Способ предотвращения отклонения параметров силовой турбины турбомашинного агрегата при внезапном полном или частичном сбросе нагрузки

 

Изобретение 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. Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении безопасности способа путем предотвращения раскрутки силовой турбины турбомашинного агрегата, способной повредить оборудование, травмировать обслуживающий персонал или отключить электроснабжение потребителей, за счет осуществления кратковременного отключения подачи топлива в камеру сгорания. Сущность изобретения заключается в том, что в способе предотвращения отклонения параметров силовой турбины турбомашинного агрегата при внезапном полном или частичном сбросе нагрузки, включающем подачу сигналов о величинах частоты вращения ротора силовой турбины (n_ст), частоты вращения ротора газогенератора (n_гг) и одного из параметров нагрузки, а также формирование сигнала на управление расходом топлива в камере сгорания, согласно изобретению, дополнительно определяют величину термодинамического параметра газогенератора, сравнивают ее с соответствующим пороговым значением, а при одновременном поступлении сигнала о превышении величины параметра над его пороговым значением и сигнала о внезапном полном или частичном сбросе нагрузки подают команды на включение зажигания на заданный промежуток времени и на отключение подачи топлива в камеру сгорания, а также дополнительно сравнивают величину n_гг с соответствующим пороговым значением n^порог_гг и величину n_ст с соответствующим пороговым значением n^порог_ст, определяют первую производную частоты вращения ротора силовой турбины _ст, сравнивают ее величину с соответствующим пороговым значением ^порог_ст, а также определяют величину приращения частоты вращения ротора Δn_ст после сброса нагрузки, и далее, в случае, если n_ст<n_ст; | n_ст | <n_ст, Δn_ст<0 и n_гг>n^порог_гг, подают сигнал на включение подачи топлива в камеру сгорания. Кроме того, термодинамическим параметром газогенератора и/или параметром нагрузки служат частота вращения ротора газогенератора n_гг либо приведенная к температуре на входе частота вращения ротора газогенератора n_{гг пр}. Термодинамическим параметром газогенератора также может служить полное давление воздуха за компрессором Р_к*, а параметром нагрузки - мощность электрического генератора Р_ген, приводимого в действие силовой турбиной турбомашинного агрегата. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение 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.

Известны способы предотвращения раскрутки силовой турбины турбомашинного агрегата путем прекращения подачи топлива в камеру сгорания при достижении пороговой величины скорости вращения силовой турбины /1/.

Однако использование известного способа в ряде случаев приводит к необоснованному выключению газотурбинной установки и приводимого ею агрегата, что является экономически невыгодным, т.к. вынуждает потребителей энергии (или вещества) от приводимого агрегата простаивать или переключаться на другие источники энергии (вещества).

Известен также способ предотвращения раскрутки силовой турбины, заключающийся в измерении частоты вращения силовой турбины (n_ст), определении производной первого порядка по времени (n_ст) с последующим определением разницы между мощностью, передаваемой на вал силовой турбины, и мощностью, снимаемой с вала силовой турбины, и формирование сигнала на изменение величины регулируемого параметра /2/.

Однако известный способ не может быть использован, если величина разницы между мощностью, передаваемой на вал силовой турбины, и мощностью, снимаемой с вала силовой турбины, превышает величину порядка 50% передаваемой на вал силовой турбины мощности.

Наиболее близким к заявляемому является способ предотвращения отклонений частоты вращения в газотурбинном агрегате, содержащем газовую турбину и имеющем переменную нагрузку и переменный расход топлива, включающий прием упреждающего сигнала о внезапном полном или частичном сбросе нагрузки и уменьшение расхода топлива в газовую турбину по этому сигналу /3/.

При полном или частичном сбросе нагрузки частота вращения силовой турбины возрастает. Уравнение, из которого определяется изменение частоты вращения, имеет вид:

где I - суммарный момент инерции всех вращающихся вместе с валом силовой турбины деталей;

n_ст - частота вращения вала силовой турбины;

Р_т - мощность, передаваемая на вал силовой турбины;

P_L - мощность, снимаемая с вала силовой турбины.

