Система автоматического управления газотурбинной установкой с двумя и более турбокомпрессорами Советский патент 1992 года по МПК F02C9/28 

Изобретение относится к области автоматического управления газотурбинной установкой и может быть использовано для контроля и регулирования двух и более турбокомпрессоров, работающих на общую нагрузку, например на нагнетатель природного газа.

В настоящее время одной из основных задач, стоящих перед газотурбостроением, является повышение КПД, что может быть достигнуто за счет использования керамических материалов. Однако в связи с тем, что существующие на сегодня керамические материалы не позволяют создать турбокомпрессор большой мощности, то задача обеспечения необходимой мощности решается путем параллельного включения нескольких турбокомпрессоров меньшей мощности, работающих на общую нагрузку.

Известны системы автоматического управления газотурбинной установкой, содержащие датчик частоты вращения ротора, блок задатчика скорости вращения, блок сравнения, блок формирования .регулирующего воздействия и клапан подачи топливного газа на турбокомпрессор с сервомотором. Получая сигналы от датчика частоты вращения ротора, система автоматического управления подает корректируюVI

О

ел VI VI

щие сигналы на регулирующий клапан линии подвода топлива.

Наиболее близкой по технической сущности является система автоматического управления газотурбинной установ- кой ГТ-100-750, предназначенная для поддержания в заданных пределах частоты вращения ротора и выходной мощности турбокомпрессора.

Система автоматического управления в этой установке состоит из датчиков частоты вращения, давления, мощности и темпера- турьи образующих контуры регулирования по частоте вращения ротора, помпажу, температуре и мощности с использованием микропроцессорной техники.

Система обеспечивает комплексное регулирование частоты вращения ротора, выходной мощности, средней температуры до и после турбины и др. параметров, при этом имеется возможность перехода с одного контура регулирования на другой или их дублирования.

Контур регулирования по частоте содержит датчик частоты вращения, блок зада- ния частоты вращения, блок сравнения (суммирования), блок формирования регулирующего воздействия и клапан подачи топливного газа с сервомотором. При этом выход блока задания скорости вращения подключен к первому входу блока сравнения, выход которого подключен к входу блока формирования регулирующего воздействия, выход которого подключен к входу сервомотора клапана подачи топлив- ного газа на турбокомпрессор.

Недостаток этой системы регулирова1- ния заключается в том, что при использовании ее в газотурбинной установке с несколькими турбокомпрессорами, работа- ющими на общую нагрузку, не обеспечива- .ется выравнивание выходной мощности турбокомпрессоров, разброс которой обусловлен различием их конструктивных и технологических характеристик. Кроме того, в силу различного износа турбинных лопаток в процессе эксплуатации турбокомпрессоры теряют свою мощность неодинаково.

В результате один из турбокомпрессоров будет иметь большую мощность и его можно принять ведущим, другие будут иметь меньшую мощность и их можно принять ведомыми. Разброс мощностей турбокомпрессоров, работающих на общую нагрузку, приводит к появлению пульсаций давления в силовой турбине и вибрационным перегрузкам, что снижает надежность и ресурс работы газотурбинной установки.

Целью изобретения является повышение надежности работы газотурбинной установки за счет выравнивания мощностей турбокомпрессоров путем управления массовым расходом топливного газа в каждом турбокомпрессоре.

Эта цель достигается тем, что система автоматического управления газотурбинной установкой с двумя и более турбокомпрессорами, подключенными к одной силовой турбине, дополнительно снабжена установленными на входе каждого турбокомпрессора клапанами подачи топливного газа с сервомоторами, блоками регулировки и массовыми расходомерами топливного газа и воздуха, сумматорами по числу компрессоров, дополнительными блоками сравнения по числу ведомых компрессоров и преобразователем, причем входы каждого сумматора подключены к выходам массовых расходомеров топливного газа и воздуха для каждого компрессора, выход первого сумматора подключен к первым входам дополнительных блоков сравнения, вторые входы которых подключены к выходам соответствующих сумматоров для ведомых турбокомпрессоров, а их выходы - к входам соответствующих блоков регулировки дополнительных клапанов подачи топливного газа ведомых турбокомпрессоров, датчик частоты вращения ротора силовой турбины подключен к входу преобразователя, выход которого подключен к второму входу блока сравнения.

