Способ реализации общестанционного уровня управления газотурбинными электростанциями (ГТЭ) с газотурбинными энергоблоками (ГТЭБ)
METHOD FOR IMPLEMENTATION OF STATION-WIDE CONTROL LEVEL OF GAS TURBINE POWER STATIONS (GTPS) WITH GAS TURBINE POWER UNITS (GTPU)

Настоящее изобретение относится к выработке электроэнергии для энергосистем общего пользования, в частности к переключению генераторов электростанций в изолированный режим работы.
В Российской Федерации основным элементом решения энергосистемных задач является энергоблок. Именно для энергоблоков разного типа разработаны и внедрены требования об их участии, в первую очередь, в общем первичном регулировании частоты (ОПРЧ), являющимся обязательным условием для их допуска на рынок генерирующих мощностей, а также для участия в рынках нормированного первичного регулирования частоты (НПРЧ) и автоматического вторичного регулирования частоты (АВРЧ). Сами тепловые электростанции (ТЭС) целиком в качестве участников рынков не рассматриваются и поэтому в общем случае общестанционный уровень регулирования частоты и мощности не реализуется. Исключением здесь является выполнение задачи АВРЧ, которая требует наличия собственного устройства общестанционного уровня (ОУ) АВРЧ.
Одной из причин отсутствия ОУ регулирования мощности на станционном уровне являются достаточно большие единичные мощности отдельных энергоблоков, как традиционных паросиловых установок (ПСУ), так и современных парогазовых установок (ПГУ), и их ограниченные диапазоны рабочих нагрузок (с нижней границей порядка 50%).
В то же время все большее распространение получают газотурбинные электростанции, оснащенные газовыми турбинами, как правило, одинакового типа, с достаточно большим рабочим диапазоном нагрузок. Особенно популярным такое решение может оказаться для энергорайонов, в которых существуют проблемы со стабильной подачей электроэнергии из-за возможности оказаться в режимах выделения на изолированную нагрузку, при которых возникает необходимость поддерживать частоту в энергосистеме только собственными электростанциями, причем частота эта может отличаться от номинальной (для России это 50Гц). Требуемое значение частоты может стабильно держаться только одним или группой синхронизированных между собой ГТЭ.
Из уровня техники известен способ обнаружения электрически изолированного режима работы и для перехода в этот режим по патенту РФ 2438027 С2 27.12.2011, характеризующийся тем, что обнаруживают событие возникновения переходного процесса в электрической сети энергосистемы на основании наличия, по меньшей мере, одного из следующих факторов: быстрого изменения подачи топлива в газовую турбину и ускорения вращения вала турбины. После обнаружения события возникновения переходного процесса в электрической сети энергосистемы в устройство управления газовой турбиной подают команду переключить газовую турбину, по меньшей мере, на одну промежуточную нагрузку и регулируют соотношение компонентов топливной смеси в камере сгорания таким образом, чтобы сохранить устойчивость в камере сгорания во время события возникновения переходного процесса в электрической сети энергосистемы. Используют заранее заданный сигнал о требуемой нагрузке в изолированном режиме работы для соразмерного распределения общей требуемой нагрузки в изолированном режиме работы между подключенными газотурбинными генераторами.
Однако данный способ не позволяет осуществлять полный контроль за выполнением оборудованием ГТЭ задач участия в регулировании частоты и мощности энергосистемы, а также обеспечить решение общестанционных задач автоматического управления ГТЭ.
Техническая проблема заявленного изобретения заключается в создании способа реализации общестанционного уровня регулирования частоты и мощности.
Технический результат заключается в реализации решения указанной технической проблемы.
