Система автоматического управления энергетической установкой

Система относится к области автоматического управления газотурбинными энергетическими установками, оборудованными свободной силовой турбиной и электрическим генератором. Обеспечение требуемого качества вырабатываемой электрическим генератором электроэнергии осуществляется за счет идентификации режима работы электрического генератора - автономная работа или параллельная с промышленной энергосистемой. При наличии сигнала на автономную работу или при отсутствии сигнала включения нагрузки величина nстЗАД сравнивается с измеренной частотой вращения nст в третьем электронном регуляторе, на выходе которого формируется сигнал управления Iупр исполнительным механизмом дозатора топлива, который изменяет расход топлива GT в камеру сгорания ГТД пропорционально величине отклонения Δnст с целью поддержания заданной частоты вращения nстЗАД. При отсутствии сигнала на автономную работу и при наличии сигнала включения нагрузки на входе в блок формирования сигнала о режиме работы электрического генератора на выходе блока формируется сигнал I4=1. При увеличении частоты переменного тока в сети электрическая мощность, отдаваемая электрическим генератором, начнет уменьшаться. Это приведет к увеличению текущей величины nст по сравнению с nстЗАД. В третьем электронном регуляторе возникнет сигнал рассогласования Δnст=nстЗАД-nст и сформируется управляющий сигнал Iупр на уменьшение расхода топлива Gt в камеру сгорания ГТД. При достижении равенства nст=nстЗАД уменьшение подачи топлива Gt прекратится (в третьем электронном регуляторе сигнал рассогласования Δnст=0), при этом величина nвд пр будет соответствовать меньшей мощности, отдаваемой генератором в сеть, а величина Δnст будет соответствовать увеличению частоты переменного тока в сети. При уменьшении частоты переменного тока в сети процесс регулирования будет происходить аналогично, но в сторону увеличения электрической мощности, отдаваемой генератором в сеть (и соответственно к увеличению nвд пр), для поддержания равенства nст=nстЗАД. 1 ил.

 

Изобретение относится к системам автоматического управления газотурбинными энергетическими установками, оборудованными свободной силовой турбиной и электрическим генератором, при изменениях потребляемой мощности.

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 [Патент Японии №7003190, кл. F02C 9/46, 1995]. 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 (nВДЗАД), обеспечивающее соответствующую мощность (нагрузку N), измеряют nВД, сравнивают nВД с nВДЗАД и изменяют расход топлива в камеру сгорания двигателя пропорционально величине отклонения nВД от nВДЗАД. Также измеряют частоту вращения ротора свободной турбины nСТ, сравнивают измеренную величину nСТ с заданной nСТЗАД и дополнительно осуществляют поворот лопаток в переходном канале перед силовой турбиной, изменяя расход газа через свободную турбину, в зависимости от величины отклонения nСТ от заданной величины nСТЗАД [Патент Японии №7003190, кл. F02C 9/46, 1995].

К недостаткам известного устройства относятся наличие в переходном канале специального лопаточного аппарата, имеющего конструктивную сложность механизма его поворота, что приводит к снижению надежности и удорожанию установки, а также пониженная точность поддержания nСТ из-за косвенного характера управляющего воздействия в камеру сгорания двигателя. Кроме того, при одновременном воздействии двух независимых контуров (органов) управления возможна неустойчивая работа системы из-за наличия длительных незатухающих автоколебаний по параметру nСТ.

Известна также система автоматического управления газотурбинной энергетической установкой, включающая последовательно расположенные газотурбинный двигатель (газогенератор), свободную силовую турбину и электрический генератор, размещенные на одном механическом валу. При этом в устройстве управления газотурбинной установкой при изменении величины потребляемой нагрузки предусмотрено регулирование расхода топлива в камеру сгорания двигателя в зависимости от величины рассогласования текущей мощности (измеренной электрической нагрузки N) свободной силовой турбины и временного установочного значения мощности силовой турбины с учетом сигнала от ограничителя сброса нагрузки. [Патент США №5761895, кл. F01C 9/28, 1995].

