СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ
METHOD TO CONTROL GAS TURBINE PLANT STATE

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в электронных системах (САУ) автоматического управления газотурбинными установками (ГТУ) газоперекачивающих агрегатов (ГПА) и газотурбинных электростанций (ГТЭС).
Известен способ контроля ГТУ с гидромеханической САУ, Кеба И.В. «Летная эксплуатация вертолетных ГТД», М., «Транспорт», 1976 г., заключающийся в том, что в процессе запуска двигателя бортмеханик по показаниям прибора в кабине вертолета контролирует значение температуры газов за турбиной и, если температура становится выше заданного предела, выключает двигатель.
Недостатком известного способа является его низкая эффективность.
Наиболее близким к данному изобретению по технической сущности является способ контроля технического состояния ГТУ, реализованный в гидромеханической САУ с электронным ограничителем температуры газов за турбиной. Кеба И.В. «Летная эксплуатация вертолетных ГТД», М., «Транспорт», 1976 г., заключающийся в том, что измеряют температуру газов за турбиной ГТУ, сравнивают ее значение с предельно допустимым, если измеренная температура газов превысила предельное значение на наперед заданную величину, прекращают подачу топлива в камеру сгорания (КС) и выполняют аварийный останов ГТУ.
Недостатком известного способа является то, что он не позволяет выявить причину нештатного поведения ГТУ, приводящую к забросу температуры газов. Развитие не обнаруженного вовремя дефекта может привести, в конечном итоге, к повреждению и досрочному съему ГТУ.
Таким образом, недостаточный объем автоматического контроля состояния двигателя снижает надежность работы ГТУ.
Целью изобретения является повышение качества контроля технического состояния ГТУ и, как следствие, повышение надежности работы ГТУ, ГПА и ГТЭС.
Поставленная цель достигается тем, что в способе контроля технического состояния ГТУ, заключающемся в том, что измеряют температуру газов за турбиной ГТУ, сравнивают ее значение с предельно допустимым, если измеренная температура газов превысила предельное значение на наперед заданную величину, прекращают подачу топлива в камеру сгорания (КС) и выполняют аварийный останов ГТУ, дополнительно в процессе сдаточных испытаний ГТУ на моторном стенде определяют зависимость температуры газов за турбиной ГТУ от мощности на выходном валу ГТУ при разных температурах воздуха на входе в компрессор ГТУ, заносят полученные данные в формуляр ГТУ, в процессе эксплуатации ГТУ измеряют через наперед заданные промежутки времени в течение наперед заданного отрезка времени температуру воздуха на входе в компрессор ГТУ, температуру газов за турбиной ГТУ, частоту вращения выходного вала ГТУ и крутящий момент на выходном валу ГТУ, рассчитывают мощность на выходном валу ГТУ как произведение измеренных частоты вращения и крутящего момента, сравнивают расчетную мощность с первой наперед заданной величиной, определяемой расчетно-экспериментальным путем и уточняемой в процессе эксплуатации ГТУ, если расчетная мощность больше первой наперед заданной величины и отсутствуют отборы воздуха из-за компрессора ГТУ, рассчитывают по первой наперед заданной зависимости осредненное значение температуры воздуха на входе в компрессор ГТУ, температуры газов за турбиной ГТУ и расчетной мощности на выходном валу ГТУ, по второй наперед заданной зависимости с использованием данных из формуляра ГТУ рассчитывают формулярное значение температуры газов за турбиной ГТУ, сравнивают его с осредненным, полученную разницу сравнивают со второй и третьей наперед заданными величинами, определяемыми для каждого типа ГТУ расчетно-экспериментальным путем, если разница больше второй наперед заданной величины, но меньше третьей, формируют сигнал оператору ГТУ «Загрязнение проточной части двигателя. При первой же возможности необходимо провести промывку проточной части ГТУ», если разница больше третьей наперед заданной величины, формируют сигнал оператору ГТУ «Предельное загрязнение проточной части двигателя. Работа ГТУ недопустима. Необходимо провести промывку проточной части ГТУ», выключают ГТУ и проводят промывку проточной части ГТУ.
На чертеже представлена схема устройства, реализующая заявляемый способ.
Устройство содержит последовательно соединенные блок 1 датчиков (БД), электронный блок 2 управления ГТУ (БУД), блок 3 исполнительных механизмов (ИМ), дозатор 4, клапан 5 останова (КО), концевой выключатель 6 (KB), причем дозатор 4 и KB 6 подключены к БД 1, а КО 5 - к блоку 3, блок 7 исполнительных клапанов (БИК), подключенный к БД 1 и блоку 3, пульт 8 оператора (ПУ) и блок 9 управления стартером, подключенные к БУД 2.
Устройство работает следующим образом.
Оператор, управляющий ГТУ, с помощью ПУ 8 задает режим работы ГТУ: запуск.