Указанный результат достигается в способе автоматического управления газотурбинной электростанцией (ГТЭ) с газотурбинными энергоблоками (ГТЭБ) в стандартном для единой энергосистемы режиме регулирования мощности с коррекцией по частоте посредством блока частотной коррекции и ПИД-регулятора мощности ГТЭБ, формирующего задание по мощности локальной системы автоматического управления (САУ) газотурбинной установки (ГТУ) указанного ГТЭБ, так и дополнительно осуществляющий работу в режиме регулирования частоты при выделении всей энергосистемы или ее части на изолированную нагрузку, где при переходе газотурбинной электростанции (ГТЭ) с по меньшей мере двумя газотурбинными энергоблоками (ГТЭБ) в изолированный режим нагрузки, включает этапы на которых: один из по меньшей мере двух ГТЭБ ГТЭ переводят в режим астатического регулирования частоты заданного уровня посредством переключателя режимов и задатчика частоты в автоматизированной системе управления технологическими процессами (АСУТП) первого ГТЭБ; в случае невозможности поддержания одним из по меньшей мере двух ГТЭБ, регулирующих заданную частоту, дополнительно осуществляют перевод второго из по меньшей мере двух ГТЭБ в режим астатического регулирования частоты, посредством переключателя режимов и задатчика частоты в АСУТП второго ГТЭБ; синхронизируют указанные ГТЭБ посредством блока синхронизации.
Дополнительная особенность заключается в том, что 1-ый канал переключателя режимов обеспечивает стандартный режим работы энергосистемы: регулирует мощность (N) ГТЭБ с коррекцией по частоте; формирует входной небаланс в виде разности заданного и фактического значений мощности ГТЭБ плюс сигнал частотного корректора, при этом 2-ой канал переключателя режимов формирует входной небаланс в виде разности заданного и фактического значений частоты в энергосистеме и обеспечивает режим работы энергосистемы на выделенную нагрузку, регулируя её частоту.
Дополнительная особенность заключается в том, что осуществляют: перевод в режим астатического регулирования частоты любого газотурбинного энергоблока ГТЭБ, входящего в состав ГТЭ, изменение режимов указанных энергоблоков посредством переключения из режима регулирования мощностис коррекцией по частоте в режим регулирования частоты и обратно.
Заявленный способ реализует общестанционный уровень управления (ОУУ) формирующий такое распределение нагрузок между ГТЭБ, при которых одна группа - группа синхронизированных между собой ГТЭБ - будет отвечать за регулирование частоты в выделенной энергосистеме, а вторая - будет работать в стандартном режиме регулирования мощности с коррекцией по частоте. На общестанционном уровне регулирования частоты и мощности будет лежать «ответственность» автоматического распределения нагрузок между газотурбинными блоками и автоматического или путем выдачи «команды» оперативному персоналу обеспечения ввода в работу или вывода из работы ГТЭБ.
Для каждой из этих двух групп ГТЭБ общестанционным уровнем должен поддерживаться требуемый резерв регулирования нагрузки, обеспечивающий возможность изменения мощности в требуемых направлениях. Дежурный инженер ГТЭ должен быть обеспечен полным объемом информации, необходимым для оптимизации распределения нагрузок ГТЭБ. Все операции по пуску и останову ГТЭБ должны быть полностью автоматизированы.
Для каждого ГТЭБ выполнены:
- пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор мощности ГТЭБ (ПИД-регулятор), формирующий задание по мощности локальной САУ газотурбинной установки (ГТУ) данного ГТЭБ.
- переключатель режимов работы ГТЭБ. Его 1-ый канал обеспечивает стандартный режим работы энергосистемы: регулирование мощности (N) ГТЭБ с коррекцией по частоте. Входной небаланс этого канала формируется в виде разности заданного и фактического значений мощности ГТЭБ плюс сигнал частотного корректора. 2-ой канал переключателя обеспечивает режим работы энергосистемы на выделенную нагрузку путём регулирования её частоты. Входной небаланс этого канала формируется в виде разности заданного и фактического значений частоты в энергосистеме.
А для ГТЭ в целом:
- блок синхронизации ПИД-регуляторов тех ГТЭБ, которые в текущий момент участвуют в регулировании частоты в энергосистеме.