Основным недостатком данного аналога и других подобных устройств, предусматривающих управление на основе информации о величине электрической нагрузки N, является необходимость введения дополнительного точного и быстродействующего измерительного канала N, что на практике не всегда удается реализовать из-за его конструктивной сложности и существенного уровня методической погрешности измерения N в трехфазных сетях при несимметричной (неравномерной) нагрузке. Погрешность измерения N становится особенно значимой в динамике при глубоких мгновенных переключениях реактивной нагрузки в промышленных энергосистемах.

Негативным последствием повышенной погрешности измерения N в динамике и в неблагоприятном сочетании с конструктивными особенностями газотурбинной установки (например, nст≥5000…6000 об/мин и более, вместо типовых 3000 об/мин), эксплуатационными факторами, например внезапный полный сброс максимальной нагрузки, может стать повышенная раскрутка силовой турбины и ее механическое разрушение.

Наиболее близкой по конструкции и достигаемому результату к заявляемой является система автоматического управления 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) nВД, датчик измерения частоты вращения силовой турбины nСТ, собственно устройство управления с тремя последовательно соединенными функциональными блоками в виде нелинейных регуляторов, два из которых имеют обратную связь по параметрам nВД и nСТ и исполнительным механизмом, обеспечивающим подачу топлива в камеру сгорания двигателя в зависимости от величины рассогласования текущего nВД и заданного значения частоты nВДЗАД [Патент РФ №2204044, F02C 9/28, 2003 г.].

Однако известная система автоматического управления энергетической установкой, выбранная за прототип, не обеспечивает необходимую точность поддержания частоты вращения nСТ при изменениях нагрузки, так как регулирование nСТ осуществляется косвенно, т.е по рассогласованию текущего и заданного значения частоты ротора газогенератора nВД и nВДЗАД соответственно. Кроме того, при определении nВДЗАД возникает дополнительная погрешность управления из-за использования зависимости N=f(nВД), которая существенно «расслаивается» по температуре воздуха на входе в газотурбинный двигатель ТВХ.

Техническая задача заключается в повышении точности поддержания необходимой генерируемой мощности (величины nСТ) за счет формирования управляющего сигнала на подачу топлива в зависимости от величины частоты вращения силовой турбины и условий окружающей среды, а также обеспечении требуемого качества вырабатываемой электрическим генератором электроэнергии за счет идентификации режима работы электрического генератора (автономная работа или параллельная с промышленной энергосистемой).

Сущность изобретения заключается в том, что система автоматического управления энергетической установкой, содержащая газотурбинный двигатель, силовую турбину, электрический генератор, датчики измерения частоты вращения ротора газотурбинного двигателя nВД и силовой турбины nСТ, исполнительный механизм регулирования подачи топлива, первый, второй и третий электронные регуляторы, согласно изобретению дополнительно включает датчик температуры воздуха на входе в двигатель ТВХ, блок вычисления величины приведенной по ТВХ частоты вращения ротора nвд пр, множитель-усилитель, блок формирования сигнала о режиме работы электрического генератора и ключ-коммутатор, при этом второй электронный регулятор через блок вычисления величины nвд пр связан с датчиком температуры воздуха ТВХ на входе в двигатель и с датчиком измерения частоты вращения nВД ротора газотурбинного двигателя и выполнен с возможностью подачи выходного сигнала на множитель-усилитель о величине рассогласования между величинами nвд пр и nвд прзад, на выходе второй электронный регулятор через множитель-усилитель соединен с первым входом ключа-коммутатора, второй вход которого соединен с выходом блока формирования сигнала о режиме работы электрического генератора, причем выход ключа-коммутатора связан с первым входом первого электронного регулятора, выход которого соединен с первым входом третьего электронного регулятора, второй вход которого соединен с выходом силовой турбины, при этом второй вход третьего электронного регулятора соединен с выходом силовой турбины, а первый электронный регулятор выполнен с возможностью подачи выходного сигнала о величине заданного значения частоты вращения ротора силовой турбины nстзад при работе электрического генератора под нагрузкой и без нее, причем третий электронный регулятор выполнен с возможностью формирования управляющего сигнала на исполнительный механизм подачи топлива в зависимости от величины рассогласования величин nстзад и nст.

