СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТУРБОАГРЕГАТОМ
TURBINE UNIT CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к области управления турбоагрегатами, в частности нефтеперекачивающими, водоотливными и компрессорными установками, включающими центробежные или осевые машины, и предназначено для обеспечения их работы с максимально возможным коэффициентом полезного действия не зависимо от изменения характеристики трубопровода.
Известна система управления наружным электроцентробежным насосом (патент RU №2341004, опубл. 10.12.2008), содержащая блок задания диаграммы динамическою уровня жидкости, блок сравнения, датчик динамического уровня жидкости, блок расчета требуемой частоты, частотный преобразователь, погружной электроцентробежный насос, блок дифференцирования, сумматор.
Недостатком этого устройства является уменьшение коэффициент полезного действия при изменении производительности или напора.
Известно устройство управления насосной установкой (патент RU №2095633, опубл. 10.11.1997), содержащее датчик давления и магнитный пускатель, которым включается электропривод насосной установки. Оно снабжено блоком преобразования сигналов, блоком задания уставок, программным и запоминающим блоками и усилителем. При этом датчик давления выполнен аналоговым и соединен с первым входом блока преобразования сигналов, второй вход которого соединен с выходом блока задания уставок, а третий вход с первым выходом программного блока, первый вход его соединен с выходом блока преобразования сигналов, второй выход программного блока соединен с входом запоминающего блока, выход которого соединен с вторым входом программною блока, третий выход которого соединен с входом усилителя, выход которого с магнитным пускателем.
Недостатками этого устройства является то, что не предусмотрено регулирование заданного расхода путем изменения числа оборотов вала насоса, это не позволяет его использовать как регулятор расхода. Поэтому его применение как регулятора расхода требует дополнительной установки в потоке жидкости регулятора давления, что ведет к дополнительным капитальным и эксплуатационным затратам.
Известна система управления центробежным насосом (патент RU №2418990, опубл. 20.05.2011), принятая за прототип. Система содержит блок задания параметра регулирования, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, выход центробежного насоса соединен с датчиком регулируемого параметра, датчик регулируемого параметра, сумматор, блок дифференцирования, второй вход блока сравнения соединен с выходом сумматора, блок интегрирования присоединен к выходу блока сравнения, выход блока интегрирования соединен с входом асинхронного электродвигателя, выход которого соединен с входом центробежного насоса, асинхронный электродвигатель соединен с датчиком частоты вращения, выход которого соединен с вторым блоком дифференцирования, выход которого соединен с первым входом сумматора датчик регулируемого параметра соединен с входом блока дифференцирования, выход которого соединен с вторым входом сумматора, третий вход которого соединен с выходом датчика регулируемого параметра.
Недостатком этого устройства является уменьшение коэффициента полезного действия при изменении производительности или напора.
Техническим результатом является повышение коэффициент полезного действия турбоагрегата до максимально возможного.
Технический результат достигается тем, что в системе управления турбоагрегатом, включающая центробежный насос, электродвигатель, блок изменения частоты вращения ротора центробежного насоса, систему автоматического регулирования, обеспечивающую заданную частоту вращения ротора центробежного насоса, на входе системы автоматического регулирования установлены элемент сравнения частот, блок формирования задания, состоящий из блока вычисления частоты вращения ротора, решателя, блока определения линии максимального КПД центробежного насоса, вычислителя максимального КПД центробежного насоса, блока аппроксимации характеристики КПД центробежного насоса, блока аппроксимации напорной характеристики центробежного насоса и блока аппроксимации напорной характеристики трубопровода, и блок автоматической корректировки, состоящий из датчика давления на входе в центробежный насос, датчика давления на выходе из центробежного насоса, блока определения дифференциального напора центробежного насоса, устройства измерения расхода жидкости через насос, блока определения рабочего КПД центробежного насоса, элемента сравнения КПД центробежного насоса, преобразователя сигнала, ваттметра, при этом один выход блока аппроксимации характеристики КПД центробежного насоса соединен с вычислителем максимального КПД центробежного насоса, который соединен с входами блока аппроксимации напорной характеристики центробежною насоса, блока определения линии максимального КПД центробежного насоса и с элементом сравнения КПД центробежного насоса, выход блока аппроксимации напорной характеристики центробежного насоса соединен с входом блока определения линии максимального КПД центробежного насоса, который соединен с входом решателя, вход решателя соединен с блоком аппроксимации напорной характеристики трубопровода, а выход с блоком вычисления частоты вращения ротора, вход которого соединен с элементом сравнения частот, вход блока определения дифференциального напора центробежного насоса соединен с выходами датчиков давления на входе в насос и выходе из насоса, выход соединен с входом блока определения рабочего КПД центробежного насоса, вход которого соединен с выходом устройства измерения расхода жидкости через насос и с ваттметром, а выход соединен с элементом сравнения КПД центробежного насоса, вход которого соединен с выходом вычислителя максимального КПД центробежного насоса, а выход соединен с преобразователем сигнала, выход которого соединен с элементом сравнения частот, который соединен с входом системы автоматического регулирования, вход которой соединен с блоком изменения частоты вращения ротора центробежного насоса, соединенного с электродвигателем, а электродвигатель с центробежным насосом.
