СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ИЗОЛИРОВАННОГО РЕЖИМА РАБОТЫ И ДЛЯ ПЕРЕХОДА В ЭТОТ РЕЖИМ
METHOD AND SYSTEM FOR DETECTION OF ELECTRICALLY INSULATED OPERATING MODE AND FOR SWITCHING OVER TO THIS METHOD

Область техники
Настоящее изобретение относится к выработке электроэнергии для энергосистем общего пользования, в частности к переключению генераторов электростанций в изолированный режим работы.
Термин "изолированный режим работы" относится к переключению из режима работы параллельно с электрической сетью энергосистемы к работе в изолированном режиме, известном под иным названием "изолированный режим работы" ("island mode"), и к последующей работе в установившемся изолированном режиме работы. Изолированный режим работы обычно используют для обеспечения относительно малых локальных нагрузок для нужд самой электростанции. Режим работы параллельно с электрической сетью энергосистемы является типичным для подачи электроэнергии на внешнюю электрическую нагрузку. Переключение в изолированный режим работы происходит в результате размыкания автоматических выключателей линии связи, соединяющей генератор с внешней электрической нагрузкой, и во время этого режима турбина остается в действии, обеспечивая локальные электрические нагрузки электростанции. Во время переключения в изолированный режим работы система управления реагирует на размыкание автоматического выключателя линии связи и разрешает регулятору частоты вращения в изолированном режиме автоматически поддерживать частоту в системе в соответствии с заданным значением скорости в изолированном режиме работы.
Изолированный режим работы газовой турбины обычно включает в себя два этапа: этап отключения от электрической сети энергосистемы и этап управления посредством регулятора в изолированном режиме работы. Во время этапа отключения от электрической сети энергосистемы газовая турбина подвергается сбросу нагрузки. Внезапное отключение нагрузки на генераторе может вызвать резкое ускорение газовой турбины с переходом в состояние с превышенной допустимой скоростью вращения. Для противодействия ускорению и превышению допустимой скорости вращения вала регулятор скорости вращения, которым является, например, стабилизирующий регулятор, реагирует путем быстрого уменьшения подачи топлива для ограничения ускорения и предотвращения превышения допустимой скорости вращения вала газотурбинного генератора. Быстрое снижение подачи топлива в результате реакции регулятора скорости вращения налагает ограничения на работоспособность турбины во время этапа отключения от электрической сети энергосистемы. Во время следующего этапа регулятор, работающий в изолированном режиме, берет на себя управление и регулирует частоту таким образом, чтобы она была равна заданному значению скорости в изолированном режиме работы.
Электростанции часто должны обеспечивать бесперебойную выработку электроэнергии после неожиданного отключения от электрической сети энергосистемы для обеспечения локальных электрических нагрузок во время переходного процесса при отключении от электрической сети энергосистемы и после него. Наличие разности ("дисбаланс полезной нагрузки") между локальной электрической нагрузкой, требуемой для самой электростанции, и количеством электроэнергии, выводимой в электрическую сеть энергосистемы непосредственно перед отключением от электрической сети энергосистемы, требует реакции на электрический переходный процесс и реакции от газотурбинного генератора во время этапа отключения от электрической сети энергосистемы. Если дисбаланс полезной нагрузки является большим, то реакция на результирующую скорость и на ускорение газотурбинного генератора может быть существенной. Результирующая реакция газотурбинного генератора может определять способность обеспечения локальной электрической нагрузки для собственных нужд электростанции во время этапа отключения от электрической сети энергосистемы.
При переключении газовой турбины в изолированный режим работы обычно используют тот же самый стабилизирующий регулятор, который регулирует вращение газовой турбины в режиме работы параллельно с электрической сетью энергосистемы. Стабилизирующий регулятор регулирует подачу топлива в газовую турбину таким образом, что заставляет генератор поддерживать желательную частоту для электрической сети энергосистемы. При отключении от электрической сети энергосистемы стабилизирующий регулятор реагирует на изменения частоты в изолированном режиме работы, происходящие в результате изменений локальной нагрузки. Изменения нагрузки и частоты, происходящие во время переключения из режима работы в электрической сети энергосистемы в изолированный режим работы, могут быть быстрыми и большими. Стабилизирующий регулятор может не быть способным полностью реагировать на изменения во время этого переключения. Кроме того, во время изолированного режима работы стабилизирующий регулятор может не быть способным восстанавливать частоту генератора до номинальной частоты. К обычному стабилизирующему регулятору были добавлены дополнительные функциональные возможности, например, алгоритм предварительной установки и настройки параметров, обеспечивающие возможность корректировки и восстановления номинальной частоты тогда, когда регулятор осуществляет управление в изолированном режиме работы.
После отключения от электрической сети энергосистемы регулятор подачи топлива в газовую турбину реагирует на результирующее ускорение вала путем быстрого уменьшения подачи топлива в камеры сгорания. Ускорение приводит к увеличению потока воздуха, подаваемого в газовую турбину. Уменьшение подачи топлива вместе с изменением потока воздуха, подаваемого в газовую турбину, приводит к тому, что в камеру сгорания подают переходный состав топливно-воздушной смеси, который может выйти за пределы технических норм по работоспособности газовой турбины с сухими камерами сгорания и низким содержанием окислов азота (Dry Low NOx, DLN).