Заявляемая система позволяет формировать управляющие сигналы на подачу топлива в зависимости от величины частоты вращения ротора силовой турбины и условий окружающей среды. Обеспечение требуемого качества вырабатываемой электрическим генератором электроэнергии осуществляется за счет идентификации режима работы электрического генератора - автономная работа или параллельная с промышленной энергосистемой.

На чертеже представлена структурная схема заявляемой системы автоматического управления энергетической установкой.

Блок 1 - датчик измерения частоты вращения nВД ротора высокого давления газотурбинного двигателя 2. Газотурбинный двигатель 2 включает компрессор, камеру сгорания и турбину высокого давления (не показаны)

Блок 3 - датчик температуры воздуха ТВХ на входе в двигатель 2.

Блок 4 - блок вычисления приведенной по температуре воздуха на входе в двигатель 2 частоты вращения ротора высокого давления nВДПР. По входным сигналам о величинах nВД и ТВХ на выходе блока 4 формируется сигнал I1 о величине .

Блок 5 - второй электронный регулятор, выполненный в виде блока вычитания. Имеет два входа и один выход.

На первый вход блока 5 поступает сигнал I1 о величине nВДПР, на второй вход - сигнал о заданной величине приведенной по температуре воздуха на входе в двигатель частоты вращения ротора высокого давления nВДПРЗАД.

На выходе блока 5 формируется сигнал I2 о величине

ΔnВДПР=nВДПРЗАД-nВДПР, который подается на вход блока 6.

Блок 6 - множитель-усилитель, на выходе которого формируется сигнал I3СТ×КР×ΔnВДПР, где КСТ - коэффициент статизма регулирования,

КР - коэффициент связи (пропорциональности), определяемый соотношением мощности, развиваемой свободной турбины, и величиной nВДПР, соответствующей этой мощности.

Блок 7 - блок формирования сигнала о режиме работы электрического генератора. Имеет два входа и один выход.

На первый вход блока 7 поступает сигнал на автономную работу, характеризующий работу энергетической установки на автономную нагрузку, т.е. изолированную от энергосистемы и не потребляющую электроэнергию от других параллельно подключенных генераторов. На второй вход блока 7 поступает сигнал включения нагрузки генератора.

При отсутствии сигнала на автономную работу и наличии сигнала о включении нагрузки генератора на выходе блока 7 формируется сигнал I4=1 (режим работы электрического генератора параллельно с энергосистемой), во всех других случаях I4=0.

Блок 8 - ключ-коммутатор, на первый (информационный) вход блока 8 поступает сигнал I3, а на второй вход - сигнал I4. При I4=0 на выходе блока 8 сигнал I5 равен 0. При I4=1 на выходе блока 8 формируется сигнал I5=I3СТ·КР·ΔnВДПР. Выход блока 8 соединен с первым входом блока 9.

Блок 9 - первый электронный регулятор, который представляет собой сумматор, имеющий два входа и один выход.

На первый вход блока 9 поступает сигнал I5.

При работе генератора на нагрузку параллельно с сетью I5=I3СТ×КР×ΔnВДПР, а при работе генератора в автономном режиме или при отключенной нагрузке I5=0.

На второй вход блока 9 подается сигнал о величине частоты вращения ротора свободной турбины nстУСТ (заданная величина nСТ на режиме холостого хода).