Турбоагрегат - совокупность центробежного компрессора, насоса с электрическим приводом или турбины и приводимого ею в действие электрогенератора. В данном случае турбоагрегат включает центробежный насос, электродвигатель в качестве привода и блок изменения частоты вращения ротора центробежного насоса.
По предложенным формулам, известным из уровня техники, в блоке формирования задания рассчитывают регулирующий параметр - частоту вращения ротора насоса в зависимости от паспортных параметров, затем в блоке автоматической коррекции рассчитанную частоту вращения ротора насоса корректируют его фактической частотой вращения и далее откорректированное значение частоты вращения подают на блок изменения частоты вращения. Это обеспечивает повышение коэффициент полезного действия турбоагрегата до максимально возможного.
Система поясняется чертежом, где показана функциональная схема. Система включает: центробежный насос 1, электродвигатель 2, блок 3 изменения час готы вращения ротора центробежного насоса 1, систему 4 автоматического регулирования, обеспечивающую заданную частоту вращения ротора центробежною насоса 1, элемент 5 сравнения частот, ваттметр 6, блок формирования задания частоты вращения ротора, соответствующей максимальному КПД центробежного насоса, и блок автоматической коррекции максимального КПД при изменении внешних факторов, влияющих на режимы работы турбоагрегата.
Блок формирования задания частоты вращения ротора включает блок 7 аппроксимации характеристики КПД центробежного насоса, вычислитель 8 максимального КПД центробежного насоса, блок 9 аппроксимации напорной характеристики центробежного насоса 1 и блок 10 определения линии максимальных КПД центробежного насоса 1, блок 11 аппроксимации характеристики трубопровода, решатель 12, блок 13 вычисления частоты вращения ротора, выполненные в виде набора известных элементов сложения, умножения, дифференцирования соответственно используемой для вычисления формулы.
Блок автоматической коррекции включает датчик 14 давления на входе в центробежный насос 1 и датчик 15 давления на выходе из центробежного насоса 1, блок 16 определения дифференциального напора центробежного насоса 1, устройство 17 измерения расхода жидкости, блок 18 определения рабочего КПД центробежною насоса 1, измеритель электрической мощности - ваттметр 6, элемент 19 сравнения значений КПД центробежного насоса 1, преобразователь 20 сигнала.
1
2
3
Система работает следующим образом. На блок 7 аппроксимации характеристики КПД центробежного насоса оператором вводят значения коэффициентов характеристики КПД центробежного насоса c, c, c, и формируют сигнал характеристики КПД центробежного насоса по формуле:
1
2
3
2
3
η=cQ+cQ+cQ,
где η - КПД магистрального насоса;
1
2
3
3
2
6
3
9
c, c c, - постоянные коэффициенты характеристики КПД центробежного насоса, определяемые по паспортным характеристикам турбоагрегатов или при проведении регламентированных испытаний в процессе эксплуатации, соответственно с/м, с/м, с/м;
3
Q - фактическая подача центробежного насоса, м/с.
ηmax
для паспортной частоты вращения, подаваемый на вычислитель 8 максимального КПД центробежного насоса, который вычисляет производительность центробежного насоса при максимальном КПД Q по формуле:
<mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>η</mi><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo>−</mo><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msqrt><mrow><msubsup><mi>c</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><mn>3</mn><msub><mi>c</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>c</mi><mn>3</mn></msub></mrow></msqrt></mrow><mrow><mn>3</mn><msub><mi>c</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
ηmax
3
где Q - подача при максимальном КПД центробежною насоса, м/с;
и формирует сигнал, подаваемый на блок 9 аппроксимации напорной характеристики центробежного насоса 1 и блок 10 определения линии максимальных КПД центробежного насоса 1,
<mrow><mi>H</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>η</mi><mi>max</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msubsup><mi>Q</mi><mrow><mi>η</mi><mi>max</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac><msup><mi>Q</mi><mn>2</mn></msup></mrow>
,
ηmax
ηmax
3
где Q и H - соответственно подача, м/с и напор, м при максимальном КПД центробежного насоса;
3
Q и H - соответственно фактическая подача, м/с и фактический напор, м центробежного насоса.