Традиционным способом управления такими переходными процессами являлось переключение в режим управления, обеспечивающий надежное горение, который может выдерживать быстрые изменения подачи топлива и воздуха во время переходного процесса. Этот традиционный способ ограничивает максимальную мощность требуемой нагрузки в изолированном режиме работы во время переходного процесса, и в некоторых случаях требует локального отключения существенной доли нагрузки в электростанции. В альтернативном варианте применялось осторожное управление работой газовой турбины перед отключением от электрической сети энергосистемы, при этом работа электростанции ограничивала электроэнергию, выдаваемую электростанцией, ограничивая, тем самым, дисбаланс полезной нагрузки в момент отключения от электрической сети энергосистемы. Этот обычный способ может ограничивать максимальную нагрузку, которая может быть достигнута газотурбинным генератором во время обычного режима работы.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической задачей настоящего изобретения является создание системы управления газовой турбиной, которая обеспечивает усовершенствованную работу в изолированном режиме и переключение в изолированный режим работы, а также создание системы управления, не подверженной некоторым или всем ограничениям, присущим обычным системам управления, например, тем системам управления, описание которых приведено выше.
Согласно изобретению предложен способ управления подачей топлива во время переходного процесса для схем подачи топлива для множества подключенных газовых турбин, содержащий следующие операции: 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 установления факта, свидетельствующего о событии возникновения переходного процесса в электрической сети энергосистемы, в устройство управления газовой турбиной подают команду переключить газовую турбину, по меньшей мере, на одну промежуточную нагрузку; регулируют соотношение компонентов топливной смеси таким образом, чтобы сохранить устойчивость в камере сгорания во время события возникновения переходного процесса в электрической сети энергосистемы, и используют заранее заданный сигнал о требуемой нагрузке в изолированном режиме работы для соразмерного распределения общей требуемой нагрузки для электростанции в изолированном режиме работы между подключенными газотурбинными генераторами.
Был разработан еще один способ управления подачей топлива во время переходного процесса для контуров подачи топлива для множества подключенных газовых турбин, содержащий следующие операции: 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; ускоряют вращение газовой турбины в результате события возникновения переходного процесса в электрической сети энергосистемы; после установления факта, свидетельствующего о событии возникновения переходного процесса в электрической сети энергосистемы, в устройство управления газовой турбиной подают команду переключить газовую турбину, по меньшей мере, на одну промежуточную нагрузку; 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, и используют заранее заданный сигнал о требуемой нагрузке в изолированном режиме работы для соразмерного распределения общей требуемой нагрузки для электростанции в изолированном режиме работы между подключенными газотурбинными генераторами.
Была разработана система управления подачей топлива для схем подачи топлива для множества подключенных газовых турбин, содержащая: газовую турбину, содержащую камеру сгорания и устройство управления; систему обнаружения, осуществляющую текущий контроль состояния электрической сети энергосистемы и распознающую событие возникновения переходного процесса в электрической сети энергосистемы; причем упомянутое устройство управления содержит компьютер, выполняющий алгоритм управления подачей топлива во время переходного процесса после получения из устройства обнаружения сигнала, свидетельствующего о событии возникновения переходного процесса в электрической сети энергосистемы, при этом упомянутый алгоритм обеспечивает выполнение следующих операций: формирование управляющего сигнала для переключения, по меньшей мере, одной из газовых турбин на промежуточную нагрузку; регулировку соотношения компонентов топливной смеси в камере сгорания таким образом, чтобы сохранить устойчивость в камере сгорания во время события возникновения переходного процесса в электрической сети энергосистемы; и соразмерное распределение требуемой нагрузки в изолированном режиме работы между подключенными газотурбинными генераторами на основании заранее заданного сигнала о требуемой нагрузке в изолированном режиме работы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощением со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает принципиальную схему системы выработки электроэнергии и подключения нагрузки, которая содержит газотурбинный генератор, согласно уровню техники;
Фиг.2 - схему функционирования стабилизирующего регулятора, приспособленного к работе в изолированном режиме, согласно уровню техники;
Фиг.3 и 4 - схемы топливных форсунок и компоновки контуров подачи топлива для газовой турбины с сухими камерами сгорания и низким содержанием закиси азота (DLN), согласно уровню техники;
Фиг.5 - наименования режимов для приведенной в качестве примера камеры сгорания типа DLN для промышленной газовой турбины, согласно уровню техники;
Фиг.6 - последовательность режимов для переключения камеры сгорания типа DLN из режима поджига в режим предельной нагрузки, а также из режима предельной нагрузки в режим остановки, согласно уровню техники;
Фиг.7 - схему функционирования при управлении изолированным режимом работы, используемую для переключения множества устройств в изолированный режим работы, согласно изобретению;
Фиг.8 - диаграмму нового способа распределения нагрузки для переключения множества устройств в изолированный режим работы, согласно изобретению;
Фиг.9 - новый алгоритм регулирования соотношения компонентов топливной смеси в опорном контуре подачи топлива, используемый для улучшения работы камеры сгорания во время сильных переходных процессов, согласно изобретению;
Фиг.10 - 33 - диаграммы, на которых показаны результаты моделирования работы устройства управления (функционирование согласно Фиг.9) при переключении газовой турбины из режима с базовой нагрузкой в изолированный режим работы, согласно изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже раскрыты способ и система для обнаружения отключения от электрической сети энергосистемы и перехода к работе в изолированном режиме. Когда обнаружен факт отключения от электрической сети энергосистемы, то во время переходного процесса отключения от электрической сети энергосистемы способ и система осуществляют управление группой подключенных газовых турбин таким образом, что сохраняют работоспособность газотурбинного генератора. Способ и система управления подачей топлива во время переходного процесса улучшают работоспособность газовой турбины. Система может быть реализована в обычном устройстве управления газовой турбиной, которое может содержать стабилизирующий регулятор. Система обычно включает в себя добавленные алгоритмы управления, реализованные программными средствами.
