Способ возобновления подачи топлива при предотвращении отклонения параметров силовой турбины турбомашинного агрегата при внезапном полном или частичном сбросе нагрузки
METHOD FOR RESUMING FUEL SUPPLY WHILE PREVENTING DEVIATION OF THE PARAMETERS OF THE POWER TURBINE OF A TURBOMACHINE UNIT IN CASE OF A SUDDEN FULL OR PARTIAL LOAD RELEASE

Изобретение относится к области автоматического управления газотурбинными двигателями, используемыми в качестве силовых агрегатов в газовой и энергетических отраслях, в частности 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.
Известен 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 (Патент РФ №2168044, F02С 9/28, 1997 г.).
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;
ст
n - частота вращения вала силовой турбины;
т
Р - мощность, передаваемая на вал силовой турбины;
L
P - мощность, снимаемая с вала силовой турбины.
L
т
cт
.
порог
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<0,5Р не во всех случаях может быть предотвращена раскрутка силовой турбины выше порогового значения n
cт
гг
гг
гг
cт
cт
ст
ст
ст
cт
cт
ст
ст
ст
гг
гг
порог
порог
порог
порог
порог
порог
Наиболее близким аналогом по технической сущности и принятым за прототип, является способ предотвращения отклонения параметров силовой турбины турбомашинного агрегата при внезапном полном или частичном сбросе нагрузки (Патент RU № 2225945, МПК F02C 9/46, опубл. 27.09.2011), включающий подачу сигналов о величинах частоты вращения ротора силовой турбины (n), частоты вращения ротора газогенератора (n) и одного из параметров нагрузки, а также формирование сигнала на управление расходом топлива в камере сгорания, определение величины термодинамического параметра газогенератора, сравнение 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, подачу команды на отключение подачи топлива в камеру сгорания и на включение зажигания на заданный промежуток времени, а также дополнительно сравнение величины nс соответствующим пороговым значением n и величины nс соответствующим пороговым значением n, определение первой производной частоты вращения ротора силовой турбины по времени , сравнение ее величины с соответствующим пороговым значением, а также определение величины приращения частоты вращения ротора Δnпосле сброса нагрузки, и далее, в случае, если n< n ; || < , Δn<0 и n> n, подачу сигнала на включение подачи топлива в камеру сгорания.
Недостатками данного способа является то, что в нем отсутствуют алгоритмы определения признака розжига камеры сгорания при включении подачи топлива после его отсечки, отсутствует закон подачи топлива после розжига до перехода на штатные законы управления расходом топлива, а также отсутствуют алгоритмы определения признака перехода на штатные законы управления расходом топлива, соответственно подача топлива в камеру сгорания и ударный переход на штатные законы управления расходом топлива согласно прототипа в большинстве случаев приводит к останову агрегата либо к погасанию камеры сгорания, либо по аварийно-высокой температуре за турбиной.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения и не может быть реализовано при использовании прототипа является нестабильность розжига камеры сгорания и ударный переход на штатные законы управления турбомашинным агрегатом после кратковременного отключения подачи топлива в камеру сгорания, приводящие либо к погасанию камеры сгорания, либо к аварийно-высокой температуре за турбиной, что приводит к аварийному останову турбомашинного агрегата.
Техническая задача изобретения заключается в повышении безопасности функционирования турбомашинного агрегата и в обеспечении надежности розжига камеры сгорания и безударного перехода от розжига к управлению расходом топлива по штатным законам регулирования после кратковременного отключения подачи топлива в камеру сгорания для парирования раскрутки силовой турбины, что приводит к повышению надежности работы турбомашинного агрегата в целом.
