СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ НАДДУВОЧНОГО ВОЗДУХА ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРА В ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ
METHOD OF AUTOMATIC PRESSURE ADJUSTMENT OF BOOSTED AIR OF DIESEL-GENERATOR UNDER DYNAMIC CONDITIONS

Изобретение относится к области малой, децентрализованной электроэнергетики и может быть использовано для электроснабжением объектов с автономными электростанциями, например, объектов морской инфраструктуры, сельского и лесного хозяйств, горнорудной промышленности, береговых рыбоперерабатывающих предприятий и др.
Известен способ автоматизированного управления давлением наддувочного воздуха поддерживающего дизель-генератора - ДГ (Калинина М.И. Разработка новых схемных решений для привода судовых электрогенераторов. // Судостроение. - №2. - 1989. - С. 16-17), входящего в состав многоагрегатной электростанции судна, движимого главным двигателем, оборудованные каждый турбокомпрессором свободного наддува, у которых компрессоры наддувочного воздуха объединены между собой вспомогательным трубопроводом с установленным на нем непосредственно перед улиткой турбокомпрессора наддува поддерживающего ДГ управляемым клапаном, состоящий в том, что при работе поддерживающего ДГ на холостом ходу в режиме резервирования основного источника электроэнергии с целью сохранения в камерах сгорания поддерживающего ДГ оптимального коэффициента избытка воздуха, гарантирующего бездымное (без образования сажи) сгорание топлива, часть наддувочного воздуха забирают из нагнетательного воздухопровода турбокомпрессора главного двигателя и подают по вспомогательному трубопроводу в улитку турбокомпрессора наддува поддерживающего ДГ, а после нагружения поддерживающего ДГ мощностью, равной 30-40% номинальной, подачу наддувочного воздуха по вспомогательному трубопроводу прекращают путем закрытия управляемого клапана.
Преимуществом данного способа регулирования давления наддувочного воздуха на поддерживающем ДГ является возможность его длительной работы на частичных режимах вплоть до холостого хода при почти полном сгорании подаваемого топлива без образования и отложения сажи на стенках камер сгорания и выхлопного тракта, при более экономном расходе топлива и лучших экологических показателях отработавших газов. Этим гарантируется бесперебойность подачи электроэнергии в электросеть судна в случае внезапных отказов основного источника электроэнергии на ходу судна.
Недостатком этого известного способа является то, что отмеченные преимущества проявляются только в ходовых режимах работы судна, т.е. когда работает главный двигатель, причем параметры наддувочного воздуха со стороны турбокомпрессора наддува главного двигателя нестабильны, так как зависят от режима последнего (полный ход, средний ход, малый ход). А кроме того, отбор части потока воздуха из наддувочной магистрали главного двигателя влияет на текущий режим работы последнего, особенно когда он сам работает на частичных нагрузках.
Известен другой способ автоматического регулирования давления наддувочного воздуха дизель-генератора в динамических режимах, оборудованного средствами регулирования подачи топлива в функции текущей нагрузки при неизменной частоте вращения ДГ и таким же устройством дополнительного подвода воздуха к улитке его турбокомпрессора, что и в аналоге 1, (Абрамов Д.Н. Пути снижения вредных выбросов судового дизеля в динамических режимах работы. - М.: Мортехинформреклама. Обзорная информация. Вып. 5-6, 1999. - 17-20), заключающийся в том, что в момент наброса нагрузки на ДГ дополнительный поток воздуха на улитку его турбокомпрессора наддува направляют от постороннего накопителя сжатого воздуха, например, пусковоздушного баллона, через клапан, управляемый сигналами регуляторов подачи топлива и закрываемый по завершении переходного процесса принятия набрасываемой нагрузки. Этот способ применен на большегрузном танкере-теплоходе «BRIGHTOIL GRAVITI» водоизмещением 300000 т, построенном в 2012 г. в Южной Корее (штатная документация теплохода).
Преимуществом этого известного способа регулирования давления наддувочного воздуха дизель-генератора в динамических режимах является его независимость от работы посторонней энергетической установки, например, главного двигателя судна, а также стабильность параметров дополнительного потока сжатого воздуха в его накопителе. Это позволяет более точно корректировать коэффициент избытка воздуха в камерах сгорания ДГ относительно его оптимального значения для изменившихся условий.
Недостатком способа в аналоге 2 является невозможность быстрого регулирования (снижения) давления наддувочного воздуха рабочего ДГ при сбросе его нагрузки, а также невозможность использования способа в статических режимах неполных нагрузок ДГ вследствие большого расхода сжатого воздуха.
Известен также способ автоматического регулирования давления наддувочного воздуха дизель-генератора (патент RU №2200861), который заключается в том, что после запуска дизеля и начала его работы измеряют нагрузку электрического генератора и регулируют работу дизеля путем изменения его топливоподачи. На частичных режимах работы электрического агрегата вплоть до холостого хода включительно при постоянной частоте вращения коленчатого вала дизеля осуществляют стабилизацию коэффициента избытка воздуха путем автоматического изменения положения воздушного дросселирующего элемента на входе во впускной коллектор дизеля. При запуске, набросе нагрузки и максимальной статической нагрузке ДГ положение воздушного дросселирующего элемента оставляют неизменным. Стабилизацию коэффициента избытка воздуха осуществляют с учетом параметров воздуха окружающей среды, с помощью корректирующего воздействия на положение воздушного дросселирующего элемента.
Похожий способ предложен также в патентах: RU №2104403, RU №2338913.
Преимуществом данного известного способа регулирования давления наддувочного воздуха дизель-генератора является, как и в способе-аналоге 2, его независимость от наличия и режимов посторонних генератора и накопителя сжатого воздуха, меньшая загроможденность машинного отделения воздушными трубопроводами и меньшие затраты на их монтаж. Важным преимуществом способа является быстрота регулирования параметров наддува дизеля в динамических режимах и их адаптация к изменяющимся условиям окружающей среды.
x
Недостатком способа-аналога 3 является увеличение сопротивления наддувочного тракта (и потерь на его преодоление) в период работы ДГ на статических частичных нагрузках, возрастание, как следствие, температуры воздуха, подаваемого в его цилиндры, а следовательно, увеличение доли окислов азота NO в отработавших газах. Повышенное сопротивление нагнетательного трубопровода турбокомпрессора в период работы ДГ на частичных нагрузках снижает у него запас по помпажу, а дополнительные переменные скачки этого сопротивления в динамических режимах могут явиться причиной срыва компрессора в состояние помпажа.
Наиболее близким и известным к заявляемому является способ автоматического регулирования давления наддувочного воздуха дизель-генератора в динамических режимах, реализованный в способе (прототипе) автоматизированного управления синхронным дизель-генератором (патент РФ №2488708), снабженным подсистемой дистанционного автоматизированного управления, турбонаддувочным агрегатом (ТНА) в составе турбокомпрессора наддува (ТКН), воздухоохладителя наддувочного воздуха, обратимой синхронной электрической машины (ОСЭМ) с электромагнитным возбуждением, соединенной кинематически с валом турбокомпрессора наддува через редуктор и электрически - с электрической сетью посредством статического полупроводникового преобразователя (СПП) со звеном постоянного тока, состоящего из однотипных (согласно рабочей документации) обратимых сетевого и электромашинного преобразователей, и его (СПП) системы управления, одноимпульсным механогидравлическим регулятором топливоподачи (известным как регулятор угловой скорости) с встроенными в него серводвигателем и стоп-устройством, трехимпульсным электронным пропорционально-интегрально-дифференциальным (ПИД) регулятором подачи топлива и наддувочного воздуха, системой запуска сжатым воздухом в составе пускового баллона и пусковоздушной магистрали, состоящий в том, что при запуске синхронного дизель-генератора разгоняют одновременно и обратимую синхронную электрическую машину турбонаддувочног агрегата. А при работе данного дизель-генератора в диапазоне статических активных нагрузок менее 30-40% номинальной и набросе мощности измеряют посредством трехимпульсного электронного пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора подачи топлива и давления наддувочного воздуха сигналы статического и динамического приращения этой мощности. Согласованно и синхронно форсируют этими сигналами подачу топлива и давление наддувочного воздуха путем того, что воздействуют статическим сигналом на серводвигатель одноимпульсного механогидравлического регулятора угловой скорости дизеля, а динамическим сигналом - на систему управления статическим полупроводниковым преобразователем обратимой синхронной электрической машины турбонаддувочного агрегата, повышая на этом этапе напряжение этого преобразователя и вращающий электромагнитный момент данной обратимой синхронной электрической машины, работающей приводным двигателем. А при сбросе мощности в этом диапазоне статических нагрузок измеряют тем же трехимпульсным электронным пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором подачи топлива и давления наддувочного воздуха сигналы статического и динамического понижения этой мощности, которыми согласованно и синхронно дефорсируют подачу топлива и давление наддувочного воздуха дизеля путем того, что воздействуют первым сигналом на серводвигатель одноимпульсного механогидравлического регулятора угловой скорости и вторым сигналом воздействуют на систему управления статическим полупроводниковым преобразователем обратимой синхронной электрической машины турбонаддувочного агрегата, чем уменьшают на этом этапе напряжение этого преобразователя в цепи постоянного тока и вращающий электромагнитный момент обратимой синхронной электрической машины. При работе дизель-генератора в диапазоне статических нагрузок выше 30-40% номинальной и набросе мощности измеряют сигналы статического и динамического приращения этой мощности. Согласованно и синхронно форсируют этими сигналами подачу топлива и давление наддувочного воздуха путем того, что также статическим сигналом воздействуют на серводвигатель одноимпульсного механогидравлического регулятора угловой скорости дизеля и увеличивают подачу топлива, а динамическим сигналом воздействуют на систему управления статическим полупроводниковым преобразователем обратимой синхронной электрической машины турбонаддувочного агрегата, работающей в данном диапазоне нагрузок в генераторном режиме, чем понижают на этом этапе ток возбуждения и тормозной электромагнитный момент обратимой синхронной электрической машины. При этом при сбросе мощности в этом диапазоне статических нагрузок подачу топлива и давление наддува дизеля одновременно и согласованно на этом этапе дефорсируют.
Преимущество известного способа-прототипа заключается в том, что присутствие ОСЭМ на валу турбокомпрессора наддува сообщает системе наддува активные свойства, способствующие тому, что в период запуска ДГ, а также во всем диапазоне статических нагрузок регулируют давление наддувочного воздуха турбокомпрессором с дополнительным корректирующим приводом от ОСЭМ, так что процесс сгорания топлива протекает при оптимальных для текущих условий работы ДГ значениях коэффициента избытка воздуха, обеспечивающих полное сгорание топлива при повышенных значениях коэффициента полезного действия (КПД) дизеля и улучшенных экологических характеристиках выхлопных газов. Дополнительным преимуществом способа-прототипа является утилизация энергии теплоты отработавших газов в электрическую энергию в диапазоне стационарных нагрузок ДГ более 30-40% номинальной и кинетической энергии вращающихся масс ТКН при его остановках.
К недостаткам известного способа-прототипа следует отнести недостаточное улучшение приемистости ДГ в динамических режимах, обусловленное повышением инерционности ТНА (постоянной времени свободного выбега) из-за увеличения массы его вращающихся частей, вызванного присоединением к валу турбокомпрессора дополнительной машины - ОСЭМ - с редуктором и снижение, как следствие, быстродействия ТНА в переходных режимах. В результате этого при набросах и сбросах нагрузки на ДГ полностью устранить запаздывание изменений давления наддувочного воздуха в цилиндрах дизеля по отношению к изменениям подачи топлива, т.е. улучшить приемистость и обеспечить оптимальное регулирования коэффициента избытка воздуха в этой ситуации, не удается. А следовательно, полного сгорания топлива в динамических режимах работы агрегата не достигается, и исключить полностью образование сажи и токсичных газов не получается. Помимо этого, вследствие высокой рабочей угловой скорости вращения ТНА и возросшей массы вращающихся частей, наблюдающиеся изменения его частоты вращения, обусловленные частыми изменениями нагрузочных режимов ДГ, связаны с накоплением и расходованием (на нагрев) дополнительных количеств кинетической энергии вращающихся масс, что снижает экономичность турбокомпрессора. Способ-прототип предполагает использование ОСЭМ в режиме синхронной машины с частотным управлением. Однако, известно, что этот режим ОСЭМ характеризуется более сложной (а, следовательно, более дорогостоящей и менее надежной) структурой системы управления статическим полупроводниковым преобразователем ОСЭМ (что связано с присутствием в ней драйвера регулируемой частоты питающего напряжения ОСЭМ) и отличается относительно жесткими переходными электромагнитными и электромеханическими процессами, сказывающимися отрицательно на надежности и долговечности ТНА в целом.
x
x
x
x
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение перечисленных недостатков известного способа-прототипа, а именно: а) дальнейшее улучшение приемистости нагрузки ДГ в переходных режимах за счет повышения быстродействия и точности процесса регулирования давления наддувочного воздуха в цилиндрах дизеля в периоды резко переменных колебаний его нагрузки (набросы/сбросы), приводящем, в итоге, к улучшению динамических показателей процесса регулирования частоты напряжения в электрической сети потребителей; б) устранение в переходных режимах образования сажи (дымности), токсичных газов (СО, NO, SO), остатков углеводородов (CH), альдегидов и других ингридиентов в продуктах горения; в) качественное улучшение процессов сгорания топлива в цилиндрах дизеля в переходных режимах, направленное на высвобождение без остатка всей запасенной в сгораемом топливе химической энергии; г) дополнительное повышение экономичности ДГ за счет утилизации кинетической энергии вращающихся масс ТНА в переходные периоды снижения его частоты вращения в электрическую энергию с направлением ее в электрическую сеть потребителей; д) улучшение переходных электромагнитных и электромеханических процессов ОСЭМ, а также упрощение и удешевление системы управления ее статическим полупроводниковым преобразователем; е) улучшение противопомпажных характеристик турбокомпрессора наддува во всех режимах и всем диапазоне нагрузок ДГ; ж) дополнительно ставится задача улучшения пусковых свойств ОСЭМ при ее использовании в режиме вентильного двигателя.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в известном способе автоматического регулирования давления наддувочного воздуха дизель-генератора в динамических режимах, состоящем в том, что при запуске синхронного дизель-генератора разгоняют одновременно и обратимую синхронную электрическую машину турбонаддувочного агрегата, а при работе данного дизель-генератора в диапазоне статических активных нагрузок менее 30-40% номинальной и набросе мощности измеряют посредством трехимпульсного электронного пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора подачи топлива и давления наддувочного воздуха сигналы статического и динамического приращения этой мощности, согласованно и синхронно форсируют этими сигналами подачу топлива и давление наддувочного воздуха путем того, что воздействуют статическим сигналом на серводвигатель одноимпульсного механогидравлического регулятора угловой скорости дизеля, а динамическим сигналом - на систему управления статическим полупроводниковым преобразователем обратимой синхронной электрической машины турбонаддувочного агрегата, повышая на этом этапе напряжение этого преобразователя в цепи постоянного тока и вращающий электромагнитный момент данной обратимой синхронной электрической машины, работающей приводным двигателем, а при сбросе мощности в этом диапазоне статических нагрузок измеряют тем же трехимпульсным электронным пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором подачи топлива и давления наддувочного воздуха сигналы статического и динамического понижения этой мощности, которыми также согласованно и синхронно дефорсируют подачу топлива и давление наддувочного воздуха дизеля путем того, что воздействуют первым сигналом на серводвигатель одноимпульсного механогидравлического регулятора угловой скорости и вторым сигналом воздействуют на систему управления статическим полупроводниковым преобразователем обратимой синхронной электрической машины турбонаддувочного агрегата, чем уменьшают на этом этапе напряжение этого преобразователя в цепи постоянного тока и вращающий электромагнитный момент обратимой синхронной электрической машины; при работе дизель-генератора в диапазоне статических нагрузок выше 30-40% номинальной и набросе мощности измеряют сигналы статического и динамического приращения этой мощности, согласованно и синхронно форсируют этими сигналами подачу топлива и давление наддувочного воздуха путем того, что также статическим сигналом воздействуют на серводвигатель одноимпульсного механогидравлического регулятора угловой скорости дизеля и увеличивают подачу топлива, а динамическим сигналом воздействуют на систему управления статическим полупроводниковым преобразователем обратимой синхронной электрической машины турбонаддувочного агрегата, работающей в данном диапазоне нагрузок в генераторном режиме, чем понижают на этом этапе ток возбуждения и тормозной электромагнитный момент обратимой синхронной электрической машины, при этом при сбросе мощности в этом диапазоне статических нагрузок подачу топлива и давление наддува дизеля одновременно и согласованно на этом этапе дефорсируют, в ОТЛИЧИЕ от известного способа в заявляемом способе в динамических режимах работы дизель-генератора при набросе и сбросе мощности давление наддувочного воздуха при всех его предшествующих нагрузках регулируют поэтапно.
