СПОСОБ И УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2014 года по МПК F02C9/48 

Изобретение относится к области автоматического управления газотурбинным приводом, применяемым на транспорте.

Известен способ регулирования газотурбинного двигателя со свободной турбиной путем измерения частоты вращения свободной турбины и изменения расхода топлива в камеру сгорания, при котором дополнительно измеряют величину крутящего момента на валу свободной турбины, определяют величину фактической мощности, формируют сигнал рассогласования между заданной и фактической величинами мощности, а расход топлива в камеру сгорания изменяют в соответствии с сформированным сигналом (патент RU №2282737, F02C 9/28, 2006 г.).

Недостатком известного способа является сложность вычисления мощности на валу свободной турбины и регулирование газотурбинного привода только по изменению расхода топлива в камере сгорания, что не позволяет осуществлять регулирование при резких изменениях мощности на нагрузке.

Известен способ регулирования газотурбинного привода путем измерения частоты вращения турбины, сравнения ее с заданной частотой вращения, дифференцирования сигнала рассогласования заданного и фактического значений частоты вращения турбины, суммирования сигнала рассогласования с дифференцированным сигналом и регулирования управляющим сигналом элемента управления расходом топлива, при этом дополнительно измеряют момент на валу турбины, делят сигнал значения частоты вращения турбины на сигнал, пропорциональный моменту нагрузки, умножают продифференцированный сигнал рассогласования на сигнал, полученный в результате деления, и суммируют его с сигналом рассогласования, после чего просуммированный сигнал умножают на сигнал значения момента на валу турбины и полученный управляющий сигнал подают на элемент управления расходом топлива (патент RU №2252329, F02C 9/28, 2005 г.).

Недостатком известного способа является сложный алгоритм вычисления сигнала управления расходом топлива.

Известен способ управления газотурбинной установкой, реализованный в газотурбинной установке для выработки электроэнергии, принятый за прототип, заключающийся в том, что поддерживают необходимое напряжение и частоту выходного тока во внешней сети (нагрузке) воздействием на турбогенератор и соответствующим изменением расхода топлива через дозатор топлива, а также изменением уровня технологической нагрузки в зависимости от мощности, потребляемой сетью (патент RU №2341670, кл. F02C 9/28, 2008 г.).

Недостатком предлагаемого способа управления является то, что управление газотурбинной установкой возможно только с использованием дополнительной технологической нагрузки, что усложняет алгоритм управления.

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. 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 JP №7003190, кл. F02C 9/46, 1995 г.).

К недостаткам известной системы относятся наличие в переходном канале специального лопаточного аппарата, имеющего конструктивную сложность механизма его поворота, что приводит к снижению надежности и удорожанию установки, а также к усложнению алгоритма управления.

Известна система автоматического управления газотурбинной 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 датчик температуры воздуха на входе в двигатель Т_ВХ, исполнительный механизм регулирования подачи топлива, первый, второй и третий электронные регуляторы, 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 (патент RU №2360137, F02C 9/28, 2009 г.).

Основным недостатком известного технического решения является косвенный метод определения текущей мощности электрического генератора по характеристике Р_ГЕН=f(n_ВДПР), что не позволяет осуществлять регулирование при резких изменениях мощности на нагрузке.

Известна газотурбинная установка для выработки электроэнергии, принятая за прототип, включающая газотурбинный двигатель с дозатором топлива и датчиком оборотов, турбогенератор, соединенный с внешней сетью (нагрузкой) и приводимый двигателем, систему автоматизированного управления газотурбинной установкой, содержащую регулятор газотурбинного двигателя, выход которого связан с дозатором топлива двигателя, а вход - с датчиком оборотов двигателя, регулятор турбогенератора, подключенный к входу турбогенератора, технологическую нагрузку с регулятором ее уровня и регулятором технологической нагрузки (патент RU №2341670, кл. F02C 9/28, 2008 г.).

Недостатком предлагаемого технического решения является использованием технологической нагрузки, что усложняет конструкцию и алгоритм управления.

Техническим результатом изобретения является регулирование газотурбинной установкой при изменении в широких пределах потребляемой мощности и упрощение алгоритма управления.

Указанный технический результат достигается способом регулирования газотурбинной установкой, заключающимся в том, что поддерживают необходимое напряжение и частоту входного тока в нагрузке воздействием регулятором турбогенератора и регулятором двигателя системы автоматического управления соответственно на обмотку возбуждения турбогенератора и на дозатор топлива соответствующим изменением расхода топлива, отличающимся тем, что регулятором двигателя формируют выходной сигнал управления дозатором топлива по разности между заданным значением мощности, определяемым задатчиком мощности по коду состояния контроллера машиниста, и фактическим значением мощности, измеренной на нагрузке, при этом в зависимости от величины и знака результата сравнения уменьшают или увеличивают подачу топлива в газотурбинный двигатель, а регулятором турбогенератора формируют сигнал управления турбогенератором сравнением задания по частоте, формируемым функциональным преобразователем в зависимости от заданного значения мощности, с сигналом с датчика оборотов, который управляет обмоткой возбуждения турбогенератора, и изменяют его выходное напряжение.