Дополнительно образованный контур регулирования по массовому расходу топлива позволяет поддерживать одинаковую мощность на выходе каждого турбокомпрессора, что уменьшает вероятность появления пульсаций давления и нежелательных вибраций.

Небольшое увеличение или уменьшение расхода газа в каком-либо турбокомпрессоре приводит автоматически к существенному изменению расхода воздуха в нем. Усиленный сигнал с расходомера воздуха через блоки суммирования, сравнения и формирования управляющего сигнала воздействует на клапан топливного газа соответствующего турбокомпрессора, уменьшая или увеличивая его выходную мощность.

Таким образом, регулирование расхода топливного газа в каждом турбокомпрессоре относительно ведущего позволяет поддерживать в них одинаковую выходную мощность, что исключает вероятность пульсации газа в силовой турбине и появления нежелательных вибраций.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана функционально-структурная схема системы автоматического

управления газотурбинной установкой с двумя и более (в частности тремя) турбокомпрессорами, подключенными к одной силовой турбине.

Система управления поддерживает одинаковую выходную мощность в турбокомпрессорах 1,2 и 3, подключенных параллельно к силовой турбине 4. Она содержит основной контур регулирования по частоте вращения ротора силовой турбины и дополнительный - по массовому расходу топливного газа и воздуха в каждом турбокомпрессоре. Для простоты рассмотрения в ней опущены известные контуры регулирования коэффициента запаса по помпажу, температуре и мощности.

Основной контур регулирования состоит из датчика 5 скорости вращения ротора силовой турбины, блока 6 задатчика скорости вращения ротора, блока 7 сравнения, блока 8 формирования регулирующего воздействия, клапана 9 подачи топливного газа на турбокомпрессоры 1, 2 и 3 с сервомотором 10.

Дополнительный контур регулирования состоит из установленных на входе каждого турбокомпрессора дополнительных клапанов 11, 12 и 13 подачи топливного газа с сервомоторами 14, 15 и 16, блоков 17, 18 и 19 регулировки и массовых расходомеров 20, 21, 22, 23, 24 и 25 топливного газа и воздуха, сумматоров 26, 27 и 28 по числу компрессоров, дополнительных блоков 29 и 30 сравнения по числу ведомых компрессоров и преобразователя 31. При этом выход блока 6 задатчика скорости вращения подключен к первому входу блока 7 сравнения, выход которого подключен к входу блока 8 формирования регулирующего воздействия, выход которого подключен к входу сервомотора 10 клапана 9 подачи топливного газа на турбокомпрессоры 1, 2 и 3. Входы каждого сумматора 26, 27 и 28 подключены к выходам массовых расходомеров 20 и 23, 21 и 24, 22 и 25 топливного газа и воздуха для каждого турбокомпрессора 1, 2 и 3, выход первого сумматора 26 подключен к первым входам дополнительных блоков 29 и 30 сравнения, вторые входы которых подключены к выходам соответствующих сумматоров 27 и 28 для ведомых турбокомпрессоров 2 и 3, а их выходы - к входам соответствующих блоков 18 и 19 регулировки дополнительных клапанов 12 и 13 подачи топливного газа ведомых турбокомпрессоров 2 и 3, а датчик 5 частоты вращения ротора силовой турбины подключен к входу преобразователя 31, выход которого

подключен к второму входу блока 7 сравнения.

Предлагаемая система автоматического управления ГТУ может быть реализована с использованием дополнительного контура, состоящего из массовых расходомеров, например Кариолисова типа, установленных на всасывающем патрубке и магистрали топливного газа турбокомпрессора, а также

0 блоков суммирования, сравнения и управления, выполненных на базе микропроцессорной техники. Такая система позволяет осуществить управление ГТУ с высокой точностью и быстродействием.

5 Система управления ГТУ с несколькими параллельно включенными турбокомпрессорами работает следующим образом.

В установившемся режиме при изменении нагрузки и соответственно сигнала, по0 ступающего с датчика 5 скорости вращения ротора силовой турбины 4, блок 7 сравнения вырабатывает сигнал, пропорциональный разности сигналов заданной и фактической скорости вращения ротора. Этот сигнал по5 ступает на вход блока 8, который формирует регулирующее воздействие на клапан 9 с сервомотором 10, что вызывает изменение режима работы турбокомпрессоров 1, 2 и 3 в соответствии с величиной и знаком сигна0 ла рассогласования в блоке 7.