- блок формирования оперативным персоналом или автоматически команд задания мощности отдельных ГТЭБ и электростанции в целом.
В связи с тем, что данное техническое решение может быть использовано на ГТЭ с различным количеством ГТЭБ, должна быть обеспечена возможность включения в единую группу для синхронизации ГТЭБ различных ГТЭБ, участвующих в регулировании частоты.
На ГТЭ реализуется общестанционный уровень регулирования частоты и мощности, позволяющий обеспечить в отличие от существующих ТЭС в целом и ГТЭ, в частности, не только полный контроль за выполнением оборудованием ГТЭ задач участия в регулировании частоты и мощности энергосистемы, но и обеспечить решение общестанционных задач автоматического управления ГТЭ.
В состав данных задач входит:
- обеспечение возможности каждой ГТЭБ участвовать в регулировании частоты в энергосистеме при ее выделении на изолированную нагрузку;
- регулирование каждой ГТЭБ, не привлеченной к режиму регулирования частоты в выделенной энергосистеме, заданной мощности блока с коррекцией по частоте;
- обеспечение возможности синхронной работы в режиме регулирования частоты требующегося количества ГТЭБ.
На Фиг. 1 показана структурная схема проектной системы автоматического регулирования частоты и мощности (САРЧМ) (без общестанционного уровня управления) двух несвязанных в единую систему ТЭС.
На Фиг. 2 показана структурная схема САРЧМ ТЭС согласно настоящему изобретению.
На Фиг. 3 показан совмещенный по результатам трех опытов график изменения нагрузки на энергоблоке №2 при включенном регуляторе частоты на энергоблоке №1.
На Фиг. 4 показано одновременное включение регуляторов частоты на энергоблоках 1 и 2 с заданием 50,4 Гц.
На фиг. 5 показано изменение заданий для астатических регуляторовчастоты энергоблоков №1 и №2 с 50,4 на 50 Гц.
На Фиг. 1 представлены стандартное проектное решение АСУТПЭ ГТЭБ с двумя ГТЭ, в котором АСУТП каждого ГТЭБ выполнены как две независимые АСУТП, не связанные друг с другом, где регулятор мощности САУ (система автоматического управления) ГТЭБ содержит задатчик плановой мощности, а также частотный корректор.
Задатчик плановой мощности ГТЭБ может работать в режиме внутреннего задания или в режиме внешнего задания, когда задание по мощности формируется в АСУТП (автоматизированной системе управления технологическими процессами) и задаются по результатам наладки. Независимо от режима работы задатчика скорость изменения планового задания со стороны САУ ГТЭБ ограничена величиной 8,3 %/мин или 6,474 МВт/мин.
Частотный корректор ГТЭБ (ЧК ГТЭБ) корректирует задание по мощности в соответствии с заданным статизмом регулирования и зоной нечувствительности ЧК (частотного корректора). Заданные значения статизма и зоны нечувствительности ЧК по частоте передаются из АСУТП энергоблока. Скорость изменения задания мощности от ЧК ГТЭБ в диапазоне ±10% по нагрузке ограничена величиной 20 %/мин или 15,6 МВт/мин. В большем диапазоне отклонения частоты (>10% по нагрузке) скорость изменения мощности может оказаться несколько меньше из-за работы стерегущих контуров регулирования.
Регулятор САУ ГТЭБ не предусматривает астатического регулирования частоты при работе энергоблока на выделенную нагрузку. Для обеспечения автоматического регулирования частоты в условиях работы ТЭС в составе изолированно работающей энергосистемы предназначена система автоматического регулирования частоты, реализованная в составе АСУТП общестанционного уровня согласно настоящему изобретению.
На фиг. 2 представлена структурная схема САРЧМ ТЭС согласно настоящему изобретению.
САРЧМ каждого энергоблока на Фиг. 2 может работать в режиме классического регулятора мощности с ЧК, а также в режиме астатического регулирования частоты. Переключение режимов работы САРЧМ каждого блока осуществляется с помощью специального блока виртуального предвыбора (оператором и возможно автоматически).