Расчеты показывают, что при реализации данного способа с учетом максимально возможного уменьшения расхода топлива в камеру сгорания (до минимального расхода топлива, необходимого для поддержания факела в камере сгорания) и при P_L<0,5Р не во всех случаях может быть предотвращена раскрутка силовой турбины выше порогового значения n^порог_ст.

Данный способ не обеспечивает предотвращение раскрутки силовой турбины, способной повредить оборудование, травмировать обслуживающий персонал.

Кроме того, в случае использования электрогенератора в качестве приводимого механизма, величина n_ст может превышать 110-112% от номинальной при внезапном сбросе более 50% нагрузки. При такой величине частоты вращения ротора система защиты электростанции отключит электрогенератор от потребителя. Такое отключение будет препятствием, затрудняющим использование известного способа в энергетических установках, т.к. приводит к необоснованному отключению энергопотребителей.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении безопасности способа путем предотвращения раскрутки силовой турбины турбомашинного агрегата, способной повредить оборудование, травмировать обслуживающий персонал или отключить электроснабжение потребителей, за счет осуществления кратковременного отключения подачи топлива в камеру сгорания.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе предотвращения отклонения параметров силовой турбины турбомашинного агрегата при внезапном полном или частичном сбросе нагрузки, включающем подачу сигналов о величинах частоты вращения ротора силовой турбины (n_ст), частоты вращения ротора газогенератора (n_гг) и одного из параметров нагрузки, а также формирование сигнала на управление расходом топлива в камере сгорания, согласно изобретению, дополнительно определяют величину термодинамического параметра газогенератора, сравнивают ее с соответствующим пороговым значением, а при одновременном поступлении сигнала о превышении величины параметра над его пороговым значением и сигнала о внезапном полном или частичном сбросе нагрузки, подают команды на включение зажигания на заданный промежуток времени и на отключение подачи топлива в камеру сгорания, а также дополнительно сравнивают величину n_гг с соответствующим пороговым значением n^порог_гг и величину n_ст с соответствующим пороговым значением n^порог_ст, определяют первую производную частоты вращения ротора силовой турбины , сравнивают ее величину с соответствующим пороговым значением , а также определяют величину приращения частоты вращения ротора Δn_ст после сброса нагрузки, и далее, в случае, если n_ст<n_ст; , Δn_ст<0 и n_гг>n^порог_гг, подают сигнал на включение подачи топлива в камеру сгорания.

Кроме того, термодинамическим параметром газогенератора и/или параметром нагрузки служат частота вращения ротора газогенератора n_гг либо приведенная к температуре на входе частота вращения ротора газогенератора n_{гг пр}.

Термодинамическим параметром газогенератора также может служить полное давление воздуха за компрессором Р_к*, а параметром нагрузки - мощность электрического генератора Р_ген, приводимого в действие силовой турбиной турбомашинного агрегата.

В способе-прототипе отключение подачи топлива в случае полного или частичного сброса нагрузки на валу силовой турбины не предусмотрено. Такое отключение необходимо для предотвращения раскрутки силовой турбины выше допустимого значения при значительной разности величин Р_т и P_L.

В заявляемом техническом решении отключение подачи топлива осуществляют в случае поступления сигнала о “высоком” режиме работы газогенератора. Поэтому включение зажигания осуществляется одновременно с выключением подачи топлива для того, чтобы при возобновлении подачи топлива в камеру сгорания не произошел срыв пламени, который может вызвать останов газогенератора. Включение зажигания может осуществляться на заданный промежуток времени (порядка 10 с для газогенераторов двигателя ПС-90, Д-30).