cт
гг
гг
гг
cт
cт
ст
ст
ст
cт
cт
ст
ст
ст
гг
гг
гг
гг
гг
гг
гг
гг
гг
гг
порог
порог
порог
порог
порог
порог
порог
порог1
порог
порог1
порог2
порог2
согласно изобретению
Техническая задача возобновления подачи топлива при предотвращении отклонения параметров силовой турбины турбомашинного агрегата при внезапном полном или частичном сбросе нагрузки после отсечки топлива решается способом, включающим подачу сигналов о величинах частоты вращения ротора силовой турбины (n), частоты вращения ротора газогенератора (n) и одного из параметров нагрузки, а также формирование сигнала на управление расходом топлива в камере сгорания, определение величины термодинамического параметра газогенератора, сравнение ее с соответствующим пороговым значением, и при одновременном поступлении сигнала о превышении величины параметра над его пороговым значением и сигнала о внезапном полном или частичном сбросе нагрузки, подачей команды на отключение подачу топлива в камеру сгорания и на включение зажигания на заданный промежуток времени, а также дополнительно сравнение величины nс соответствующим пороговым значением n и величины nс соответствующим пороговым значением n, определения первой производной частоты вращения ротора силовой турбины по времени , сравнения ее величины с соответствующим пороговым значением, а также определение величины приращения частоты вращения ротора Δnпосле сброса нагрузки, и далее, в случае, если n< n; || < , Δn<0 и n> n, подачу сигнала на включение подачи топлива в камеру сгорания,  дополнительно для обеспечения перехода на подачу топлива в камеру сгорания по штатным законам регулирования при возобновлении подачи топлива при предотвращении отклонения параметров силовой турбины турбомашинного агрегата при внезапном полном или частичном сбросе нагрузки, для определения розжига камеры сгорания и начала увеличения подачи топлива в камеру сгорания определяют величину приращения температуры за турбиной ΔТт после подачи сигнала на включение подачи топлива в камеру сгорания, сравнивают ее с пороговым значением ΔТт, вычисляют первую производную частоты вращения ротора газогенератора по времени , сравнивают ее с пороговым значением  и при выполнении условий (ΔТт > ΔТт) или ( > ) формируют признак розжига камеры сгорания и начинают увеличение подачи топлива в камеру сгорания с заранее определенным темпом dGt/dt, при этом первую производную частоты вращения ротора газогенератора по времени , сравнивают с пороговым значением  и при выполнении условий ( > ) выполняют переход на управление подачей топлива в камеру сгорания по штатным законам регулирования.
Предлагаемый способ позволяет не только повысить  безопасность функционирования турбомашинного агрегата 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, но и обеспечить надежность розжига камеры сгорания и безударный переход от розжига к управлению расходом топлива по штатным законам регулирования после отсечки топлива, что приводит к повышению надежности работы турбомашинного агрегата. Кроме этого, безударный переход позволяет избежать увеличения параметров турбомашинного агрегата до предельных значений.
На фиг.1 представлена блок-схема, иллюстрирующая порядок осуществления заявляемого способа.
1
Блок 1 представляет собой блок сравнения термодинамического параметра с его пороговым значением, сигнал I с выхода которого поступает на вход блока 2.
гг
гг
ггпр
ггпр
к
к
1
2
1
2
3
порог
порог
порог
Блок 2 - это логическое устройство типа “И” с двумя входами и одним выходом. В случае n> n, либо n> n, либо Р*>Р*, на первый вход блока 2 поступает сигнал I=1 о нахождении газогенератора в зоне “высоких” режимов работы. В случае внезапного полного или частичного сброса нагрузки на второй вход блока поступает сигнал I=1. При наличии сигналов I=1 и I=1 на выходе блока 2 формируется сигнал I на отключение подачи топлива, и одновременно подается команда на включение зажигания на заданный промежуток времени.
ген
ст
cт
4
Блок 3 - функциональное устройство с двумя входами и одним выходом. На входы блока 3 поступают сигналы о величине одного из параметров нагрузки, например, Р, и о величине n. С учетом величины параметра нагрузки и величины n в блоке 3 формируется выходной сигнал I, являющийся командой на управление расходом топлива в камеру сгорания.
5
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 I на изменение расхода топлива, поступающего в камеру сгорания.
4
5
6
Блок 5 - это блок селектирования, осуществляющий отбор наименьшего или наибольшего выходных сигналов I, I с блоков 3 и 4 в зависимости от знака изменения сигнала на задание подачи топлива. Выходной сигнал I служит командой на управление расходом топлива.
ст
cт
cт
cт
7
cт
cт
7
порог
порог
порог
Блок 6 - компаратор, выполняющий сравнение фактической величины n с ее пороговым значением n. При n< n на выходе блока 6 формируется сигнал на включение подачи топлива (I=1), который поступает на 1-й вход блока 12. При n≥ n формируется сигнал I=0.
cт
8
8
ст
ст
Блок 7 - блок вычисления величины приращения частоты вращения ротора Δn после сброса нагрузки, выходной сигнал I с которого поступает на вход блока 10. Блок 7 формирует сигнал I=1 при отрицательной величине приращения частоты вращения Δn<0 в последовательных циклах обработки сигнала о величине n.