В случае падения мощности в одном из турбокомпрессоров, например 2, в блоке 29 сравнения вырабатывается сигнал, пропорциональный разности сигналов с выхода

5 блоков 26 и 27, подключенных к массовым расходомерам топливного газа и воздуха. Этот сигнал поступает на вход блока 18 управления дополнительным клапаном 12 с сервомотором 15, который дополнительо но регулирует подачу топливного газа в ведомый турбокомпрессор 2. При этом ре- гулирование подачи воздуха происходит автоматически самим турбокомпрессором. Клапан 12 перемещается в зависимости от

5 знака и величины сигнала рассогласования до тех пор, пока в результате изменения режима работы ведомого турбокомпрессора значение расхода в нем топливного газа и воздуха, а следовательно, и сигна0 ла рассогласования, поступающего из блока сравнения 29, не станет меньше порога чувствительности блока 18 управления приводом клапана 12, регулирующего подачу топливного газа в ведомый турбокомп5 рессор 2.

Аналогичным образом происходит регулирование остальных турбокомпрессоров.

Использование заявляемого технического решения в народном хозяйстве страны, в сравнении с прототипом, позволяет

повысить надежность и ресурс работы газотурбинной установки, так как обеспечивается автоматическое регулирование выходной мощности турбокомпрессоров на заданный одинаковый уровень, При этом исключаются пульсации давления в силовой турбине и устраняется возможность появления нежелательных вибраций. Наличие контура регулирования массового расхода топливного газа и воздуха в каждом турбокомпрессоре обеспечивает оптимальный режим работы ГТУ в целом.

Предполагаемый экономический эффект от внедрения системы автоматического регулирования будет рассчитан на стадии внедрения, исходя из планируемых объемов производства и реализации ГТУ с керамическими элементами.

Формула изобретения Система автоматического управления газотурбинной установкой с двумя и более турбокомпрессорами, подключенными к силовой турбине, один из которых является ведущим, а остальные - ведомыми, содержащая датчик частоты вращения ротора силовой турбины, блок задатчика скорости вращения, блок сравнения, блок формирования регулирующего воздействия, клапан подачи топливного газа на турбокомпрессоры с сервомотором, выход блока задатчика

скорости вращения подключен к первому входу блока сравнения, выход которого подключен к входу блока формирования регулирующего воздействия, выход которого

подключен к входу сервомотора клапана подачи топливного газа на турбокомпрессоры, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности, она дополнительно содержит установленные на входе каждого турбокомпрессора дополнительные клапаны подачи топливного газа с сервомоторами и блоками регулировки и массовые расходомеры топливного газа и воздуха, сумматоры по числу компрессоров, дополнительные блоки сравнения по числу ведомых компрессоров и преобразователь, входы каждого сумматора подключены к выходам массовых расходомеров топливного газа и воздуха для каждого турбокомпрессора, выход первого сумматора подключен к первым входам дополнительных блоков сравнения, вторые входы которых подключены к выходам соответствующих сумматоров для ведомых турбокомпрессоров, а их

выходы - к входам соответствующих блоков регулировки дополнительных клапанов подачи топливного газа ведомых турбокомпрессоров, датчик частоты вращения ротора силовой турбины подключен к входу преобразователя, выход которого подключен к второму входу блока сравнения.

Использование: для контроля и регулирования двух и более турбокомпрессоров, работающих на общую нагрузку, например на нагнетатель природного газа. Сущность изобретения: основной контур регулирования состоит из датчика 5 скорости вращения ротора силовой турбины, блока 6 задатчика скорости вращения ротора, блока 7 сравнения, блока 8 формирования регулирующего воздействия, клапана 9 подачи топливного газа на турбокомпрессоры 1, 2 и 3 с сервомотором 10. Дополнительный контур регулирования состоит из установленных на входе каждого турбокомпрессора дополнительных клапанов 11,12 и 13 подачи топливного газа с сервомоторами 14, 15 и 16, блоков 17, 18 и 19 регулировки и массовых расходомеров 20, 21,22, 23, 25 топливного газа и воздуха, сумматоров 26, 27 и 28 по числу компрессоров, дополнительных блоков 29 и 30 сравнения по числу ведомых компрессоров и преобразователя 31. 1 ил.