На выходе блока 9 формируется сигнал I6 о заданной величине частоты вращения

nСТ:

nСТЗАД=nСТУСТСТ×(nВДПРЗАД-nВДПР)×КР, где

nСТЗАД - заданная величина частоты вращения nСТ, соответствующая требуемой величине генерируемой нагрузки;

nСТУСТ - заданная величина nСТ на режиме холостого хода;

КСТ - коэффициент статизма КСТ=Δω/ΔР, где Δω - изменение частоты вращения nСТ в относительных единицах (Δω=ΔnСТ/nСТНОМ), ΔР - изменение мощности, развиваемой генератором, в относительных единицах (ΔP=ΔN/NНОМ), где nСТНОМ - частота вращения свободной турбины на заданном установившемся режиме (N - const);

NНОМ - электрическая нагрузка на валу свободной турбины при частоте nСТНОМ.

ΔN - изменение электрической нагрузки на валу свободной турбины при изменении частоты вращения свободной турбины на величину ΔnСТ,

КР - коэффициент связи, определяемый соотношением единиц измерения мощности, развиваемой свободной турбиной, и приведенной частоты вращения nВДПР, соответствующей этой мощности.

Блок 10 представляет собой третий электронный регулятор, на первый вход которого поступает сигнал I6 о величине nСТЗАД, на второй вход поступает сигнал I7 о величине nСТ, а на выходе формируется управляющий сигнал Iупр на дозатор топлива в зависимости от величины рассогласования

ΔnСТ=nСТЗАД-nСТ.

При ΔnСТ>0 сигнал Iупр обеспечивает увеличение расхода топлива (GT) в камеру сгорания, что обеспечивает увеличение nСТ. При nСТ<0 сигнал Iупр обеспечивает уменьшение GT в камеру сгорания и, следовательно, снижение nСТ.

Блок 11 - дозатор топлива (исполнительный механизм), который обеспечивает подачу топлива в камеру сгорания по сигналу Iупр.

Блок 12 - силовая турбина.

Блок 13 - электрический генератор, расположенный на одном валу со свободной турбиной.

Работа устройства осуществляется следующим образом:

При наличии сигнала на автономную работу или при отсутствии сигнала включения нагрузки на входе в блок 7 (работа генератора на автономную нагрузку или работа генератора в режиме холостого хода) на выходе блока 7 формируется сигнал I4=0.

При значении сигнала I4=0 от блока 7 (работа на автономную нагрузку или при отключенной нагрузке) на вход блока 9 из блока 8 поступает сигнал I5=0 и на выходе первого электронного регулятора 9 формируется заданная величина частоты вращения nСТЗАД=nСТУСТ.

Величина nСТЗАД сравнивается с измеренной частотой вращения nСТ в третьем электронном регуляторе 10. На выходе последнего формируется сигнал управления

Iупр исполнительным механизмом дозатора топлива 11, который изменяет расход топлива GT в камеру сгорания ГТД пропорционально величине отклонения ΔnСТ с целью поддержания заданной частоты вращения nСТЗАД.

При отсутствии сигнала на автономную работу и при наличии сигнала включения нагрузки на входе в блок 7 (работа генератора на нагрузку параллельно с электрической сетью) на выходе блока 7 формируется сигнал I4=1.

При увеличении частоты переменного тока в сети электрическая мощность, отдаваемая электрическим генератором, начнет уменьшаться. Уменьшение мощности приведет к увеличению текущей величины nСТ по сравнению с nСТЗАД. В третьем электронном регуляторе 10 возникнет сигнал рассогласования ΔnСТ=nСТЗАД-nСТ и на выходе блока 10 сформируется управляющий сигнал IУПР на уменьшение расхода топлива GT в камеру сгорания ГТД. Уменьшение GT приведет к уменьшению частоты вращения ротора высокого давления двигателя nВД.

Уменьшение nВД приведет к уменьшению величины

, формируемой в блоке 4 по входным сигналам о величине nВД и величине ТВХ, и возникновению сигнала рассогласования ΔnВДПР=nВДПРЗАД-nВДПР на выходе второго электронного регулятора 5, сравнивающего приведенную частоту вращения ротора высокого давления с заданной nСТЗАД. При этом в блоке 6 величина рассогласования ΔnВДПР корректируется с учетом коэффициента статизма КСТ и коэффициента связи КР.