Указанный технический результат достигается также с помощью устройства регулирования газотурбинной установкой, содержащего газотурбинный двигатель с дозатором топлива и силовой турбиной, на валу которой установлен датчик оборотов и турбогенератор, подключенный к нагрузке, систему автоматического управления с регулятором турбогенератора и регулятором двигателя, подключенным к входу дозатора топлива, при этом выход регулятора турбогенератора подключен к обмотке возбуждения турбогенератора, а один из входов соединен с выходом датчика оборотов, турбогенератор выполнен с двумя выходами, а нагрузка выполнена двухканальной, каждый канал которой снабжен последовательно соединенными выпрямителем и двигателями постоянного тока, систему автоматического управления, снабженную измерителем мощности, задатчиком мощности и функциональным преобразователем, при этом измеритель мощности включен между нагрузкой и первым входом регулятора двигателя, вход задатчика мощности соединен с контроллером машиниста, а выход его подключен ко второму входу регулятора двигателя и к входу функционального преобразователя, выход которого соединен со вторым входом регулятора турбогенератора.

На чертеже представлена структурная схема регулирования газотурбинной установкой.

Устройство, реализующее способ регулирования газотурбинной установкой, содержит газотурбинный двигатель 1 с дозатором топлива 2 и силовой турбиной 3, на валу которой установлен датчик оборотов 4 и турбогенератор 5, подключенный к нагрузке 6, систему автоматического управления 7 с регулятором 8 турбогенератора 5 и регулятором 9 двигателя 1, подключенным к входу дозатора топлива 2, при этом выход регулятора 8 турбогенератора 5 подключен к обмотке возбуждения турбогенератора 5, а один из входов соединен с выходом датчика оборотов 4, при этом турбогенератор 5 выполнен с двумя выходами, а нагрузка выполнена двухканальной, каждый канал которой снабжен последовательно соединенными выпрямителем 10 и двигателями постоянного тока 11, а система автоматического управления 7 снабжена измерителем мощности 12, задатчиком мощности 13 и функциональным преобразователем 14, при этом измеритель мощности 12 включен между нагрузкой 6 и первым входом регулятора 9 двигателя 1, вход задатчика мощности 13 соединен с контроллером машиниста 15, а выход его подключен ко второму входу регулятора 9 двигателя 1 и к входу функционального преобразователя 14, выход которого соединен со вторым входом регулятора 8 турбогенератора 5.

Турбогенератор 5 представляет собой трехфазный синхронный генератор с двумя выходами, сдвинутыми друг относительно друга на 30 электрических градусов. Задатчик мощности 13 формирует задание по мощности в зависимости от кода состояния контроллера машиниста 15 транспортного средства. Регулятор 8 турбогенератора 5 и регулятор 9 двигателя 1 представляют собой пропорционально-интегральные дифференциальные регуляторы (ПИД). Выпрямитель 10 каждого канала представляет собой трехфазный мостовой выпрямитель, к выходам которого подключены двигатели постоянного тока 11. При этом выходы выпрямителя 10 запараллелены. Трехфазный мостовой выпрямитель 10 может быть как управляемым, так и неуправляемым. Измеритель мощности 12 измеряет токи и напряжения в звене постоянного тока каждого канала выпрямителей 10 и вычисляет мощность на нагрузке 6 суммированием результатов перемножения измеренных токов и напряжений каждого канала выпрямителей 10. Функциональный преобразователеь 14 для каждого задания по мощности формирует задание по частоте вращения, что позволяет при резких изменениях мощности на нагрузке 6 стабилизировать частоту вращения силовой турбины 3.

Система регулирования газотурбинной установкой работает следующим образом.

Производят запуск газотурбинного двигателя 1 в соответствии с программой, реализованной в системе автоматического управления 7. Регулятором 8 турбогенератора и регулятором 9 двигателя системы автоматического управления 7 поддерживают необходимое напряжение и частоту входного тока (частоту вращения турбины 3) в нагрузке 6 воздействием на обмотку возбуждения турбогенератора 5 и соответствующим изменением расхода топлива через дозатор топлива 2. При этом выходные сигналы управления обоих регуляторов формируют по заданному и фактическому значениям мощности, по сигналу с датчика оборотов 4.

Регулятором 9 двигателя управляют дозатором топлива 2, который осуществляет подачу топлива в газотурбинный двигатель 1 в соответствии с заданным значением мощности. Выходной сигнал регулятора 9 двигателя формируют по разности между заданным значением мощности, определяемым задатчиком мощности 13 по коду состояния контроллера машиниста 15, и фактическим значением мощности, измеренной на нагрузке 6. В зависимости от величины и знака результата сравнения регулятором двигателя 9 уменьшают или увеличивают подачу топлива в газотурбинный двигатель 1. Одновременно регулятором 8 турбогенератора формируют сигнал управления турбогенератором 5 сравнением задания по частоте, формируемым функциональным преобразователем 14 в зависимости от заданного значения мощности, с сигналом с датчика оборотов 4, который управляет обмоткой возбуждения турбогенератора 5, и изменяют его выходное напряжение.

