть, а величина Δn_СТ будет соответствовать увеличению частоты переменного тока в сети.

При уменьшении частоты переменного тока в сети процесс регулирования будет происходить аналогично, но в сторону увеличения электрической мощности, отдаваемой генератором в сеть, и соответственно к увеличению n_ВДПР для поддержания равенства n_СТ=n_СТ ^ЗАД.

Предлагаемая система автоматического управления обеспечивает также увеличение или снижение нагрузки (мощности) генератора при постоянной частоте переменного тока в сети (при работе генератора параллельно с сетью) за счет увеличения или уменьшения величины n_ВДПР ^ЗАД. При увеличении n_ВДПР ^ЗАД появляется сигнал рассогласования на выходе второго функционального блока 4, который приводит первоначально к увеличению n_СТ ^ЗАД, а затем к увеличению

n_ВДПР до величины n_ВДПР ^ЗАД и восстановлению равенства n_СТ=n_СТ ^ЗАД.

Поскольку величина мощности генератора Р_ГЕН является функцией величины

n_ВДПР, т.е. Р_ГЕН=f(n_ВДПР), возможно во втором электронном регуляторе 5 производить сравнение заданной величины Р_ГЕН ^ЗАД и текущего значения Р_ГЕН ^ТЕК. В этом случае во втором электронном регуляторе 9 при работе генератора параллельно с сетью будет формироваться величина

n_СТ ^ЗАД=n_СТ ^УСТ+К_СТ×(Р_ГЕН ^ЗАД-Р_ГЕН ^ТЕК)×К_Р.

Заявляемая система автоматического управления энергетической установкой проверена в составе системы автоматического управления газотурбинной электростанции типа «Урал» (мощностью 2,5; 4 и 6 МВт) производства ОАО «Авиадвигатель», Россия. Электростанция содержит газотурбинный двигатель типа Д-30ЭУ, изготовленный на базе авиационного двигателя Д-30 третьей серии, свободную силовую турбину (турбина низкого давления базового двигателя) и синхронный генератор трехфазного переменного тока типа ГТГ (рассчитан на ~10,5 кВ).

Испытаниями и эксплуатацией подтверждено, что заявляемая система автоматического управления энергетической установкой надежно и устойчиво поддерживает заданную электрическую нагрузку, обеспечивает повышенную точность поддержания частоты вращения n_СТ и с запасом удовлетворяет нормально допустимым (по ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения») отклонениям частоты напряжения переменного тока, вырабатываемого генератором как при работе на автономную нагрузку, так и при работе параллельно с сетью (энергосистемой).

Система относится к области автоматического управления газотурбинными энергетическими установками, оборудованными свободной силовой турбиной и электрическим генератором. Обеспечение требуемого качества вырабатываемой электрическим генератором электроэнергии осуществляется за счет идентификации режима работы электрического генератора - автономная работа или параллельная с промышленной энергосистемой. При наличии сигнала на автономную работу или при отсутствии сигнала включения нагрузки величина n_ст ^ЗАД сравнивается с измеренной частотой вращения n_ст в третьем электронном регуляторе, на выходе которого формируется сигнал управления I_упр исполнительным механизмом дозатора топлива, который изменяет расход топлива G_T в камеру сгорания ГТД пропорционально величине отклонения Δn_ст с целью поддержания заданной частоты вращения n_ст ^ЗАД. При отсутствии сигнала на автономную работу и при наличии сигнала включения нагрузки на входе в блок формирования сигнала о режиме работы электрического генератора на выходе блока формируется сигнал I₄=1. При увеличении частоты переменного тока в сети электрическая мощность, отдаваемая электрическим генератором, начнет уменьшаться. Это приведет к увеличению текущей величины n_ст по сравнению с n_ст ^ЗАД. В третьем электронном регуляторе возникнет сигнал рассогласования Δn_ст=n_ст ^ЗАД-n_ст и сформируется управляющий сигнал I_упр на уменьшение расхода топлива G_t в камеру сгорания ГТД. При достижении равенства n_ст=n_ст ^ЗАД уменьшение подачи топлива G_t прекратится (в третьем электронном регуляторе сигнал рассогласования Δn_ст=0), при этом величина n_{вд пр} будет соответствовать меньшей мощности, отдаваемой генератором в сеть, а величина Δn_ст будет соответствовать увеличению частоты переменного тока в сети. При уменьшении частоты переменного тока в сети процесс регулирования будет происходить аналогично, но в сторону увеличения электрической мощности, отдаваемой генератором в сеть (и соответственно к увеличению n_{вд пр}), для поддержания равенства n_ст=n_ст ^ЗАД. 1 ил.

Система автоматического управления энергетической установкой, содержащая газотурбинный двигатель, силовую турбину, электрический генератор, датчики измерения частоты вращения ротора газотурбинного двигателя n_вд и силовой турбины n_ст, исполнительный механизм регулирования подачи топлива, первый, второй и третий электронные регуляторы, отличающаяся тем, что она дополнительно включает датчик температуры воздуха на входе в двигатель Т_вх, блок вычисления величины, приведенной по Т_вх, частоты вращения ротора n_{вд пр}, множитель-усилитель, блок формирования сигнала о режиме работы электрического генератора и ключ-коммутатор, при этом второй электронный регулятор через блок вычисления величины n_{вд пр} связан с датчиком температуры воздуха Т_вх на входе в двигатель и с датчиком измерения частоты вращения n_вд ротора газотурбинного двигателя и выполнен с возможностью подачи выходного сигнала на множитель-усилитель о величине рассогласования между величинами n_{вд пр} и n_{вд пр} ^зад, на выходе второй электронный регулятор через множитель-усилитель соединен с первым входом ключа-коммутатора, второй вход которого соединен с выходом блока формирования сигнала о режиме работы электрического генератора, причем выход ключа-коммутатора связан с первым входом первого электронного регулятора, выход которого соединен с первым входом третьего электронного регулятора, второй вход которого соединен с выходом силовой турбины, при этом второй вход третьего электронного регулятора соединен с выходом силовой турбины, а первый электронный регулятор выполнен с возможностью подачи выходного сигнала о величине заданного значения частоты вращения ротора силовой турбины n_ст ^зад при работе электрического генератора под нагрузкой и без нее, причем третий электронный регулятор выполнен с возможностью формирования управляющего сигнала на исполнительный механизм подачи топлива в зависимости от величины рассогласования величин n_ст ^зад и n_ст.