Устройство ограничения частоты вращения турбогенератора

Полезная модель относится к двигателестроению, а в частности к устройствам ограничения частоты вращения турбины турбогенератора, приводимого в движение за счет энергии отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.
Основной областью применения полезной модели являются турбогенераторы, ориентированные на работу в составе двигатель-генераторных установок на базе двигателей внутреннего сгорания, а также двигателей внутреннего сгорания в составе транспортных средств, в том числе гибридных.
Данное устройство позволяет ограничивать частоту вращения турбины турбогенератора, приводимого в движение за счет энергии отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, в случае превышения максимальной допустимой частоты вращения турбины в связи с резким падением (уменьшением) нагрузки на электрическом генераторе турбогенератора с целью предотвращения разрушения конструкции турбогенератора.
Из уровня техники известно устройство обнаружения заброса оборотов свободной турбины посредством измерения на моментомере (RU 2564159 С2, 27.09.2015) для газотурбинного двигателя. Устройство содержит по меньшей мере одно средство измерения крутящего момента, установленное на выходном валу, механически соединенном с свободной турбиной, и блок обработки сигнала, выполненный с возможностью передачи команды на уменьшение подачи топлива в систему регулирования газотурбинного двигателя в случае обнаружения падения крутящего момента ниже заданного значения, в котором измерение крутящего момента, используемое для включения уменьшения, осуществляют во время вращения, соответствующего доле оборота выходного вала. К недостаткам представленного устройства следует отнести сложность конструкции устройства, обусловленная необходимостью использования по меньшей мере одного средства измерения крутящего момента с акустическими колесами, а также длительность процесса замедления турбины при превышении частоты вращения турбины предельного значения при срабатывании устройства заброса оборотов свободной турбины за счет инерционных сил, вращающих турбину, в связи с тем, что остановка турбины осуществляется исключительно за счет снижения температуры рабочей среды, вызванной ограничением подачи топлива.
Из уровня техники известно устройство защиты электростанции при аварийном отключении ее от энергосистемы (RU 75429 U1, 10.08.2008). Устройство состоит из энергосистемы, «N-турбогенераторов (в схеме устройства представлено 3 турбогенератора), подсоединенных своими входами к системе получения пара и своими выходами через управляемый ключ к энергосистеме, датчики аварийных ситуаций и вычислительное устройство, подсоединенное своим первым входом через многовходовую схему «ИЛИ» к выходам датчиков аварийных ситуаций и своим первым выходом к входу управляемого ключа. К недостаткам представленного устройства следует отнести сложность конструкции, обусловленная большим количеством элементов, в том числе датчиков, необходимых для работы, что, как следствие, снижает надежность устройства.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого технического решения является способ регулирования частоты вращения турбины, подключенной посредством генератора к электрической сети энергоснабжения (варианты) и устройство для его осуществления, изложенный в RU 2298653 С2, 10.05.2007. В патенте раскрыто непрерывное детектирование во время эксплуатации турбины слишком больших скоростей изменения нагрузки и, в случае превышения установленных значений, последующем кратковременном дросселировании потока рабочей среды, проходящих через турбину, посредством клапана турбины с целью регулирования частоты вращения турбины относительно новой рабочей нагрузки после ее изменения.
Рассмотренное устройство для регулирования частоты вращения турбины включает в себя датчик сигнала порогового значения частоты вращения вала турбины, детектирующего изменение нагрузки турбины, блок изменения нагрузки турбины, контролирующий изменение нагрузки турбины, блок управления, вычисляющий текущую скорость изменения нагрузки и принимающий решение о необходимости регулировки частоты вращения турбины в соответствии с изменением ее нагрузки, блок допустимой скорости изменения нагрузки, клапан, регулирующий поток рабочей среды к турбине, блок формирования управляющего сигнала, управляющий кратковременным дросселированием клапана турбины, тем самым регулируя частоту вращения турбины.