На Фиг.1 изображена принципиальная схема известной системы 5 выработки электроэнергии и подключения нагрузки, которая содержит газотурбинный генератор (газотурбинные генераторы) 10, который может быть соединен (которые могут быть соединены) с электрической сетью 12 энергосистемы общего пользования и с локальной силовой нагрузкой 14 (со вспомогательным оборудованием электростанции), которой является, например, производственное предприятие, расположенное в том же самом месте, где находится генератор. Многофазные линии электропередачи, соединяющие генератор с электрической сетью энергосистемы и с силовой нагрузкой показаны на Фиг.1 одной линией. Электростанция может содержать вспомогательное оборудование 14, обеспечивающее работу электростанции для подключенных газотурбинных генераторов 10. Трансформаторы осуществляют преобразование выходного напряжения генератора в желательное входное напряжение для вспомогательного оборудования электростанции и для электрической сети энергосистемы.
Соединения между генератором 10 и электрической сетью 12 энергосистемы и между генератором и локальным вспомогательным оборудованием 14 электростанции установлены через автоматические выключатели. Автоматический выключатель 20 генератора соединяет генератор 10 с трансформаторами 16 и 18, автоматический выключатель 22 линии связи соединяет повышающий трансформатор 16 с электрической сетью 12 энергосистемы, а третий вспомогательный автоматический выключатель 24 соединяет вспомогательный трансформатор 18 с локальными вспомогательными нагрузками 14 для обеспечения собственных нужд электростанции.
Изолирование или переход в изолированный режим работы происходит при отключении мощности на выходе генератора 10 от электрической сети энергосистемы. В изолированном режиме работы автоматический выключатель 22 линии связи разомкнут, а автоматический выключатель 20 генератора и выключатель 24 локальной вспомогательной нагрузки для обеспечения собственных нужд электростанции остается замкнутым. Во время перехода в изолированный режим работы газотурбинный генератор 10 может вырабатывать электроэнергию исключительно для локальной нагрузки 14 электростанции, которая протекает через блок 18 вспомогательного трансформатора.
При подаче электроэнергии в электрическую сеть энергосистемы в газовых турбинах обычно используют стабилизирующий регулятор для поддержания желательной частоты электрического тока в электроэнергии на выходе генератора. Когда генератор 10 подает электроэнергию в электрическую сеть 12 энергосистемы, то понижение частоты электрического тока обычно свидетельствует о том, что мощность выработки электроэнергии, подаваемой в электрическую сеть 12 энергосистемы, является меньшей, чем требуемая нагрузка в электрической сети энергосистемы. И, наоборот, если частота в электрической сети 12 энергосистемы превышает номинальную частоту, то мощность выработки электроэнергии, подаваемой в электрическую сеть энергосистемы, превышает требуемую нагрузку.
Стабилизирующий регулятор приспосабливается к изменениям частоты в электрической сети энергосистемы путем изменения выходной мощности турбины обратно пропорционально разности между частотой в электрической сети энергосистемы и номинальной частотой в электрической сети энергосистемы, например, расчетной частотой в электрической сети энергосистемы. Если частота в электрической сети энергосистемы опускается ниже номинальной частоты в электрической сети энергосистемы, то стабилизирующий регулятор обнаруживает снижение частоты в электрической сети энергосистемы и выдает в турбину команду увеличить ее выходную мощность обратно пропорционально разности между номинальной частотой в электрической сети энергосистемы и фактической частотой в электрической сети энергосистемы. И, наоборот, если частота в электрической сети энергосистемы становится большей, чем номинальная частота, то стабилизирующий регулятор обнаруживает разность между фактической и номинальной частотой в электрической сети энергосистемы и выдает в турбогенератор команду на пропорциональное уменьшение выходной мощности.
Стабилизирующую реакцию регулятора газотурбинного генератора обычно выражают в единицах изменения частоты в процентах, требуемую для того, чтобы вызвать 100% изменение выходной нагрузки турбины. Например, стабилизирующая реакция, равная 4%, означает, что при изменении частоты в электрической сети энергосистемы на 4% выходная нагрузка газовой турбины изменяется на 100%. Другими словами, стабилизирующий регулятор с реакцией, равной 4%, изменяет выходную мощность газовой турбины на 25% при каждом изменении частоты в электрической сети энергосистемы на 1%. Частота в электрической сети энергосистемы и скорость турбины связаны пропорциональной зависимостью. При стабилизирующей реакции, равной 4%, каждое изменение скорости вала турбины на 1% изменяет выходную мощность генератора на 25%.