ст
стi
стi-1
ст
ст
8
Δn=n-n - это разность между величинами последующей и предыдущей за сбросом частотами вращения силовой турбины в циклах обработки сигнала n. Если Δn ≥ 0, то I=0.
ст
ст
9
Блок 8 представляет собой дифференциатор, в котором осуществляется вычисление первой производной n по времени ||, сигнал I с которого поступает на вход блока 9.
ст
ст
ст
ст
10
ст
ст
10
порог
порог
порог
Блок 9 - компаратор, выполняющий сравнение фактической величины || с ее пороговым значением . При || <  формируется сигнал I=1, поступающий на вход блока 10. При || ≥ формируется сигнал I=0.
8
10
11
Блок 10 представляет собой логическое устройство типа “И” с двумя входами и одним выходом. При поступлении на оба входа сигналов I=1 и I=1 на выходе блока 10 формируется сигнал I=1 на включение подачи топлива.
гг
гг
гг
гг
12
порог
порог
Блок 11 - компаратор, выполняющий сравнение фактической величины nс ее пороговым значением n. При n> n на выходе блока 11 формируется сигнал на включение подачи топлива I=1, поступающий на вход блока 12.
7
11
12
13
Блок 12 - логический блок типа “И” с тремя входами и одним выходом. При поступлении на входы блока 12 сигналов I=1, I=1 и I=1 на выходе блока 12 формируется сигнал I=1 на включение подачи топлива.
3
14
13
14
Блок 13 - блок включения-отключения отсечного клапана. При поступлении сигнала I=1 на 1-й вход блока 13 снимается команда на открытие отсечного клапана I=0, при этом прекращается подача топлива в камеру сгорания. При поступлении сигнала I=1 на 2-й вход блока 13 формируется команда на открытие отсечного клапана I=1 и возобновляется подача топлива в камеру сгорания.
гг
гг
14
15
Блок 14 представляет собой дифференциатор, в котором осуществляется вычисление первой производной n по времени  при наличии сигнала на открытие отсечного клапана I=1, сигнал I с блока 14 поступает на вход блоков 15 и 19.
гг
гг
гг
гг
16
гг
гг
16
порог1
порог1
порог1
Блок 15 - компаратор, выполняющий сравнение фактической величины , с ее пороговым значением  . При  >  формируется сигнал I=1, поступающий на вход блока 18. При  ≤  формируется сигнал I=0.
14
17
Блок 16 - это блок вычисления величины приращения температуры за турбиной ΔТт с момента формирования команды на открытие отсечного клапана I=1. Выходной сигнал I с блока 16 поступает на вход блока 17.
порог
порог
порог
18
18
Блок 17 - это компаратор, выполняющий сравнение фактической величины ΔТт, с ее пороговым ΔТт. При ΔТт > ΔТтформируется сигнал I=1, поступающий на вход блока 18. При ΔТт ≤ ΔТтформируется сигнал I=0.
16
18
19
Блок 18 - логический блок типа “Или” с двумя входами. При поступлении на входы блока 18 сигнала I=1 или I=1 на выходе блока 18 формируется сигнал I=1 (признак розжига камеры сгорания), который поступает на блоки 19 и 21.
гг
гг
гг
гг
19
20
порог2
порог2
Блок 19 - это компаратор, выполняющий сравнение фактической величины , с ее пороговым значением . При  >  и наличии сигнала I=1 (признак розжига камеры сгорания) формируется сигнал I=1, поступающий на вход блоков 20 и 21.
20
Блок 20 - устройство осуществляющее управление расходом топлива по штатным законам регулирования при наличии сигнала I=1.
20
20
Блок 21 - устройство осуществляющее увеличение расхода топлива с темпом dGt/dt до перехода на штатные законы регулирования при отсутствии сигнала I (I=0).
Заявляемый способ осуществляется следующим образом.
гг
гг пр
к
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, либо приведенная к температуре на входе частота вращения ротора газогенератора n, либо полное давление воздуха за компрессором Р*.
1
2
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 I=1, поступающий на вход блока 2. В случае внезапного полного или частичного сброса нагрузки на второй вход блока 2 поступает сигнал I=1.
1
2
При поступлении информации о нахождении генератора в зоне “высоких” режимов работы и поступлении информации о внезапном сбросе нагрузки, т.е. поступлении сигналов l=1 и I=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.
ген
гг
гг пр
Одновременно осуществляют замер параметра нагрузки, которым может служить либо мощность электрического генератора Р, приводимого в действие силовой турбиной турбомашинного агрегата, либо частота вращения ротора газогенератора n, либо приведенная к температуре на входе частота вращения ротора газогенератора n.