Режим классического регулятора мощности с ЧК предусмотрен для работы в единой энергосистеме ЕЭС, а также в изолированной энергосистеме в случаях, когда оба энергоблока не выбраны ответственными за автоматическое астатическое регулирование частоты в системе. В этом режиме каждый энергоблок имеет свои собственные органы управления:
- Задатчик конечной мощности и задатчик темпа изменения мощности;
- Единый для локального ЧК ГТЭБ и блочного ЧК задатчикстатизма;
- Единый для локального ЧК ГТЭБ и блочного ЧК задатчик зоны нечувствительности по частоте.
Режим астатического регулирования частоты перестраивает регулятор мощности в АСУТП энергоблока на изохронное регулирование частоты.
При этом регулятор ГТЭБ работает в режиме регулирования мощности с частотным корректором с пониженным статизмом (примерно до 2,5%). Таким образом, при изменении баланса потребления и выработки мощности, отклонение частоты вызовет относительно быстрое (до 20%/мин) изменение задания мощности ГТЭБ по каналу ЧК в САУ ГТЭБ, а также относительно медленное (до 8,3%/мин) изменение задания мощности по каналу внешнего задания от АСУТП. По каналу внешнего задания мощность ГТЭБ будет корректироваться в пределах регулировочного диапазона (2-100%) до тех пор, пока не восстановится частота.
В случае невозможности поддержания одним ГТЭБ заданной частоты, (вследствие невозможности выработки требуемой мощности или перехода данного энергоблока в аварийный режим), дополнительно существует возможность перевода второго ГТЭБ в режим регулирования частоты, посредством переключателя режимов и задатчика частоты в АСУТП, если в случае невозможности поддержания двумя ГТЭБ одного ГТЭ заданной частоты (по тем же причинам), дополнительно возможен перевод третьего и/или последующих газовых энергоблоков того же ГТЭ в режим регулирования частоты, посредством переключателя режимов и задатчика частоты в АУСП (не показано на рисунках).
В таком случае, для возможности одновременного включения двух газовых энергоблоков в режим регулирования частоты предусмотрен блок синхронизации нагрузок для «превращения» N (двух) регирующих органов в один для соответствия числу регулируемых параметров (частота). При включении одновременно двух ГТЭБ скорость изменения мощности фактически удваивается, хотя такой режим, конечно, менее экономичен в случае малых нагрузок энергосистемы.
Блок синхронизации синхронизирует два энергоблока (ГТЭБ) по заданию мощности в ГТЭБ только, если оба энергоблока переведены в режим регулирования частоты в изолированной системе. Принцип работы синхронизации - параллельная синхронизация. Блок синхронизации непрерывно вычисляет разность заданий и сравнивает с заданной величиной допустимого небаланса. Если, например, задание мощности для ГТЭБ 1 оказывается больше, чем задание для ГТЭБ 2 плюс допустимый небаланс, то для первого регулятора частоты запрещается увеличение выходного сигнала, а для второго - уменьшение.
На фиг.3 представлен совмещенный по результатам трех опытов график изменения нагрузки на энергоблоке №2 при включенном регуляторе частоты на энергоблоке №1
1. В САРЧМ энергоблока №2 в 13:06:39 установлено новое плановое задание по мощности, равное 25 МВт (увеличение на 7 МВт). На энергоблоке №1 продолжает работать астатический регулятор частоты с заданием 50 Гц.
По мере увеличения нагрузки ГТЭБ-2 под действием астатического регулятора частоты нагрузка ГТЭБ-1 снижается. В соответствии со срезами значений параметров в начале опыта (13:06:24) и в конце (13:09:58), которые отражены на рис.5, изменение мощности ГТЭБ-2 составило 7,2 МВт (17,9 - 25,1 МВт); изменение мощности ГТЭБ-1 составило -7,4 МВт (24,0 - 31,4 МВт). Частота восстановлена.
