Способ управления турбогенератором Российский патент 2020 года по МПК F02C9/00 F01D1/00 

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в системах автоматического управления газотурбинными двигателями, применяемыми в составе газотурбинных установок для привода электрогенераторов.

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ управления газотурбинным двигателем, заключающийся в том, что определяют в зависимости от положения рычага управления двигателем (РУД) заданную частоту вращения ротора двигателя, измеряют фактическую частоту вращения ротора двигателя, определяют величину рассогласования между заданным и измеренным значениями частоты вращения и в зависимости от рассогласования между заданным и измеренным значениями частоты вращения управляют расходом топлива в КС двигателя, отличающийся тем, что дополнительно на режиме «стояночный малый газ» измеряют потребляемую мощность электрогенератора (ЭГ), кинематически связанного с ротором ГТД и по измеренной мощности корректируют величину заданной частоты вращения.

(см. патент РФ №2418182, кл. F02C 9/00, 2008 г.)

В результате анализа данного способа необходимо отметить, что известный способ не позволяет обеспечить необходимое качество регулирования частоты вращения ротора двигателя при подключении и отключении потребителей, мощность которых соизмерима с мощностью электрогенератора. При отключении такой нагрузки возможно превышение частотой вращения ротора двигателя максимально допустимого значения, и как следствие аварийный останов двигателя. Для парирования возмущений необходим высокий коэффициент усиления регулятора частоты вращения ротора двигателя, при котором его запасы устойчивости снижаются до недопустимо низких значений, и возможно возбуждение колебаний частоты вращения ротора на установившихся режимах.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности регулирования частоты вращения ротора турбогенератора в переходных режимах.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в известном способе управления турбогенератором, заключающемся в том, что формируют заданную частоту вращения ротора турбогенератора, измеряют частоту вращения ротора турбогенератора, поддерживают заданное значение частоты вращения ротора турбогенератора путем изменения механической мощности турбины и измеряют текущую электрическую мощность генератора, согласно настоящему изобретению, дополнительно в зависимости от быстродействия регулятора частоты вращения ротора турбогенератора выбирают порог по скорости изменения электрической мощности генератора и интервал времени, необходимый для парирования изменения электрической мощности генератора, формируют сигнал скорости изменения электрической мощности генератора и при превышении данным сигналом по абсолютной величине выбранного порога повышают быстродействие регулятора частоты вращения ротора турбогенератора в течение выбранного интервала времени.

В частном случае реализации заявленного способа в качестве сигнала скорости изменения электрической мощности генератора используют сигнал скорости изменения тока генератора.

В частном случае реализации заявленного способа регулирование частоты турбогенератора выполняется пропорционально ПИД (пропорционально интегрально-дифференциальным)- регулятором.

В частном случае реализации заявленного способа быстродействие регулятора повышают путем увеличения его общего коэффициента усиления ПИД-регулятора.

В частном случае реализации заявленного способа быстродействие регулятора повышают путем увеличения коэффициента усиления дифференцирующего канала ПИД-регулятора.

Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, на которых представлена структурная схема системы управления, реализующая заявляемый способ регулирования турбогенератора.

Система управления турбогенератором содержит задатчик 1 частоты вращения ротора турбогенератора (далее ротора), связанный с первым входом сумматора 2, ко второму инвертирующему входу которого подключен датчик 3 частоты вращения ротора, выход сумматора 2 связан усилителем 4 с переменным коэффициентом усиления, выход которого подключен к регулятору 5 частоты вращения ротора. Регулятор частоты вращения ротора 5 формирует заданный расход топлива, который через систему подачи 6 подается его в камеру сгорания (на рисунке не показана) двигателя 7, меняя механическую мощность турбины (на рисунке не показана) и частоту вращения ротора, измеряемую датчиком 3. С двигателем 7 связан генератор 8, с имеющими возможность подключения к нему потребителями 9.

Система содержит измеритель 10 электрической мощности генератора 8. Выход измерителя 10 электрической мощности подключен к входу последовательно соединенных блока дифференцирования 11, выпрямителя 12, компаратора 13, одновибратора 14. Выход одновибратора 14 подключен к управляемому входу усилителя 4 с переменным коэффициентом усиления.

Заявленная система может быть скомпонована из известных блоков и элементов.

Сумматор, усилитель с переменным коэффициентом усиления, блок дифференцирования, выпрямитель, компаратор и одновибратор являются стандартными.

В качестве задатчика частоты вращения ротора может быть использован стандартный задатчик постоянного значения.

В качестве датчика частоты вращения ротора может быть использован стандартный индуктивный датчик частоты вращения.

В качестве регулятора частоты вращения ротора может быть использован стандартный ПИД-регулятор.

При изменении напряжения генератора в ограниченных пределах вместо измерителя электрической мощности может быть использован измеритель тока.

Усилитель с переменным коэффициентом усиления может быть выбран таким образом, что при подаче на его управляемый вход коэффициент усиления увеличивался в (2…5) раз.

Выпрямитель 12 обеспечивает одинаковую работу системы при подключении и отключении потребителей.

Порог срабатывания компаратора 13 выбирается расчетно-экспериментальным путем и определяется максимальной мощностью потребителей 9, при подключении и отключении которых отклонение частоты вращения от заданного задатчиком 1 значения находится в допустимых пределах при номинальных коэффициентах регулятора 5, которые выбраны для обеспечения устойчивости регулирования. Эта величина определяется конструктивными особенностями газогенератора и составляет (50…100)% от номинальной мощности генератора. При подключении или отключении таких потребителей возможен аварийный останов турбогенератора из-за недопустимо низкой или высокой частоты вращения.