При набросе нагрузки на дизель-генератор при суммарном воздействии сигналов приращений статической и динамической нагрузок на первом этапе воздействуют дополнительно сигналом приращения статической нагрузки на повышение давления наддувочного воздуха за счет подачи по сигналу блока динамической коррекции частоты напряжения генератора во всасывающий патрубок турбокомпрессора наддува сжатого воздуха из его источника по вспомогательному воздухопроводу посредством управляемого клапана, установленного на этом воздухопроводе непосредственно перед входом в турбокомпрессор, а также воздействуют и на обратимую синхронную электрическую машину турбонаддувочного агрегата посредством статического полупроводникового преобразователя, системы его управления, выполненной в виде подсистем управления обратимыми сетевым и электромашинным полупроводниковыми преобразователями, и субблоков управления двигательным и генераторным режимами блока логического управления обратимой синхронной электрической машиной. При этом в периоды работы дизель-генератора со статической нагрузкой более 30-40% номинальной, при упомянутом набросе нагрузки, когда обратимая синхронная электрическая машина турбонаддувочного агрегата работает в генераторном режиме, уменьшают, за счет воздействия суммарным сигналом приращений статической и динамической нагрузок дизель-генератора и посредством статического полупроводникового преобразователя, его подсистем управления обратимыми сетевым и электромашинным полупроводниковыми преобразователями и соответственно субблоков управления двигательным и генераторным режимами, электромагнитный тормозной момент обратимой синхронной электрической машины вплоть до ее перевода в двигательный режим с последующим его доведением до номинального посредством управляемого полупроводникового преобразователя-возбудителя с его подсистемой управления. Причем измеряют на первом этапе данного наброса нагрузки давление наддувочного воздуха в воздушном коллекторе турбокомпрессора наддува и частоту вращения самого турбокомпрессора наддува. Значение сигнала, пропорциональное этому давлению, сравнивают посредством блока динамической коррекции частоты напряжения генератора с программно заданным в этом же блоке значением, равным оптимальному для возросшей статической нагрузки дизель-генератора, и, если значение измеренного сигнала превышает оптимальное, отключают посредством сигнала данного блока управляемый клапан от источника сжатого воздуха. На втором этапе данного регулирования давления наддувочного воздуха того же режима дизель-генератора при указанном набросе нагрузки сравнивают в субблоке задания режима блока логического управления обратимой синхронной электрической машиной измеренные значения текущего сигнала частоты вращения турбокомпрессора наддува и давления наддувочного воздуха в воздушном коллекторе с программно заданными в том же субблоке задания режима значениями, равными оптимальным для возросшей статической нагрузки дизель-генератора. И, в случае превышения измеренных сигналов частоты вращения и соответственно давления наддувочного воздуха над заданными и работе дизель-генератора с нагрузкой более 30-40% номинальной, сигналами их разности воздействуют этим субблоком на возврат обратимой синхронной электрической машины турбонаддувочного агрегата снова в предшествующий генераторный режим, а затем и последующее повышение электромагнитного тормозного момента обратимой синхронной электрической машины, посредством ее статического полупроводникового преобразователя, его подсистем управления обратимыми электромашинным и сетевым полупроводниковыми преобразователями, при возврате режима и управляемого полупроводникового преобразоватля-возбудителя с его подсистемой управления при повышении тормозного момента, до тех пор, пока сравниваемые в субблоке управления генераторным режимом значения измеренного и оптимального сигналов давления наддувочного воздуха не станут равными, после чего повышение электромагнитного тормозного момента обратимой синхронной электрической машины, посредством полупроводникового преобразователя-возбудителя с его подсистемой управления, по сигналу субблока управления генераторным режимом прекращают как установившееся. А если нагрузка дизель-генератора в момент наброса соответствует значениям менее 30-40% номинальной, то первоначально, наряду с упомянутой подачей на первом этапе в турбокомпрессор наддува сжатого воздуха от постороннего источника, увеличивают одновременно за счет воздействия суммарным сигналом приращений статической и динамической нагрузок дизель-генератора электромагнитный движущий момент обратимой синхронной электрической машины, работающей в данном диапазоне нагрузок дизель-генератора в двигательном режиме, до номинального значения, посредством статического полупроводникового преобразователя, подсистемы управления его сетевым полупроводниковым преобразователем и субблока управления двигательным режимом. А на втором этапе, после отключения источника сжатого воздуха, сигналами разности измеренных возросших значений частоты вращения турбокомпрессора наддувочного воздуха и соответственно давления наддувочного воздуха в воздушном коллекторе над программно заданными, вычисленными в субблоке управления двигательным режимом, воздействуют на возвращение обратимой синхронной электрической машины в предшествующий двигательный режим и дальнейшее уменьшение ее электромагнитного движущего момента, посредством статического полупроводникового преобразователя, подсистемы управления его сетевым полупроводниковым преобразователем и субблока управления двигательным режимом, до тех пор, пока измеренный сигнал действительного значения давления наддувочного воздуха при сравнении в субблоке управления двигательным режимом не снизится и не станет равным оптимальному значению для возросшего статического нагрузочного режима дизель-генератора, после чего данное снижение электромагнитного движущего момента обратимой синхронной электрической машины по сигналу данного субблока прекращают как установившееся;
При сбросе с дизель-генератора нагрузки, на первом этапе измеренным статическим сигналом понижения мощности воздействуют одновременно на уменьшение подачи топлива посредством одноимпульсного механогидравлического регулятора угловой скорости двигателя и на подключение к клеммам генератора компенсатора активной мощности, посредством его быстродействующего полупроводникового регулятора, по сигналу блока динамической коррекции частоты напряжения, связанного с указанным одноимпульсным механогидравлическим регулятором угловой скорости. А также воздействуют и на сброс с выдержкой 0,5 сек. наддувочного воздуха из воздушного коллектора турбокомпрессора на его всасывающую полость посредством воздействия дополнительным сигналом с выхода блока динамической коррекции частоты напряжения на открытие управляемого клапана, установленного на перепускном воздухопроводе, соединяющем нагнетательную полость турбокомпрессора с его всасывающей полостью, понижая, тем самым, коэффициент избытка воздуха в камерах сгорания дизеля. А суммарным сигналом статического и динамического понижения мощности, в случае если нагрузка дизель-генератора в этот момент сброса составляет менее 30-40% номинальной, воздействуя им на субблоки управления двигательным и генераторным режимами блока логического управления, переводят по сигналу последнего субблока обратимую синхронную электрическую машину турбонаддувочного агрегата, работающую в двигательном режиме, в генераторный режим при номинальном токе, посредством ее статического полупроводникового преобразователя, подсистем управления его сетевым и электромашинным полупроводниковыми преобразователями и управляемым полупроводниковым преобразователем-возбудителем, и форсированно понижают при этом частоту вращения и производительность турбокомпрессора наддува, а также и давление наддувочного воздуха в его воздушном коллекторе. А если нагрузка дизель-генератора в момент сброса равна и более 30-40% номинальной, суммарным сигналом статического и динамического понижения мощности увеличивают электромагнитный тормозной момент обратимой синхронной электрической машины турбонаддувочного агрегата, работающей в генераторном режиме, до номинальной мощности, воздействуя по этому суммарному сигналу выходным сигналом субблока управления генераторным режимом блока логического управления на подсистему управления управляемым полупроводниковым преобразователем-возбудителем, форсированно увеличивают при этом посредством данного преобразователя-возбудителя ток возбуждения и электромагнитный тормозной момент обратимой синхронной электрической машины до номинального значения, тем самым форсированно понижают частоту вращения и производительность турбокомпрессора наддува, а также и давление наддувочного воздуха в его воздушном коллекторе. Далее после сброса нагрузки с дизель-генратора сигналом уменьшения подачи топлива, синхронно с ним пропорционально снижают нагрузку компенсатора активной мощности посредством его быстродействующего полупроводникового регулятора по дополнительному сигналу блока динамической коррекции частоты напряжения генератора, одновременно с этим измеряют снижающиеся частоту вращения турбокомпрессора наддува и давление наддувочного воздуха в воздушном коллекторе, и по мере снижения давления наддувочного воздуха измеренный сигнал этого давления сравнивают посредством блока динамической коррекции частоты напряжения генератора с его программно заданным в этом же блоке значением, равным оптимальному для данной понизившейся статической нагрузки дизель-генератора. При этом, когда сигнал, пропорциональный давлению наддувочного воздуха, станет равным программно заданному, управляемый клапан на перепускном воздухопроводе закрывают посредством данного блока динамической коррекции частоты напряжения генератора. А когда равным программно заданному в нем станет и значение поступившего в него сигнала частоты вращения, пропорциональное угловой скорости турбокомпрессора наддува, выключают и компенсатор активной мощности посредством воздействия данного блока динамической коррекции частоты напряжения генератора на его быстродействующий полупроводниковый регулятор. Затем на втором этапе регулирования сравнивают посредством субблока управления генераторным режимом блока логического управления обратимой синхронной электрической машины турбонаддувочного агрегата измеренные значения сигналов частоты вращения трбокомпрессора наддува и давления наддувочного воздуха с их программно заданными в том же субблоке управления генераторным режимом значениями, равными оптимальным для снизившегося статического нагрузочного режима дизель-генератора. И, в случае превышения вторых сигналов над первыми, в режимах со статической нагрузкой дизель-генератора менее 30-40% номинальной воздействуют данными сигналами разности этого субблока на подсистемы управления электромашинным и сетевым полупроводниковыми преобразователями статического полупроводникового преобразователя обратимой синхронной электрической машины и возвращают данную машину в предшествующий двигательный режим. Повышают затем посредством субблока управления двигательным режимом и его упомянутых элементов и связей электромагнитный двигательный момент обратимой синхронной электрической машины и частоту вращения турбокомпрессора наддува до тех пор, пока сравниваемые в этом субблоке управления двигательным режимом измеренное и программно заданное оптимальное для снизившегося статического нагрузочного режима дизель-генератора значения сигналов давления наддувочного воздуха не станут равными, после чего повышение электромагнитного двигательного момента обратимой синхронной электрической машины по сигналу этого субблока прекращают.
При выводе дизель-генератора из работы посылают на вход его подсистемы дистанционного автоматизированного управления команду остановки и организуют посредством этой подсистемы перевод нагрузки на остающийся в работе дизель-генератор. В процессе данного перевода на выходе трехимпульсного электронного пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора подачи топлива выводимого дизель-генератора синхронно со снижением нагрузки синхронного генератора формируют сигнал понижения статической нагрузки двигателя. Воздействуют им на серводвигатель одноимпульсного механогидравлического регулятора угловой скорости, а также на устройства регулирования давления наддувочного воздуха, снижая его давление и частоту вращения турбокомпрессора наддува, как и в случае сброса нагрузки. А когда мощность выводимого синхронного генератора станет равной нулю, по сигналу его трехимпульсного электронного пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора подачи топлива выключают автоматический выключатель данного генератора. Посредством нормально замкнутого блок-контакта этого выключателя посылают на подсистему дистанционного автоматизированного управления выводимым дизель-генератором сигнал работы на холостом ходу. По этому сигналу посредством указанной подсистемы дистанционного управления понижает частоту вращения дизель-генератора до значения, установленного программой для режима холостого хода. А по истечении заданной в данной подсистеме программным способом выдержки времени для работы дизель-генератора на холостом ходу, этой подсистемой дистанционного автоматизированного управления формируют одновременно команду остановки дизеля посредством стоп-устройства одноимпульсного механогидравлического регулятора угловой скорости и команду остановки турбонаддувочного агрегата посредством субблока торможения блока логического управления обратимой синхронной электрической машиной. Далее посредством данного субблока торможения во взаимодействии последнего со статическим полупроводниковым преобразователем и его обеими подсистемами управления сетевым и электромашинным полупроводниковыми преобразователями переводят обратимую синхронную электрическую машину в генераторный режим рекуперативного торможения, снижают частоту вращения обратимой синхронной электрической машины и турбонаддувочного агрегата, преобразуя при этом запасенную ими кинетическую энергию в электрическую и направляя ее в электрическую сеть. Измеряют понижающуюся частоту вращения турбокомпрессора наддува и сравнивают ее значение в субблоке торможения блока логического управления с программно заданным в этом же субблоке торможения значением, определяющим момент перехода обратимой синхронной электрической машины уже в режим динамического торможения. При снижении частоты вращения турбокомпрессора наддува до указанного заданного значения динамического торможения сигналом этого субблока торможения электромашинный преобразователь статического полупроводникового преобразователя переключают посредством вспомогательного контактора последнего на его динамический резистор, включая последний в цепь постоянного тока самого статического преобразователя, а импульсы управления полупроводниковыми вентилями сетевого преобразователя статического полупроводникового преобразователя блокируют посредством того же субблока торможения. Когда же частота вращения турбокомпрессора наддува в процессе динамического торможения станет равной нулю, тем же субблоком торможения выключают автоматический выключатель обратимой синхронной электрической машины, снимая питание со всех цепей обратимой синхронной электрической машины
Эксплуатационно оправданно такое выполнение способа, когда обратимую синхронную электрическую машину турбонаддувочного агрегата в период ее работы двигателем используют в режиме вентильной машины при номинальном токе возбуждения, а в период ее работы генератором потоком электрической мощности управляют комбинированно таким образом, что в установившихся режимах потоком этой мощности управляют путем регулирования напряжения и тока возбуждения, а в переходных режимах этим же потоком управляют путем воздействия на статический полупроводниковый преобразователь обратимой вентильной синхронной электрической машины, включенный в ее якорную цепь.
Экономически и технологически целесообразно такое выполнение способа, когда в процессе запуска дизель-генератора разгон обратимой синхронной электрической машины турбонаддувочного агрегата в режиме вентильного двигателя до начальной частоты вращения, составляющей 5% ее номинального значения и гарантирующей устойчивую естественную коммутацию полупроводниковых вентилей электромашинного преобразователя в период работы зависимым инвертором, выполняют путем подачи сжатого воздуха из пускового баллона дизеля во входной патрубок газовой турбины турбонаддувочного агрегата через управляемый клапан, установленный на участке вспомогательного воздухопровода между этим баллоном и входным патрубком данной газовой турбины, и прекращают подачу сжатого воздуха путем воздействия сигналом обратной связи по частоте вращения турбонаддувочного агрегата на тот же управляемый клапан.
x
x
х
х
х
х
Ограничительные и отличительные признаки заявляемого изобретения обеспечивают в совокупности решение поставленной задачи с получением следующих результатов: 1) улучшение приемистости нагрузки ДГ в переходных режимах как за счет повышения быстродействия системы регулирования давления наддувочного воздуха в цилиндрах дизеля в периоды набросов на него нагрузки, так и применения быстродействующего компенсатора активной мощности в моменты сбросов нагрузки, приводящим, в итоге, к улучшению динамических показателей процесса регулирования частоты напряжения в электрической сети потребителей; 2) улучшение процессов сгорания топлива в цилиндрах дизеля в переходных режимах, направленное на устранение образования сажи (дымности), токсичных газов (GO, NO, SO), остатков углеводородов (СН), альдегидов и других ингредиентов в продуктах горения, т.е. улучшение экологических характеристик ДГ; 3) высвобождение без остатка всей запасенной в сгораемом топливе химической энергии и превращение ее в механическую энергию за счет оптимизации процессов сгорания топлива в цилиндрах дизеля в переходных режимах без образования остатков углеводородов СН; 4) дополнительное повышение экономичности ДГ в переходных режимах за счет утилизации кинетической энергии вращающихся масс турбонаддувочного агрегата в электрическую энергию в периодически повторяющиеся промежутки снижения частоты вращения турбокомпрессорного агрегата с направлением ее в электрическую сеть потребителей; 5) улучшение переходных электромагнитных и электромеханических процессов обратимой синхронной электрической машины турбонаддувочного агрегата, а также упрощение и удешевление системы управления ее статическим полупроводниковым преобразователем, 6) заявляемое изобретение дополнительно направлено на улучшение противопомпажных характеристик турбокомпрессора наддува во всех режимах и всем диапазоне нагрузок ДГ; 7) улучшение пусковых свойств ОСЭМ в режиме двигателя без усложнения ее конструкции.
I. Одной из важных характеристик динамических режимов работы ДГ является приемистость нагрузки, характеризующая быстроту адаптации его вспомогательных систем к внезапному изменению нагрузки агрегата - ее «набросу» или «сбросу». Электронные средства регулирования топливоподачи, которыми оснащены современные ДГ, позволяют сравнительно быстро (доли секунды) реагировать на эти изменения нагрузки. Тогда как регулирование давления наддувочного воздуха посредством турбокомпрессора наддува со свободным (пассивным) приводом от турбины, вращаемой отработавшими газами, существенно запаздывает (до нескольких секунд) вследствие большой инерционности ТНА, объясняемой его массой и высокой частотой вращения, достигающей десятков тысяч оборотов в минуту. Присоединение к валу турбонаддувочного агрегата обратимой синхронной электрической машины - ОСЭМ - с редуктором, как это принято в способе-прототипе, с одной стороны, позволяет добиться оптимальных параметров наддува ДГ во всем диапазоне его статических (установившихся) нагрузок и утилизировать при этом в определенном диапазоне нагрузок энергию теплоты отработавших газов в электрическую энергию, т.е. повышая КПД турбонаддувочного агрегата и ДГ в целом. Но, с другой стороны, ОСЭМ с редуктором, увеличивая маховую массу вращающихся частей ТНА и запасаемую им кинетическую энергию в процессе разгона, вызывает увеличение постоянной времени переходных процессов ТНА, что приводит в динамических режимах наброса-сброса нагрузки к дополнительному запаздыванию регулирования давления наддувочного воздуха.