К недостаткам указанного устройства следует отнести:
необходимость использование автономного источника энергии, что усложняет конструкцию устройства и снижает надежность работы турбины;
необходимость применения в конструкции турбины мощного привода клапана(ов) с автономной системой питания для предотвращения подачи рабочей среды (в том числе, пара) к турбине в момент резкого снижения вплоть до нуля нагрузки на турбине (режим сброса нагрузки на генераторе) что усложняет конструкцию устройства и снижает надежность работы турбины;
наличие в составе устройства для регулирования частоты вращения турбины большого количества компонентов (как минимум трех: блок изменения нагрузки турбины, блок управления, блок допустимой скорости изменения нагрузки), необходимых для детектирования параметров турбины, на основе которых принимается решение о необходимости регулирования частоты вращения турбины, что усложняет конструкцию устройства и снижает надежность работы турбины;
использование двух исполнительных сигналов, приводящих в действие клапан(ы) турбины для регулирования частоты вращения турбины («открыто», «закрыто»), что усложняет конструкцию устройства и снижает надежность работы турбины;
необходимость использования для функционирования устройства большого количества датчиков, определяющих параметры турбины, в том числе, для определения скорости изменения нагрузки турбины, для определения частоты вращения вала турбины, что усложняет конструкцию устройства и снижает надежность работы турбины;
усложнение алгоритма регулирования частоты вращения турбины в связи с использованием большого количества данных о текущих параметрах турбины (для определения скорости изменения нагрузки устройство должно получать сигналы как минимум от датчиков токов и датчиков напряжений; для определения частоты вращения вала турбины устройство должно получать сигналы от датчика частоты вращения вала турбины), что снижает быстродействие устройства, а также надежность работы турбины.
Задача, решаемая полезной моделью, направлена на разработку устройства, ограничивающего максимальную частоту вращения вала турбогенератора в случае резкого падения вплоть до выключения нагрузки на генераторе с целью предотвращения разрушения конструкции турбогенератора и основанного на включении вспомогательной резистивной нагрузки в статорной цепи турбогенератора,
при этом устройство должно быстрее срабатывать в отличие от его аналогов.
Технический результат заключается в повышении надежности работы турбогенератора, приводимого в движение за счет энергии отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.
Технический результат достигается тем, что устройство ограничения частоты вращения турбогенератора содержит циклически работающее цифровое вычислительное устройство в виде блока управления и блок формирования управляющего сигнала, причем устройство ограничения частоты вращения турбогенератора также содержит два датчика линейного напряжения, подключенных сигнальными проводами через соединительные разъемы к сети энергоснабжения, в которой работает генератор турбогенератора, резистор, ограничивающий частоту вращения турбогенератора, и соединенный с блоком формирования управляющего сигнала в одну электрическую цепь последовательно, и связанный со статорной цепью турбогенератора на стороне шины постоянного тока через соединительные разъемы посредством силовых проводов резистивной нагрузки, причем блок управления включает в себя запоминающее устройство и через преобразователь постоянного тока, подключенный силовыми питающими проводами к блоку управления, подключен, через соединительные разъемы, как и блок формирования управляющего сигнала, к электрической сети энергоснабжения на стороне шины постоянного тока и выполнен с возможностью детектирования неисправности генератора турбогенератора и выпрямителя на основании данных, поступающих с датчиков линейного напряжения, и передачи исполнительного сигнала блоку формирования управляющего сигнала на включение резистора в случае превышения значения текущей частоты вращения вала турбогенератора максимально допустимой величины, и связан с каждым датчиком линейного напряжения, блоком формирования управляющего сигнала и общей шиной данных энергоустановки посредством сигнальных проводов, причем подключение блока управления к общей шине данных энергоустановки выполняется через соединительный разъем посредством сигнального кабеля CAN, причем блок управления выполнен таким образом, что отслеживает разбалансировку напряжения по фазам при работе турбогенератора по значениям текущего линейного напряжения, получаемым от двух датчиков линейного напряжения и выставлении статуса ошибки на общей шине данных энергоустановки, причем резистор установлен прижимами на радиатор воздушного охлаждения через термопасту.
Устройство ограничения частоты вращения турбогенератора также имеет следующие дополнительные отличия:
блок формирования управляющего сигнала выполнен в виде электромагнитного реле для потребления меньшего количества электрической мощности;
датчики напряжения и соединительные разъемы закреплены на корпусе устройства ограничения частоты вращения турбогенератора, выполненном герметичным для крепления и защиты всех компонентов устройства от попадания пыли и влаги;
блок управления выполнен таким образом, что реализует все вычислительные процессы и управляющие воздействия для сокращения числа компонентов и повышения быстродействия устройства.
Полезная модель иллюстрируется двумя чертежами, на которых представлены устройство ограничения частоты вращения турбогенератора (фиг. 1) и схема его подключения к электрической сети энергоснабжения, получающей энергию от турбогенератора (фиг. 2).