На Фиг.2 изображены обычные алгоритмы управления стабилизирующим регулятором и дополнительные алгоритмы автоматизированной коррекции частоты, используемые при управлении регулятором в изолированном режиме работы. К тому же, при переключении газовой турбины в изолированный режим работы обычно используют тот же самый стабилизирующий регулятор 26, который регулирует вращение газовой турбины в режиме работы параллельно с электрической сетью энергосистемы. Стабилизирующий регулятор регулирует подачу топлива в газовую турбину таким образом, что заставляет генератор поддерживать желательную частоту для электрической сети энергосистемы. При отключении от электрической сети энергосистемы стабилизирующий регулятор реагирует на изменения частоты в изолированном режиме работы, происходящие в результате изменений локальной нагрузки. Изменения нагрузки и частоты, происходящие во время переключения из режима работы в электрической сети энергосистемы в изолированный режим работы, могут быть быстрыми и большими. Стабилизирующий регулятор может не быть способным полностью реагировать на изменения во время этого переключения. К обычному стабилизирующему регулятору были добавлены дополнительные функциональные возможности, например, алгоритм предварительной установки и настройки параметров, обеспечивающий возможность корректировки и восстановления номинальной частоты тогда, когда регулятор осуществляет управление в изолированном режиме работы.
На Фиг.2 изображен известный стабилизирующий регулятор с дополнительным алгоритмом автоматизированной коррекции частоты, используемым тогда, когда регулятор осуществляет управление в изолированном режиме работы. Стабилизирующий регулятор 26 представляет собой компьютерное устройство управления, предназначенное для генерации команды 28 подачи топлива, которую ограничитель 30 подачи топлива преобразует в команду подачи топлива (FSR), подаваемую в устройство управления подачей топлива (не показано) для камеры сгорания. Регулятор содержит функцию 32 преобразования, которая осуществляет генерацию командного сигнала подачи топлива для регулирования скорости вращения (FSRN), нижнее значение которого выбирают 34 с использованием предельного значения 37 при управлении подачей топлива в случае ускорения и других команд подачи топлива в устройстве управления.
При работе в электрической сети энергосистемы сигнал обратной связи по мощности (обратная связь по мегаваттам, MWATT) преобразуется и подвергается регулировке, например, умножению на стабилизирующий регулировочный коэффициент 40. В качестве опорного командного сигнала управления нагрузкой (TNRL) применяют разность между результирующим сигналом DWDROOP и командным сигналом управления скоростью/нагрузкой (TNR). Разность между сигналом TNRL и сигналом действительной скорости (THN) применяют к функции 32 преобразования для генерации сигнала команды подачи топлива для регулирования скорости вращения (FSRN).
После того, как разрешено управление в изолированном режиме работы (разрешена работа в изолированном режиме), производят обработку разности между опорным сигналом скорости (TNRI) и сигналом обратной связи, характеризующим скорость вращения вала, (TNH) посредством операции корректировки ошибки и ее преобразование путем преобразования скорости изменений для генерации входного сигнала, применяемого для функции 42 установки заданных значений параметров регулятора. Входной сигнал инициирует выполнение операции автоматической установки заданных значений параметров регулятора для повышения и понижения опорного командного сигнала управления скоростью/нагрузкой (TNR). Соответственно, уровень сигнала TNR повышают и понижают таким образом, чтобы он соответствовал заданному значению скорости.
В режиме управления, осуществляемого регулятором в изолированном режиме работы, регулятор скорости/нагрузки газовой турбины, которым является, например, стабилизирующий регулятор, используют именно для регулирования скорости вращения. В отличие от этого, когда газовая турбина соединена с электрической сетью энергосистемы, то регулятор скорости/нагрузки используют для управления нагрузкой. При работе в изолированном режиме стабилизирующий регулятор 26 газовой турбины управляет подачей топлива таким образом, чтобы противодействовать ошибке по скорости в изолированном режиме работы, которая представляет собой разность между заданным значением скорости в изолированном режиме работы и частотой в энергосистеме. Если заданное значение скорости не идентично частоте в энергосистеме, то стабилизирующий регулятор регулирует сигналы управления подачей топлива до максимального или минимального значения при попытке уменьшить ошибку по скорости. Нагрузка на газовую турбину, управление которой осуществляет регулятор, работающий в изолированном режиме, обычно не должна превышать 90% от ее мощности для обеспечения адекватного запаса, необходимого для реакции на понижение частоты в изолированном режиме работы. Если требуется дополнительная мощность, то для обеспечения выработки электроэнергии в изолированном режиме работы под управлением стабилизирующего регулятора должно быть привлечено другое оборудование для выработки электроэнергии.