В заявленном способе автоматического регулирования давления наддувочного воздуха дизель-генератора, благодаря тому, что 1) … в динамических режимах работы дизель-генератора при набросе и сбросе мощности давление наддувочного воздуха при всех его предшествующих нагрузках регулируют поэтапно. При набросе нагрузки на дизель-генератор при суммарном воздействии сигналов приращений статической и динамической нагрузок на первом этапе воздействуют дополнительно сигналом приращения статической нагрузки на повышение давления наддувочного воздуха за счет подачи по сигналу блока динамической коррекции частоты напряжения генератора во всасывающий патрубок турбокомпрессора наддува сжатого воздуха из его источника по вспомогательному воздухопроводу посредством управляемого клапана, установленного на этом воздухопроводе непосредственно перед входом в турбокомпрессор, а также воздействуют и на обратимую синхронную электрическую машину турбонаддувочного агрегата посредством статического полупроводникового преобразователя, системы его управления, выполненной в виде подсистем управления обратимыми сетевым и электромашинным полупроводниковыми преобразователями, и субблоков управления двигательным и генераторным режимами блока логического управления обратимой синхронной электрической машиной. При этом в периоды работы дизель-генератора со статической нагрузкой более 30-40% номинальной, при упомянутом набросе нагрузки, когда обратимая синхронная электрическая машина турбонаддувочного агрегата работает в генераторном режиме, уменьшают, за счет воздействия суммарным сигналом приращений статической и динамической нагрузок дизель-генератора и посредством статического полупроводникового преобразователя, его подсистем управления обратимыми сетевым и электромашинным полупроводниковыми преобразователями и соответственно субблоков управления двигательным и генераторным режимами, электромагнитный тормозной момент обратимой синхронной электрической машины вплоть до ее перевода в двигательный режим с последующим его доведением до номинального посредством управляемого полупроводникового преобразователя-возбудителя с его подсистемой управления. Причем измеряют на первом этапе данного наброса нагрузки давление наддувочного воздуха в воздушном коллекторе турбокомпрессора наддува и частоту вращения самого турбокомпрессора наддува. Значение сигнала, пропорциональное этому давлению, сравнивают посредством блока динамической коррекции частоты напряжения генератора с программно заданным в этом же блоке значением, равным оптимальному для возросшей статической нагрузки дизель-генератора, и, если значение измеренного сигнала превышает оптимальное, отключают посредством сигнала данного блока управляемый клапан от источника сжатого воздуха … - добиваются в совокупности действий и технических средств при набросе нагрузки вместе с увеличением подачи топлива в цилиндры дизеля практически синхронного и адекватного повышения давления наддувочного воздуха, приводящего к образованию в камерах сгорания оптимального коэффициента избытка воздуха и более полному сгоранию впрыскиваемого топлива, а следовательно, преобразованию в механическую энергию практически всей потенциальной (химической) энергии, запасенной в молекулах углеводородов, т.е. к получению большего по амплитуде приращения вращающего момента, приложенного к коленвалу дизеля. Это, в конечном счете, приводит к меньшему провалу частоты вращения ДГ и частоты переменного тока генератора и более быстрому их восстановлению до прежних значений.
2) … при сбросе с дизель-генератора нагрузки, на первом этапе измеренным статическим сигналом понижения мощности воздействуют одновременно на уменьшение подачи топлива посредством одноимпульсного механогидравлического регулятора угловой скорости двигателя и на подключение к клеммам генератора компенсатора активной мощности, посредством его быстродействующего полупроводникового регулятора, по сигналу блока динамической коррекции частоты напряжения, связанного с указанным одноимпульсным механогидравлическим регулятором угловой скорости. А также воздействуют и на сброс с выдержкой 0,5 сек. наддувочного воздуха из воздушного коллектора турбокомпрессора на его всасывающую полость посредством воздействия дополнительным сигналом с выхода блока динамической коррекции частоты напряжения на открытие управляемого клапана, установленного на перепускном воздухопроводе, соединяющем нагнетательную полость турбокомпрессора с его всасывающей полостью, понижая, тем самым, коэффициент избытка воздуха в камерах сгорания дизеля. А суммарным сигналом статического и динамического понижения мощности, в случае если нагрузка дизель-генератора в этот момент сброса составляет менее 30-40% номинальной, воздействуя им на субблоки управления двигательным и генераторным режимами блока логического управления, переводят по сигналу последнего субблока обратимую синхронную электрическую машину турбонаддувочного агрегата, работающую в двигательном режиме, в генераторный режим при номинальном токе, посредством ее статического полупроводникового преобразователя, подсистем управления его сетевым и электромашинным полупроводниковыми преобразователями и управляемым полупроводниковым преобразователем-возбудителем, и форсированно понижают при этом частоту вращения и производительность турбокомпрессора наддува, а также и давление наддувочного воздуха в его воздушном коллекторе. А если нагрузка дизель-генератора в момент сброса равна и более 30-40% номинальной, суммарным сигналом статического и динамического понижения мощности увеличивают электромагнитный тормозной момент обратимой синхронной электрической машины турбонаддувочного агрегата, работающей в генераторном режиме, до номинальной мощности, воздействуя по этому суммарному сигналу выходным сигналом субблока управления генераторным режимом блока логического управления на подсистему управления управляемым полупроводниковым преобразователем-возбудителем, форсированно увеличивают при этом посредством данного преобразователя-возбудителя ток возбуждения и электромагнитный тормозной момент обратимой синхронной электрической машины до номинального значения, тем самым форсированно понижают частоту вращения и производительность турбокомпрессора наддува, а также и давление наддувочного воздуха в его воздушном коллекторе. Далее после сброса нагрузки с дизель-генратора сигналом уменьшения подачи топлива, синхронно с ним пропорционально снижают нагрузку компенсатора активной мощности посредством его быстродействующего полупроводникового регулятора по дополнительному сигналу блока динамической коррекции частоты напряжения генератора, одновременно с этим измеряют снижающиеся частоту вращения турбокомпрессора наддува и давление наддувочного воздуха в воздушном коллекторе, и по мере снижения давления наддувочного воздуха измеренный сигнал этого давления сравнивают посредством блока динамической коррекции частоты напряжения генератора с его программно заданным в этом же блоке значением, равным оптимальному для данной понизившейся статической нагрузки дизель-генератора. При этом, когда сигнал, пропорциональный давлению наддувочного воздуха, станет равным программно заданному, управляемый клапан на перепускном воздухопроводе закрывают посредством данного блока динамической коррекции частоты напряжения генератора. А когда равным программно заданному в нем станет и значение поступившего в него сигнала частоты вращения, пропорциональное угловой скорости турбокомпрессора наддува, выключают и компенсатор активной мощности посредством воздействия данного блока динамической коррекции частоты напряжения генератора на его быстродействующий полупроводниковый регулятор … - добиваются также в совокупности действий и технических средств при сбросе нагрузки наряду с уменьшением подачи топлива в цилиндры дизеля снижения давления наддувочного воздуха при одновременном кратковременном замещении отключенного приемника балластной нагрузкой компенсатора активной мощности, что обеспечивает в момент выключения приемника постоянство момента сопротивления на валу ДГ и последующее плавнозамедленное его снижение. За таким плавным понижением момента сопротивления на валу ДГ его система регулирования подачи топлива успевает отслеживать и не допускать заброс частоты вращения ДГ и всплеск частоты тока в сети потребителя.
Следовательно, благодаря тому, что: 1) при набросе нагрузки на ДГ дополнительно и кратковременно подают на рабочее колесо турбокомпрессора наддува сжатый воздух из его источника и тем добиваются более быстрого и большего по амплитуде приращения вращающего момента на коленвале дизеля, и 2) при сбросе нагрузки с ДГ кратковременно подключают компенсатор активной мощности при одновременном воздействии в этих обоих случаях по определенному закону на режим и электромагнитный момент ОСЭМ турбонаддувочного агрегата, добиваются в совокупности более быстрой реакции (приемистости) ДГ на изменения нагрузки, имеющей результатом лучшее качество электроэнергии в сети потребителей по частоте напряжения генератора.
x
x
x
x
II. В последние годы на одно из первых мест в перечне эксплуатационных характеристик двигателей внутреннего сгорания выдвинулись экологические показатели - содержание в продуктах сгорания неокислившегося углерода - сажи и вредных веществ. Показателем объемного содержания сажи в отработавших газах является дымность, а степень вредности этих газов оценивают, в основном, по объемному содержанию угарного газа СО, оксидов азота NO, оксидов серы SO и остатков тяжелых углеводородов CH. Способ-прототип направлен, прежде всего, на улучшение экономических и экологических показателей в статических режимах работы ДГ. Заявляемый способ автоматического регулирования давления наддувочного воздуха дизель-генератора имеет своей целью улучшить его экологические характеристики в динамических режимах. Так, благодаря тому, что: 1) … в динамических режимах работы дизель-генератора при набросе и сбросе мощности давление наддувочного воздуха при всех его предшествующих нагрузках регулируют поэтапно.. При набросе нагрузки на дизель-генератор при суммарном воздействии сигналов приращений статической и динамической нагрузок на первом этапе воздействуют дополнительно сигналом приращения статической нагрузки на повышение давления наддувочного воздуха за счет подачи по сигналу блока динамической коррекции частоты напряжения генератора во всасывающий патрубок турбокомпрессора наддува сжатого воздуха из его источника по вспомогательному воздухопроводу посредством управляемого клапана, установленного на этом воздухопроводе непосредственно перед входом в турбокомпрессор, а также воздействуют и на обратимую синхронную электрическую машину турбонаддувочного агрегата посредством статического полупроводникового преобразователя, системы его управления, выполненной в виде подсистем управления обратимыми сетевым и электромашинным полупроводниковыми преобразователями, и субблоков управления двигательным и генераторным режимами блока логического управления обратимой синхронной электрической машиной. При этом в периоды работы дизель-генератора со статической нагрузкой более 30-40% номинальной, при упомянутом набросе нагрузки, когда обратимая синхронная электрическая машина турбонаддувочного агрегата работает в генераторном режиме, уменьшают, за счет воздействия суммарным сигналом приращений статической и динамической нагрузок дизель-генератора посредством статического полупроводникового преобразователя, его подсистем управления обратимыми сетевым и электромашинным полупроводниковыми преобразователями и соответственно субблоков управления двигательным и генераторным режимами, электромагнитный тормозной момент обратимой синхронной электрической машины вплоть до ее перевода в двигательный режим с последующим его доведением до номинального посредством управляемого полупроводникового преобразователя-возбудителя с его подсистемой управления. Причем измеряют на первом этапе данного наброса нагрузки давление наддувочного воздуха в воздушном коллекторе турбокомпрессора наддува и частоту вращения самого турбокомпрессора наддува. Значение сигнала, пропорциональное этому давлению, сравнивают посредством блока динамической коррекции частоты напряжения генератора с программно заданным в этом же блоке значением, равным оптимальному для возросшей статической нагрузки дизель-генератора, и, если значение измеренного сигнала превышает оптимальное, отключают посредством сигнала данного блока управляемый клапан от источника сжатого воздуха …; и благодаря тому, что
2
2
2) … при сбросе с дизель-генератора нагрузки, на первом этапе измеренным статическим сигналом понижения мощности воздействуют одновременно на уменьшение подачи топлива посредством одноимпульсного механогидравлического регулятора угловой скорости двигателя и на подключение к клеммам генератора компенсатора активной мощности, посредством его быстродействующего полупроводникового регулятора, по сигналу блока динамической коррекции частоты напряжения, связанного с указанным одноимпульсным механогидравлическим регулятором угловой скорости. А также воздействуют и на сброс с выдержкой 0,5 сек. наддувочного воздуха из воздушного коллектора турбокомпрессора на его всасывающую полость посредством воздействия дополнительным сигналом с выхода блока динамической коррекции частоты напряжения на открытие управляемого клапана, установленного на перепускном воздухопроводе, соединяющем нагнетательную полость турбокомпрессора с его всасывающей полостью, понижая, тем самым, коэффициент избытка воздуха в камерах сгорания дизеля. А суммарным сигналом статического и динамического понижения мощности, в случае если нагрузка дизель-генератора в этот момент сброса составляет менее 30-40% номинальной, воздействуя им на субблоки управления двигательным и генераторным режимами блока логического управления, переводят по сигналу последнего субблока обратимую синхронную электрическую машину турбонаддувочного агрегата, работающую в двигательном режиме, в генераторный режим при номинальном токе, посредством ее статического полупроводникового преобразователя, подсистем управления его сетевым и электромашинным полупроводниковыми преобразователями и управляемым полупроводниковым преобразователем-возбудителем, и форсированно понижают при этом частоту вращения и производительность турбокомпрессора наддува, а также и давление наддувочного воздуха в его воздушном коллекторе. А если нагрузка дизель-генератора в момент сброса равна и более 30-40% номинальной, суммарным сигналом статического и динамического понижения мощности увеличивают электромагнитный тормозной момент обратимой синхронной электрической машины турбонаддувочного агрегата, работающей в генераторном режиме, до номинальной мощности, воздействуя по этому суммарному сигналу выходным сигналом субблока управления генераторным режимом блока логического управления на подсистему управления управляемым полупроводниковым преобразователем-возбудителем, форсированно увеличивают при этом посредством данного преобразователя-возбудителя ток возбуждения и электромагнитный тормозной момент обратимой синхронной электрической машины до номинального значения, тем самым форсированно понижают частоту вращения и производительность турбокомпрессора наддува, а также и давление наддувочного воздуха в его воздушном коллекторе. Далее после сброса нагрузки с дизель-генратора сигналом уменьшения подачи топлива, синхронно с ним пропорционально снижают нагрузку компенсатора активной мощности посредством его быстродействующего полупроводникового регулятора по дополнительному сигналу блока динамической коррекции частоты напряжения генератора, одновременно с этим измеряют снижающиеся частоту вращения турбокомпрессора наддува и давление наддувочного воздуха в воздушном коллекторе, и по мере снижения давления наддувочного воздуха измеренный сигнал этого давления сравнивают посредством блока динамической коррекции частоты напряжения генератора с его программно заданным в этом же блоке значением, равным оптимальному для данной понизившейся статической нагрузки дизель-генератора. При этом, когда сигнал, пропорциональный давлению наддувочного воздуха, станет равным программно заданному, управляемый клапан на перепускном воздухопроводе закрывают посредством данного блока динамической коррекции частоты напряжения генератора. А когда равным программно заданному в нем станет и значение поступившего в него сигнала частоты вращения, пропорциональное угловой скорости турбокомпрессора наддува, выключают и компенсатор активной мощности посредством воздействия данного блока динамической коррекции частоты напряжения генератора на его быстродействующий полупроводниковый регулятор … - также добиваются в совокупности при внезапных набросах и сбросах нагрузки на дизель-генераторе практически синхронного и адекватного регулирования подачи топлива в цилиндры дизеля и давления наддувочного воздуха, приводящего к образованию топливно-воздушной смеси с оптимальным коэффициентом избытка воздуха, обеспечивающим практически полное, бездымное сгорание впрыскиваемого топлива с образованием углекислого газа СО и воды НО (обычные компоненты атмосферного воздуха), но без примесей сажи, угарного газа и при минимальном содержании оксидов серы (если примеси серы присутствуют в исходном топливе) и оксидов азота. Это объясняется тем, что при оптимальным коэффициентом избытка воздуха «α» количества содержащегося в нем кислорода хватает на полное окисление паров углеводородов (как более активных составляющих паровоздушной смеси) и недостаточно для образование оксидов азота и серы (как менее активных составляющих той же смеси).
Существенно, что, без применения мер и средств регулирования первого эшелона и без активного воздействия на частоту вращения ТКН, в момент сброса нагрузки и после снижения подачи топлива посредством трехимпульсного электронного ПИД-регулятора в цилиндры дизеля некоторое время, определяемое постоянной времени ТНА, продолжает нагнетаться воздух повышенного давления. Горение топлива в этот промежуток времени происходит при избыточном коэффициенте «α». Избыточный кислород, содержащийся в воздухе, вступает при высокой температуре во взаимодействие с азотом воздуха и серой, присутствующей в топливе. Реакция окисления этих компонентов происходит с выделением дополнительного количества теплоты и повышением температуры продуктов сгорания, еще в большей степени активизирующей процесс окисления азота. Содержание вредных оксидов азота и серы в отработавших газах в этот период повышается. Повышенная температура, устанавливающаяся в камерах сгорания, способствует со временем неоправданному прогоранию днища поршней и коррозии стенок цилиндров дизеля. При этом возрастающая тепловая напряженность камер сгорания неизбежно требует усиления расхода охлаждающей жидкости и затрат энергии на охлаждение дизеля.
Следовательно, благодаря тому, что: 1) при набросе нагрузки на ДГ дополнительно подают на рабочее колесо турбокомпрессора наддува сжатый воздух из пускового баллона, и 2) при сбросе нагрузки с ДГ перепускают наддувочный воздух из коллектора на входную полость турбокомпрессора, а также воздействуют на изменение режима ОСЭМ, добиваются горения топлива в цилиндрах дизеля при оптимальных значениях коэффициента избытка воздуха, минимизирующего образование сажи и токсичных газов.
III. Благодаря использованию тех же мер, что аргументировано изложены в доказательном пункте II, в динамических режимах работы ДГ процесс окисления (сгорания) углеводородных паров органического топлива в цилиндрах дизеля протекает при сохранении оптимальных значений коэффициента избытка воздуха «α,» что гарантированно обеспечивает высвобождение практически всей запасенной в этом топливе химической энергии и преобразование ее в механическую энергию на коленвалу дизеля.