При этом при движении транспортного средства постоянно меняется задание по мощности в широких пределах. При увеличении задания по мощности измеренное значение мощности на нагрузке 6 меньше заданного значения мощности, и регулятором 9 двигателя плавно увеличивают подачу топлива в газотурбинный двигатель 1, при этом кратковременно увеличивается частота вращения силовой турбины 3. Одновременно регулятором 8 турбогенератора воздействуют на обмотку возбуждения турбогенератора 5 и увеличивают его выходное напряжение. При возрастании мощности на нагрузке 6 до уровня заданной мощности рост подачи топлива прекращают и частота вращения силовой турбины 3 стабилизируется.

При возрастании (снижении) частоты вращения силовой турбины 3, без изменения задания по мощности, регулятор 8 турбогенератора плавно без скачков увеличивает (уменьшает) напряжение на выходе турбогенератора 5, что приводит к увеличению (уменьшению) потребляемой мощности на нагрузке 6. Регулятором 9 двигателя через дозатор топлива 2 уменьшают (увеличивают) подачу топлива в газотурбинный двигатель 1, при этом снижается (возрастает) частота вращения силовой турбины 3.

Простое и точное вычисление мощности на нагрузке 6, а также использование в предлагаемой системе регулирования обратных связей по мощности и по частоте вращения обеспечивает устойчивую работу газотурбинного двигателя 1 при резких изменениях мощности на нагрузке 6.

Предлагаемый способ и устройство регулирования газотурбинной установкой испытан и будет реализован в опытном магистральном газотурбовозе ГТ1h-002.

Группа изобретений относится к области автоматического управления газотурбинным приводом, применяемым на транспорте. Техническим результатом изобретений является регулирование газотурбинной установкой при изменении в широких пределах потребляемой мощности и упрощение алгоритма управления. Указанный технический результат достигается тем, что регулятор двигателя формирует сигнал управления дозатором топлива по разности между заданным значением мощности, определяемым задатчиком мощности по коду состояния контроллера машиниста, и фактическим значением мощности, измеренной на нагрузке, при этом в зависимости от величины и знака результата сравнения уменьшают или увеличивают подачу топлива в газотурбинный двигатель, а регулятор турбогенератора формирует сигнал управления турбогенератором сравнением задания по частоте, формируемым функциональным преобразователем в зависимости от заданного значения мощности, с сигналом с датчика оборотов, который управляет обмоткой возбуждения турбогенератора и изменяет его выходное напряжение. Описано также устройство для реализации данного способа. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ регулирования газотурбинной установкой, заключающийся в том, что поддерживают необходимое напряжение и частоту входного тока в нагрузке воздействием регулятором турбогенератора и регулятором двигателя системы автоматического управления соответственно на обмотку возбуждения турбогенератора и через дозатор топлива соответствующим изменением расхода топлива, отличающийся тем, что регулятором двигателя формируют выходной сигнал управления дозатором топлива по разности между заданным значением мощности, определяемым задатчиком мощности по коду состояния контроллера машиниста, и фактическим значением мощности, измеренной на нагрузке, при этом в зависимости от величины и знака результата сравнения уменьшают или увеличивают подачу топлива в газотурбинный двигатель, а регулятором турбогенератора формируют сигнал управления турбогенератором сравнением задания по частоте, формируемым функциональным преобразователем в зависимости от заданного значения мощности, с сигналом с датчика оборотов, который управляет обмоткой возбуждения турбогенератора, и изменяют его выходное напряжение.

2. Устройство регулирования газотурбинной установкой, содержащее газотурбинный двигатель с дозатором топлива и силовой турбиной, на валу которой установлен датчик оборотов и турбогенератор, подключенный к нагрузке, систему автоматического управления с регулятором турбогенератора и регулятором двигателя, подключенным к входу дозатора топлива, при этом выход регулятора турбогенератора подключен к обмотке возбуждения турбогенератора, а один из входов соединен с выходом датчика оборотов, отличающееся тем, что турбогенератор выполнен с двумя выходами, а нагрузка выполнена двухканальной, каждый канал которой снабжен последовательно соединенными выпрямителем и двигателями постоянного тока, а система автоматического управления снабжена измерителем мощности, задатчиком мощности и функциональным преобразователем, при этом измеритель мощности включен между нагрузкой и первым входом регулятора двигателя, вход задатчика мощности соединен с контроллером машиниста, а выход его подключен ко второму входу регулятора двигателя и к входу функционального преобразователя, выход которого соединен со вторым входом регулятора турбогенератора.