Способ импульсной разгрузки энергетической газотурбинной установки при внезапном сбросе нагрузки Российский патент 2023 года по МПК F02C9/00 

Изобретение относится к области управления газотурбинными двигателями, используемыми в качестве силовых агрегатов в энергетических отраслях и относится к области защиты турбомашинных агрегатов, включающих газотурбинные установки (газовые турбины и приводимые ими машины, например, генераторы), от опасных забросов частоты вращения при внезапном полном или частичном сбросе нагрузки.

Из уровня техники известен способ предотвращения отклонения параметров силовой турбины турбомашинного агрегата при внезапном полном или частичном сбросе нагрузки (Патент RU № 2225945, МПК F02С9/46, публ. 27.11.2003), заключающийся в том, что для повышения безопасности путем предотвращения раскрутки силовой турбины турбомашинного агрегата, способной повредить оборудование при полном или частичном сбросе нагрузки, выполняется сброс мощности всего энергетического агрегата до холостого хода.

Однако использование данного способа приводит к отключению энергетической ГТУ (ГТЭС) от энергосети, что является экономически невыгодным, так как вынуждает потребителей энергии от приводимого агрегата простаивать или переключаться на другие источники энергии.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и принятым за прототип, является способ уменьшения мощности маневренной энергетической газотурбинной установки ниже регулировочного предела (Патент RU № 2536458, МПК F02С9/00, публ. 27.12.2014), заключающийся в том, что осуществляется маневр энергетической газотурбинной установки (ГТУ), на предельно допустимую минимальную мощность при снижении электрической нагрузки энергосети.

Недостатками данного способа является то, что в нем описан алгоритм снижения мощности энергетической газотурбинной установки до определенного минимального предела мощности, что не обеспечивает работу энергетической ГТУ во всём диапазоне мощности в зависимости от возмущения нагрузки в электрической сети.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения, и невозможно обеспечить при использовании прототипа, является то, что снижение мощности происходит только на предельно допустимую минимальную мощность в момент снижения электрической нагрузки энергосети.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в генерации энергетической газотурбинной установки любой мощности в зависимости от полученного сигнала с устройства частотной-делительной автоматики (ЧДА) для расширения диапазона компенсации снижения электрической нагрузки энергосети, что позволит улучшить качество вырабатываемой электроэнергии и повысить надежность функционирования ГТЭС.

Техническая проблема решается за счет того, что в способе импульсной разгрузки энергетической газотурбинной установки при внезапном сбросе нагрузки, заключающемся в том, что уменьшают подачу топлива и сжатого в компрессоре воздуха в камеру сгорания, согласно изобретению, по одному из дискретных сигналов от частотно-делительной автоматики выполняется снижение расхода топлива с максимально допустимым наперед заданным темпом равным dGti/dt, кг/ч/с + R_dGti/dt, кг/ч/с, где dGti/dt – уставка темпа изменения расхода топлива, R_dGti/dt – регулировка темпа изменения расхода топлива до наперед заданной величины Gti, кг/ч + R_Gti, кг/ч, где Gti – расход топливного газа для обеспечения выбранной мощности, согласно сигналу от частотно-делительной автоматики, R_Gti – регулировка расхода топливного газа для обеспечения выбранной мощности согласно сигналу от частотно-делительной автоматики, который поддерживается в течение наперед заданного времени равного Tgti, с + R_Tgti, с, где Tgti – уставка времени в течении которого выполняется поддержание расхода топлива для обеспечения выбранной мощности по сигналу от частотно-делительной автоматики, R_Tgti – регулировка времени, в течении которого выполняется поддержание расхода топлива для обеспечения выбранной мощности по сигналу от частотно-делительной автоматики, а затем по истечении наперед заданного времени выполняется переход на поддержание наперед заданной мощности Pзадi, МВт, а далее регулируют мощность энергетической газотурбинной установки.

Кроме того, согласно изобретению, регулировка темпа R_dGti/dt равна -2000…+2000 кг/ч/с.

Кроме того, согласно изобретению, регулировка расхода R_Gti равна -800…+800 кг/ч.

Кроме того, согласно изобретению, регулировка времени R_Tgti равна -0,5…+5 с.

Как в прототипе, способ импульсной разгрузки энергетической газотурбинной установки при внезапном сбросе нагрузки заключается в том, что уменьшают подачу топлива и сжатого в компрессоре воздуха в камеру сгорания.