Следовательно, благодаря тому, что: 1) при набросе нагрузки на ДГ дополнительно подают на всасывающий патрубок турбокомпрессора наддува сжатый воздух из его источника и 2) при сбросе нагрузки с ДГ перепускают наддувочный воздух из воздушного коллектора на входную полость турбокомпрессора наддува, а также воздействуют на изменение режима ОСЭМ, добиваются поддержания в камерах сгорания дизеля в динамических режимах оптимальных значений коэффициента избытка воздуха, получения за счет этого полного, без остатка сгорания топлива, высвобождения и преобразования в механическую энергию всей потенциально запасенной в органическом топливе химической энергии, что повышает экономичность ДГ в целом.
IV. В известном способе-прототипе изменения электромагнитного момента ОСЭМ (движущего в период работы ДГ с нагрузкой менее 30-40% и тормозного в период работы ДГ с нагрузкой, равной и более 30-40%), наблюдаемые в динамических режимах при сбросе нагрузки с ДГ, происходят относительно медленно, а точнее с постоянной времени переходного процесса свободного выбега ТНА в процессе снижения его частоты вращения. Кинетическая энергия вращающихся частей ТНА расходуется при этом на нагрев подшипников и воздуха от трения, т.е. бесполезно.
В заявляемом способе регулирования давления наддувочного воздуха … при сбросе с дизель-генератора нагрузки, на первом этапе измеренным статическим сигналом понижения мощности воздействуют одновременно на уменьшение подачи топлива посредством одноимпульсного механогидравлического регулятора угловой скорости двигателя …. А суммарным сигналом статического и динамического понижения мощности, в случае если нагрузка дизель-генератора в этот момент сброса составляет менее 30-40% номинальной, воздействуя им на субблоки управления двигательным и генераторным режимами блока логического управления, переводят по сигналу последнего субблока обратимую синхронную электрическую машину турбонаддувочного агрегата, работающую в двигательном режиме, в генераторный режим при номинальном токе, посредством ее статического полупроводникового преобразователя, подсистем управления его сетевым и электромашинным полупроводниковыми преобразователями и управляемым полупроводниковым преобразователем-возбудителем, и форсированно понижают при этом частоту вращения и производительность турбокомпрессора наддува, а также и давление наддувочного воздуха в его воздушном коллекторе …. Вследствие электрического (рекуперативного) торможения ТНА, за счет перевода ОСЭМ в генераторный режим или его усиления, запасенная кинетическая энергия вращающихся частей преобразуется в электрическую и направляется посредством СПП в электрическую сеть потребителей, т.е используется полезно. При этом, благодаря принудительному активному торможению, переход ТНА от одного установившегося режима к другому происходит быстрее, не нарушая оптимального баланса топливно-воздушной смеси в камерах сгорания дизеля.
Следовательно, благодаря тому, что при сбросе нагрузки с ДГ переводят ОСЭМ в тормозной режим или усиливают его, добиваются дополнительного повышения экономичности ДГ в переходных режимах за счет утилизации кинетической энергии вращающихся масс ТНА в электрическую энергию с направлением ее в электрическую сеть потребителей, что наблюдается в периодически повторяющиеся промежутки времени, когда частота вращения ТНА переходит с более энергетического на менее энергетический уровни.
V. Помпажом, как известно, принято называть нестабильную работу компрессорной техники, вследствие чего возникают скачки в давлении и колебания в объемах подачи рабочей среды - газовой или воздушной смеси. Помпаж компрессора наддува ДГ относится к крайне негативным факторам, способным повлечь нарушения текущего режима в процессе эксплуатации ДГ, а также вызвать снижение установленного ресурса и разрушение самого компрессора. Предпосылками для возникновения помпажа является появление значительной разницы давлений на всасывающем и нагнетательном трубопроводах. Конструктивный запас по помпажу - относительная величина, характеризующая степень удаления рабочей области режимов компрессора (рабочей характеристики компрессора) от границы устойчивых режимов. Запас устойчивости компрессора необходим для обеспечения гарантии как его устойчивого функционирования в процессе работы ДГ во всем возможном эксплуатационном диапазоне установившихся и переходных режимов, так и необходимого ресурса. Чем больше величина запаса устойчивости компрессора, тем меньше вероятность возникновения его неустойчивой работы при разных изменяющихся условиях эксплуатации ДГ, особенно для современных и наряженных их моделей. При согласовании характеристик дизеля и турбокомпрессора наддува, как известно, предусматривают запас по помпажу не менее 15%. Существует два способа регулирования расхода (подачи) воздуха в турбокомпрессоре наддува при сбросе нагрузки: 1) уменьшением сечения воздушного тракта посредством заслонки, установленной на всасывающей или нагнетательной сторонах, и сопровождающемся повышением сопротивления магистрали; 2) изменением частоты вращения рабочего колеса компрессора при неизменном сопротивления магистрали.
В заявляемом способе регулирования давления наддувочного воздуха ДГ в динамических режимах из совокупности признаков … при сбросе с дизель-генератора нагрузки, на первом этапе измеренным статическим сигналом понижения мощности воздействуют одновременно на уменьшение подачи топлива посредством одноимпульсного механогидравлического регулятора угловой скорости двигателя. …. А суммарным сигналом статического и динамического понижения мощности, в случае, если нагрузка дизель-генератора в этот момент сброса составляет менее 30-40% номинальной, воздействуя им на субблоки управления двигательным и генераторным режимами блока логического управления, переводят по сигналу последнего субблока обратимую синхронную электрическую машину турбонаддувочного агрегата, работающую в двигательном режиме, в генераторный режим при номинальном токе, посредством ее статического полупроводникового преобразователя, подсистем управления его сетевым и электромашинным полупроводниковыми преобразователями и управляемым полупроводниковым преобразователем-возбудителем, и форсированно понижают при этом частоту вращения и производительность турбокомпрессора наддува, а также и давление наддувочного воздуха в его воздушном коллекторе. А если нагрузка дизель-генератора в момент сброса равна и более 30-40% номинальной, суммарным сигналом статического и динамического понижения мощности увеличивают электромагнитный тормозной момент обратимой синхронной электрической машины турбонаддувочного агрегата, работающей в генераторном режиме, до номинальной мощности, воздействуя по этому суммарному сигналу выходным сигналом субблока управления генераторным режимом блока логического управления на подсистему управления управляемым полупроводниковым преобразователем-возбудителем, форсированно увеличивают при этом посредством данного преобразователя-возбудителя ток возбуждения и электромагнитный тормозной момент обратимой синхронной электрической машины до номинального значения, тем самым форсированно понижают частоту вращения и производительность турбокомпрессора наддува, а также и давление наддувочного воздуха в его воздушном коллекторе … следует, что снижение расхода и давления наддувочного воздуха осуществляют уменьшением частоты вращения турбокомпрессора, чему соответствует, как известно, больший запас по помпажу, чем в случае с регулированием воздушной заслонкой (известный способ-аналог 3). Помимо этого, данный способ еще и более экономичен, так как не вызывает увеличения сопротивления тракта и обусловленных этим потерь на нагрев и повышенный износ заслонки.
Следовательно, благодаря тому, что при сбросе нагрузки с ДГ регулирование давления наддувочного воздуха производят снижением частоты вращения турбокомпрессора, работа последнего протекает более устойчиво (при большем запасе по помпажу), экономичнее и «мягче» для оборудования турбокомпрессора, чем в известном способе-аналоге 3.
VI. В известном способе-прототипе, как замечено, ОСЭМ турбонаддувочного агрегата в двигательном режиме используют в режиме синхронного двигателя с частотным управлением. Коммутация полупроводниковых вентилей электромашинного преобразователя, входящего в СПП и работающего в режиме автономного инвертора, при таком использовании машины производится принудительно, или, по другому, искусственно. Для обеспечения частотного пуска ОСЭМ в период ее работы двигателем и регулирования в данном режиме частоты вращения, в структуре системы управления СПП должен присутствовать такой достаточно сложный функциональный блок, как задатчик частоты, по-другому драйвер. Это, естественно, усложняет, удорожает и несколько снижает надежность работы известной системы управления СПП. Помимо этого, поскольку плавность регулирования задающей частоты указанного задатчика ограничена, переход с одного скоростного уровня ОСЭМ турбонаддувочного агрегата на другой сопровождается переходными процессами, характеризующимися всплесками свободных составляющих токов и напряжений в электрических цепях машины и ее СПП, а также и толчками электромагнитного момента на валу ОСЭМ и турбонаддувочного агрегата в целом. А циркуляция по силовым цепям свободных токов в периоды переходных режимов усложняет и удорожает структуру и самого силового блока электромашинного преобразователя.
Включением в сущность заявляемого изобретения совокупности признаков … обратимую синхронную электрическую машину турбонаддувочного агрегата в период ее работы двигателем используют в режиме вентильной машины при номинальном токе возбуждения, а в период ее работы генератором потоком электрической мощности управляют комбинированно таким образом, что в установившихся режимах потоком этой мощности управляют путем регулирования напряжения и тока возбуждения, а в переходных режимах этим же потоком управляют путем воздействия на статический полупроводниковый преобразователь обратимой вентильной синхронной электрической машины, включенный в ее якорную цепь … - устраняют указанные недостатки. Действительно, при использовании ОСЭМ турбонаддувочного агрегата в режиме вентильного двигателя электромашинный преобразователь его СПП, как известно, работает в режиме зависимого инвертора, а коммутация его полупроводниковых вентилей производится естественным образом за счет ЭДС, наводимой в якорной обмотке машины. Изменения частоты и амплитуды этой ЭДС в процессе регулирования угловой скорости посредством изменяемого напряжения на входе электромашинного преобразователя-инвертора также протекают без переходных электромагнитных процессов и без толчков вращающего момента со стороны ОСЭМ (Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. - М.: Высш. шк., 1990. - 416 с.).
Следовательно, за счет изменения способа управления СПП и перевода ОСЭМ турбонаддувочного агрегата из режима синхронного двигателя с частотным управлением в режим вентильного двигателя достигают более благоприятных условий взаимодействия ОСЭМ, с одной стороны, с управляющей системой, а с другой стороны - со звеньями турбокомпрессорного агрегата, гарантируя большую долговечность последнего, включая и редуктор (при его наличии).
VII. Вентильный двигатель, как известно, имеет тот недостаток, что в момент включения и в периоды работы на скоростях, менее 5% номинальной, естественная коммутация полупроводниковых вентилей электромашинного преобразователя - зависимого инвертора, осуществляемая ЭДС якорной обмотки, невозможна, вследствие ее малости. Обычно, до указанной начальной скорости вентильный двигатель разгоняют либо посторонним разгонным асинхронным двигателем, либо посредством пусковой короткозамкнутой обмотки, встроенной в полюсные наконечники ротора самого двигателя. Но то и другое известные решения усложняют конструкцию машины и ухудшают ее рабочие эксплуатационные характеристики (Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. - М.: Высш. шк., 1990. - 416 с.).
Во избежание этого включением в сущность заявляемого изобретения совокупности признаков … в процессе запуска дизель-генератора разгон обратимой синхронной электрической машины турбонаддувочного агрегата в режиме вентильного двигателя до начальной частоты вращения, составляющей 5% ее номинального значения и гарантирующей устойчивую естественную коммутацию полупроводниковых вентилей электромашинного преобразователя в период работы зависимым инвертором, выполняют путем подачи сжатого воздуха из пускового баллона дизеля во входной патрубок газовой турбины турбонаддувочного агрегата через управляемый клапан, установленный на участке вспомогательного воздухопровода между этим баллоном и входным патрубком данной газовой турбины, и прекращают подачу сжатого воздуха путем воздействия сигналом обратной связи по частоте вращения турбонаддувочного агрегата на тот же управляемый клапан … - разгон ОСЭМ в режиме вентильного двигателя до начальной угловой скорости выполняют посредством газовой турбины турбонаддувочного агрегата и сжатого воздуха без усложнения конструкции электрической машины, и с ускорением, большим, чем при известных традиционных способах пуска.
Следовательно, за счет импульсного воздействия сжатым воздухом на газовую турбину турбонаддувочного агрегата в период запуска его ОСЭМ удается избежать усложнения конструкции этой электрической машины и ухудшения ее эксплуатационных характеристик в рабочих режимах.
Таким образом достигается поставленная техническая задача.
Заявляемый способ автоматического регулирования давления наддувочного воздуха ДГ в динамических режимах иллюстрируется следующими графическими материалами. Фиг. 1 демонстрирует функциональную схему системы автоматического регулирования подачи топлива и давления наддувочного воздуха дизель-генератора в динамических режимах; фиг. 2 - функциональные схемы блока логического управления ОСЭМ и ее статического полупроводникового преобразователя; фиг. 3 - временные диаграммы переходного процесса турбонаддувочного агрегата при набросе крупной нагрузки на дизель-генератор, нагруженный менее 30-40% номинальной мощности; фиг. 4 - граф-схему алгоритма управления турбокомпрессором наддува со смешанным приводом при внезапном набросе нагрузки на дизель-генератор, работающий в режиме с предшествующей нагрузкой менее 30-40% номинальной; фиг. 5 - временные диаграммы переходных процессов турбонаддувочного агрегата при сбросе крупной нагрузки с дизель-генратора, нагруженного менее 30-40 % номинальной; фиг. 6 - то же при набросе нагрузки на дизель-генератор, работающий в режиме с предшествующей нагрузкой 30-40% номинальной и более; фиг. 7 - то же при сбросе крупной нагрузки с ДГ, нагруженного на 30-40% номинальной нагрузки и более; фиг. 8 - рабочие характеристики турбокомпрессора наддува приводного двигателя генератора при разных способах регулирования его производительности; фиг. 9 - временные диаграммы переходного процесса турбонаддувочного агрегата в режиме нормальной остановки дизель-генератора; фиг. 10 - таблицу наименований позиций, показанных на фигурах.
Способ автоматического регулирования давления наддувочного воздуха ДГ в динамических режимах осуществляют посредством следующей системы.
Реализующая заявляемый способ система автоматического регулирования давления наддувочного воздуха дизель-генератора, состоящего из синхронного генератора 1 (фиг. 1), приводимого во вращение первичным двигателем (дизелем) 2 и подключенного к шинам 3 главного распределительного щита (ГРЩ) посредством автоматического генераторного выключателя 4 (QF1), содержит одноимпульсный механогидравлический регулятор 5 угловой скорости (МРС) с встроенными в него серводвигателем 6, топливной рейкой 7, потенциометром 8 и электромагнитом остановки (стоп-устройством) 9; турбокомпрессор 10 наддувочного воздуха и утилизационную газовую турбину 11, приводимую во вращение энергией отработавших газов первичного двигателя (дизеля) 2. С валом тубокомпрессора 10 сочленен кинематически посредством зубчатой передачи 12 вал обратимой электрической машины 13, в частности, синхронной (ОСЭМ) с электромагнитным возбуждением, с возможностью соединения ее электрически с шинами 3 ГРЩ посредством автоматического выключателя 14 (QF2) и статического полупроводникового преобразователя (СПП) 15, содержащего звено постоянного тока. Последний состоит из двух одинаковых обратимых преобразователей (фиг. 1, фиг. 2): электромашинного 16 (UZ1) и сетевого 17 (UZ2), каждый из которых снабжен независимой подсистемой управления 18 (ПСУ1) и 19 (ПСУ2) соответственно, образующих в совокупности систему управления СПП 15. Обратимая синхронная электрическая машина 13 имеет обмотку возбуждения 20, питаемую управляемым полупроводниковым преобразователем (выпрямителем-возбудителем) 21, снабженным независимой подсистемой управления 22 (ПСУ3).
Командные сигналы и напряжения управления для подсистем управления 18, 19 и 22 формируются блоком логического управления 23 обратимой синхронной электрической машиной 13, в состав которого входят следующие функциональные узлы: сумматор 24 (С) входных управляющих сигналов, субблоки: пуска 25 (СБП), задающего режима 26 (СБЗР), управления двигательным режимом 27 {СБУД), управления генераторным режимом 28 (СБУГ) и торможения 29 (СБТ) обратимой синхронной электрической машины 13. Синхронизирующие напряжения, необходимые для слаженной работы подсистем управления 18, 19 и 22, подаются на их синхронизирующие входы «1» (фиг 1, фиг. 2) посредством синхронизирующих трансформаторов соответственно 30, 31 и 32. Узлы, отмеченные позиционными номерами 10-32 образуют второй, инерционный эшелон регулирования давления наддувочного воздуха в динамических режимах работы дизель-генератора 1-2.
А его первую, быстродействующую линию регулирования образуют (фиг 1): а) при набросе нагрузки - подсистема сжатого воздуха (не показана) дизеля 2, состоящая из баллона 33 сжатого воздуха, соединенного воздухопроводом 34 с корпусом турбокомпрессора 10, который содержит управляемый клапан 35, включаемый-выключаемый сигналами, формируемыми на выходе «1» блока 36 динамической коррекции частоты (БДКЧ) напряжения генератора 1; б) при сбросе нагрузки - перепускной воздухопровод 37, соединяющий нагнетательную полость (не показана) турбокомпрессора 10 с воздухопроводом 34 сжатого воздуха и содержащий управляемый клапан 38, соединенный электрически с выходом «2» блока 36 динамической коррекции частоты напряжения генератора 1; в) при сбросе нагрузки - также и компенсатор активной мощности (КАМ) 39-43, включающий в себя балластный электрический приемник 39, подключенный через полупроводникоый регулятор 40 напряжения к клеммам дизель-генератора посредством вспомогательного контактора 41, и плавких предохранителей 42, а также подсистему управления 43 (ПСУ4) полупроводниковым регулятором 40 напряжения, соединенную своим входом «1» с выходом «3» блока 36 динамической коррекции частоты напряжения генератора 1.