ηmax
а также определяет максимальный КПД, но формуле:
<mrow><msub><mi>η</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>c</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>η</mi><mi>max</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><msubsup><mi>Q</mi><mrow><mi>η</mi><mi>max</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>3</mn></msub><msubsup><mi>Q</mi><mrow><mi>η</mi><mi>max</mi></mrow><mn>3</mn></msubsup></mrow>
,
0
который подается на элемент 19 сравнения значений КПД центробежного насоса 1. В блок 9 аппроксимации напорной характеристики центробежного насоса 1 также вводят значения коэффициентов напорной характерце гики a, а и где формируют характеристику насоса H по формуле
<mrow><mi>H</mi><mo>=</mo><msub><mi>a</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><mi>Q</mi><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><msup><mi>Q</mi><mn>2</mn></msup></mrow>
0
1
2
2
2
5
где a, a, a - постоянные коэффициенты напорной характеристики центробежного насоса, определяемые по паспортным характеристикам турбоагрегатов или при проведении регламентированных испытаний в процессе эксплуатации, соответственно м, с/м, с/м;
3
Q - подача центробежного насоса, м/с.
ηmax
для паспортной частоты вращения напора и вычисляют сигнал напора центробежного насоса 1 при максимальном КПД H, но формуле
<mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>η</mi><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>a</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>η</mi><mi>max</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><msubsup><mi>Q</mi><mrow><mi>η</mi><mi>max</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow>
,
подаваемый на блок 10 определения линии максимальною КПД центробежного насоса 1.
0
1
2
В блок 11 аппроксимации характеристики трубопровода вводятся значения коэффициентов характеристики трубопровода b, b, b, где формируется уравнение характеристики трубопровода
<mrow><mi>H</mi><mo>=</mo><msub><mi>b</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>b</mi><mn>1</mn></msub><mi>Q</mi><mo>+</mo><msub><mi>b</mi><mn>2</mn></msub><msup><mi>Q</mi><mn>2</mn></msup></mrow>
,
0
1
2
2
2
5
где b, b, b - постоянные коэффициенты характеристики трубопровода, соответственно м, с/м, с/м.
0
0
Сигналы с блока 10 определения линии максимального КПД центробежного насоса 1 и с блока 11 аппроксимации характеристики трубопровода поступают на вход решателя 12, где происходит решение системы уравнений характеристики трубопровода и линии максимальных КПД. Получаемые в результат решения производительности, Q и напор H режима работы центробежного насоса 1 формируются в сигналы, подаваемые на вход блок 13 вычисления частоты вращения ротора, в котором производится определение частоты вращения ротора, соответствующей максимальному КПД центробежного насоса 1
<mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><msub><mi>n</mi><mrow><mi>п</mi><mi>а</mi><mi>с</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mfrac><mrow><mo>−</mo><msub><mi>Q</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msqrt><mrow><msubsup><mi>Q</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><msubsup><mi>a</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><mn>4</mn><msub><mi>a</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mn>4</mn><msub><mi>a</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>H</mi><mn>0</mn></msub></mrow></msqrt></mrow><mrow><mn>2</mn><msub><mi>a</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
пасп
-1
где n - номинальная (паспортная) частота вращения ротора центробежного насоса, с;
0
0
3
Q и H - соответственно рабочие подача, м/с и напор, м.
0
1
2
и который формирует сигнал частоты вращения ротора центробежного насоса 1, подаваемый на элемент 5 сравнения частот. Также в блок 13 вычисления частоты вращения ротора вводятся значения коэффициентов напорной характеристики a, a, a.
вх
вых
н
max
Блок автоматической коррекции работает следующим образом. Датчик 14 давления на входе в центробежный насос 1 и датчик 15 давления на выходе из центробежного насоса 1 подают сигналы соответственно Р и Р на блок 16 определения напора центробежного насоса 1, который подает сигнал Н на блок 18 определения рабочею КПД центробежного насоса 1. Устройство 17 измерения расхода жидкости подает сигнал Q на блок 18 определения рабочего КПД центробежного насоса 1. Также на этот блок 18 подается сигнал потребляемой мощности электродвигателя с ваттметра 6. Сигналы, формирующиеся в вычислителе 8 КПД центробежного насоса 1 в виде η и в блоке 18 определения рабочего КПД центробежного насоса 1 в виде η подаются на элемент 19 сравнения значений КПД центробежного насоса 1, где формируются в сигнал Δη, который подается на преобразователь 20 сигнала, формирующий коррективное значение частоты вращения Δn ротора центробежного насоса 1, подаваемое на вход элемента 5 сравнения частот.
Элемент 5 сравнения частот формирует сигнал рабочей частоты вращения ротора центробежного насоса 1, который подается на систему 4 автоматического регулирования преобразователя частоты, где происходит формирование сигнала для преобразователя 3 частоты. Данный сигнал подается на электродвигатель 2, который механически соединен с центробежным насосом 1.
Таким образом, обеспечивается возможность работы турбоагрегата с максимально возможным коэффициентом полезного действия не зависимо от характеристики трубопровода.