Команда оператора от ПУ 8 по цифровому каналу связи (например, RS 485 или Ethernet) передается в БУД 2. БУД 2 в соответствии с полученной от ПУ 8 командой по сигналам датчиков из БД 1 по известным зависимостям (см., например, книгу Шевяков А.А. «Силовые установки ракетных двигателей и энергетических установок. Системы управления энергетических установок», М., «Машиностроение», 1985 г.), формирует управляющее воздействие на блок 3 ИМ, который через дозатор 4 осуществляет управление расходом топлива в КС ГТУ через БИК 7 - положением механизации ГТУ и через блок 9 - стартером, обеспечивая выполнение циклограммы запуска ГТУ. Информация о параметрах ГТУ, частоте вращения стартера, положении дозатора 4, механизации компрессора (через БИК 7) и состоянии КО 5 (через KB 6) формируется в БД 1.
Информация о параметрах ГТУ и стартера, получаемая БУД 2 из БД 1, по цифровому каналу связи передается в ПУ 8.
ПУ 8 представляет собой ПЭВМ в промышленном исполнении, на жесткий магнитный диск (НЖМД) которой записано специальное программное обеспечение (СПО) - на чертеже не показаны.
Контроль технического состояния ГТУ осуществляется в ПУ 8 следующим образом.
В процессе работы ГТУ с помощью БД 1 измеряют температуру газов за турбиной ГТУ и в БУД 2 сравнивают ее с наперед заданным значением, определяемым для каждого типа ГТУ расчетно-экспериментальным путем (для двигателя Д049, входящего в состав ГТУ ГТЭС-2,5 производства ОАО «Сатурн-Газовые турбины», г.Рыбинск, это значение составляет 510°С).
Если измеренная температура газов превысила предельное значение на наперед заданное время (для двигателя Д049 это время составляет 1 с), БУД 2 формирует и передает в ПУ 8 сигнал «Перегрев двигателя» и с помощью блока 3 и КО 5 прекращает подачу топлива в КС и выключает ГТУ по циклу «Аварийный останов».
Дополнительно в процессе сдаточных испытаний ГТУ на моторном стенде определяют зависимость температуры газов за турбиной ГТУ от мощности на выходном валу ГТУ при разных температурах воздуха на входе в компрессор ГТУ
где
Тг - измеренная температура газов за турбиной ГТУ, К;
Nизм. - измеренная мощность на выходном валу ГТУ, МВт;
Твх. - измеренная температура воздуха на входе в ГТУ.
Величину Тг и Твх. измеряют с помощью БД 1.
Величина Nизм. измеряется с помощью специальной стендовой системы измерения мощности (описания таких систем приведены в книгах Башта Т.М. и др. «Гидравлика, гидромашины и гидроприводы», М., «Машиностроение», 1982 г. или Моль Р. «Гидропневмоавтоматика», М., «Машиностроение», 1975 г.).
Для двигателя Д049, например, определяют зависимость температуры газов за турбиной ГТУ от мощности на выходном валу ГТУ при четырех разных температурах воздуха на входе в компрессор ГТУ:
где
Тг - измеренная температура газов за турбиной ГТУ, °С;
Nизм. - измеренная мощность на выходном валу ГТУ, МВт.
Зависимость снимается при Твх.=-45°С.
где
Тг - измеренная температура газов за турбиной ГТУ, °С;
Nизм. - измеренная мощность на выходном валу ГТУ, МВт.
Зависимость снимается при Твх.=-10°С.
где
Тг - измеренная температура газов за турбиной ГТУ, °С;
Nизм. - измеренная мощность на выходном валу ГТУ, МВт.
Зависимость снимается при Твх.=15°С.
где
Тг - измеренная температура газов за турбиной ГТУ, °С;
Nизм. - измеренная мощность на выходном валу ГТУ, МВт.
Зависимость снимается при Твх.=40°С.
Полученные данные заносятся в обычный (бумажный) и электронный (хранящийся в памяти ПУ 8) формуляры ГТУ.
В процессе эксплуатации при работе ГТУ с помощью БД 1 измеряют через наперед заданные промежутки времени в течение наперед заданного отрезка времени температуру воздуха на входе в компрессор ГТУ, температуру газов за турбиной ГТУ, частоту вращения выходного вала ГТУ и крутящий момент на выходном валу ГТУ.
Для вышеупомянутого двигателя Д049 и ГТУ-2,5 эти замеры производятся через каждые два часа непрерывной работы ГТУ в течение 600 секунд.
Одновременно с замерами в ПУ 8 (вся информация об измеренных параметрах поступает в ПУ 8 через БУД 2) рассчитывают мощность на выходном валу ГТУ как произведение измеренных частоты вращения и крутящего момента
где
Nрасч. - расчетная мощность на выходном валу ГТУ, МВт;
Мкр. - крутящий момент, измеренный на выходном валу ГТУ, Н×м;
n ст - измеренная частота вращения выходного вала ГТУ, 1/с.
Далее в ПУ 8 сравнивают расчетную мощность с первой наперед заданной величиной А, определяемой расчетно-экспериментальным путем и уточняемой в процессе эксплуатации ГТУ.
Для двигателя Д049 и ГТУ-2,5 эта величина равняется
где
А - первая наперед заданная величина, МВт.