В газовых турбинах, оснащенных системами сжигания с сухими камерами сгорания и низким содержанием окислов азота (Dry Low NOx, DLN), обычно используют систему подачи топлива, которая содержит камеры сгорания с множеством форсунок и с предварительным смешиванием компонентов топливной смеси. Требования для систем подачи топлива типа DLN обычно ограничивают способность устройства управления регулировать подачу топлива в камеры сгорания в ответ на быстрое изменение нагрузки. Что касается локальных потребностей в мощности для нужд самой электростанции, то в системах типа DLN возникает сложная задача обеспечения потребностей в нагрузках большой мощности во время переходного процесса отключения от электрической сети энергосистемы. В промышленных газовых турбинах часто используют конструкции камер сгорания с предварительным смешиванием, работающих на обедненной смеси, для достижения низких выбросов оксидов азота (NOx) без использования разжижителей, таких как, например, вода или пар. Сжигание обедненной смеси с предварительным смешиванием включает в себя операцию предварительного смешивания топлива и воздуха, выполняемую перед зоной пламени в камере сгорания, и работу вблизи от предела воспламеняемости обедненной смеси топлива для поддержания низких максимальных температур пламени и, следовательно, также низких выбросов оксидов азота (NOx). Конструкции камер сгорания с предварительным смешиванием, работающих на обедненной смеси, часто именуют сухими камерами сгорания с низким содержанием окислов азота (DLN). Рассматривая проблемы стабильности, присущие сжиганию обедненной смеси с предварительным смешиванием, и учитывая наличие широких пределов соотношения компонентов топливно-воздушной смеси во всем диапазоне рабочих режимов газовой турбины, камеры сгорания типа DLN обычно имеют множество топливных форсунок в каждой камере сгорания, топливо в которые подают по отдельности или по подгруппам. Система подачи топлива в газовую турбину содержит схему, управление которой осуществляют отдельно, предназначенную для подачи топлива в каждую группу форсунок в каждой камере. Система управления изменяет расход топлива (соотношение компонентов топливной смеси), подаваемого в каждую схему, во всем диапазоне рабочих режимов турбины для поддержания устойчивости пламени, низких выбросов загрязняющих веществ и для обеспечения приемлемого срока службы камеры сгорания.
На Фиг.3 и 4 изображены схемы, на которых проиллюстрированы группы 43 топливных форсунок и компоновка 44 контуров подачи топлива для газовой турбины с камерой 45 сгорания типа DLN. Камера сгорания типа DLN может иметь шесть топливных форсунок 46, расположенных в трех группах форсунок, обозначенных как PM1, PM2 и PM3. Контур подачи топлива, подающий топливо в каждую группу, обозначен аналогичным образом, например, контур PM1 снабжает топливом форсунки PM1. Контуры подачи топлива могут содержать клапан регулирования скорости/соотношения компонентов топливной смести (SRV), клапаны регулирования расхода газа (GCV_) для каждой группы форсунок и клапан регулирования расхода газа (GCV4) для магистрали (Q) из четырех трубопроводов, кожух и магистрали предварительного смешивания. В различных участках диапазона рабочих режимов турбины контуры подачи топлива могут быть включены и выключены. Термин "режим сжигания" используют для обозначения того факта, что конкретный набор контуров подачи топлива является активным, например, в него подают топливо.
На Фиг.5 показаны наименования режимов для приведенной в качестве примера обычной камеры 45 сгорания типа DLN для промышленной газовой турбины. На Фиг.6 показана последовательность режимов для переключения камеры сгорания типа DLN из режима поджига в режим предельной нагрузки, а также из режима предельной нагрузки в режим остановки. Для каждого режима работы один из активных контуров подачи топлива обычно обозначают как "опорный контур". Топливо в опорный контур предпочтительно подают таким образом, чтобы поддерживать адекватный запас по срыву пламени в пределах всего этого режима. Устойчивое пламя в форсунках, подачу топлива в которые обеспечивает опорный контур, гарантирует стабильность во всей камере сгорания за счет управления подачей топлива в остальные форсунки в камере, которая может работать на намного более обедненной смеси. Даже при наличии стратегий выбора режимов и применения опорного контура, используемых во многих конструкциях камер сгорания типа DLN, сильные переходные процессы при изменении нагрузки газовой турбины по-прежнему вызывают в системе управления подачей топлива в газовой турбине проблемы по поддержанию устойчивости пламени.
Традиционный способ управления сильными переходными процессами заключался в переключении в режим работы с надежным горением, который может выдерживать быстрые изменения подачи топлива и воздуха во время переходного процесса. Этот обычный способ ограничивает максимальную мощность требуемой нагрузки в изолированном режиме работы во время переходного процесса и в некоторых случаях требует локального отключения существенной доли нагрузки в электростанции.
Если ожидаемые потребности в электроэнергии для изолированного режима работы превышают максимальную нагрузку, которая может быть достигнута при использовании традиционного способа, то необходимы альтернативные способы для улучшения стабильности камеры сгорания газовой турбины во время этапа отключения от электрической сети энергосистемы/сброса нагрузки. Эти альтернативные способы должны обеспечивать более высокие нагрузки при работе электростанции в изолированном режиме во время переходного процесса отключения от электрической сети энергосистемы и во время работы в изолированном режиме. Необходим новый алгоритм управления подачей топлива во время переходного процесса, который дает возможность производить частичные сбросы нагрузки во время переключения в изолированный режим работы, когда начальная требуемая нагрузка в изолированном режиме работы электростанции превышает стандартные максимальные пределы сброса нагрузки в изолированном режиме работы. Алгоритм управления подачей топлива во время переходного процесса не должен требовать никаких дополнительных ограничений в работе, которые могли бы приводить к ограничению выходной мощности газотурбинного генератора во время обычного режима работы, например, в неизолированном режиме работы.
Предложенные новый способ и новая система обеспечивают комплексное решение относительно отключения от электрической сети энергосистемы и работы в изолированном режиме при повышенных нагрузках в изолированном режиме работы электростанции. Способ и система являются пригодными для мощных газовых турбин, вырабатывающих электроэнергию. Способ и система могут быть применены для управления газотурбинными генераторами в ответ на незапланированные переключения в изолированный режим работы.