Устройство ограничения частоты вращения турбогенератора включает в себя блок управления 1, преобразователь постоянного тока 2, два датчика линейного напряжения 3, блок формирования управляющего сигнала 4, резистор 5, радиатор воздушного охлаждения 6.
Блок управления 1, содержит во внутренней памяти запоминающее устройство (на рисунке не показано), и подсоединен к соединительному разъему 7 для подключения к общей шине данных сигнальным кабелем CAN 8. Преобразователь постоянного тока 2, работающий от электрической сети энергоснабжения, получает энергию от турбогенератора 9, и питает блок управления 1 двумя силовыми питающими проводами 10, и подсоединен к соединительным разъемам 7 для подключения преобразователя постоянного тока 2 к шине постоянного тока 11 посредством двух силовых питающих проводов 10, при этом соединительные разъемы 7 подсоединены к статорной цепи турбогенератора на стороне шины постоянного тока 11 посредством двух силовых питающих проводов 10. Два датчиков линейного напряжения 3, измеряющие значения текущего линейного напряжения в сети энергоснабжения и имеющие каждый по два входа, соединены посредством сигнальных проводов 12 с соединительными разъемами 7 для подключения к статорной цепи турбогенератора на стороне турбогенератора 9, и одному выходу, соединенному посредством сигнального провода 12 с блоком управления 1, и блока формирования управляющего сигнала 4, присоединенного посредством сигнального провода 12 с блоком управления 1, а также посредством двух силовых проводов 13 резистивной нагрузки с соединительным разъемом 7 для подключения резистивной нагрузки к статорной цепи турбогенератора 9 и резистором 5. Резистор 5 установлен при помощи прижимов (на рисунке не показаны) через термопасту на радиатор воздушного охлаждения 6, а также соединен посредством силового провода 13 резистивной нагрузки с соединительным разъемом 7 для подключения резистивной нагрузки к статорной цепи турбогенератора. В то же время блок формирования управляющего сигнала 4 и резистор 5 включены последовательно в статорную цепь турбогенератора 9 на стороне шины постоянного тока 11 и соединены с ней посредством двух силовых проводов 13 резистивной нагрузки.
При этом все компоненты устройства ограничения частоты вращения турбогенератора установлены в одном герметичном корпусе 14, причем блок управления 1, преобразователь постоянного тока 2, два датчика линейного напряжения 3 и блок формирования управляющего сигнала 4 установлены в корпусе 14 посредством крепления на DIN-рейку (на рисунке не показаны), установленную внутри корпуса 14 посредством винтового соединения, все соединительные разъемы 7 закреплены посредством резьбового соединения с уплотнением мест их контакта с корпусом 14 герметиком и имеют выход наружу из корпуса, а радиатор воздушного охлаждения 6 закреплен в корпусе 14 таким образом, что его часть, рассеивающая тепло и представляющая из себя оребренную поверхность, выходит наружу корпуса 14. Корпус 14 является герметичным и предназначен для крепления и защиты всех компонентов устройства от попадания пыли и влаги.
Преобразователь 2 постоянного тока работает от электрической сети энергоснабжения, получающей энергию от турбогенератора 9, и обеспечивает понижение напряжения до номинального значения напряжения, требуемого для питания блока управления 1.
Два датчика линейного напряжения 3 предназначены для измерения текущего значения линейного напряжения в электрической сети энергоснабжения, получающей энергию от турбогенератора 9.
Блок управления 1 работает от электрической сети энергоснабжения, получающей энергию от турбогенератора 9, с напряжением, преобразованным в преобразователе постоянного тока 2, сопоставляет значение текущей частоты вращения вала турбогенератора 9, вычисляемое на основании информации о текущем линейном напряжении в сети энергоснабжения, получающей энергию от турбогенератора 9, полученной от одного линейного датчика напряжения 3, с максимально допустимой частотой вращения вала турбогенератора 9, записанной в запоминающем устройстве блока управления 1, и, в случае превышения значения текущей частоты вращения вала турбогенератора 9 максимально допустимой величины, отдает исполнительный сигнал блоку формирования управляющего сигнала 4 на включение резистора 5.
Также блок управления 1 отслеживает разбалансировку напряжения по фазам при работе турбогенератора 9 по значениям текущего линейного напряжения, получаемым от двух датчиков линейного напряжения 3, и, в случае обнаружения разбалансировки напряжения выше допустимой величины, записанной в запоминающем устройстве блока управления 1, выставляет статус ошибки на общей шине данных энергоустановки.
