СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЕЙ
CONTROL METHOD OF GAS TURBINE ELECTRIC POWER STATION

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в электронных системах автоматического управления (САУ) газотурбинными двигателями (ГТД) со свободной турбиной, применяемыми в составе газотурбинных установок (ГТУ) для привода электрогенераторов (ЭГ) газотурбинных электростанций (ГТЭС).
Известен способ ручного управления ГТЭС, Константинов В.Н. «Системы судовых электроэнергетических систем», Л.: Судостроение, 1972 г.
Недостатком известного способа является его низкая эффективность.
Наиболее близким к данному изобретению по технической сущности является способ управления ГТЭС, заключающийся в том, что измеряют частоту вращения свободной турбины, сравнивают заданное и измеренное значения частоты вращения свободной турбины, в зависимости от рассогласования между заданным и измеренным значениями частоты вращения свободной турбины управляют расходом топлива в камеру сгорания ГТУ, ЭГ включают после выхода ГТУ на режим холостого хода. Техническое задание «Система автоматического управления, регулирования, защиты, контроля и диагностики (САУ ГТУ) газотурбинной установки ГТУ-6/8РМ» 8Т1.000.014 ТЗ., ОАО «НПО «Сатурн», г.Рыбинск, 2001 г.
Известный способ управления ГТЭС имеет следующий недостаток. Технология изготовления и сборки ГТУ не обеспечивает оптимального значения некоторых геометрических характеристик узлов двигателя, что может оказывать существенное влияние на основные характеристики ГТУ. Так, например, наложение допусков при изготовлении и сборки узла турбины двигателя может чувствительно увеличить величину радиального зазора между кожухом турбины и венцом рабочих лопаток первой ступени. А увеличение зазора, например, на 1% приводит к снижению КПД ГТУ на базе двигателя Д90-ГП на 2,5%. Известный способ управления ГТЭС не дает возможность компенсировать эти недостатки технологии. Это приводит в конечном итоге к снижению экономичности работы ГТУ.
Целью изобретения является повышение экономичности работы ГТУ за счет повышения качества управления ГТУ, обеспечивающего активное управление радиальными зазорами в проточной части компрессора и турбины двигателя.
Поставленная цель достигается тем, что в способе управления газотурбинной электростанцией, заключающемся в том, что измеряют частоту вращения свободной турбины, сравнивают заданное и измеренное значения частоты вращения свободной турбины, в зависимости от рассогласования между заданным и измеренным значениями частоты вращения свободной турбины управляют расходом топлива в камеру сгорания ГТУ, электрогенератор (ЭГ) включают после выхода ГТУ на режим холостого хода, дополнительно после включения ЭГ на нагрузку измеряют величину радиального зазора между корпусом статора и рабочими лопатками последних ступеней компрессора, сравнивают измеренную величину с наперед заданной, определяемой расчетно-экспериментальным путем для каждого ГТУ в процессе его сдаточных испытаний, по величине рассогласования формируют управляющее воздействие на расход воздуха, подаваемого на охлаждение корпуса статора компрессора ГТУ, измеряют величину радиального зазора между корпусом статора и рабочими лопатками турбины газогенератора ГТУ, сравнивают измеренную величину с наперед заданной, определяемой расчетно-экспериментальным путем для каждого ГТУ в процессе его сдаточных испытаний, по величине рассогласования формируют управляющее воздействие на расход воздуха, подаваемого на охлаждение корпуса статора турбины газогенератора ГТУ.
На чертеже представлена схема устройства, реализующая заявляемый способ.
Устройство содержит электронный регулятор (ЭР) 1, подключенный к блоку 2 датчиков (БД) и пульту оператора (ПО) 3, выход ЭР 1 через блок электрогидропреобразователей (ЭПТ) 4 подключен к дозатору 5 топлива, заслонке 6 подачи воздуха на охлаждение корпуса статора последних ступеней компрессора, заслонке 7 подачи воздуха на охлаждение корпуса статора турбины газогенератора и системе 8 регулирования возбуждения ЭГ.