Сигнал I3СТ×(nВДПР-nВДПР)×КР) поступает на первый вход ключа-коммутатора 8. На второй вход поступает сигнал I4=1 от блока 7.

При значении сигнала I4=1 от блока 7 на выходе ключа-коммутатора 8 формируется величина I5=I3СТ×(nВДПРЗАД-nВДПР)×КР, которая складывается в первом электронном регуляторе 9 с величиной nУСТСТ и на выходе первого электронного регулятора 9 формируется заданная величина частоты вращения

nСТЗАД= nСТУСТКст×(nвдпрЗАД-nвдпр)×Кр.

При достижении равенства

nСТ=nСТЗАД=nСТУСТСТ×(nВДПР-nВДПР)×КР уменьшение подачи топлива GT прекратится (в третьем электронном регуляторе 10 сигнал рассогласования ΔnСТ=0), при этом величина nВДПР будет соответствовать меньшей мощности, отдаваемой генератором в сеть, а величина ΔnСТ будет соответствовать увеличению частоты переменного тока в сети.

При уменьшении частоты переменного тока в сети процесс регулирования будет происходить аналогично, но в сторону увеличения электрической мощности, отдаваемой генератором в сеть, и соответственно к увеличению nВДПР для поддержания равенства nСТ=nСТЗАД.

Предлагаемая система автоматического управления обеспечивает также увеличение или снижение нагрузки (мощности) генератора при постоянной частоте переменного тока в сети (при работе генератора параллельно с сетью) за счет увеличения или уменьшения величины nВДПРЗАД. При увеличении nВДПРЗАД появляется сигнал рассогласования на выходе второго функционального блока 4, который приводит первоначально к увеличению nСТЗАД, а затем к увеличению

nВДПР до величины nВДПРЗАД и восстановлению равенства nСТ=nСТЗАД.

Поскольку величина мощности генератора РГЕН является функцией величины

nВДПР, т.е. РГЕН=f(nВДПР), возможно во втором электронном регуляторе 5 производить сравнение заданной величины РГЕНЗАД и текущего значения РГЕНТЕК. В этом случае во втором электронном регуляторе 9 при работе генератора параллельно с сетью будет формироваться величина

nСТЗАД=nСТУСТСТ×(РГЕНЗАДГЕНТЕК)×КР.

Заявляемая система автоматического управления энергетической установкой проверена в составе системы автоматического управления газотурбинной электростанции типа «Урал» (мощностью 2,5; 4 и 6 МВт) производства ОАО «Авиадвигатель», Россия. Электростанция содержит газотурбинный двигатель типа Д-30ЭУ, изготовленный на базе авиационного двигателя Д-30 третьей серии, свободную силовую турбину (турбина низкого давления базового двигателя) и синхронный генератор трехфазного переменного тока типа ГТГ (рассчитан на ~10,5 кВ).

Испытаниями и эксплуатацией подтверждено, что заявляемая система автоматического управления энергетической установкой надежно и устойчиво поддерживает заданную электрическую нагрузку, обеспечивает повышенную точность поддержания частоты вращения nСТ и с запасом удовлетворяет нормально допустимым (по ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения») отклонениям частоты напряжения переменного тока, вырабатываемого генератором как при работе на автономную нагрузку, так и при работе параллельно с сетью (энергосистемой).