Блок формирования управляющего сигнала 4 выполнен таким образом, что включает в работу резистор 5 в статорной цепи турбогенератора 9 на стороне шины постоянного тока 11 по исполнительному сигналу, поступающему по одному каналу управления по сигнальному проводу 12 от блока управления 1.
Резистор 5 обеспечивает, в случае его включения блоком формирования управляющего сигнала 4, резистивную нагрузку в статорной цепи турбогенератора 9 на стороне шины постоянного тока 11, необходимую для создания электромагнитного момента на валу турбогенератора 9, достаточного для замедления вращения вала турбогенератора 9.
Радиатор воздушного охлаждения 6 предназначен для рассеивания тепловой энергии, выделяемой резистором 5, включенным блоком формирования управляющего сигнала 4, при создании им резистивной нагрузки в статорной цепи турбогенератора 9 на стороне шины постоянного тока 11, необходимой для создания электромагнитного момента на валу турбогенератора 9, достаточного для замедления вращения вала турбогенератора 9.
Силовые питающие провода 10 предназначены для соединения с разъемами 7 при подключении преобразователя 2 со статорной цепью турбогенератора 9 на стороне шины постоянного тока 11, а также для подсоединения блока управления 1 с преобразователем постоянного тока 2.
Силовые провода 13 резистивной нагрузки предназначены для последовательного соединения в статорную цепь турбогенератора 9 на стороне шины постоянного тока 11 разъемов 7 для подключения резистивной нагрузки к статорной цепи турбогенератора, блока формирования управляющего сигнала 4 и резистора 5.
Сигнальные провода 12 предназначены для передачи информации о текущем линейном напряжении в сети энергоснабжения, получающей энергию от турбогенератора 9, от разъемов 7 для подключения к статорной цепи турбогенератора на стороне турбогенератора к датчикам линейного напряжения 3 и от датчиков линейного напряжения 3 к блоку управления 1, а также для передачи исполнительного сигнала от блока управления 1 к блоку формирования управляющего сигнала 4 о включении резистора 5.
Два сигнальных кабеля CAN 8 предназначены для передачи информации о неисправностях турбогенератора и выпрямителя 15 от блока управления 1 через разъем 2 для подключения к общей шине данных в общую шину данных энергоустановки. Соединительный разъем 7 для подключения к общей шине данных предназначен для подключения по двум сигнальным кабелям CAN 8 блока управления 1 к общей шине данных энергоустановки.
Соединительные разъемы 7 предназначены для подключения преобразователя 4 постоянного тока по силовым питающим проводам 10 к статорной цепи турбогенератора 9 на стороне шины постоянного тока 11, для подключения двух датчиков линейного напряжения 3 по сигнальным проводам 12 к статорной цепи на стороне турбогенератора 9, для последовательного включения в статорную цепь турбогенератора на стороне шины постоянного тока 11 по пяти силовым проводам 13 резистивной нагрузки блока формирования управляющего сигнала 4 и резистора 5.
Работа устройства ограничения частоты вращения турбогенератора производится следующим образом.
Устройство ограничения частоты вращения турбогенератора работает от электрической сети энергоснабжения, получающей энергию от турбогенератора 9, преобразованную в выпрямителе 15 и также передаваемую потребителю 16 через шину постоянного тока 11, через силовые питающие провода 10 и соединительные разъемы 7 для подключения преобразователя, при этом преобразователь 2 постоянного тока, подключенный к разъемам 7 для подключения преобразователя 2 силовыми питающими проводами 10, обеспечивает понижение напряжения до номинального значения напряжения, требуемого для питания блока управления 1, и питает блок управления 1 через силовые питающие провода 10.
Блок управления 1 по полученным от одного из датчиков линейного напряжения 3, подключенного через соединительные разъемы 7 для подключения к статорной цепи на стороне турбогенератора 9 сигнальными проводами 12 к электрической сети энергоснабжения, по одному сигнальному проводу 12 значениям текущего линейного напряжения вычисляет текущую частоту вращения вала турбогенератора 9 с помощью спектрального анализа на базе преобразования Фурье.