Если расчетная мощность больше первой наперед заданной величины и отсутствуют отборы воздуха из-за компрессора ГТУ (из БУД 2 в ПУ 8 отсутствует сигнал о включении отборов), в ПУ 8 рассчитывают по первой наперед заданной зависимости осредненное значение температуры воздуха на входе в компрессор ГТУ, температуры газов за турбиной ГТУ и расчетной мощности на выходном валу ГТУ. Примеры осреднения приведены в книгах Коваленко И.Н., Филиппова А.А. «Теория вероятностей и математическая статистика», М., Высшая школа, 1982 г. или Люк Ю. «Специальные математические функции и их аппроксимации», М., издательство «Мир», 1980 г.
Далее в ПУ 8 по второй наперед заданной зависимости с использованием данных из электронного формуляра ГТУ, полученных по формулам (2)-(5), рассчитывают формулярное значение температуры газов за турбиной ГТУ.
Для двигателя Д049 и ГТУ-2,5 в зависимости от температуры воздуха на входе в ГТУ и расчетной мощности на выходном валу ГТУ, полученной по формуле (6), это делается так.
Если Твх.≥15°С, то
где
Твх. - измеренная температура воздуха на входе в ГТУ, °С.
Тг форм. - формулярная температура газов за турбиной ГТУ, °С;
Тг (15) - температура газов за турбиной ГТУ, полученная по зависимости (4), хранящейся в электронном формуляре ГТУ в ПУ 8, с учетом величины расчетной мощности на выходном валу ГТУ, °С;
Тг (40) - температура газов за турбиной ГТУ, полученная по зависимости (5), хранящейся в электронном формуляре ГТУ в ПУ 8, с учетом величины расчетной мощности на выходном валу ГТУ, °С;
Твх. ср. - осредненная температура воздуха на входе в ГТУ, °С.
Если - 10°С≤Твх.≤15°С, то
где
Твх. - измеренная температура воздуха на входе в ГТУ, °С.
Тг форм. - формулярная температура газов за турбиной ГТУ, °С;
Тг (15) - температура газов за турбиной ГТУ, полученная по зависимости (4), хранящейся в электронном формуляре ГТУ в ПУ 8, с учетом величины расчетной мощности на выходном валу ГТУ, °С;
Тг (-10) - температура газов за турбиной ГТУ, полученная по зависимости (3), хранящейся в электронном формуляре ГТУ в ПУ 8, с учетом величины расчетной мощности на выходном валу ГТУ, °С;
Твх.ср. - осредненная температура воздуха на входе в ГТУ, °С.
Если Твх.<-10°С, то
где
Твх. - измеренная температура воздуха на входе в ГТУ, °С.
Тг форм. - формулярная температура газов за турбиной ГТУ, °С;
Тг (-45) - температура газов за турбиной ГТУ, полученная по зависимости (2), хранящейся в электронном формуляре ГТУ в ПУ 8, с учетом величины расчетной мощности на выходном валу ГТУ, °С;
Тг (-10) - температура газов за турбиной ГТУ, полученная по зависимости (3), хранящейся в электронном формуляре ГТУ в ПУ 8, с учетом величины расчетной мощности на выходном валу ГТУ, °С;
Твх.ср. - осредненная температура воздуха на входе в ГТУ, °С.
Далее полученное формулярное значение температуры газов за турбиной сравнивают с осредненным:
где
ΔТг - разница между формулярной и осредненной температурами газа, °С;
Тг форм.- формулярная температура газов за турбиной ГТУ, °С;
Тг ср. - осредненная температура газов за турбиной ГТУ, °С.
Полученную разницу в ПУ 8 сравнивают со второй (В) и третьей (С) наперед заданными величинами, определяемыми для каждого типа ГТУ расчетно-экспериментальным путем.
Для двигателя Д049 и ГТУ-2,5
где
В - вторая наперед заданная величина, °С;
где
С - третья наперед заданная величина, °С.
Если разница больше второй наперед заданной величины, но меньше третьей
то в ПУ 8 формируют сигнал оператору ГТУ «Загрязнение проточной части двигателя. При первой же возможности необходимо провести промывку проточной части ГТУ», выдаваемый на экран монитора ПУ 8.
Если разница больше третьей наперед заданной величины
то в ПУ 8 формируют сигнал оператору ГТУ «Предельное загрязнение проточной части двигателя. Работа ГТУ недопустима. Необходимо провести промывку проточной части ГТУ», выдаваемый на экран монитора пульта. Одновременно с этим из ПУ 8 формируют управляющий сигнал в БУД 2, по которому БУД 2 с помощью блока 3 и КО 5 прекращает подачу топлива в КС и выключает ГТУ.
После этого проводят промывку проточной части ГТУ.
Таким образом, за счет увеличения объема автоматического контроля состояния двигателя (введения контроля загрязнения проточной части газогенератора) обеспечивается повышение качества контроля технического состояния ГТУ и, как следствие, повышение надежности работы ГТУ, ГПА и ГТЭС.