Двухэшелонная по времени система регулирования давления наддувочного воздуха, как и механогидравлический регулятор 5 подачи топлива - МРС, функционируют по сигналам, формируемым информационным блоком (не показан), состоящим из: 1) трехимпульсного электронного пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора 44, соединенного своим выходом dP/dt параллельно с первым входом (фиг 1, фиг. 2) сумматора 24 (С) и через диод (не показан) с входом «2» подсистемы 43 (ПСУ4), а выходом ΔР - параллельно с входом серводвигателя 6 одноимпульсного механогидравлического регулятора 5 и вторым входом сумматора 24 (С); 2) потенциометра 8 того же МРС 5, соединенного с входом «1» блока 36 динамической коррекции частоты напряжения; 3) датчика 45 обратной связи по давлению наддувочного воздуха, соединенного своим выходом с входом «1» субблоков 26 задания режимов ОСЭМ 13, входами «1» субблоков управления двигательным 27 и генераторным 28 режимами ОСЭМ 13 и входом «2» блока 36 динамической коррекции частоты напряжения генератора 1; 4) датчика 46 обратной связи по частоте вращения турбокомпрессора 10 наддува, соединенного с входом «3» того же блока 36 динамической коррекции частоты напряжения, частотными входами «2» субблоков 27 и 28 управления соответственно двигательным и генераторным режимами ОСЭМ 13 и входами «1» и «2» соответственно субблоков 25 пуска и 26 задания режимов ОСЭМ 13; 5) датчика 47 тока обратимой синхронной электрической машины 13, соединенного своим выходом с входом «5» субблока 26 задания режимов.
Дистанционное автоматизированное управление (ДАУ) дизель-гененратором 1-2 выполняют посредством одноименной подсистемы 48 ДАУ, соединенной своими входами «1» с датчиками (не показаны), расположенными на дизеле 2, а выходами «1, 2, 3, 4» - соответственно с его исполнительными органами (не показаны), расположенными на дизеле 2, электромагнитом 9 остановки (стоп-устройством) дизеля 2 и входами «1» и «2» соответственно субблоков 29 торможения и 25 пуска ОСЭМ 13. Выходы «1, 2, 3, 4 а 5» блока торможения 29 соединены соответственно с тормозными входами «2» подсистем 18, 19 и 22 управления соответственно преобразователями 16, 17 и 27, входом автоматического выключателя 14 и катушкой (не показана) контактора динамического торможения, замыкающий контакт 49 которого установлен в цепи резистора 50 динамического торможения, входящий в состав статического полупроводникового преобразователя 15. Выходы «1» и «2» субблока 25 пуска ОСЭМ 13 соединены соответственно с пусковыми входами «3» субблоков 27 и 28 управления двигательным и генераторным режимами ОСЭМ 13, причем его выход «1» - параллельно также и с другим входом автоматического выключателя 14, установленного в цепи питания ОСЭМ 13, выход «3» - с входом «5» подсистемы 22 управления полупроводниковым выпрямителем-возбудителем 27, выход «4» соединен с входом «4» субблока 26 задания режима, а выход «3» - с входом «4» блока 36 динамической коррекции частоты напряжения генератора 1. При этом выход сумматора 24 подключен параллельно управляющим входам «4» субблоков 27 и 28 управления двигательным и генераторным режимами ОСЭМ 13.
Разгон вентильной ОСЭМ 13, синхронизированный с запуском дизель-генератора 1-2, до начальной пусковой частоты вращения, равной 5% номинальной, производят за счет газовой турбины 11 турбонаддувочного агрегата 10-13 посредством подачи на ее входной патрубок (не показан) сжатого воздуха из пускового баллона 33 через управляемый клапан 51, установленный на участке 52 воздухопровода между пусковым баллоном 33 и входным патрубком газовой турбины 11 и управляемый сигналами, формируемыми на выходе «4» блока 36 динамической коррекции частоты напряжения генератора 1.
Автоматический выключатель 4 (QF1) снабжен размыкающим блок-контактом 53, соединяющим источник единичных сигналов с входом «2» - «Холостой ход ДГ» - подсистемы 48 дистанционного автоматизированного управления дизель-генератором 1-2.
Способ автоматического регулирования давления наддувочного воздуха дизель-генератора 1-2 (фиг. 1) в динамических режимах при набросе и сбросе нагрузки осуществляют следующим образом.
Вводная информация. Оснащение турбонаддувочного агрегата 10-11 дополнительным приводом от обратимой электрической машины 13, например, синхронной, с электромагнитным возбуждением и зубчатой передачей 12, вызывает, как замечено в критической характеристике известного способа-прототипа, увеличение его маховой массы и запасаемой этим агрегатом кинетической энергии в периоды его разгона и переходах от одного скоростного уровня к другому. По этой причине в динамических режимах работы ДГ 1-2, связанных с внезапным набросом или сбросом нагрузки, переход ТНА 10-13 к новому установившемуся режиму происходит с еще большим запаздыванием (по отношению к переходному процессу изменения подачи топлива в камеры сгорания дизеля), чем в случае, когда ДГ оборудован ТНА 10-11 со свободным наддувом. В то же время, присутствие ОСЭМ 13 на валу ТНА 10-13 позволяет, используя его как дополнительное и активное средство регулирования частоты вращения ТНА и воздействуя безинерционными управляющими средствами на режимы работы и электромагнитный момент ОСЭМ 13, компенсировать негативное действие суммарных инерционных сил всего ТНА 10-13 в целом и повысить его быстродействие до долей секунды, т.е. сделать на порядок выше. В результате такое быстродействие ТНА дает вполне удовлетворительные результаты работы ДГ по экономическим и экологическим показателям - полноте сгорания топлива, дымности и токсичным выбросам в атмосферу. Однако для радикального улучшения качества электроэнергии, вырабатываемой генератором в динамических режимах - амплитуды колебаний (размаха) частоты напряжения генератора 1 и времени ее восстановления, - этого недостаточно. По этой причине в заявляемом способе регулирования давления наддувочного воздуха ДГ в динамических режимах осуществляют поэтапное, эшелонированное по времени воздействие на процесс регулирования в целом.
На первом этапе одновременно с посылкой команд на изменение подачи топлива и частоты вращения ТНА 10-13 вводят в действие дополнительные, более быстродействующие средства изменения давления наддувочного воздуха. На втором этапе, используя сигналы обратных связей, средства регулирования первого эшелона выводят из работы, продолжая воздействовать на инерционный блок регулирования до окончания переходного режима. В комплексе этими процессами управляют в следующей последовательности.
1 Регулирование давления наддувочного воздуха дизель-генератора в период работы в частичных режимах со статической нагрузкой менее 30-40% номинальной
Ввод в действие и работа ДГ со статической нагрузкой. Когда на вход «3» подсистемы 48 (фиг. 1) дистанционного автоматизированного управления дизель-генератором 1-2 подают команду на его запуск, с выхода «4» этой подсистемы на вход «2» субблока 25 (СБП) пуска (фиг. 2) блока 23 логического управления ОСЭМ 13 направляют одновременно такую же команду на запуск последней, настроенную на использование в режиме вентильной машины. Как известно, коммутация полупроводниковых вентилей (не показаны) электромашинного преобразователя 16 в период работы такой машины 13 вентильным двигателем, т.е. когда этот преобразователь функционирует как зависимый инвертор, осуществляется естественным образом за счет электродвижущей силы (ЭДС), наводимой в якорной (статорной) обмотке этой машины.
При этом в период пуска вентильного двигателя, когда он совершает первые обороты, ЭДС, наводимая в якорной обмотке еще мала, и естественная коммутация полупроводниковых вентилей протекает неустойчиво. По этой причине разгон вентильного двигателя до начальной устойчивой частоты вращения, при которой естественная коммутация указанных вентилей протекает надежно, и равной 5% номинальной, выполняют, в известных устройствах посторонним асинхронным двигателем небольшой мощности или за счет пусковой обмотки, встроенной в полюсные наконечники ротора вентильного двигателя. Но это требует усложнения конструкции турбонаддувочного агрегата, и, что особенно существенно для данного случая применения, увеличивает маховую массу и инерционность ТНА. Следовательно, эти известные способы начального разгона ОСЭМ при его использовании в составе ТНА являются нежелательными, и вместо них предлагается альтернативный вариант первичного разгона до начальной частоты вращения ТНА, суть которого состоит в следующем.
м нач
м нач
м нач
Выходными сигналами с выходов «1» и «4» субблока 25 пуска (фиг. 1 и фиг. 2) соответственно замыкают автоматический выключатель 14, подавая питание на все цепи ОСЭМ 13, и через субблок 26 (СБЗР) задания режима устанавливают для вентильной ОСЭМ 13 режим работы - двигательный, о чем его сигналами на входах «5» «оповещают» субблоки 27 и 28 управления соответственно двигательным и генераторным режимами вентильной ОСЭМ 13, а сигналом с выхода «3» субблока 25 пуска - и подсистему 22 управления полупроводниковым выпрямителем-возбудителем 21 на ее входе «3». За счет последних двух блоков 22 и 21 в обмотке возбуждения 20 вентильной ОСЭМ 13 устанавливают номинальный ток возбуждения. С появлением питающего напряжения на сетевом полупроводниковом преобразователе 17 (UZ2), он включается в режим выпрямителя. Выпрямленное напряжение последнего подводят к входным клеммам (не показаны) электромашинного преобразователя 16 (UZ1). Одновременно с этим с выхода «5» субблока 25 пуска пусковой сигнал поступает на вход «4» блока 36 динамической коррекции частоты напряжения генератора 1. По этому сигналу на выходе «4» блока 36 формируют команду открытия управляемого клапана 51, расположенного на участке 52 воздухопровода, и тем самым подают сжатый воздух из пускового баллона 33 на входной патрубок (не показан) газовой турбины 11 турбонаддувочного агрегата 10-13. Производят начальный разгон ТНА и вентильной ОСЭМ 13 сжатым воздухом до начальной устойчивой частоты вращения n. При вращении ротора ОСЭМ с размещенной на нем обмоткой возбуждения 20 в воздушном зазоре машины (не показано) создают вращающееся магнитное поле, которым, пересекая витки якорной обмотки, уложенной на статоре, наводят в ней переменную по форме ЭДС (синусоиду) нарастающей частоты. Значение этой ЭДС при частоте вращения n=n, достигает уровня, гарантирующего устойчивое протекание естественной коммутации полупроводниковых вентилей электромашинного преобразователя-зависимого инвертора 16 (UZ2). Это означает, что ОСЭМ 13 тоже включилась в режим разгона ТНА и может продолжать его самостоятельно. Значение n=n измеряют датчиком 46 частоты вращения ТНА и по цепи обратной связи направляют на вход «1» субблока 25 пуска. Получив этот сигнал, субблоком 25 пуска с его выхода «1» посылают на вход «3» субблока 27 управления двигательным режимом ОСЭМ сигнал продолжения ее разгона, а с выхода «5» субблока 25 пуска на вход «4» блока 36 динамической коррекции частоты напряжения посылают команду перекрытия сжатого воздуха. Посредством сигнала с выхода «4» этого блока управляемый клапан 51 закрывают.
опт пуск
На выходах «1» и «2» субблока 27 управления двигательным режимом ОСЭМ 13 формируют напряжения управления на входах «3» соответственно подсистем 19 и 18 управления полупроводниковыми преобразователями: сетевым 17 (UZ2) (в выпрямительном режиме) и электромашинным 16 (UZ2) (в инверторном режиме), и выполняют подпрограмму дальнейшего разгона вентильной ОСЭМ 13 в двигательном режиме с ускорением, задаваемым программой субблока 25 (СБП) пуска. Выходным сигналом с выхода «1» последнего воздействуют через вход «3» и выход «1» субблока 27 на управляющий вход «3» подсистемы 19 управления, с выхода которой поступают управляющие импульсы на полупроводниковые вентили (не показаны) сетевого полупроводникового преобразователя 17 (UZ2). Вследствие этого увеличивают в цепи постоянного тока СПП 15 выпрямленное напряжение с указанным выше ускорением и завершают разгон вентильной ОСЭМ 13 и турбокомпрессора 10 до установленной в блоке 25 пуска пусковой частоты вращения, которой соответствует оптимальный пусковой коэффициент избытка воздуха α в камерах сгорания дизеля.
К этому моменту дизель 2 также разгоняют известной пневматической подсистемой пуска (не показана) до минимальной для устойчивого воспламенения топливно-воздушной смеси угловой скорости, и впрыскивают посредством форсунок (не показаны) в цилиндры дизеля первые порции топлива. Благодаря правильно подобранному соотношению пропорций в топливно-воздушной смеси, происходит ее надежное, без пропусков воспламенение, и дизель уверенно, с первой попытки разгоняют на топливе до угловой скорости холостого хода. Ввод ДГ в работу завершают ручным либо автоматическим замыканием его автоматического генераторного выключателя 4 (QF1), блок-контактом которого (не показан) подают питание на катушку (не показана) вспомогательного контактора 41 и, замыкая его контакт в цепи балластного электрического приемника 39, подготавливают последний к включению.
Далее, в статических рабочих режимах дизель-генератора 1-2 подачу топлива в его цилиндры регулируют трехимпульсным электронным ПИД-регулятором 44 во взаимодействии с серводвигателем 6 одноимпульсного механогидравлического регулятора 5 угловой скорости, а также регулируют и давление наддувочного воздуха посредством турбокомпрессора 10 наддува со смешанным приводом от утилизационной газовой турбины 11 и обратимой вентильной синхронной электрической машины 13, содержащей зубчатую передачу 12, предназначенную для согласования частот вращения турбокомпрессора 10-11 наддува и вентильной ОСЭМ 13. (В частном случае, при использовании вентильной ОСЭМ в высокочастотном исполнении от этой зубчатой передачи можно отказаться).
Как известно, в диапазоне статических нагрузок ДГ, снабженного турбокомпрессором со свободным наддувом, менее 30-40% номинальной, давление и расход отработавших газов дизеля недостаточны для того, чтобы он (турбокомпрессор) самостоятельно поддерживал в камерах сгорания оптимальные значения коэффициента избытка воздуха. Поэтому недостающий вращающий момент для поддержания необходимых угловых скоростей турбокомпрессора 10 наддува создают за счет работы вентильной ОСЭМ 13 в двигательном режиме, как это и выполнено в известном способе-прототипе. По мере увеличения статической нагрузки на ДГ растут давление, температура и расход отработавших газов дизеля, а следовательно, и вращающий момент, развиваемый утилизационной газовой турбиной 11 турбокомпрессора 10 наддува, частота вращения которого тоже возрастает. Чтобы в этих условиях не допустить перерегулирования давления наддувочного воздуха, электромагнитный двигательный момент вентильной ОСЭМ 13 в заявленном решении уменьшают посредством субблока 27 управления двигательным режимом по поступающим в него сигналам обратно пропорционально увеличению нагрузки на ДГ.
При загрузке дизель-генератора 1-2 мощностью, примерно равной 30-40% номинальной, вентильная ОСЭМ 13 переходит в режим холостого хода, а при более высокой загрузке дизель-генератора 1-2 ее переводят посредством субблока 26 задания режима в генераторный режим, в котором она развивает тем большую мощность, чем больше нагрузка ДГ. Эту мощность направляют посредством обратимого статического полупроводникового преобразователя 15 по линии питания ОСЭМ 13 через автоматический выключатель 14 в электрическую сеть потребителя, и в номинальном режиме ДГ она составляет 4-5% номинальной мощности дизеля (Калинина М.И. Разработка новых схемных решений для привода судовых электрогенераторов. // Судостроение. - №2. - 1989. - С 16-17).
1.1 Наброс нагрузки
а
0
При набросе на ДГ 1-2 (фиг. 1 и фиг. 3, ) в момент времени t дополнительной нагрузки замеряют посредством трехимпульсного электронного ПИД-регулятора 44 динамическое dP/dt и статическое ΔР приращения мощности. Сигналом, пропорциональным статическому приращению «+ΔР» мощности воздействуют на серводвигатель 6 механогидравлического регулятора 5 угловой скорости, изменяют положение топливной рейки 7 и потенциометра 8, увеличивая этим подачу топлива в цилиндры дизеля. Сигнал, снимаемый с потенциометра 8, направляют на вход «1» блока 36 динамической коррекции частоты напряжения генератора 1 (первый, быстродействующий эшелон повышения давления наддувочного воздуха). Одновременно с этим сигнал «+ΔР» направляют в блок 23 логического управления ОСЭМ на второй вход его сумматора 24 (С). Последним в нем суммируют этот сигнал с другим сигналом, пропорциональным динамическому приращению «+dP/dt» мощности и посылаемым с упреждением трехимпульсным электронным ПИД-регулятором 44 на его первый вход. Выходным результирующим сигналом сумматора 24 (С), пропорциональным сумме «dP/dt+ΔР», воздействуют на вход «4» субблока 27 управления двигательным режимом вентильной ОСЭМ 13 (второй, инерционный эшелон повышения давления наддувочного воздуха).