В САРЧМ энергоблока №2 в 13:12:18 установлено новое плановое задание по мощности, равное 32 МВт (увеличение на 7 МВт). На энергоблоке №1 продолжает работать астатический регулятор частоты с заданием 50 Гц.
2. По мере увеличения нагрузки ГТЭБ-2 под действием астатического регулятора частоты нагрузка ГТЭБ-1 снижается. В процессе непрерывного изменения мощности ГТЭБ-2 с неизменной скоростью ошибка регулирования частоты также устанавливается на постоянном уровне, равном примерно 115 мГц. В соответствии со срезами значений параметров в начале опыта (13:11:26) и в конце (13:15:27), которые отражены на рис.6, изменение мощности ГТЭБ-2 составило 6,7 МВт (31,7 - 25,0 МВт); изменение мощности ГТЭБ-1 составило - 7,2 МВт (17,8 - 25,0 МВт). Частота восстановлена.
3. В САРЧМ энергоблока №2 в 13:20:01 установлено новое плановое задание по мощности, равное 18 МВт (уменьшение на 14 МВт). На энергоблоке №1 продолжает работать астатический регулятор частоты с заданием 50 Гц.
По мере уменьшения нагрузки ГТЭБ-2 под действием астатического регулятора частоты нагрузка ГТЭБ-1 увеличивается. В процессе непрерывного изменения мощности ГТЭБ-2 с неизменной скоростью ошибка регулирования частоты также устанавливается на постоянном уровне, равном примерно 120 мГц. В соответствии со срезами значений параметров в начале опыта (13:19:33) и в конце (13:25:33), которые отражены на рис.7, изменение мощности ГТЭБ-2 составило -14,1 МВт (17,6 - 31,7 МВт); изменение мощности ГТЭБ-1 составило 14,8 МВт (33,0 - 18,2 МВт). Частота восстановлена.
На фиг. 4 показано одновременное включение регуляторов частоты на энергоблоках 1 и 2 с заданием 50,4 Гц
На рисунке представлены графики-тренды изменения параметров за временной интервал 14:59:00 - 15:14:00.
При фактической частоте 49,4 Гц САРЧМ энергоблоков №1 и №2 в 15:02:20 одновременно переведены в режим регулирования частоты с заданием 50,4 Гц. График наглядно показывает достаточно устойчивую работу одновременно двух энергоблоков в режиме астатического регулирования частоты. Автоколебаний, вызванных взаимным влиянием, не наблюдается в процессе восстановления частоты и в установившемся режиме.
На фиг.5 одновременное изменение заданий для астатических регуляторов частоты энергоблоков №1 и №2 с 50,4 на 50 Гц.
На рисунке представлены графики-тренды изменения параметров за временной интервал 15:00:00 - 15:35:00.
Путем воздействия на задатчики частоты в САРЧМ энергоблоков №1 и №2 в 15:21:28 одновременно изменены задания по частоте с 50,4 Гц на 50 Гц. График наглядно показывает достаточно устойчивую работу одновременно двух энергоблоков в режиме астатического регулирования частоты. Автоколебаний, вызванных взаимным влиянием энергоблоков, не наблюдается в процессе восстановления частоты и в установившемся режиме. Поскольку на момент начала опыта мощности ГТЭБ были примерно равны, то влияние синхронизатора не наблюдается, воздействие на энергоблоки производится одновременно.
Решение о реализации, по меньшей мере, двух регуляторов частоты с синхронизацией вместо одного, формирующего задания для двух турбин одновременно, продиктовано необходимостью безударного подключения/отключения энергоблоков от режима регулирования частоты. В случае реализации единого регулятора его безударно можно включить только при равных нагрузках ГТЭБ. В предлагаемом же решении можно подключать к регулированию частоты энергоблоки, если они имеют значительно отличающиеся нагрузки в исходном состоянии.