Дополнительное определение величины термодинамического параметра газогенератора позволяет выявить “высокий” режим работы газогенератора и сформировать сигнал, по которому при наличии сигнала о сбросе нагрузки на валу силовой турбины формируется команда на отключение подачи топлива в камеру сгорания и сигнал на включение зажигания на заданный промежуток времени. Определение n_гг, _cт и Δn_cт необходимо для анализа условий, позволяющих включить (возобновить) подачу топлива в камеру сгорания с целью исключения необоснованного выключения газотурбинной установки.

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

Блок 1 представляет собой блок сравнения термодинамического параметра с его пороговым значением, сигнал I₁ с выхода которого поступает на вход блока 2.

Блок 2 - это логическое устройство типа “И” с двумя входами и одним выходом. В случае n_гг>n^порог_гг, либо n_{гг пр.}>n^порог_{гг пр}, либо Р_к*>Р_к*^порог, на первый вход блока 2 поступает сигнал I₁=1 о нахождении газогенератора в зоне “высоких” режимов работы. В случае внезапного полного или частичного сброса нагрузки на второй вход блока поступает сигнал I₂=1. При наличии сигналов I₁=1 и I₂=1 на выходе блока 2 формируется сигнал I₃ на отключение подачи топлива, и одновременно подается команда на включение зажигания на заданный промежуток времени.

Блок 3 - функциональное устройство с двумя входами и одним выходом. На входы блока 3 поступают сигналы о величине одного из параметров нагрузки, например, Р_ген, и о величине n_ст. С учетом величины параметра нагрузки и величины n_cт в блоке 3 формируется выходной сигнал I₄, являющийся командой на управление расходом топлива в камеру сгорания.

Блок 4 представляет собой устройство формирования команды на изменение расхода топлива при воздействии различных контуров ограничения параметров, таких как температура газа за турбиной газогенератора, давление воздуха за компрессором, частота вращения ротора газогенератора, частота вращения ротора силовой турбины и т.п. При достижении любым из ограничиваемых параметров соответствующего порогового значения в блоке 4 формируется выходной сигнал I₅ на изменение расхода топлива, поступающего в камеру сгорания.

Блок 5 - это блок селектирования, осуществляющий отбор наименьшего или наибольшего выходных сигналов I₄, I₅ с блоков 3 и 4 в зависимости от знака изменения сигнала на задание подачи топлива. Выходной сигнал I₆ служит командой на управление клапанами подачи топлива (расходом топлива).

Блок 6 - компаратор, выполняющий сравнение фактической величины n_ст с ее пороговым значением n^порог_ст. При n_ст<n_ст на выходе блока 6 формируется сигнал на включение подачи топлива (I₇=1), который поступает на 1-й вход блока 12. При n_ст ≥ n^порог_cт формируется сигнал I₇=0.

Блок 7 - блок вычисления величины приращения частоты вращения ротора Δn_cт после сброса нагрузки, выходной сигнал I₈ с которого поступает на вход блока 10. Блок 7 формирует сигнал I₈=1 при отрицательной величине приращения частоты вращения Δn_ст<0 в последовательных циклах обработки сигнала о величине n_ст.

Δn_ст=n_стi-n_{стi - 1} - это разность между величинами последующей и предыдущей за сбросом частотами вращения силовой турбины в циклах обработки сигнала n_ст.

Если Δn_ст ≥ 0, то I₈=0.

Блок 8 представляет собой дифференциатор, в котором осуществляется вычисление первой производной n_ст по времени , сигнал I₉ с которого поступает на вход блока 9.

Блок 9 - компаратор, выполняющий сравнение фактической величины с ее пороговым значением . При формируется сигнал I₁₀=1, поступающий на вход блока 10. При формируется сигнал I₉=0.

Блок 10 представляет собой логическое устройство типа “И” с двумя входами и одним выходом. При поступлении на оба входа сигналов I₈=1 и I₁₀=1 на выходе блока 10 формируется сигнал I₁₁=1 на включение подачи топлива.