Была разработана стратегия управления системой подачи топлива в газовую турбину для поддержания работоспособности газовой турбины во время отключения от электрической сети энергосистемы и при переключении в изолированный режим работы без нарушения обычной работы газотурбинного генератора.
Алгоритм управления подачей топлива во время переходного процесса может содержать три основных элемента, которыми являются:
(A) Обнаружение переходного процесса: переходный режим инициируют после обнаружения события возникновения переходного процесса в электрической сети энергосистемы на основании либо быстрого изменения в команде подачи топлива, либо ускорения вала турбины. После обнаружения события возникновения переходного процесса в электрической сети энергосистемы приводят в действие алгоритм управления подачей топлива во время переходного процесса. Алгоритм обнаружения используют совместно с распределением нагрузки в изолированном режиме работы и с алгоритмом выбора режима сжигания в изолированном режиме работы для выдачи команды на переключение газовой турбины в режим работы с промежуточной нагрузкой во время отключения от электрической сети энергосистемы.
(B) Управление подачей топлива и выбор режима сжигания во время переходного процесса: алгоритм управления подачей топлива во время переходного процесса регулирует соотношения компонентов топливной смеси в камере сгорания и точки перехода из одного режима в другой для обеспечения заданной стабильности в камере сгорания во время события возникновения переходного процесса в электрической сети энергосистемы. Поскольку параметры турбины, которые обычно управляют переключениями из одного режима в другой и соотношениями компонентов топливной смеси, не могут иметь достаточно быстрый отклик при сильном переходном процессе, то для приоритетного смещения переключения из одного режима в другой и для изменения соотношений компонентов топливной смеси при обнаружении сильного переходного процесса используют другие параметры с более быстрым откликом. Например, алгоритм управления подачей топлива во время переходного процесса увеличивает подачу топлива в один контур (в опорный контур) для увеличения запаса по срыву пламени в камере сгорания во время переключения в режим управления, осуществляемого регулятором в изолированном режиме работы.
(C) Распределение нагрузки в изолированном режиме работы: поданный потребителем сигнал о требуемой нагрузке в изолированном режиме работы подвергают обработке посредством алгоритма распределения нагрузки, который автоматически соразмерно распределяет общую требуемую нагрузку в изолированном режиме работы между подключенными газотурбинными генераторами. Соразмерно распределенную требуемую нагрузку используют при выборе надлежащего целевого режима сжигания типа DLN на всем протяжении переходного процесса и используют для предварительной выдачи опорной команды управления скоростью/нагрузкой для газовой турбины (TNR).
На Фиг.7 изображена приведенная в качестве примера общая последовательность 50 выполнения операций алгоритма управления подачей топлива во время переходного процесса. Алгоритм уменьшает риски непреднамеренных потерь при выработке электроэнергии во время незапланированных событий отключения от электрической сети энергосистемы за счет своевременного обнаружения электрических переходных процессов, реакции на переходный процесс и управления подачей топлива в соответствии с электрическим переходным процессом. Кроме того, алгоритм улучшает работоспособность газовой турбины в тех случаях, когда событие в системе передачи электроэнергии оказывает воздействие на газотурбинный генератор в тот момент, когда электростанция все еще соединена с электрической сетью энергосистемы. Алгоритм управления подачей топлива во время переходного процесса обеспечивает обнаружение события и реакцию на него вне зависимости от состояния соединения с электрической сетью энергосистемы и перераспределяет топливо, подаваемое в газовую турбину (подаваемое в газовые турбины) таким образом, что улучшается устойчивость камеры сгорания к возможным воздействиям. После повторной стабилизации алгоритм управления восстанавливает номинальные установочные параметры и распределение топлива, вновь восстанавливая устойчивый режим работы.
В состав алгоритма 50 управления подачей топлива во время переходного процесса включены дополнительные меры для обеспечения "дистанционного обнаружения" выключателя в том случае, когда событие в линии связи не обнаружено. Дистанционное обнаружение настроено таким образом, что реагирует на признак отключения от электрической сети энергосистемы на основании текущего контроля скорости физической машины, ускорения вала или на основании обоих параметров. Дистанционное обнаружение инициирует реакцию системы подачи топлива для обеспечения вторичного средства обнаружения переключения в изолированный режим. Средство дистанционного обнаружения может содержать акселерометр или измеритель скорости, который осуществляет текущий контроль вала газовой турбины.
Последовательность 50 может быть инициирована событием в системе передачи электроэнергии, например, быстрым сбросом нагрузки в электрической сети энергосистемы при операции 52, который может вызвать переходный процесс в скорости/ускорении (операция 54). Во время события в системе передачи электроэнергии устройство управления определяет (операция 56), произошло ли переключение дистанционного автоматического выключателя 22 линии связи. Если дистанционный выключатель линии связи изменил свое положение (результатом операции является "ДА"), то устройство управления инициирует последовательность 58 операций для сброса нагрузки и затем определяет (операция 60), был ли выбран режим управления для изолированного режима работы. Если он не был выбран, то выполняют операцию 62, при которой разрешают обычную последовательность сброса нагрузки с работой на полных оборотах без нагрузки (FSNL), камеры сгорания работают в режиме сброса нагрузки, например, в режиме №1, и топливо подают, например, уменьшают его подачу, таким образом, чтобы поддерживать работу газовой турбины на полных оборотах без нагрузки (FSNL). После завершения сброса нагрузки (операция 64), устройство переключается в обычный режим управления стабилизацией (операция 66).