ген
cт
cт
4
5
Сигнал о величине одного из перечисленных параметров, например, Р, поступает на 1-й вход блока 3, на второй вход которого поступает сигнал о величине частоты вращения ротора силовой турбины n. В блоке 3 на основании величины параметра нагрузки и величины n вырабатывается выходной сигнал 14, являющийся командой на управление расходом топлива в камеру сгорания. Сигнал I поступает на вход блока 5. На второй вход блока 5 подается сигнал I 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).
4
5
5
6
cт
В блоке 5 производится отбор одного из входных сигналов I и I(наименьшего или наибольшего в зависимости от знака изменения сигнала I). Выбранный сигнал в виде выходного сигнала I служит командой на управление расходом топлива, подаваемого в камеру сгорания, обеспечивая поддержание требуемой величины n при плавных изменениях нагрузки на валу силовой турбины.
ст
ст
cт
cт
7
ст
ст
10
порог
порог
В блоках 6-9 анализируются изменения величин n и ее первой производной по времени . При n< n на выходе блока 6 формируется сигнал I=1. Если || <, то на выходе блока 9 формируется сигнал I=1.
ст
8
8
10
8
10
11
гг
гг
12
порог
Если Δn< 0, то I=1. Логический блок 10 анализирует входящие сигналы I и I. Если I=1 и I=1, то формируется выходной сигнал I=1. При n > nна выходе блока 11 формируется сигнал I=1.
7
11
12
13
14
В случае поступления трех сигналов I=1, I=1 и I=1 на входы блока 12 формируется команда I=1 и блок 13 формирует команду на включение (возобновление) подачи топлива в камеру сгорания I=1.
14
гг
гг
15
гг
гг
При наличии сигнала на открытие отсечного клапана I=1 в блоке 14 вычисляется первая производная n по времени (I), производная n по времени  поступает на вход блоков 15 и 19.
гг
гг
гг
гг
16
порог1
порог1
В блоке 15 выполняется сравнение фактической величины , с ее пороговым значением . При выполнении условия  >  формируется сигнал I=1, поступающий на вход блока 18.
14
14
При наличии сигнала на открытие отсечного клапана I=1 в блоке 16 вычисляется величина приращения температуры за турбиной ΔТт с момента формирования команды на открытие отсечного клапана I=1. Величина приращения температуры за турбиной ΔТт с блока 16 поступает на вход блока 17.
порог
порог
18
В блоке 17 выполняется сравнение фактической величины ΔТт, с ее пороговым ΔТт. При выполнении условия ΔТт > ΔТтформируется сигнал I=1, поступающий на вход блока 18.
16
18
гг
гг
19
порог1
порог
При поступлении на входы блока 18 сигнала I=1 или I=1, т.е выполнение условий  >  или ΔТт > ΔТт формируется сигнал I=1 (признак розжига камеры сгорания), который поступает на блоки 19 и 21.
гг
гг
гг
гг
19
20
порог2
порог2
В блоке 19 выполняется сравнение фактической величины , с ее пороговым значением . При выполнении условия  >  и наличии сигнала I=1 (признак розжига камеры сгорания) формируется сигнал I=1, поступающий на вход блоков 20 и 21.
19
гг
гг
20
20
20
20
порог2
До появления сигнала I=1 (признак розжига камеры сгорания) и выполнения условия  > , соответственно отсутствии сигнала I (I=0) в блоке 21 выполняется увеличение задания на расход топлива с темпом dGt/dt до перехода на штатные законы регулирования - формирование сигнала I (I=1).
гг
гг
19
20
20
порог2
При выполнении условия  >  и наличии сигнала I=1 (признак розжига камеры сгорания), соответственно наличии сигнала I (I=1) выполняется переход на управление расходом топлива по штатным законам регулирования.
Данный способ успешно прошел опробование на испытательном стенде предприятия и внедрен в системы автоматического управления газотурбинными установками из состава газотурбинных электростанций мощностью 2.5, 4 и 6 МВт соответственно.
Таким образом, предлагаемое изобретение с вышеуказанными отличительными признаками, в совокупности с известными признаками, позволяет повысить безопасность функционирования турбомашинного агрегата и обеспечить надежность розжига камеры сгорания и безударного перехода от розжига к управлению расходом топлива по штатным законам регулирования, что позволяет повысить надежность работы турбомашинного агрегата в целом.