Блок управления 1 сравнивает полученное значение вычисленной текущей частоты вращения вала турбогенератора 9 с ее максимально допустимой величиной, записанной в запоминающем устройстве во внутренней памяти блока управления 1, реализованном в виде энергонезависимой flash-памяти. В случае превышения значения текущей частоты вращения вала турбогенератора 9 максимально допустимой величины, к примеру, в случае события, приведшего к нарушению электрической связи между генератором турбогенератора 9 и потребителем 16, в том числе при резком падении вплоть до выключения нагрузки на турбогенераторе 9 потребителем 16, выходе из строя силовой линии питания нагрузки, выходе из строя выпрямителя 15, вызвавшего в свою очередь резкое падение электромагнитного момента на валу турбины турбогенератора 9, блок управления 1 отдает исполнительный сигнал по одному сигнальному проводу 12 блоку формирования управляющего сигнала 4, выполненного в виде электромагнитного реле, который в свою очередь включает резистор 5 на стороне шины постоянного тока 11 на генератор турбогенератора 9, установленный последовательно в электрическую сетью энергоснабжения вместе с блоком формирования управляющего сигнала 4 через пять силовых проводов 13 резистивной нагрузки и два соединительных разъема 7 для подключения резистивной нагрузки к статорной цепи турбогенератора, приводя к замедлению вращения вала турбогенератора 9.
Тепловая энергия, возникающая при работе резистора 5 на стороне шины постоянного тока 11 на генератор турбогенератора 9 в ходе замедления вращения вала турбогенератора 9, рассеивается в окружающую среду радиатором воздушного охлаждения 6, рассеивающая тепло часть которого выходит наружу корпуса 14.
После снижения значения текущей частоты вращения вала турбогенератора 9 ниже максимально допустимой величины блок управления 1 формирует по одному сигнальному проводу 12 сигнал управления блоку формирования управляющего сигнала 4, которое в свою очередь выключает резистор 5 на стороне шины постоянного тока 11.
Далее процесс регулирования блоком управления 1 частоты вращения вала турбогенератора 9 путем контроля значения текущей частоты вращения вала турбогенератора 9 по показаниям одного датчика напряжения 3, передаваемым по одному сигнальному проводу 12, и управления резистором 5 на стороне шины постоянного тока 11 через блок формирования управляющего сигнала 4 посредством формирования управляющего сигнала по одному сигнальному проводу 12 происходит циклически.
По полученным от двух датчиков линейного напряжения 3, подключенных через соединительные разъемы 7 для подключения к статорной цепи турбогенератора на стороне турбогенератора 9 сигнальными проводами 12 к электрической сети энергоснабжения, по двум сигнальным проводам 12 значениям текущего линейного напряжения в электрической сети энергоснабжения, получающей энергию от турбогенератора 9, блок управления 1 отслеживает разбалансировку напряжения по фазам при работе турбогенератора 9. При превышении величины разбалансировки выше установленного значения, записанного в запоминающем устройстве (на рисунке не показано) блока управления 1, блоком управления 1 детектируется неисправность, которая может быть вызвана обрывом фазы генератора турбогенератора 9, выходом из строя диодов и остальных компонентов выпрямителя 15. После этого блок управления 1 выставляет по двум сигнальным проводам CAN 8 через соединительный разъем 7 для подключения к общей шине данных статус ошибки на общей шине данных энергоустановки в соответствии с принятым в данной системе протоколом. Этот сигнал используется для остановки двигателя внутреннего сгорания, энергия отработавших газов которого приводит в движение турбину турбогенератора 9.
Таким образом, предлагаемое устройство ограничения частоты вращения турбогенератора позволяет при превышении максимально допустимой величины частоты вращения вала турбогенератора в случае падения электромагнитного момента на валу турбины турбогенератора, вызванного нарушением электрической связи между генератором турбогенератора и потребителем, снизить частоту вращения вала турбогенератора путем включения резистивной нагрузки в статорной цепи турбогенератора на стороне шины постоянного тока для предотвращения разрушения конструкции турбогенератора.
Кроме того, устройство ограничения частоты вращения турбогенератора позволяет детектировать неисправность, которая может быть вызвана обрывом фазы генератора турбогенератора, выходом из строя диодов и остальных компонентов выпрямителя, и выставлять статус ошибки на общей шине данных энергоустановки для остановки двигателя внутреннего сгорания, энергия отработавших газов которого приводит в движение турбину турбогенератора, для упрощения и ускорения обнаружения неисправности, а также предотвращения дальнейших разрушений в генераторе турбогенератора и выпрямителе.
Таким образом, достигается повышение надежности работы турбогенератора, приводимого в движение за счет энергии отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, а также быстродействие самого устройства, ограничивающего максимальную частоту вращения вала турбогенератора, что приводит к предотвращению разрушения конструкции турбогенератора.