В отличие от прототипа, по одному из дискретных сигналов от ЧДА выполняется снижение расхода топлива с максимально допустимым наперед заданным темпом равным dGti/dt, кг/ч/с + R_dGti/dt, кг/ч/с, где dGti/dt – уставка темпа изменения расхода топлива, R_dGti/dt – регулировка темпа изменения расхода топлива до наперед заданной величины Gti, кг/ч + R_Gti, кг/ч, где Gti – расход топливного газа для обеспечения выбранной мощности, согласно сигналу от ЧДА, R_Gti – регулировка расхода топливного газа для обеспечения выбранной мощности согласно сигналу от ЧДА, который поддерживается в течение наперед заданного времени равного Tgti, с + R_Tgti, с, где Tgti – уставка времени в течении которого выполняется поддержание расхода топлива для обеспечения выбранной мощности по сигналу от ЧДА, R_Tgti – регулировка времени, в течении которого выполняется поддержание расхода топлива для обеспечения выбранной мощности по сигналу от ЧДА, а затем по истечении наперед заданного времени выполняется переход на поддержание наперед заданной мощности Pзадi, МВт, а далее регулируют мощность энергетической газотурбинной установки.

Кроме того, регулировка темпа R_ dGti/dt равна -2000…+2000 кг/ч/с, что обеспечивает возможность настройки времени сброса мощности при получении дискретного сигнала от частотно-делительной автоматики.

Кроме того, регулировка расхода R_Gti равна -800…+800 кг/ч, что обеспечивает возможность настройки расхода топлива для обеспечения достижения необходимой мощности при получении дискретного сигнала от частотно-делительной автоматики.

Кроме того, регулировка времени R_Tgti равна -0,5…+5 с, что обеспечивает возможность настройки времени поддержания заданного расхода топлива для исключения перерегулирования по мощности.

Величины регулировки темпа изменения расхода топлива, регулировки расхода топливного газа для обеспечения выбранной мощности, регулировки времени, в течении которого выполняется поддержание расхода топлива для обеспечения выбранной мощности экспериментально достигнуты при испытаниях.

В энергетической газотурбинной установке может быть сброс нагрузки частичной или внезапно полной.

На фиг. 1 представлена блок-схема, иллюстрирующая порядок осуществления заявляемого способа.

Блок 1 – представляет собой блок селекатирования, осуществляющий выбор сигнала от устройства ЧДА для его использования при выполнении алгоритма импульсной разгрузки энергетической газотурбинной установки. Выбор сигналов для выполнения алгоритма разгрузки. Выходом является Tgti и R_Tgti.

Блок 2 – представляет собой блок логического суммирования (ИЛИ), который при отработке хотя бы одного сигнала работы ЧДАi, формирует выходной сигнал I₄ = 1, иначе формируется выходной сигнал I₄ = 0.

Блок 3 – блок суммирования, в котором складываются 2 величины, величина времени отработки на выбранном расходе и её регулировка. Выходной сигнал I₁ служит уставкой времени для поддержания расхода топливного газа заданной мощности Pзадi и поступает в блок 8.

Блок 4 – блок суммирования, в котором складываются 2 величины, уставка расхода топливного газа и её регулировка. Выходной сигнал I₂ служит уставкой расхода топливного газа соответствующая выбранной мощности Pзадi и поступает в блок 6.

Блок 5 – в котором складываются 2 величины, уставка скорости изменения расхода топливного газа и её регулировка. Выходной сигнал I₃ служит скоростью снижения расхода топлива для безаварийного достижения заданной мощности Pзадi.

Блок 6 – интегрирующий блок, вычисляющий расход топливного газа при снижении мощности. Выходной сигнал I₅ служит величиной текущего задания расхода топливного газа с на вход блока 7 и 8.

Блок 7 – компаратор, выполняющий сравнение величины текущего расхода топливного газа энергетической газотурбинной установкой с уставкой расхода топливного газа заданной мощности Pзадi. При равенстве расходов формируется выходной сигнал I₆ = 1. При разности расходов сигнал сбрасывается и поступает блок 6 и 10.

Блок 8 – блок, реализующий задержку поддержания уставки I₅ в течении времени I₁, при наличии I₄. Выходной сигнал I₇.

Блок 9 – устройство, осуществляющее управление расходом топлива по штатным законам регулирования при наличии сигнала I₇=1, что говорит об окончании алгоритма импульсной разгрузки энергетической газотурбинной. Выходом является I₈ представляет собой задание в блок управления дозатором газа в кг/ч.