Система работает следующим образом:

На установившемся режиме работы ГТД (турбогенератора) 7 с подключенными к генератору 8 потребителями 9 сигнал измерителя 10 мощности постоянный или плавно меняется в зависимости от изменения режима работы потребителей. Блок 11 дифференцирования формирует сигнал равный скорости изменения мощности. Выпрямитель 12 формирует абсолютное значение данного сигнала. При этом на выходе блока 12 сигнал или равен нулю или значительно ниже порога срабатывания компаратора 13, на выходе компаратора формируется сигнал логического нуля, срабатывания одновибратора 14 не происходит, и коэффициент усиления усилителя 4 остается постоянным.

Плавное изменение мощности потребителей 9 вызывает изменение частоты вращения ротора ГТД 7, измеряемой датчиком 3. Сигнал частоты вращения с датчика 3 поступает на второй (инвертирующий) вход сумматора 2, на первый вход которого поступает сигнал заданной частоты вращения ротора с задатчика 1. Сумматор 2 формирует отклонение фактической частоты ротора от заданной - ошибку регулирования. Сигнал ошибки регулирования усиливается усилителем 4 и поступает на вход регулятора 5. Регулятор 5 формирует необходимый для устранения ошибки заданный расход топлива. Заданный регулятором 5 расход топлива через систему подачи 6 поступает в камеру сгорания (на рисунке не показана) ГТД 7 и вызывает изменение механической мощности турбины и частоты вращения ротора.

При подключении потребителя мощность которого соизмерима с номинальной мощностью генератора, последовательно соединенные блок 11 дифференцирования мощности и выпрямитель 12 формируют сигнал, превышающий по абсолютному значению порог срабатывания компаратора 13. Компаратор 13 срабатывает и формирует на выходе сигнал логической 1, который приводит к запуску одновибратора 14. Длительность формируемого одновибратором 14 импульса выбирается такой, чтобы регулятор 5 частоты вращения ротора успел парировать действующее на ротор возмущение и составляет (0,5…1,5) с. Единичный выходной сигнал одновибратора 14 поступает на управляемый вход усилителя 4 с переменным коэффициентом усиления, усилитель 4 в соответствии с заранее выбранной настройкой повышает свой коэффициент усиления. В результате пропорционально возрастает сигнал ошибки регулирования на входе регулятора 5 частоты вращения и скорость парирования возмущения возрастает, а время переходного процесса и отклонение частоты вращения ротора от заданной снижаются.

Увеличение коэффициента усиления усилителя 4 повышает общий коэффициент усиления регулятора 5.

После парирования возмущения восстанавливается номинальный коэффициент усиления, и переходный процесс плавно завершается.

Предлагаемый способ управления позволяет сократить отклонение частоты вращения от номинального значения примерно в 1,5 раза и снизить время переходного процесса в два и более раза.

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в системах автоматического управления газотурбинными двигателями, применяемыми в составе газотурбинных установок для привода электрогенераторов. Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности регулирования частоты вращения ротора турбогенератора в переходных режимах. Указанный технический результат достигается за счет того, что в известном способе управления турбогенератором, заключающемся в том, что формируют заданную частоту вращения ротора турбогенератора, измеряют частоту вращения ротора турбогенератора, поддерживают заданное значение частоты вращения ротора турбогенератора путем изменения механической мощности турбины и измеряют текущую электрическую мощность генератора, согласно настоящему изобретению дополнительно в зависимости от быстродействия регулятора частоты вращения ротора турбогенератора выбирают порог по скорости изменения электрической мощности генератора и интервал времени, необходимый для парирования изменения электрической мощности генератора, формируют сигнал скорости изменения электрической мощности генератора и при превышении данным сигналом по абсолютной величине выбранного порога повышают быстродействие регулятора частоты вращения ротора турбогенератора в течение выбранного интервала времени. Предлагаемый способ управления позволяет сократить отклонение частоты вращения от номинального значения примерно в 1,5 раза и снизить время переходного процесса в два и более раза. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления турбогенератором, заключающийся в том, что формируют заданную частоту вращения ротора турбогенератора, измеряют частоту вращения ротора турбогенератора, поддерживают заданное значение частоты вращения ротора турбогенератора путем изменения механической мощности турбины и измеряют текущую электрическую мощность генератора, отличающийся тем, что дополнительно в зависимости от быстродействия регулятора частоты вращения ротора турбогенератора выбирают порог по скорости изменения электрической мощности генератора и интервал времени, необходимый для парирования изменения электрической мощности генератора, формируют сигнал скорости изменения электрической мощности генератора и при превышении данным сигналом по абсолютной величине выбранного порога повышают быстродействие регулятора частоты вращения ротора турбогенератора в течение выбранного интервала времени.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве сигнала скорости изменения электрической мощности генератора используют сигнал скорости изменения тока генератора.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регулирование частоты турбогенератора выполняется пропорционально ПИД-регулятором.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что быстродействие регулятора повышают путем увеличения его общего коэффициента усиления ПИД-регулятора.

5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что быстродействие регулятора повышают путем увеличения коэффициента усиления дифференцирующего канала ПИД-регулятора.