Если при операции 56 выключатели линии связи не были переключены (результатом операции является "НЕТ"), то при возникновении события в системе передачи электроэнергии (которое свидетельствует о том, что выход генератора остается соединенным с электрической сетью энергосистемы), газовая турбина может ускорить вращение и, тем самым, вызвать изменение частоты генератора и/или в электрической сети. Если изменение скорости и ускорения является существенными, то это инициирует выполнение операции, разрешающей обнаружение переходного процесса (операции 68). Если произошло изменение положения дистанционного выключателя линии связи (результатом операции 56 является "ДА"), или разрешено обнаружение переходного процесса (результатом операции является "ДА"), то выполняют операцию 70 регулирования соотношения компонентов топливной смеси в опорном контуре подачи топлива для переходного процесса, при которой применяют регулирование соотношения компонентов топливной смеси согласно номинальному графику в оперативном режиме.
На Фиг.9 показана диаграмма регулирования 70 соотношения компонентов топливной смеси в опорном контуре подачи топлива. Соотношение компонентов топливной смеси в опорном контуре подачи топлива (пунктирная линия) регулируют таким образом, чтобы помочь сохранить стабильность камеры сгорания во время переходного процесса. Во время режима инициирования переходного процесса соотношение компонентов топливной смеси в опорном контуре подачи топлива регулируют относительно номинального соотношения компонентов топливной смеси в нем до возникновения события таким образом, что во время начального переходного процесса сброса нагрузки расход топлива в опорном контуре является равным или большим, чем расход топлива до возникновения события. После того, как устройством управления определено, что инициирование переходного процесса завершено, разрешают изменить по линейному закону соотношение компонентов топливной смеси в опорном контуре подачи топлива обратно до величины, равной номинальному соотношению компонентов топливной смеси плюс смещение во время режима восстановления после переходного процесса. Наконец, соотношение компонентов топливной смеси в опорном контуре подачи топлива изменяют по линейному закону обратно до номинального установленного значения соотношения компонентов топливной смеси, так как смещение для переходного процесса устраняют после того, как устройством управления определено, что период переходного процесса завершен, и машина была стабилизирована в устойчивом режиме работы.
Регулирование соотношения компонентов топливной смеси топлива при управлении подачей топлива во время переходного процесса обеспечивает управление распределением топлива в контуры подачи топлива в камеру сгорания во время сильных и быстрых переходных процессов. Регулирование соотношения компонентов топливной смеси может отличаться от оперативного графика, поскольку управление им осуществляют независимо от типичных подач, предусмотренных графиком, с учетом величины возмущения. Это необходимо потому, что типичные алгоритмы регулирования соотношения компонентов топливной смеси имеют задержку вследствие характера поведения при переходном режиме и вследствие тепловыделения из компонентов газового тракта во время переходного процесса.
Во время всех режимов работы устройство управления вычисляет соответствующие заранее заданные целевые значения параметров для регулятора (операция 80) (Фиг.7) и выбирает режим сжигания (операция 82), используемый в последовательности 50. Устройство управления выполняет переключение на нагрузку для изолированного режима работы (операция 86) и сброс нагрузки до вычисленной целевой нагрузки, и в режим сжигания при изолировании от электрической сети энергосистемы (результатом операции 56 является "ДА"). При переключении на нагрузку для изолированного режима работы (при переходе к операции 86), используют заранее заданный алгоритм 78 выдачи команд для нагрузки в изолированном режиме работы. В алгоритме команд для нагрузки в изолированном режиме работы в качестве входных данных используют статус 76 ведущего/ведомого звена (lead/lag unit) и сигнал о требуемой нагрузке в изолированном режиме работы, поступающий из системы 74 управления электростанцией. Статус 76 ведущего/ведомого звена определяют путем активного расчета нормированной нагрузки 72 энергоблока, при котором отфильтрованный выходной сигнал MWATT на единицу мощности нормируют с использованием внешних условий в качестве параметра нормирования. Статус ведущего звена обычно приписывают подключенному генератору с самой высокой выходной мощностью. Сведения о требуемой нагрузке в изолированном режиме работы, поступившие из системы управления электростанции, вместе со сведениями о статусе ведущего/ведомого звена затем обрабатывают посредством алгоритма команд для нагрузки в изолированном режиме работы, изображенном на Фиг.8. После завершения сброса нагрузки (операция 88) и завершения регулировки 70 соотношения компонентов топливной смеси в опорном контуре подачи топлива при переходном процессе устройство переключается в режим 90 управления, осуществляемого регулятором в изолированном режиме работы.