Блок 10 – устройство, осуществляющее управление расходом топлива до перехода на штатные законы регулирования при отсутствии сигнала I₇ (I₇=0). Выходом является I₉ представляет собой задание в блок управления дозатором газа в кг/ч.

В описании используются следующие термины и значения:

dGti/dt – уставка темпа изменения расхода топливного газа, потребляемая энергетической газотурбинной установкой, кг/ч/с.

R_ dGti/dt – регулировка темпа изменения расхода топливного газа, потребляемая энергетической газотурбинной установкой. Диапазон регулировки -2000…+2000 кг/ч/с.

Gti – расход топливного газа, потребляемая энергетической газотурбинной установкой, для обеспечения выбранной мощности по сигналу от частотно-делительной автоматики, кг/ч.

R_Gti – регулировка расхода топливного газа, потребляемая энергетической газотурбинной установкой, для обеспечения выбранной мощности по сигналу от частотно-делительной автоматики. Диапазон регулировки -800…+800 кг/ч.

Tgti – уставка времени, в течении которого выполняется поддержание расхода топливного газа энергетической газотурбинной установки, необходимого для обеспечения выбранной мощности по сигналу от частотно-делительной автоматики, с.

R_Tgti – регулировка времени, в течении которого выполняется поддержание расхода топливного газа энергетической газотурбинной установки, необходимое для обеспечения выбранной мощности по сигналу от частотно-делительной автоматики. Диапазон регулировки -0,5…+5 с.

Способ осуществляется следующим образом.

По одному из дискретных сигналов ЧДАi от частотно-делительной автоматики выполняется снижение расхода топлива с максимально допустимым наперед заданным темпом равным dGti/dt + R_ dGti/dt, кг/ч/с, до наперед заданной величины Gti + R_Gti, кг/ч с дальнейшим поддержанием этого расхода в течение наперед заданного времени Tgti + R_Tgti, с, по истечении времени Tgti + R_Tgti, с выполняется переход на поддержание наперед заданной мощности Pзадi, а затем на законы регулирования мощностью энергетической газотурбинной установки во время штатной работы.

dGti/dt + R_ dGti/dt, кг/ч/с – скорость изменения расхода топливного газа, потребляемого ГТУ, позволяющий уменьшить расход газа без формирования аварийного останова.

Gti + R_Gti, кг/ч – необходимый расход топливного газа, потребляемый ГТУ, для обеспечения выбранной мощности по сигналу от частотно-делительной автоматики (Pзадi).

Tgti + R_Tgti, с – время в течении которого выполняется поддержание расхода топливного газа Gti + R_Gti, необходимое для поддержания мощности по сигналу от частотно-делительной автоматики Pзадi.

Pзадi, МВт – итоговая мощность энергоустановки по результатам отработки частотно-делительной автоматики.

Примеры осуществления изобретения.

Пример 1

Для газотурбинных двигателей используемыми в качестве силовых агрегатов в энергетических отраслях на энергоустановках мощностью 25 МВт, при получении сигнала ЧДА1 от ЧДА выполняется импульсная разгрузка турбины до 19,125 МВт путем выполнения снижения расхода топлива до Gт1 = 4000 + R_Gт1, кг/ч с темпом изменения расхода топливного газа 4000 + R_ dGt1/dt, кг/ч/с, с выдержкой на Gт1 в течение времени Tgt1= 0,5 + R_Tgt1, c. После выдержки на 3800 кг/ч в течение времени 1 с выполняется поддержание Рзад1 = 19,125 МВт.

Пример 2

При получении сигнала ЧДА2 от ЧДА выполняется импульсная разгрузка турбины до 18,0 МВт путем выполнения снижения расхода топлива до Gт2 = 3800 + R_Gт2, кг/ч с темпом изменения расхода топливного газа 4000 + R_ dGt2/dt, кг/ч/с, с выдержкой на Gт2 в течение времени Tgt2= 0,5 + R_Tgt2, c. После выдержки на 3650 кг/ч в течение времени 1 с выполняется поддержание Рзад2 = 18,0 МВт.

Пример 3

При получении сигнала ЧДА3 от ЧДА выполняется импульсная разгрузка турбины до 16,75 МВт путем выполнения снижения расхода топлива до Gт3 = 3600 + R_Gт3, кг/ч с темпом изменения расхода топливного газа 4000 + R_ dGt3/dt, кг/ч/с, с выдержкой на Gт3 в течение времени Tgt3= 0,5 + R_Tgt3, c. После выдержки на 3400 кг/ч в течение времени 1 с выполняется поддержание Рзад3 = 16,75 МВт.