Блок 11 - компаратор, выполняющий сравнение фактической величины n_гг с ее пороговым значением n^порог_гг. При n_гг>n^порог_гг на выходе блока 11 формируется сигнал на включение подачи топлива I₁₂=1, поступающий на вход блока 12.

Блок 12 - логический блок типа “И” с тремя входами и одним выходом. При поступлении на входы блока 12 сигналов I₇=1, I₁₁=1 и I₁₂=1 на выходе блока 12 формируется сигнал I₁₃=1 на включение подачи топлива.

Блок 13 - блок включения-отключения отсечного клапана. При поступлении сигнала I₃=1 на 1-й вход блока 13 включается (закрывается) отсечной клапан, отключающий подачу топлива в камеру сгорания. При поступлении сигнала I₁₃=1 на 2-й вход блока 13 отключается (открывается) отсечной клапан и возобновляется подача топлива в камеру сгорания.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

В блоке 1 постоянно осуществляется регистрация фактической величины термодинамического параметра газогенератора в процессе работы силовой турбины турбомашинного агрегата. Таким параметром может служить частота вращения ротора газогенератора n_гг, либо приведенная к температуре на входе частота вращения ротора газогенератора n_{гг пр}, либо полное давление воздуха за компрессором Р_к*.

Величина одного из вышеперечисленных параметров в блоке 1 сравнивается с соответствующим пороговым значением. При превышении фактической величины параметра его порогового значения на выходе блока 1 формируется сигнал I₁=1, поступающий на вход блока 2. В случае внезапного полного или частичного сброса нагрузки на второй вход блока 2 поступает сигнал I₂=1.

При поступлении информации о нахождении генератора в зоне “высоких” режимов работы и поступлении информации о внезапном сбросе нагрузки, т.е. поступлении сигналов l₁=1 и I₂=1 на входы блока 2, формируется команда на включение зажигания на заданный промежуток времени и одновременно подается сигнал на отключение подачи топлива, поступающий на вход блока 13, тем самым предотвращая раскрутку силовой турбины при внезапном полном или частичном сбросе нагрузки за счет резкого уменьшения подвода энергии от газогенератора к силовой турбине.

Одновременно осуществляют замер параметра нагрузки, которым может служить либо мощность электрического генератора Р_ген, приводимого в действие силовой турбиной турбомашинного агрегата, либо частота вращения ротора газогенератора n_гг, либо приведенная к температуре на входе частота вращения ротора газогенератора n_{гг пр}.

Сигнал о величине одного из перечисленных параметров, например, Р_ген, поступает на 1-й вход блока 3, на второй вход которого поступает сигнал о величине частоты вращения ротора силовой турбины n_cт. В блоке 3 на основании величины параметра нагрузки и величины n_cт вырабатывается выходной сигнал 14, являющийся командой на управление расходом топлива в камеру сгорания. Сигнал I₄ поступает на вход блока 5. На второй вход блока 5 подается сигнал I₅ с блока 4, в котором формируется команда на изменение расхода топлива при воздействии различных контуров ограничения параметров (например, температуры газа за турбиной газогенератора, частоты вращения ротора газогенератора, частоты вращения ротора силовой турбины).

В блоке 5 производится отбор одного из входных сигналов I₄ и I₅ (наименьшего или наибольшего в зависимости от знака изменения сигнала I₅). Выбранный сигнал в виде выходного сигнала I₆ служит командой на управление расходом топлива, подаваемого в камеру сгорания, обеспечивая поддержание требуемой величины n_cт при плавных изменениях нагрузки на валу силовой турбины.

В блоках 6-9 анализируются изменения величин n_ст и ее первой производной по времени . При n_ст<n_ст на выходе блока 6 формируется сигнал I₇=1. Если , то на выходе блока 9 формируется сигнал I₁₀=1.

Если Δn_ст<0, то I₈=1. Логический блок 10 анализирует входящие сигналы I₈ и I₁₀. Если I₈=1 и I₁₀=1, то формируется выходной сигнал I₁₁=1. При n _гг>n_гг ^порог на выходе блока 11 формируется сигнал I₁₂=1.

