СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
METHOD TO CONTROL GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в электронных системах автоматического управления (САУ) газотурбинными двигателями (ГТД), применяемыми в составе газотурбинных установок (ГТУ) для привода электрогенераторов (ЭГ) газотурбинных электростанций (ГТЭС).
Известен способ управления ГТД путем измерения косвенного параметра, характеризующего мощность двигателя, и изменения расхода топлива в камеру сгорания (КС) по величине отклонения измеренного параметра от заданного значения, [1].
Однако известный способ не позволяет без существенного усложнения процесса регулирования и ужесточения требований к точности датчиков внутридвигательных параметров обеспечить необходимое качество регулирования.
Известен также способ управления ГТД путем измерения частоты вращения турбины и изменения расхода топлива в камеру сгорания в зависимости от рассогласования между заданным и измеренным значениями частоты вращения турбины, [2].
При использовании ГТД в качестве ГТУ для привода ЭГ ГТЭС такой способ управления ГТД имеет следующий недостаток: большой разброс первоначально набранной мощности при включении в энергосистему, связанный с погрешностью выполнения синхронизации. Так, допустимая погрешность автоматической синхронизации составляет 0,2 Гц от заданной, что при статизме 4% вызовет разброс активной мощности 10% от номинальной и может привести к отключению ГТЭС защитой от обратной мощности.
Кроме того, использование такого способа управления ГТД в двухконтурных схемах управления ГТЭС, когда регулятор мощности ГТЭС воздействует на уставку регулятора частоты вращения турбины, не позволяет получить требуемое быстродействие системы при регулировании активной мощности. Это обусловлено тем, что для обеспечения устойчивости необходимо, чтобы быстродействие регулятора мощности было на порядок ниже быстродействия регулятора частоты вращения турбины.
Все это снижает надежность работы ГТУ и ГТЭС.
Целью изобретения является повышение надежности работы ГТУ и ГТЭС за счет повышения качества управления ГТУ и ГТЭС, обеспечивающего уменьшение разброса первоначально набираемой мощности при включении ГТЭС на параллельную работу с внешней энергосистемой, и повышение быстродействия системы управления при регулировании активной мощности.
Поставленная цель достигается тем, что в способе управления ГТД путем измерения частоты вращения турбины привода электрогенератора (ЭГ) и изменения расхода топлива в камеру сгорания в зависимости от рассогласования между заданным и измеренным значениями частоты вращения турбины, дополнительно измеряют частоту напряжения в сети, измеряют фактическую активную мощность ЭГ, при включении ГТЭС в сеть неограниченной мощности после включения вакуумного выключателя заданное значение частоты вращения турбины формируют из двух составляющих: статической и динамической, причем статическую составляющую определяют как произведение частоты напряжения в сети на коэффициент, связывающий частоту напряжения ЭГ с частотой вращения турбины, определяемый расчетно-экспериментальным путем и уточняемый в процессе сдаточных испытаний двигателя, а динамическую - как произведение разницы между заданной и фактической активными мощностями ЭГ на коэффициент статизма регулятора частоты вращения, задаваемый в процессе сдаточных испытаний двигателя и уточняемый в процессе эксплуатации двигателя в составе ГТУ ГТЭС.
На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующая заявляемый способ управления газотурбинным двигателем.
Устройство содержит последовательно соединенные измеритель 1 частоты напряжения ЭГ, первый блок 2 умножения (БУ), первый сумматор 3, второй сумматор 4, переключатель 5, третий сумматор 6, регулятор 7 расхода топлива в КС двигателя, электрогидропреобразователь (ЭГП) 8, дозатор 9 топлива, ко второму входу БУ 2 подключен выход первого запоминающего устройства (ЗУ) 10, ко второму входу сумматора 3 подключен выход второго БУ 11, на первый вход которого подключен выход задатчика 12 активной мощности, а на второй - выход второго ЗУ 13, ко второму входу сумматора 4 подключен выход третьего БУ 14, на первый вход которого подключен выход измерителя 15 активной мощности, а на второй - выход ЗУ 13, ко второму информационному входу переключателя 5 подключен задатчик 16 частоты вращения турбины двигателя на холостом ходу (XX), а управляемый вход переключателя 5 подключен к выходу сигнализатора 17 срабатывания вакуумного выключателя (ВВ), второй вход сумматора 6 подключен к выходу измерителя 18 частоты вращения турбины привода ЭГ.
Устройство работает следующим образом.
В процессе запуска двигателя и на холостом ходу ВВ выключен, сигнала с выхода сигнализатора 17 нет, переключатель 5 находится в положении, при котором на первый вход сумматора 6 подается сигнал с выхода задатчика 16 частоты вращения турбины двигателя на XX, на второй - с выхода измерителя 18 частоты вращения турбины привода ЭГ. Полученное рассогласование подается на вход в регулятор 7, где по известным зависимостям (см. например, [3]), формируется управляющий сигнал для ЭГП 8, с помощью которого регулируется положение дозатора 9, определяющего расход топлива в КС двигателя, а значит и частоту вращения турбины привода ЭГ.