Положительный технический результат получен во всех приведённых примерах осуществления изобретения. По результатам прошедших экспериментальных испытаний на опытных газотурбинных двигателях в настоящее время предлагаемый способ испытан на двигателях разработки АО «ОДК-Авиадвигатель», используемых в энергетических газотурбинных установках ГТЭС мощностью 25 МВт и мощностью 4 МВт.

Таким образом, выполнение предлагаемого изобретения с вышеуказанными отличительными признаками, в совокупности с известными признаками, позволяет уменьшить мощность энергетической газотурбинной установки не до минимальной электрической нагрузки, а до нагрузки, соответствующей сигналу от частотно-делительной автоматики, расширить диапазон для компенсации снижении электрической нагрузки энергосети, а в целом улучшить качество вырабатываемой электроэнергии и повысить надежность функционирования ГТЭС.

Изобретение относится к области управления газотурбинными двигателями, используемыми в качестве силовых агрегатов в энергетических отраслях. В способе по одному из дискретных сигналов от частотно-делительной автоматики (ЧДА) выполняется снижение расхода топлива с максимально допустимым наперед заданным темпом равным dGti/dt, кг/ч/с + R_dGti/dt, кг/ч/с, где dGti/dt – уставка темпа изменения расхода топлива, R_dGti/dt – регулировка темпа изменения расхода топлива до наперед заданной величины Gti, кг/ч + R_Gti, кг/ч, где Gti – расход топливного газа для обеспечения выбранной мощности, согласно сигналу от ЧДА, R_Gti – регулировка расхода топливного газа для обеспечения выбранной мощности согласно сигналу от ЧДА, который поддерживается в течение наперед заданного времени равного Tgti, с + R_Tgti, с, где Tgti – уставка времени в течение которого выполняется поддержание расхода топлива для обеспечения выбранной мощности по сигналу от ЧДА, R_Tgti – регулировка времени, в течении которого выполняется поддержание расхода топлива для обеспечения выбранной мощности по сигналу от ЧДА, а затем по истечении наперед заданного времени выполняется переход на поддержание наперед заданной мощности Pзадi, МВт, а далее регулируют мощность энергетической газотурбинной установки. Предлагаемый способ позволяет уменьшить мощность энергетической газотурбинной установки не до минимальной электрической нагрузки, а до нагрузки, соответствующей сигналу от частотно-делительной автоматики, расширить диапазон для компенсации снижении электрической нагрузки энергосети, а в целом улучшить качество вырабатываемой электроэнергии и повысить надежность функционирования ГТЭС. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 пр.

1. Способ импульсной разгрузки энергетической газотурбинной установки при внезапном сбросе нагрузки, заключающийся в том, что уменьшают подачу топлива и сжатого в компрессоре воздуха в камеру сгорания, отличающийся тем, что по одному из дискретных сигналов от частотно-делительной автоматики выполняется снижение расхода топлива с максимально допустимым наперед заданным темпом равным dGti/dt, кг/ч/с + R_dGti/dt, кг/ч/с, где dGti/dt – уставка темпа изменения расхода топлива, R_dGti/dt – регулировка темпа изменения расхода топлива до наперед заданной величины Gti, кг/ч + R_Gti, кг/ч, где Gti – расход топливного газа для обеспечения выбранной мощности, согласно сигналу от частотно-делительной автоматики, R_Gti – регулировка расхода топливного газа для обеспечения выбранной мощности согласно сигналу от частотно-делительной автоматики, который поддерживается в течение наперед заданного времени равного Tgti, с + R_Tgti, с, где Tgti – уставка времени в течении которого выполняется поддержание расхода топлива для обеспечения выбранной мощности по сигналу от частотно-делительной автоматики, R_Tgti – регулировка времен, в течении которого выполняется поддержание расхода топлива для обеспечения выбранной мощности по сигналу от частотно-делительной автоматики, а затем по истечении наперед заданного времени выполняется переход на поддержание наперед заданной мощности Pзадi, МВт, а далее регулируют мощностью энергетической газотурбинной установки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулировка темпа R_ dGti/dt равна -2000…+2000 кг/ч/с.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулировка расхода R_Gti равна -800…+800 кг/ч.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулировка времени R_Tgti равна -0,5…+5 с.