1
ог
т
мд
к
Сигналом, снимаемым с выхода «1» блока 36 динамической коррекции частоты напряжения открывают управляемый клапан 35 и подают сжатый воздух из баллона 33, например, пускового, по воздухопроводу 34 на рабочее колесо турбокомпрессора 10 наддува. Вследствие этого в момент времени t скачком увеличивают давление (фиг. 3, б) в нагнетательном патрубке (не показан) турбокомпрессора 10 наддува адекватно и практически синхронно увеличению подачи топлива, вызванному перемещением топливной рейки 7 в новое положение. Благодаря этому, получают полное, бездымное сгорание увеличенной порции топливно-воздушной смеси при минимальном содержании в продуктах сгорания токсичных составляющих. Отработавшие бездымные газы, не содержащие сажи, при возросших давлении Р и температуре направляют в утилизационную газовую турбину 11, вызывая увеличение вращающего момента М на ее валу, совпадающего по знаку в этом режиме с электромагнитным двигательным моментом М вентильной ОСЭМ 13, и частоты вращения n турбокомпрессора 10 наддува.
y
d
д
дн
м1
м1
мн
мн
т
т
к
в
Одновременно с этим, для придания большего ускорения вращающимся частям ТНА и уменьшения запаздывания турбокомпрессора 10 наддува в повышении давления и расхода наддувочного воздуха, субблоком 27 управления двигательным режимом ОСЭМ 13 в соответствии с упомянутым результирующим поступившим в него сигналом соответственно увеличивают и управляющее напряжение U, подаваемое с его выхода «1» на вход «3» подсистемы 19 управления, которым изменяют угол управления полупроводниковыми вентилями (не показаны) сетевого преобразователя 17 (UZ2), увеличивая скачком напряжение U в цепи постоянного тока СПП 15 и соответственно ток в якорной обмотке вентильной ОСЭМ 13 до номинального значения I=I. Это приводит к возрастанию ее электромагнитного двигательного момента М и мощности Р (фиг. 3, б) до номинальных значений М и Р, совпадающих по знаку, как замечено выше, с вращающим моментом и мощностью газовой турбины М и Р, чем вызывают ускоренный подъем частоты вращения n турбокомпрессора 10 на новый скоростной уровень и ускоренное наращивание давления р наддувочного воздуха.
в
к
в
в опт
2
в
в опт
Измеряют это давление р воздуха датчиками 45 давления и частоту вращения n турбокомпрессора 10 датчиком 46 (фиг. 1 и фиг. 2), и направляют соответствующие измеренные сигналы в блоки 36 динамической коррекции частоты напряжения генератора 1 (входы «2» и «3») и 23 логического управления (вход «u» и «s») ОСЭМ 13. Блоком 36 динамической коррекции частоты напряжения сравнивают действительное значение сигнала р на входе «2» с оптимальным р, заданным программно в этом же блоке для нового нагрузочного режима ДГ. Как только их значения становятся в момент времени t равными (фиг. 3, б, кривая р), сигналом «ноль», снимаемым с выхода «1» блока 36, управляемый клапан 35 закрывают, и подачу сжатого воздуха на рабочее колесо турбокомпрессора 10 наддува прекращают. Это приводит к скачкообразному понижению давления наддувочного воздуха ниже оптимального значения р с последующим его повышением, благодаря продолжению возрастания частоты вращения ТНА 10-13.
в
к
в опт
к опт
в
к
4
м1
м
в
к
в опт
к опт
y
4
5
d
мд
м
в
в опт
мд
Субблоком 27 управления двигательным режимом ОСЭМ 13 (фиг. 2), приступая ко второму этапу, также сравнивают действительное значение давления р наддувочного воздуха (на входе «1»), а также и действительное значение частоты вращения n (на входе «2») турбокомпрессора 10 наддува с их оптимальными программно заданными соответственно в этом же субблоке значением р и n, соответствующими новому нагрузочному режиму ДГ. Когда эти измеренные и программно заданные значения давления р и частоты вращения n становятся равными (момент времени t), сигналом на выходе «1» данного субблока 27, воздействуя на вход «3» подсистемы управления 19 сетевым полупрводниковым преобразователем 17 (UZ2), возвращают ОСЭМ 13 в предшествующий двигательный режим, которому соответствует мощность Р (фиг. 3, б, кривая Р). А в случае превышения измеренных значений сигналов р и n над их оптимальными программно заданными р и n в субблоке 27 значениями, продолжают воздействовать сигналом их разности с его выхода «1» на изменение напряжения управления U на входе «3» подсистемы 19 управления сетевым преобразователем 17 (UZ2). Этим снижают на промежутке «t-t» напряжение U в цепи постоянного тока СПП 15, соответственно электромагнитный двигательный момент М и мощность Р вентильной ОСЭМ 13 до тех пор, пока связанное с этим моментом измеренное значение сигнала р наддувочного воздуха не снизится и не уравняется в данном субблоке с его оптимальным значением р., после чего это снижение электромагнитного двигательного момента М подсистемой 19 управления прекращают по сигналу данного субблока 27.
т
мд
м2
Причем, учитывая возросший вращающий момент М на валу утилизационной газовой турбины 11, электромагнитный двигательный момент М и мощность Р вентильной ОСЭМ 13 в новом статическом режиме ДГ устанавливают меньше, чем в предшествующем режиме до наброса нагрузки. На этом переходный процесс, вызванный набросом нагрузки на ДГ, работающий в частичных режимах, завершают.
d
dн
к
в
т
мд
в опт
ог
Алгоритм функционирования регуляторов подачи топлива и давления наддувочного воздуха ДГ в указанных случаях представлен на фиг. 4, где обозначенные символы представляют следующее их значение: ОСЭМ - обратимая синхронная электрическая машина, используемая в режиме вентильной; ΔР - сигнал статического приращения (наброса) нагрузки дизель-генератора; dP/dt - сигнал динамического приращения (первой производной) нагрузки; U, U - соответственно текущее и номинальное выпрямленные напряжения в цепи постоянного тока СПП 15; n - сигнал, пропорциональный частоте вращения компрессора турбонаддувочного агрегата; р - сигнал, пропорциональный давлению наддувочного воздуха; М - вращающий момент, развиваемый газовой турбиной турбонаддувочного агрегата; М - электромагнитный двигательный момент, развиваемый вентильной ОСЭМ в двигательном режиме; р - сигнал, пропорциональный оптимальному давлению наддувочного воздуха; р - давление отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.
1.2 Сброс нагрузки
0
кам
0
в2
в1
а
При сбросе в момент t (фиг. 5, ) с дизель-генератора 1-2 (фиг. 1) нагрузки измеряют посредством трехимпульсного электронного ПИД-регулятора 44 динамическое «-dP/dt» и статическое «-ΔР» снижения мощности. Сигналом производной «-dP/dt» снижения мощности воздействуют через диод (не показан) на вход «2» подсистемы 43 (ПСУ4) управления компенсатором активной мощности (КАМ) и включают с помощью безинерционного полупроводникового регулятора 40 на номинальное напряжение генератора 1 балластный электрический приемник 39, например, подогреватель котельной воды, ранее подготовленный к упомянутому включению вспомогательным контактором 41 и плавким предохранителем 42. Этой операцией замещения внезапно отключенной нагрузки балластным электрическим приемником 39 быстродействующего компенсатора активной мощности Р сохраняют в фазе t момент сопротивление на валу первичного двигателя 2 генератора 1 неизменным и предотвращают, за счет этого, всплеск частоты вращения ДГ и частоты Δƒ напряжения генератора 1 (фиг. 5, в; кривая 2 с включением КАМ и кривая 1 без включения КАМ), которые были бы неизбежны вследствие инерционности звеньев одноимпульсного механогидравлического регулятора 5 угловой скорости, и уменьшают время их восстановления (t по сравнению с t).
1
т
т
g
кам
а
Другим сигналом трехимпульсного электронного ПИД-регулятора 44, пропорциональным статическому снижению «-ΔР» мощности воздействуют на серводвигатель 6 центробежного регулятора 5 угловой скорости, изменяют, начиная с момента t, положение топливной рейки 7 и потенциометра 8, уменьшая этим подачу g топлива в камеры сгорания дизеля. Сигнал, снимаемый с потенциометра 8, направляют на вход «1» блока 36 динамической коррекции частоты напряжения генератора 1, в результате чего по мере уменьшения подачи топлива g (фиг. 5, ), вызываемого перемещением топливной рейки 7 и потенциометра 8, сигналом этого потенциометра воздействуют в период T через выход «3» блока 36 динамической коррекции частоты на вход «1» подсистемы 43 управления полупроводниковым регулятором 40, и, изменяя угол управления полупроводниковыми вентилями последнего (не показаны), уменьшают, адекватно снижению подачи топлива, напряжение и мощность Р, потребляемую приемником 39, до нуля.
2
в
Дополнительным сигналом, снимаемым с выхода «2» того же блока 36 динамической коррекции частоты напряжения с выдержкой времени 0,5 с, в фазе t открывают управляемый клапан 38 на перепускном воздухопроводе 37 и сбрасывают наддувочный воздух из воздушного коллектора (не показан) во всасывающую полость турбокомпрессора 10 наддува, понижая, тем самым, давление р (фиг 5, б) и коэффициент избытка воздуха в камерах сгорания дизеля согласованно со снижением подачи топлива.
т
Отмеченные операции, выполняемые блоком 36 динамической коррекции частоты напряжения генератора 1, составляют первый, быстродействующий эшелон снижения давления наддувочного воздуха. В результате выполнения этих мероприятий снижают без запаздывания параметры отработавших газов дизеля, направляемых в утилизационную турбину 11 ТНА 10-13, как и развиваемый ею вращающий момент М.
Одновременно с этим сигнал «-ΔР» трехимпульсного электронного ПИД-регулятора 44 посылают в блок 23 (фиг. 1 и фиг. 2) логического управления вентильной ОСЭМ 13, работающей в двигательном режиме, направляя его на второй вход сумматора 24 (С). Последний суммирует этот сигнал с другим сигналом, пропорциональным динамическому снижению «-dP/dt» мощности и посылаемым с упреждением на первый вход сумматора 24 (С) с другого выхода того же регулятора 44. Выходным результирующим сигналом сумматора 24 (С), равным сумме «(-dP/dt)+(-ΔР)», воздействуют на входы «4» субблоков 27 и 28 управления соответственно двигательным и генераторным режимами вентильной ОСЭМ 13. Эта и последующие операции с вентильной ОСЭМ 13 составляют второй, инерционный эшелон снижения давления наддувочного воздуха.
0
м
к
в опт2
к опт2
С появлением единичных сигналов на входах «4» субблоков 27 и 28 управления соответственно двигательным и генераторным режимами ОСЭМ 13 (второй этап), входящих в блок 23 логического управления этой машиной, первым из них формируют в момент t (фиг. 5, б; кривая Р) на его выходах «1» и «2» команды на перевод ОСЭМ 13 посредством подсистем управления 19, 18 и 22 соответственно обратимыми сетевым и электромашинным полупроводниковыми преобразователями 17, 16 СПП 15 и выпрямителем-возбудителем 21 из двигательного режима в генераторный (тормозной) при номинальном токе, с тем чтобы совместно с уменьшением вращающего момента на валу утилизационной газовой турбины 11 ускорить за счет торможения ОСЭМ 13 переход турбокомпрессора 10 наддува на более низкий скоростной уровень (кривая n), при котором давление наддувочного воздуха будет иметь оптимальное Р при n значение по отношению к новому статическому нагрузочному режиму ДГ. По этим командам электромашинный преобразователь 16 (UZ1) переводят в выпрямительный режим, а сетевой преобразователь 17 (UZ2) - в инверторный режим. Это достигается за счет изменения этими подсистемами углов управления полупроводниковыми вентилями (не показаны) указанных преобразователей 17, 16 СПП 15 и выпрямителя-возбудителя 21.
В подсистемах 18 (ПСУ1), 19 (ПСУ2) и 22 (ПСУ3) управления соответственно электромашинным 16 (UZ1), сетевым 17 (UZ2) и выпрямительно-возбудительным 21 (UZ3) преобразователями используют известный вертикальный принцип регулирования угла отпирания полупроводниковых вентилей этих преобразователей. Данный принцип заключается в том, что на входе формирователей (не показаны) импульсов управления указанными вентилями, входящих структурно в указанные подсистемы 18 (ПСУ1), 19 (ПСУ2) и 22 (ПСУ3) управления, производят сложение опорного (по другому синхронизирующего) напряжения с напряжением управления. Опорное напряжение в каждой подсистеме управления 18 (ПСУ1), 19 (ПСУ2) и 22 (ПСУ3) формируют соответственно из напряжений синхронизирующих трансформаторов 30, 31 и 32, выходы которых подключены к синхронизирующим входам «1» указанных подсистем управления. Тогда как напряжения управления, формируемые на выходах «1» и «2» субблоков 27 и 28 управления двигательным и генераторным режимами вентильной ОСЭМ 13, посылают соответственно на управляющие входы «3» и «4» подсистем 18 (ПСУ1) и 19 (ПСУ2) и с выхода «3» субблока 28 - на вход «4» подсистемы 22 (ПСУ3) управления.
0
4
к
м
При этом кинетическую энергию вращающихся частей турбонаддувочного агрегата 10-13 в период t-t (фиг. 5, б; кривые n и Р) перехода с более высокой угловой скорости на пониженную преобразуют в электрическую энергию генераторного (рекуперативного) торможения вентильной ОСЭМ 13 и передают ее посредством статического полупроводникового преобразователя 15 в сеть (не показана) приемников.
в
в опт2
3
в
Измеряют давление наддувочного воздуха (кривая р на фиг. 5, б) в воздушном коллекторе (не показан) датчиком 45 давления (фиг. 1) и его сигнал посылают на вход «2» блока 36 динамической коррекции частоты напряжения, а также и на вход «1» (фиг. 2) субблока 26 задания режимов ОСЭМ 13 и на входы «1» субблоков 27 к 28 управления двигательным и генераторным режимами той же машины. Сравнивают в блоке 36 (фиг. 1) динамической коррекции частоты напряжения измеренное значение давления наддувочного воздуха с программно заданным в этом же блоке значением р (фиг. 5, б) для нового установившегося нагрузочного режима ДГ. Если первое, измеренное снизившееся значение окажется менее второго, оптимального, сигналом, снимаемым с выхода «2» этого блока 36 (фиг. 1), закрывают (в момент t на фиг. 5) управляемый клапан 38 на перепускном воздухопроводе 37. Это вызывает скачкообразное повышение давления р наддувочного воздуха и его последующее понижение, благодаря уменьшению частоты вращения турбокомпрессора 10 под действием тормозного момента, развиваемого ОСЭМ 13.
к
в
к опт2
в опт2
4
Измеряют частоту вращения турбокомпрессора 10 наддува датчиком 46 частоты вращения и соответственно давление наддувочного воздуха тем же датчиком 45 давления и их сигналы посылают соответственно на входы «2» и «1» субблока 26 (фиг. 2) задания режимов ОСЭМ 13, а также и на входы «2» и «1» субблоков 27 к 28 управления двигательным и генераторным режимами ОСЭМ 13. Сравнивают в субблоке 26 задания режимов вентильной ОСЭМ 13 сигналы измеренных частоты вращения n турбокомпрессора 10 и давления р наддувочного воздуха с их программно заданными в этом же блоке оптимальными значениями n и р (фиг. 5, б) для нового установившегося нагрузочного режима ДГ. Если первые, измеренные их значения окажутся менее заданных, сигналами, посылаемыми из субблока 26 задания режимов на входы «5» субблоков 27 и 28 управления соответственно двигательным и генераторным режимами вентильной ОСЭМ 13, возвращают последнюю (в момент t) в прежний двигательный режим, переводя посредством подсистемы управления 19 (ПСУ2) сетевой преобразователь 17 (UZ2) в выпрямительный режим, а посредством подсистемы управления 18 (ПСУ1) - электромашинный преобразователь 16 (UZ1) в режим зависимого инвертора.
4
5
d
мд
в опт2
После этого сравнивают в субблоке 27 управления двигательным режимом ОСЭМ 13 измеренное на входе «1» и оптимальное программно заданное в нем значение давления наддувочного воздуха и сигналом их разности, формируемым на выходе «1» субблока 27, воздействуют посредством подсистемы 19 (ПСУ2) управления на угол отпирания полупроводниковых вентилей (не показаны) сетевого преобразователя 17 (UZ2), увеличивают в промежутке t-t напряжение U в цепи постоянного тока статического полупроводникового преобразователя 15 и электромагнитный двигательный момент М, развиваемый вентильной ОСЭМ 13, до тех пор, пока измеренное значение увеличивающегося давления наддувочного воздуха, сравниваемое в субблоке 27 управления двигательным режимом вентильной ОСЭМ 13 с программно заданным в этом же блоке оптимальным значением р для нового установившегося нагрузочного режима ДГ, не станут равными.
мд 2
мд 1
т
м2
м1
м
При этом в целях сохранения оптимального баланса для суммарного вращающего момента на валу ТНА 10-13 к концу переходного процесса электромагнитный двигательный момент М устанавливают выше, чем момент М в предшествующем режиме (до сброса нагрузки с ДГ), так как вращающий момент М, развиваемый утилизационной газовой турбиной, после сброса нагрузки уменьшили. Соответственно увеличивают к концу переходного процесса и значение потребляемой ОСЭМ 13 мощности: Р>Р (фиг 5, б; кривая Р).