ЭР 1 представляет собой специализированную цифровую вычислительную машину (ЦВМ), содержащую процессорный блок, постоянное (ПЗУ), перепрограммируемое (ППЗУ) и оперативное (ОЗУ) запоминающие устройства и оснащенную устройствами ввода/вывода.
Устройство работает следующим образом.
В зависимости от рассогласования между заданным оператором и измеренным в БД 2 значениями частоты вращения свободной турбины ЭР 1 с помощью ЭГП 4 и дозатора 5 обеспечивает требуемое изменение расхода топлива в камеру сгорания. При включении ГТЭС в сеть неограниченной мощности внешняя команда от оператора ГТЭС или АСУ ТП «Включение в сеть» через ПО 3 поступает в ЭР 1. По этой команде ЭР 1 выдает в систему 8 сигнал, по которому производится включение ЭГ.
После этого измеряют величину радиального зазора между корпусом и рабочими лопатками последних ступеней компрессора, между корпусом и рабочими лопатками турбины газогенератора. Измерение производится с помощью БД 2. Подробное описание процедуры и средств измерения приведено в статье С.Ю.Боровик, Ю.Н.Секисов «Средства измерения и мониторинга радиальных зазоров в проточной части газотурбинного привода в процессе эксплуатации ГТД», журнал «Газотурбинные технологии», декабрь 2008 г., №10 (71), с.24-28.
Далее в ЭР 1 измеренную величину сравнивают с наперед заданной, определяемой расчетно-экспериментальным путем для каждого ГТУ в процессе его сдаточных испытаний. Эту величину определяют путем статистической обработки результатов замеров зазоров на конкретном ГТУ в течение определенных отрезков времени после выключения двигателя. Для ГТУ-12П, созданной на базе двигателя ПС-90ГП1, и входящей в состав газотурбинной электростанции ЭГЭС-12, эти замеры производят через 5, 30, 45, 60 мин после окончания выбега, а заданная величина зазора для компрессора составляет от 1,8 мм до 2,5 мм, для турбины газогенератора - от 3,94 мм до 4,7 мм, в зависимости от конкретного двигателя.
По величине рассогласования ЭР 1 формирует управляющие воздействия на расход воздуха, подаваемого на охлаждение корпусов статора последних ступеней компрессора и турбины газогенератора ГТУ. Управление заслонками 6 и 7, положение которых определяет расход охлаждающего воздуха, производится с помощью блока ЭГП 4.
Заслонка 6 подает воздух на охлаждение корпуса статора последних ступеней компрессора. Для двигателя ПС-90ГП1 - это 14-16 ступени компрессора высокого давления (КВД). Охлаждающий воздух отбирается из-за 5 ступени КВД.
Заслонка 7 подает воздух на охлаждение корпуса статора турбины высокого давления (ТВД) (для двигателя ПС-90ГП1 - из-за 13 ступени КВД).
За счет правильного выбора места отбора охлаждающего воздуха обеспечивается требуемый температурный перепад между охлаждающим воздухом и корпусом статора: воздух обеспечивает снижение температуры корпуса, но без заброса температурных напряжений в металле корпуса.
При охлаждении корпуса статора диаметр статора уменьшается, радиальный зазор между корпусом статора и рабочими лопатками уменьшается, КПД последних ступеней компрессора и турбины газогенератора растет (см., например, книгу Шляхтенко С.М. «Теория авиационных ВРД», М., «Машиностроение», 1975 г.). Т.к. расход топлива при этом остается неизменным, начинается рост измеренной (фактической) частоты вращения свободной турбины ГТУ, а заданная частота вращения свободной турбины остается неизменной.
ЭР 1 для поддержания заданной частоты вращения свободной турбины начинает снижать расход топлива до тех пор, пока измеренная частота вращения не станет равной заданной.
За счет этого обеспечивается снижение расхода топлива, а значит повышение экономичности ГТУ.