При включении ГТЭС в сеть неограниченной мощности ВВ срабатывает, на выходе сигнализатора 17 появляется сигнал, по которому переключатель 5 перекладывается в новое положение. При этом на вход сумматора 6 будет подаваться новое заданное значение частоты вращения турбины:
где n уст. - уставка регулятора частоты вращения турбины;
Кп - коэффициент, связывающий частоту напряжения генератора с частотой турбины;
fc - частота напряжения в сети;
Кстат.- коэффициент статизма регулятора частоты вращения;
Рзад. - заданное значение активной мощности ЭГ;
Рфакт. - фактическое значение активной мощности ЭГ;
Это значение формируется следующим образом.
Из измерителя 1 частота напряжения ЭГ fc подается на вход БУ 2, где умножается на коэффициент Кп, связывающий частоту напряжения генератора с частотой турбины, сформированный на выходе ЗУ 10. На выходе БУ 2 формируется сигнал Кп×fc, который подается на вход сумматора 3.
На второй вход сумматора 3 подается сигнал с выхода БУ 11 Кстат.×Рзад., который формируется путем умножения сигнала Рзад. с выхода задатчика 12 активной мощности, получаемой от АСУ ТП электростанции, на величину Кстат. с выхода ЗУ 13.
На выходе сумматора 3 формируется сигнал (Кп×fc+Кстат.×Рзад.), который подается на первый вход сумматора 4.
На второй вход сумматора 4 подается сигнал с выхода БУ 14 - Кстат.×Рфакт., который формируется путем умножения сигнала Рфакт. с выхода измерителя 15 активной мощности на величину Кстат. с выхода ЗУ 13.
На выходе сумматора 4 формируется сигнал (Кп×fc+Кстат.×Рзад.-Кстат.×Рфакт.), который подается на второй вход переключателя 5 и  через него - на вход сумматора 6, на второй вход которого с выхода измерителя 18 подается сигнал частоты вращения турбины привода ЭГ. Полученное рассогласование подается на вход в регулятор 7, где по известным зависимостям (см. например, [3]), формируется управляющий сигнал для ЭГП 8, с помощью которого регулируется положение дозатора 9, определяющего расход топлива в КС двигателя, а значит, и частоту вращения турбины привода ЭГ.
После преобразования выражение (1) приобретает следующий вид:
где n уст. - уставка регулятора частоты вращения турбины;
Кп - коэффициент, связывающий частоту напряжения генератора с частотой турбины;
fc - частота напряжения в сети;
Кстат. - коэффициент статизма регулятора частоты вращения;
Рзад. - заданное значение активной мощности ЭГ;
Рфакт. - фактическое значение активной мощности ЭГ;
т.е. заданное значение частоты вращения турбины формируется из двух составляющих: статической:
где n уст.стат. - статическая составляющая уставки регулятора частоты вращения турбины;
Кп - коэффициент, связывающий частоту напряжения генератора с частотой турбины;
fc - частота напряжения в сети.
Кп зависит от схемы стыковки валов турбины и ЭГ (с редуктором, без редуктора), определяется расчетно-экспериментальным путем и уточняется за счет коррекции содержимого ЗУ 10 в процессе сдаточных испытаний двигателя (для современных ГТУ этот коэффициент может меняться от 1 до 1,5),
и динамической:
где n уст.дин. - динамическая составляющая уставки регулятора частоты вращения турбины;
Кстат. - коэффициент статизма регулятора частоты вращения;
Рзад. - заданное значение активной мощности ЭГ;
Рфакт. - фактическое значение активной мощности ЭГ.
Кстат. задается в процессе сдаточных испытаний двигателя и уточняется за счет коррекции содержимого ЗУ 13 в процессе эксплуатации двигателя в составе ГТУ ГТЭС.
Управление ГТУ ГТЭС таким образом обеспечивает:
- при включении в сеть завышение уставки регулятора частоты вращения турбины с учетом заданного статизма и, тем самым, уменьшение разброса первначально набираемой активной мощности при включении ГТЭС на параллельную работу с внешней энергосистемой;
- прямое управление частотой вращения турбины. Регулятор мощности, управляющий в замкнутом контуре уставкой регулятора частоты вращения, отсутствует, и это позволяет существенно повысить быстроту установления.
Таким образом, обеспечивается повышение качества управления ГТУ и ГТЭС и, как следствие, повышение надежности работы ГТУ и ГТЭС.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. «Выбор и обоснование рациональных схем электронно-гидравлических САР вертолетных и транспортных ГТД», т.о. ЦИАМ №8533, 1978 г.
2. Патент США №3283503, кл. 60-39.28, 1964 г.
3. Шевяков А.А. «Теория автоматического управления силовыми установками летательных аппаратов». М., «Машиностроение», с.237, 1976 г.