5
к2
в опт2
к
в
Переходный процесс завершают в момент t, когда частота вращения n турбокомпрессора 10 наддува и давление наддувочного воздуха р достигнут новых установившихся значений (фиг. 5, б; кривые n и р).
2. Регулирование давления наддувочного воздуха дизель-генератора в период работы со статической нагрузкой, равной и более 30-40% номинальной
Работа дизель-генератора со статической нагрузкой. Работу ДГ 1-2 (фиг. 1) со статической нагрузкой, равной и более 30-40% номинальной, характеризует та особенность, что вентильная ОСЭМ 13 турбогенераторного агрегата 10-13 функционирует, согласно описанию известного способа-прототипа, в генераторном режиме, утилизируя избыточную энергию теплоты отработавших газов в электрическую с передачей ее в сеть приемников. Выполняют это с той целью, что, когда статическая нагрузка ДГ становится равной примерно 30-40% номинальной, утилизационная газовая турбина 11 турбокомпрессора 10 наддува способна самостоятельно обеспечить потребность дизеля в наддувочном воздухе. Поэтому вентильную ОСЭМ 13 переводят в этом частном случае на холостой ход. А при нагрузке ДГ более 30-40% номинальной, производительность утилизационной газовой турбины 11 становится избыточной, и тогда вентильную ОСЭМ 13 переключают в генераторный режим, чтобы избыток этой производительности преобразовать в электрическую энергию. И выполняют эти действия в следующей последовательности.
Чтобы сохранить оптимальное соотношение горючей смеси «топливо-воздух» и в этом диапазоне статических нагрузок дизель-генератора, измеряют ток холостого хода вентильной ОСЭМ 13 посредством датчика 47 тока, сигнал которого направляют на вход «3» субблока 26 (СБЗР) задания режима вентильной ОСЭМ 13 (фиг. 1 и фиг. 2). Сигналами с выходов «1» и «2» последнего воздействуют на входы «5» субблоков 27 и 28 управления соответственно двигательным и генераторным режимами вентильной ОСЭМ 13. А с выходов «1» и «2» этих субблоков, в свою очередь, воздействуют на входы «3» и «4» соответственно подсистем 19 (ПСУ2) и 18 (ПСУ1) управления соответственно сетевым и электромашинным преобразователями 17 (UZ2) и 16 (UZ1), входящими в состав СПП 15. При токе вентильной ОСЭМ, равном нулю, указанными сигналами СПП 15 обращают в другой режим, т.е. электромашинный преобразователь 16 (UZ1) переключают в выпрямительный режим, а сетевой преобразователь 17 (UZ2) - в режим зависимого инвертора. Вследствие этого вентильную ОСЭМ 13 переводят из двигательного в генераторный режим. При этом сигналом с выхода «3» субблока 28 управления генераторным режимом, приходящим на вход «4» подсистемы 22 управления выпрямителем-возбудителем 21 вентильной ОСЭМ 13 понижают ток возбуждения последней до значения, равного 50% номинального. С этого момента, благодаря перемене знака электромагнитного момента на валу вентильной ОСЭМ 13 с вращающего на тормозной, вал турбокомпрессора 10 наддува притормаживают и устанавливают требуемую от него производительность при данном режиме нагрузки ДГ. При этом электроэнергию, производимую вентильной ОСЭМ 13 в генераторном режиме за счет утилизации избытка энергии теплоты отработавших газов дизеля 2, направляют в электрическую сеть через СПП 15 по ее штатной цепи питания, согласуя частоты тока вентильной ОСЭМ 13 и основного генератора 1 посредством СПП 15. Благодаря утилизации части энергии теплоты отработавших газов в электрическую повышают КПД дизель-генератора.
2.1 Наброс нагрузки
0
з т
1
4
т
1
в
т
к
а
При набросе в момент t (фиг. 6, ) на ДГ 1-2 (фиг. 1) дополнительной нагрузки измеряют посредством трехимпульсного электронного ПИД-регулятора 44 динамическое «+dP/dt» и статическое «+ΔР» приращения мощности. Сигналом, пропорциональным статическому приращению «+ΔР» нагрузки, воздействуют на серводвигатель 6 механогидравлического регулятора 5 угловой скорости, и с некоторой задержкой t, вызванной инерционностью серводвигателя 6, изменяют на промежутке t-t положение топливной рейки 7 и потенциометра 8, увеличивая этим подачу топлива g в камеры сгорания дизеля. Сигнал, снимаемый с потенциометра 8, посылают на вход «1» блока 36 динамической коррекции частоты напряжения генератора 1. Сигналом, снимаемым с выхода «1» блока 36 динамической коррекции частоты напряжений, в момент времени t (фиг. 6, б; кривая р) открывают управляемый клапан 35 и подают сжатый воздух из баллона 33 по воздухопроводу 34 на рабочее колесо турбокомпрессора 10 - первый, быстродействующий эшелон повышения давления наддувочного воздуха. Вследствие этого скачком увеличивают давление в нагнетательном патрубке турбокомпрессора 10 наддува адекватно и практически синхронно увеличению подачи топлива, вызванному перемещением топливной рейки 7 в новое положение. Получают полное, бездымное сгорание увеличенной порции топливно-воздушной смеси при минимальном содержании в продуктах сгорания токсичных составляющих. Отработавшие бездымные газы дизеля, не содержащие сажи, при возросшем давлении и температуре направляют в утилизационную газовую турбину 11, вызывая увеличение вращающего момента М на ее валу и частоты вращения турбокомпрессора 10 (кривая n на фиг. 6, б).
Одновременно с этим сигнал «+ΔР» с выхода трехимпульсного электронного ПИД-регулятора 44 направляют в блок 23 логического управления вентильной ОСЭМ 13, подавая его на второй вход сумматора 24 (С). Последним суммируют этот сигнал с другим сигналом, пропорциональным динамическому приращению «+dP/dt» нагрузки и посылаемым с упреждением тем же трехимпульсным электронным ПИД-регулятором на первый вход сумматора 24 (С). Выходным результирующим сигналом сумматора 24 (С), пропорциональным сумме «dP/dt+ΔР», воздействуют на входы «4» (фиг. 2) субблоков 28 и 27 управления соответственно генераторным и двигательным режимами вентильной ОСЭМ 13 - второй, инерционный эшелон повышения давления наддувочного воздуха.
0
м
мд
т
0
4
к опт2
в
Для создания большего ускорения вращающимся частям ТНА и снижения запаздывания турбокомпрессора 10 наддува в увеличении давления и расхода воздуха, субблоками 28 и 27 управления генераторным и двигательным режимом вентильной ОСЭМ 13 ее переводят в момент t из генераторного режима в двигательный номинальный режим (диаграмма Р на фиг. 6, б) командами, формируемыми этими субблоками на их выходах «1» и «2» и посылаемыми на входы соответственно «3» и «4» подсистем 18 (ПСУ1) и 19 (ПСУ2), а также и сигналом на выходе «3» субблока 28, посылаемым на вход «4» подсистемы управления 22 (ПСУ3), и управляющими полупроводниковыми преобразователями соответственно 16 (UZ1), 17 (UZ2) и 21 (UZ3). Для этого сетевой преобразователь 17 (UZ2) переводят под управлением подсистемы 19 (ПСУ2) в режим выпрямления, а электромашинный преобразователь 16 (UZ1) под управлением подсистемы 18 (ПСУ1) - в режим зависимого инвертора. Этим создают со стороны вентильной ОСЭМ 13 дополнительный электромагнитный двигательный момент М, совпадающий по знаку с вращающим моментом М утилизационной газовой турбины 11. При этом выпрямителем-возбудителем 21 (UZ3), управляемым подсистемой 22 (ПСУ3) управления, по указанному сигналу с выхода «3» субблока 28 управления генераторным режимом вентильной ОСЭМ 13, устанавливают в ее обмотке возбуждения 20 номинальный ток возбуждения. Этим вызывают быстрый подъем в интервале t-t частоты вращения турбокомпрессора 10 наддува на новый скоростной уровень n (фиг. 6, б) и соответственно ускоренное нарастание давления наддувочного воздуха р, значения которых измеряют датчиками 46 частоты вращения и 45 давления (фиг. 1).
в
в опт2
2
Сигнал датчика 45 давления наддувочного воздуха направляют на входы «2» блока 36 динамической коррекции частоты напряжения, «1» субблока 26 (фиг. 2) задания режима вентильной ОСЭМ 13 и входы «1» субблоков 28 и 27 управления генераторным и двигательным режимами вентильной ОСЭМ 13, а сигналы датчика 46 частоты вращения - на вход «2» субблока 26 задания режима и входы «2» субблоков 28 и 27 управления генераторным и двигательным режимами вентильной ОСЭМ 13. Блоком 36 динамической коррекции частоты напряжения сравнивают действительное возрастающее значение р с оптимальным р, заданным программно в этом же блоке 36 для нового нагрузочного уровня ДГ. Как только их значения становятся равными (момент t на фиг. 6, б), сигналом, снимаемым с выхода «1» блока 36 (фиг. 1), управляемый клапан 35 закрывают, и подачу сжатого воздуха на рабочее колесо турбокомпрессора 10 наддува прекращают.
к
в
к опт2
в опт2
4
4
Одновременно субблоком 26 задания режима вентильной ОСЭМ 13 сравнивают действительные значения нарастающей частоты вращения n ТНА и соответственно давления наддувочного воздуха р с программно заданными для нового нагрузочного режима ДГ 1-2 значениями n и р, и, в случае превышения действительными значениями сигналов над заданными (момент времени t на фиг. 6, б), воздействуют этим субблоком 26 на входы «5» субблоков 28 и 27 управления генераторным и двигательным режимами вентильной ОСЭМ 13 и повторно обращают вентильную ОСЭМ 13 в момент t в предшествующий генераторный режим. Эту операцию выполняют путем воздействия субблоками 27 и 28 (фиг. 1 и фиг. 2) управления двигательным и генераторным режимами вентильной ОСЭМ 13 через их выходы «1» и «2» на входы «3» соответственно подсистемы управления 19 (ПСУ2) и подсистемы управления 18 (ПСУ1) и через выход «3» субблока 28 на вход «4» подсистемы 22 (ПСУ3) соответственно сетевым 17 (UZ2), электромашинным 16 (UZ1), и выпрямительно-возбудительным 21 (UZ3) полупроводниковыми преобразователями.
м
в опт2
5
После этого, продолжая воздействовать подсистемой 22 (ПСУ3) управления на угол управления вентилями выпрямителя-возбудителя 21(UZ3), увеличивают напряжение и ток в обмотке возбуждения 20 вентильной ОСЭМ 13, а следовательно, ее электромагнитный тормозной момент и мощность Р (фиг. 6, б), до тех пор, пока действительное значение возрастающего давления наддувочного воздуха, сравниваемое в субблоке 28 управления генераторным режимом вентильной ОСЭМ 13 с программно заданным в этом же блоке оптимальным значением р для нового установившегося нагрузочного режима ДГ, не станут равными (момент времени t), после чего повышение данного тормозного момента подсистемой 22 прекращают по сигналу субблока 28.
мг2
мг1
т
м2
м1
м
При этом к концу переходного процесса электромагнитный тормозной момент М устанавливают выше, чем момент М в предшествующем режиме (до наброса нагрузки на ДГ), так как параметры отработавших газов дизеля после наброса нагрузки становятся выше, и вращающий момент М, развиваемый утилизационной газовой турбиной, тоже увеличился. Соответственно увеличивают к концу переходного процесса и значение генерируемой ОСЭМ 13 в сеть потребителя мощности: Р>Р (фиг. 6, б; кривая Р).
4
Причем в момент t возвращения вентильной ОСЭМ 13 в генераторный режим в кривой ƒ=ϕ(t) зависимости частоты напряжения генератора 1 от времени (фиг. 6, в) появляется незначительный по амплитуде и времени всплеск +Δƒ.
2
в2
1
в1
Из сравнения кривых 1 и 2 (фиг. 6, в) изменения частоты напряжения дизель-генератора 1-2, снабженного соответственно ТНА со свободным наддувом (кривая 1), и заявляемой системой подачи воздуха (кривая 2), следует, что, благодаря комплексу быстродействующих мер, которые предложены в заявленном способе при набросе нагрузки: а) наддув сжатым воздухом с последующим полным сгоранием топлива и получением большего приращения вращающего момента дизеля, а также и б) перевод вентильной ОСЭМ 13 из генераторного в двигательный режим с целью ускоренного перевода турбокомпрессора 10 наддува на более высокий скоростной режим, - обеспечиваются меньшие провал «-Δƒ» частоты напряжения и время ее восстановления t по сравнению с их значениями «-Δƒ» и t, полученными в традиционных способе и средствах наддува.
На этом переходный процесс, вызванный набросом нагрузки на ДГ, работающий в статических режимах с нагрузкой более 30-40% номинальной, завершают.
2.2 Сброс нагрузки
0
кам
0
в1
в2
а
При сбросе в момент t (фиг. 7, ) с дизель-генератора 1-2 (фиг. 1) мощности ΔР измеряют посредством трехимпульсного электронного ПИД-регулятора 44 динамическое dP/dt и статическое ΔР снижения нагрузки. Сигналом производной «-dP/dt» снижения мощности воздействуют через диод (не показан) на вход «1» подсистемы 43 (ПСУ4) управления компенсатором активной мощности и включают с помощью безинерционного полупроводникового регулятора 40 на номинальное напряжение генератора 1 балластный электрический приемник 39, ранее подготовленный к включению вспомогательным контактором 41 и плавким предохранителем 42. Этой операцией замещения отключенной нагрузки мощностью Р балластного электрического приемника 39 быстродействующего КАМ сохраняют в момент t нагрузку на валу первичного двигателя 2 генератора 1 неизменной, предотвращают, за счет этого, всплеск частоты вращения ДГ и частоты Δƒ напряжения генератора 1 (фиг. 7, в: кривая 1 с включением КАМ и кривая 2 без включения КАМ), которые были бы неизбежны вследствие инерционности одноимпульсного механогидравлического регулятора 5 угловой скорости, и уменьшают время их восстановления (t по сравнению с t).
з т
1
т
т
кам
4
а
Другим сигналом, пропорциональным статическому снижению «-ΔР» (фиг. 1) мощности, воздействуют на серводвигатель 6 центробежного регулятора 5 угловой скорости, изменяют с задержкой t (начиная с момента t) положение топливной рейки 7 и потенциометра 8, уменьшая этим подачу g (фиг. 7, ) топлива в камеры сгорания дизеля. Сигнал, снимаемый с потенциометра 8 (фиг. 1), направляют на вход «1» блока 36 динамической коррекции частоты напряжения генератора 1, в результате чего по мере уменьшения подачи топлива g, вызываемого перемещением топливной рейки 7 и потенциометра 8, сигналом этого потенциометра воздействуют через блок 36 динамической коррекции частоты с его выхода «3» на вход «2» подсистемы 43 управления полупроводниковым регулятором 40, и, изменяя угол управления полупроводниковыми вентилями последнего, уменьшают, адекватно снижению подачи топлива, напряжение на клеммах (не показаны) приемника 39 и его мощность Р, выключая КАМ полностью в момент времени t.
2
в
Дополнительным сигналом, снимаемым с выхода «2» того же блока 36 динамической коррекции частоты напряжения с выдержкой времени 0,5 с, в фазе t открывают управляемый клапан 38 на перепускном воздухопроводе 37 и сбрасывают наддувочный воздух из воздушного коллектора (не показан) во всасывающую полость турбокомпрессора 10 наддува, понижая, тем самым, давление р (фиг. 7, б) и коэффициент избытка воздуха в камерах сгорания дизеля согласованно со снижением подачи топлива.
т
Отмеченные операции, выполняемые блоком 36 динамической коррекции частоты напряжения генератора 1, составляют первый, быстродействующий эшелон снижения давления наддувочного воздуха. В результате выполнения этих мероприятий снижают также и параметры отработавших газов дизеля, направляемых в утилизационную турбину 11 ТНА 10-13, как и развиваемый ею вращающий момент М.
Одновременно с этим сигнал «-ΔР» (фиг. 1) трехимпульсного электронного ПИД-регулятора 44 направляют в блок 23 логического управления вентильной ОСЭМ 13, работающей в генераторном режиме, на второй вход сумматора 24 (С) (фиг. 2). Последний суммирует этот сигнал с другим сигналом, пропорциональным динамическому снижению «- dP/dt» мощности и посылаемым с упреждением на первый вход сумматора 24 (С) с другого выхода того же регулятора 44. Выходным результирующим сигналом сумматора 24 (С), равным сумме «(-dP/dt)+(-ΔР)», воздействуют на входы «4» субблоков 27 к 28 управления соответственно двигательным и генераторным режимами вентильной ОСЭМ 13 с целью форсированного снижения частоты вращения последней и производительности турбокомпрессора 10 наддува. Эта и последующие операции с вентильной ОСЭМ 13 составляют, как замечено, второй, инерционный эшелон снижения давления наддувочного воздуха при данном режиме и данном изменении нагрузки ДГ.