Система автоматического управления энергетической установкой, содержащая газотурбинный двигатель, силовую турбину, электрический генератор, датчики измерения частоты вращения ротора газотурбинного двигателя nвд и силовой турбины nст, исполнительный механизм регулирования подачи топлива, первый, второй и третий электронные регуляторы, отличающаяся тем, что она дополнительно включает датчик температуры воздуха на входе в двигатель Твх, блок вычисления величины, приведенной по Твх, частоты вращения ротора nвд пр, множитель-усилитель, блок формирования сигнала о режиме работы электрического генератора и ключ-коммутатор, при этом второй электронный регулятор через блок вычисления величины nвд пр связан с датчиком температуры воздуха Твх на входе в двигатель и с датчиком измерения частоты вращения nвд ротора газотурбинного двигателя и выполнен с возможностью подачи выходного сигнала на множитель-усилитель о величине рассогласования между величинами nвд пр и nвд прзад, на выходе второй электронный регулятор через множитель-усилитель соединен с первым входом ключа-коммутатора, второй вход которого соединен с выходом блока формирования сигнала о режиме работы электрического генератора, причем выход ключа-коммутатора связан с первым входом первого электронного регулятора, выход которого соединен с первым входом третьего электронного регулятора, второй вход которого соединен с выходом силовой турбины, при этом второй вход третьего электронного регулятора соединен с выходом силовой турбины, а первый электронный регулятор выполнен с возможностью подачи выходного сигнала о величине заданного значения частоты вращения ротора силовой турбины nстзад при работе электрического генератора под нагрузкой и без нее, причем третий электронный регулятор выполнен с возможностью формирования управляющего сигнала на исполнительный механизм подачи топлива в зависимости от величины рассогласования величин nстзад и nст.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области регулирования газотурбинных установок для выработки электроэнергии. .

Изобретение относится к автоматическому управлению газотурбинными двигателями (ГТД), в частности к автоматическому управлению двухвальными двухконтурными турбореактивными двигателями на динамических режимах.

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в системах автоматического управления газотурбинными двигателями (ГТД). .

Изобретение относится к области систем автоматического регулирования (CAP) газотурбинного двигателя (ГТД). .

Изобретение относится к области систем автоматического регулирования (CAP) газотурбинного двигателя (ГТД). .

Изобретение относится к области управления газотурбинными двигателями, используемыми в качестве силовых агрегатов в газовой и энергетических отраслях. .

Изобретение относится к области систем автоматического регулирования (CAP) газотурбинного двигателя (ГТД). .

Изобретение относится к области управления газотурбинными двигателями, в частности к способам защиты турбин авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) от перегрева.

Изобретение относится к системам управления турбогенераторными одновальными установками, используемыми для производства тепловой и электрической энергии, а именно турбогенераторными одновальными установками с тиристорным преобразователем частоты (ТПЧ).

Изобретение относится к области автоматического регулирования и может быть использовано в системах управления авиационными газотурбинными двигателями (ГТД)

Изобретение относится к авиационной технике, а именно к системам управления тягой газотурбинных двигателей летательных аппаратов

Изобретение относится к электронным системам управления газотурбинным авиадвигателем, осуществляющим регулирование расхода топлива в камеру сгорания и управление проточной частью газодинамического тракта авиадвигателя

Изобретение относится к управлению газотурбинными двигателями, в частности к системам автоматического управления, и может быть использовано в авиадвигателестроении, энергетике и других областях техники, где используются газотурбинные двигатели

Изобретение относится к области авиации, более конкретно, к тактильным системам предупредительной сигнализации для вертолетов

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения и может быть использовано в электронно-гидромеханических системах (САУ) автоматического управления газотурбинными двигателями с форсажной камерой сгорания (ТРДФ)

Изобретение относится к области управления сложными объектами техники, работающими в широком диапазоне режимов и нагрузок и использующими одно управляющее воздействие для регулирования нескольких параметров, и может быть использовано в системах управления газотурбинными двигателями, турбинами электростанций, водяными воздухонагревателями и другими объектами

Изобретение относится к области автоматического регулирования воздушно-реактивных двигателей, в частности к системам автоматического регулирования прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД) с вытеснительной системой подачи топлива

Изобретение относится к газотурбинным двигателям, а точнее - к автоматическому управлению газотурбинным двигателем на переменных режимах

Изобретение относится к области управления сложными объектами техники, работающими в широком диапазоне режимов и нагрузок, и может быть использовано для управления авиационными газотурбинными двигателями (ГТД)
Наверх