При отключении подачи топлива при резком сбросе нагрузки (I₂=1) в зоне “высоких” режимов работы (I₁=1) по результатам анализа изменения величин n_ст и n^порог_cт в случае поступления трех сигналов I₇=1, I₁₁=1 и I₁₂=1 на входы блока 12 формируется команда I₁₃=1 на блок 13 на включение (возобновление) подачи топлива в камеру сгорания.

Источники информации

1. Основы технологии создания газотурбинных двигателей для магистральных самолетов, М., “Авиатехинформ”, 1999 г., стр.56.

2. Патент США № 5609465, F 01 D 17/06, 1997 г.

3. Патент РФ № 2168044, F 02 С 9/28, 1997 г.

Формула изобретения

1. Способ предотвращения отклонения параметров силовой турбины турбомашинного агрегата при внезапном полном или частичном сбросе нагрузки, включающий подачу сигналов о величинах частоты вращения ротора силовой турбины (n_cт), частоты вращения ротора газогенератора (n_гг) и одного из параметров нагрузки, а также формирование сигнала на управление расходом топлива в камере сгорания, отличающийся тем, что дополнительно определяют величину термодинамического параметра газогенератора, сравнивают ее с соответствующим пороговым значением, а при одновременном поступлении сигнала о превышении величины параметра над его пороговым значением и сигнала о внезапном полном или частичном сбросе нагрузки, подают команды на отключение подачи топлива в камеру сгорания и на включение зажигания на заданный промежуток времени, а также дополнительно сравнивают величину n_гг с соответствующим пороговым значением n^порог_гг и величину n_cт с соответствующим пороговым значением n^порог_ст, определяют первую производную частоты вращения ротора силовой турбины по времени _ст, сравнивают ее величину с соответствующим пороговым значением ^порог_ст, а также определяют величину приращения частоты вращения ротора Δn_ст после сброса нагрузки, и далее, в случае, если n_cт <n_ст; | n_ст | < ^порог_ст, Δn_ст<0 и n_гг>n ^порог_гг, подают сигнал на включение подачи топлива в камеру сгорания.

2. Способ предотвращения отклонения параметров силовой турбины турбомашинного агрегата по п.1, отличающийся тем, что термодинамическим параметром газогенератора и/или параметром нагрузки служат частота вращения ротора газогенератора n_гг либо приведенная к температуре на входе частота вращения ротора газогенератора n _{гг пр}.

3. Способ предотвращения отклонения параметров силовой турбины турбомашинного агрегата по п.1, отличающийся тем, что термодинамическим параметром газогенератора служит полное давление воздуха за компрессором р_к*.

4. Способ предотвращения отклонения параметров силовой турбины турбомашинного агрегата по п.1, отличающийся тем, что параметром нагрузки служит мощность электрического генератора Р_ген, приводимого в действие силовой турбиной турбомашинного агрегата.

РИСУНКИ

Рисунок 1

PC4A - Регистрация договора об уступке патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Прежний патентообладатель:Открытое акционерное общество "Авиадвигатель"

(73) Патентообладатель:Открытое акционерное общество "Газпром"

(73) Патентообладатель:Открытое акционерное общество "Авиадвигатель"

Договор № РД0045569 зарегистрирован 15.01.2009

Извещение опубликовано: 27.02.2009        БИ: 06/2009

QB4A Государственная регистрация договора о распоряжении исключительным правом

Дата и номер государственной регистрации договора: 31.03.2011 № РД0078790

Вид договора: лицензионный

Лицо(а), предоставляющее(ие) право использования: Открытое акционерное общество "Газпром" (RU), Открытое акционерное общество "Авиадвигатель" (RU)

Лицо, которому предоставлено право использования: Открытое акционерное общество "Пермский моторный завод" (RU)

Условия договора: НИЛ, на срок действия патента на территории РФ.

Дата публикации: 10.05.2011

---