0
м
м н
к опт2
к
в опт2
В момент t (фиг. 7, б; кривая Р) субблоком 28 формируют на его выходе «3» сигнал скачкообразного увеличения мощности (и электромагнитного тормозного момента) ОСЭМ 13 до номинальной Р с тем, чтобы совместно с уменьшением вращающего момента, развиваемого утилизационной газовой турбиной 11, ускорить переход турбокомпрессора 10 наддува на более низкий скоростной уровень n (кривая n), при котором давление наддувочного воздуха будет иметь оптимальное значение р по отношению к новому статическому нагрузочному режиму ДГ. Этим сигналом воздействуют на вход «4» подсистемы 22 (ПСУ3) управления полупроводниковым выпрямителем-возбудителем 21 (UZ3) и увеличивают ток возбуждения ОСЭМ 13 до номинального значения.
0
4
к1
к опт2
к
Скачкообразное увеличение в промежутке времени t-t генерируемой ОСЭМ 13 мощности и ее тормозного момента сопровождается преобразованием высвобождающейся кинетической энергии вращающимися массами турбонаддувочного агрегата 10-13 в электрическую энергию вследствие перехода последнего с более энергетического скоростного уровня n на менее энергетический уровень n (фиг. 7, б, кривая n).
в опт2
3
в
Измеряют понижающееся давление наддувочного воздуха датчиком 45 давления (фиг. 1), направляя его сигнал на вход «2» блока 36 динамической коррекции частоты генератора и вход «1» субблока 28 управления генераторным режимом (фиг. 2). Сравнивают в данном блоке 36 текущее значение этого сигнала с программно заданным в этом же блоке 36 значением р для нового установившегося нагрузочного режима ДГ, и, если первое, измеренное значение, окажется менее второго, заданного, то сигналом, снимаемым с выхода «2» этого блока, закрывают (в момент t на фиг. 7, б) управляемый клапан 38 на перепускном воздухопроводе 37. Этим несколько увеличивают давление наддува в камерах сгорания дизеля (фиг. 7, б, кривая р).
к опт2
в опт2
4
м1
в опт2
5
5
Измеряют понижающуюся частоту вращения турбокомпрессора 10 наддува (фиг. 1, фиг. 2) датчиком 46 частоты вращения, направляя его сигнал в субблок 28 управления генераторным режимом вентильной ОСЭМ 13 на его вход «2». Сравнивают в данном субблоке 28 действительные значения частоты вращения турбокомпрессора 10 наддува и давления наддувочного воздуха с их программно заданными в этом же блоке 28 оптимальными значениями n и р для нового установившегося нагрузочного режима ДГ, и, если первые, измеренные значения, окажутся менее вторых, заданных (момент времени t), сигналом, посылаемым с выхода «3» субблока 28 управления генераторным режимом на вход «4» подсистемы 22 (ПСУ3) управления, возвращают вентильную ОСЭМ 13 (выполняя второй этап) в предшествующий генераторный режим, характеризующийся генерируемой мощностью Р. После этого, продолжая воздействовать этим субблоком на подсистему 22 (ПСУ3) управления полупроводниковым выпрямителем-возбудителем 21 (UZ3), уменьшают напряжение и ток в обмотке 20 возбуждения ОСЭМ 13 до тех пор, пока упомянутое измеренное значение давления наддувочного воздуха, направляемое в субблок 28 управления генераторным режимом вентильной ОСЭМ 13 на его вход «1» и сравниваемое в данном субблоке 28 с программно заданным в нем же оптимальным значением р для нового установившегося нагрузочного режима ДГ, не станет ему равным (момент t на фиг. 7, б). С этого момента времени (t) данное воздействие и переходный процесс завершают, и наступает установившийся режим работы ТНА.
мг2
м2
мг1
м1
т
При этом электромагнитный тормозной момент М и мощность Р, развиваемые вентильной ОСЭМ 13 по окончании переходного процесса, устанавливают ниже, чем их значения М и Р в предшествующем режиме (до сброса нагрузки с ДГ), так как вращающий момент М, развиваемый утилизационной газовой турбиной 11, уменьшился вследствие понижения подачи топлива в камеры сгорания, а следовательно, снизились и параметры отработавших газов дизеля.
Кривая 1 изменения частоты напряжения генератора 1 (фиг. 7, в) в рассмотренном динамическом режиме сброса нагрузки повторяет ранее рассмотренную аналогичную кривую на фиг. 5, в.
Существенным в заявляемом решении является то, что в переходных режимах сброса нагрузки с ДГ, изложенных в разделах 1.2 и 2.2 описания реализации способа, снижение расхода и давления наддувочного воздуха осуществляют смешанным способом: а) на первом этапе - установкой перепускного воздухопровода 37 с управляемым клапаном 38 и перепуском наддувочного воздуха с нагнетательной полости турбокомпрессора 10 на всасывающую, в результате чего характеристику II сопротивления его воздушного тракта (сети) смещают, как показано на фиг. 8, вправо от исходной (пунктирной) I, а рабочую точку турбокомпрессора перемещают из точки А в точку F; б) на втором этапе - уменьшением частоты вращения того же турбокомпрессора 10 и переводом его с характеристики 1 на характеристику 3, в результате чего рабочую точку перемещают из положения F в положение С. Из фиг. 8 видно, что процесс перемещения рабочей точки по траектории A-F-С протекает при значительном повышении турбокомпрессором 10 запаса по помпажу, по сравнению со случаем регулирования того же параметра воздушной заслонкой (в известном способе-аналоге 3), когда рабочая точка перемещается из положения А в положение В.
Дополнительные символы, использованные на фиг. 8, означают: I - исходная характеристика воздушного тракта турбокомпрессора; II - линия регулирования заявляемым управляемым клапаном 38 на перепускном воздухопроводе 37; III - линия регулирования известной воздушной заслонкой; IV - линия границы помпажа; 1, 2, 3 - характеристики турбокомпрессора при разных частотах вращения; А, В, С, D, Е, F, G - рабочие точки турбокомпрессора при разных режимах работы.
3. Управление давлением наддува по программе остановки дизель-генератора
0
т
дг
дг
0
м.н.
а
а
Нормальную (штатную) остановку ДГ 1-2 (фиг. 1) производят по команде «Стоп ДГ», подаваемой на вход «4» подсистемы 48 ДАУ данным дизель-генератором в момент времени t (фиг. 9, ). Программой нормальной остановки ДГ предусматривают, как известно, перевод нагрузки с выводимого из работы ДГ 1-2 на остающийся в работе генераторный агрегат (не показан). Для этого по команде подсистемы 48 ДАУ (фиг. 1), посылаемой (не показано) в трехимпульсный электронный ПИД-регулятор 44 подачи топлива и давления наддувочного воздуха выводимого ДГ 1-2, на его выходе «АР» формируют непрерывный сигнал «-ΔР» (фиг. 1 и фиг. 9, ) понижения подачи топлива и давления наддувочного воздуха, монотонно убывающий синхронно со снижением нагрузки синхронного генератора. Этот сигнал посылают, во-первых, на серводвигатель 6 одноимпульсного механогидравлического регулятора 5 угловой скорости дизеля 2, посредством которого перемещают топливную рейку 7 и потенциометр 8 и уменьшают подачу топлива g на дизель-генераторе 1-2 (фиг. 9, б), а вместе с ним и нагрузку Р дизель-генератора 1-2 (фиг. 9, в) при неизменной его частоте вращения n (фиг. 9, г). Причем выходной сигнал «-dP/dt» блокируют трехимпульсным электронным ПИД-регулятором 44 по тому же сигналу остановки ДГ. Во-вторых, этим же сигналом «-ΔР» через сумматор 24 воздействуют на блок 23 логического управления вентильной ОСЭМ 13, переводя последнюю в момент времени t (фиг. 9, д) в номинальный режим «Р» генераторного торможения, как описано в разделах 1.2 и 2.2.
2
в
Сигналом, который посылают с потенциометра 8 (фиг. 1) на вход «1» блока 36 динамической коррекции частоты напряжения генератора 1, а затем направляют на управляемый клапан 38, открывают с выдержкой времени 0,5 сек. в момент времени t (фиг. 9, ж) данный клапан и сбрасывают давление р наддувочного воздуха в воздушном коллекторе дизеля за счет перепуска этого воздуха из нагнетательной полости турбокомпрессора 10 наддува в его всасывающую полость.
мг
т
2
3
к
3
Одновременно с этим, под воздействием тормозного электромагнитного момента М, развиваемого вентильной ОСЭМ 13 в генераторном режиме, и непрерывно уменьшающегося вращающего момента М, развиваемого утилизационной газовой турбиной 11, благодаря понижающимся параметрам выхлопных газов дизеля, автоматически уменьшают в промежутке «t-t» частоту вращения n турбкомпрессора 10 наддува (фиг. 9, е) и соответственно давление воздуха в перепускном контуре (фиг. 9, ж). Измеряют датчиком 45 давления значение понижающегося давления наддувочного воздуха в воздушном коллекторе дизеля 2 и сравнивают в блоке 36 динамической коррекции частоты напряжения описанным путем его значение с программно заданным в этом же блоке значением, установленным для режима холостого хода. И когда в момент t (фиг. 9, ж) эти сигналы становятся равными, тем же блоком 36, сигналом на его выходе «2» управляемый клапан 38 закрывают.
мг
мт
4
По мере снижения частоты вращения ТНА 10-13 тормозной электромагнитный момент М и мощность Р, развиваемые вентильной ОСЭМ 13, как и ток в цепи постоянного тока СПП 15, уменьшаются. Когда этот ток, измеряемый датчиком тока 47, становится в момент времени t равным нулю (фиг. 9, д), то и сигнал на выходе этого датчика тока тоже исчезает. Этим нулевым сигналом, приходящим на вход «3» субблока 26 (фиг. 2) задания режимов вентильной ОСЭМ 13, формируют данным субблоком 26 команду обращения вентильной ОСЭМ 13 из генераторного в двигательный режим, которую посылают на входы «5» субблоков 27 и 28 управления соответственно двигательным и генераторным режимами. Этим сигналом данные субблоки 27 и 28 и при посредстве подсистем 19 и 18 управления соответственно сетевым 17 и электромашинным 16 преобразователями СПП 15 переводят тем же путем вентильную ОСЭМ 13 из генераторного режима теперь уже в двигательный режим. Это необходимо для того, чтобы поддерживать на некоторое время понижающуюся частоту вращения турбокомпрессора 10 наддува на уровне, достаточном для подачи в камеры сгорания оптимального расхода воздуха для режимов нагрузки ДГ менее 30-40% номинальной, поскольку утилизационная газовая турбина 11 этого сделать самостоятельно в указанном диапазоне нагрузок уже не в состоянии из-за чрезмерно низких параметров выхлопных газов, обусловленных непрерывно снижающейся подачей топлива.
в
в
мд
т
4
5
к
Измеряют датчиком 45 понижающееся давление р наддувочного воздуха, направляют его сигнал на вход «1» субблока 27 управления двигательным режимом ОСЭМ 13 и сравнивают этот сигнал в данном субблоке 27 с его программно заданным оптимальным значением для режима холостого хода дизель-генератора 1-2. Сигналом разности Δр (фиг. 9, ж) этих значений, формируемым на выходе «1» субблока 27, воздействуют на подсистему 19 управления сетевым преобразователем 17, переведенным в выпрямительный режим. Этим увеличивают напряжение в цепи постоянного тока СПП 15, электромагнитный двигательный момент М на валу вентильной ОСЭМ 13, который, компенсируя снижающийся вращающий момент М утилизационной газовой турбины 11, поддерживает в промежутке времени t-t частоту вращения n турбокомпрессора 10 на уровне частот вращения, соответствующих режимам долевых нагрузок выводимого из работы дизель-генератора 1-2.
5
дг хх
дг хх
а
Когда в момент времени t (фиг. 9, ) снижающийся сигнал «-ΔР» на выходе трехимпульсного электронного ПИД-регулятор 44 выводимого из работы синхронного генератора 1 будет равен нулю, а на валу дизеля 2 нагрузка станет равной Р (фиг. 9, в), сигналом с выхода (показан пунктиром) этого ПИД-регулятора 44 (фиг. 1), посылаемым на вход (не показан) автоматического выключателя 4 (QF1), выключают последний. Блок-контактом 53 данного выключателя 4 (QF1) посылают по стрелке «А» на вход «2» подсистемы 48 ДАУ выводимым ДГ 1-2 команду «Холостой ход ДГ», чем запускают процедуру его нормальной остановки. По этой процедуре сигналом с выхода «1» подсистемы 48 ДАУ дизель-генератором 1-2 воздействуют на серводвигатель 6 его одноимпульсного механогидравлического регулятора 5 угловой скорости и понижают частоту вращения ДГ 1-2 до значения n, соответствующего его режиму холостого хода (фиг. 9, г).
5
в. хх.
Когда в тот же момент времени t станут равными действительное и заданное для режима холостого хода значения р давления наддувочного воздуха (фиг. 9, ж), также сравниваемые в субблоке 27 управления двигательным режимом ОСЭМ 13, прекращают воздействовать на подсистему 19 управления сетевым преобразователем 17 со стороны данного субблока 27, и наступает установившийся режим холостого хода ТНА 10-13 (фиг. 9, д для ОСЭМ и фиг. 9, е для турбокомпрессора 10).
дг хх
дг хх
6
м г
После непродолжительной, программно заданной работы ДГ 1-2 (фиг. 1) на холостом ходу в течение промежутка времени τ при пониженной его частоте вращения n. (фиг. 9, б, в, г) на выходах «2» и «3» подсистемы 48 ДАУ выводимым ДГ 1-2 формируют одновременно в момент времени t сигналы остановок соответственно дизеля 2 и турбонаддувочного агрегата 10-13. Так, ее сигнал с выхода «2» направляют на стоп-устройство 9 одноимпульсного механогидравлического регулятора 5 угловой скорости дизеля 2, которым прекращают подачу топлива (фиг. 9, б) и останавливают этот дизель 2 (фиг. 9, в, г). А сигнал с выхода «3» той же подсистемы 48 ДАУ посылают на вход «1» (фиг. 1, фиг. 2) субблока 29 (СБТ) торможения блока 23 логического управления вентильной ОСЭМ 13. Выходными сигналами с выходов «1», «2» и «3» субблока 29 (СБТ) торможения воздействуют непосредственно на входы «2» подсистем 18, 19 и 22 управления соответственно электромашинным 16, сетевым 17 и выпрямительно-возбудительным 21 преобразователями и переводят тем же путем вентильную ОСЭМ 13 в режим генераторного (рекуперативного) торможения при номинальных токах в ее обмотках (фиг. 9, д) для быстрой ее остановки. Существенно то, что в дизель-генераторах, оборудованных известными турбокомпрессорами со свободным наддувом, после остановки дизеля и его вспомогательных навешенных насосов турбонаддувочный агрегат, хранящий значительный запас кинетической энергии, еще некоторое время продолжает вращаться в режиме свободного выбега при фактическом отсутствии давления в системе смазки. Это обстоятельство способствует снижению ресурса подшипников ТНА. В заявляемом же способе вместе с остановкой ДГ 1-2 быстро гасят в промежутке τ (фиг. 9, д и фиг. 9, е) генераторного торможения вентильной ОСЭМ 13 и саму частоту вращения ТНА 10-13, которую измеряют датчиком 46 частоты вращения и посылают ее сигнал на вход «2» субблока 29 (СБТ) торможения.
к
мг
м г
к
к дин
7
м дин.
м д
к
По мере данного снижения в этом промежутке частоты вращения n ТНА 10-13, а также и вентильной ОСЭМ 13 (фиг. 9, е), быстро снижается развиваемая мощность Р последней (фиг. 9, д) и ее тормозной электромагнитный момент М, который вскоре становится мал. Поэтому при снижении сигнала частоты вращения n. ТНА 10-13 до программно заданного в этом же субблоке 29 (СБТ) торможения значения n (фиг. 9, е), соответствующего началу динамического торможения вентильной ОСЭМ 13, сигналом с выхода «5» этого субблока 29 (СБТ) торможения (фиг. 2) замыкают в момент времени t (фиг. 9, е) контакт 49 вспомогательного контактора (не показан) и включают в цепь постоянного тока СПП 15 динамический резистор 50. Одновременно с этим, посредством субблока торможения 29, прекращают генерацию управляющих импульсов (не показано) на полупроводниковых вентилях сетевого преобразователя 17 (UZ2) СПП 15. Этим увеличивают ток в цепи постоянного тока СПП 15 и соответственно тормозной момент М вентильной ОСЭМ 13, так что в следующем промежутке времени τ (фиг. 9, д, е) ее остановку продолжают уже в режиме динамического торможения. Когда сигнал частоты вращения n турбонаддувочного агрегата 10-13, на том же входе «2» (фиг. 2) субблока 29 (СБТ) торможения, станет равным нулю, то нулевым же сигналом на выходе «5» этого субблока 29 (СБТ) размыкают контакт 49 вспомогательного контактора, а единичным сигналом на его выходе «4» того же субблока 29 (СБТ) - автоматический выключатель 14 (QF2), снимая питание со всех цепей вентильной ОСЭМ 13.
0
4
6
7
Причем пока вентильную ОСЭМ 13 затормаживают в режиме генераторного (рекуперативного) торможения в промежутке «t-t» и «t-t», кинетическую энергию вращающихся частей ТНА 10-13 также преобразуют в электрическую энергию и направляют в электросеть приемников, используя ее полезно. А в режиме динамического торможения остатки этой кинетической энергии преобразуют в теплоту в динамическом резисторе 50. Если функции этого резистора возлагают на подогреватель той же котельной воды, то и эту часть энергии используют полезно.
На этом программу вывода ДГ 1-2 из работы завершают.