При выработке электроэнергии множеством генераторов в одной электроэнергетической системе необходимо указать ведущую турбину и ведомую турбину (операция 76). Как упомянуто выше, статус ведущего звена обычно приписан подключенному генератору с самой высокой выходной мощностью. Ведущая турбина является определяющей при распределении нагрузки между подключенными энергоблоками во время этапа сброса нагрузки. Ведущая газовая турбина вычисляет начальную процентную долю от общей нагрузки в изолированном режиме работы электростанции, которую она будет нести во время начального этапа сброса нагрузки. Затем в ведомую турбину выдают команду на сброс нагрузки до уровня остальной нагрузки в изолированном режиме работы электростанции, которую не несет ведущая газовая турбина. Таким образом, если команда нагрузки на ведущую турбину равна всей требуемой нагрузке для электростанции, то в ведомую турбину выдают команду перейти в режим работы на полных оборотах без нагрузки (FSNL). Предпринимают дополнительные меры для обеспечения того, чтобы ведущая и ведомая газовые турбины имели достаточную мощность для выполнения команд переключения на соответствующие им нагрузки. Если в ведущую или в ведомую газовые турбины поступает команда превысить ее мощность, то операция 84 обнаружения ошибки в распределении нагрузки в изолированном режиме работы инициирует переключение на собственную мощность. Это управление ведущей/ведомой турбинами помогает гарантировать то, что управление множеством газовых турбин не вызовет колебаний вследствие наличия независимого средства регистрации скорости на каждой генерирующей турбине. Без наличия статуса ведущего и ведомого узлов и в том случае, если каждый регулятор для каждой турбины реагирует на то, что он обнаруживает, динамика системы предоставляет возможность отклика турбин на реакции каждой из них на обнаруженное событие, вследствие чего создаются колебания.
На Фиг.8 показан приведенный в качестве примера новый алгоритм управления распределением нагрузки в изолированном режиме работы для двух газовых турбин (энергоблок №1 и энергоблок №2) при работе в изолированном режиме. Алгоритм, показанный на Фиг.9, представляет собой функцию распределения нагрузки в изолированном режиме работы. Алгоритм распределяет требуемую нагрузку в изолированном режиме работы между двумя подключенными газовыми турбинами согласно заранее заданному графику для содействия управлению переходным процессом сжигания, имеющим место в каждой газовой турбине во время этапа сброса нагрузки. Функция распределения нагрузки также служит для предотвращения попыток нагрузки подключенных газовых турбин свыше 90% от их мощности, чтобы сохранить достаточный запас по частотной характеристике. Алгоритм определяет предпочтительное распределение нагрузки по газовым турбинам в изолированном режиме работы для каждого энергоблока в зависимости от уровня нагрузки в изолированном режиме работы (в процентном отношении от общей нагрузки предприятия в изолированном режиме работы). На Фиг.9 изображено предпочтительное распределение нагрузки для множества газовых турбин с учетом оптимального функционирования во время сброса нагрузки до высокой нагрузки в изолированном режиме работы. Показано разделение заранее заданной нагрузки в изолированном режиме работы между газовыми турбинами наиболее надежным образом с учетом целевого режима работы типа DLN и возможностей системы сжигания. Описание случаев, указанных в таблице, приведено ниже со ссылкой на таблицу 2 и на чертежи Фиг.10 - 33.
Несмотря на то, что на Фиг.8 изображена система из двух газотурбинных энергоблоков, этот алгоритм может быть развит для системы, состоящей более чем из двух газотурбинных энергоблоков, с использованием раскрытой здесь сущности изобретения и среднего уровня компетентности в области техники распределения нагрузок в промышленных газотурбинных силовых установках.
Была выполнена проверка с использованием компьютерной программы управления газотурбинным двигателем Mark VI фирмы "Дженерал Электрик" (GE) путем комплексного моделирования в реальном масштабе времени с использованием алгоритма управления подачей топлива во время переходного процесса, описание которого приведено выше со ссылкой на чертежи Фиг.7 и Фиг.8, реализованного в системе управления для промышленного газотурбинного генератора модели 7FA+e фирмы "Дженерал Электрик". Моделирование было выполнено для различных случаев, чтобы продемонстрировать способности и ограничения алгоритма управления подачей топлива во время переходного процесса относительно реакции на отключение от электрической сети энергосистемы и настройки алгоритмов управления для работы в изолированном режиме. Моделирование переключения в изолированный режим использовалось для проверки возможностей во всем диапазоне нагрузок для изолированного режима работы и внешних условий. Эти условия сведены в таблицу 1.
Таблица 1
Требования к переключению в изолированный режим
Диапазон нагрузок на оборудование
Диапазон температурокружающей среды
от 180 до 265 МВт (мегаватт)
30°F-120°F(градусов Фаренгейта)
от 85 до 140 МВт
30°F-120°F
Случаи, для которых выполнялось моделирование, демонстрируют функцию переключения в изолированный режим при нескольких основных условиях, которые представляют собой расчетные условия. Эти случаи перечислены в Таблице 2.
Таблица 2
Случаи, для которых выполнялось моделирование
Нагрузка в изолированном режиме работы [в МВт]
Температура окружающей среды[в градусах Фаренгейта]
Нагрузка на оборудование [%]
Целевое условие для энергоблока №1
Целевое условиедля энергоблока №2
1A
85
30
45
Переход на 85 МВт
Переход в режим работы на полных оборотах без нагрузки (FSNL)
1B
85
86
54
Переход на 85 МВт
Переход в режим работы на полных оборотах без нагрузки (FSNL)
1C
85
120
65
Переход на 85 МВт
Переход в режим работы на полных оборотах без нагрузки (FSNL)
2A
180
30
97
Переход на 90 МВт
Переход на 90 МВт
2B
180
86
116
Переход на 90 МВт
Переход на 90 МВт
2C
180
120
140
Переход на 90 МВт
Переход на 90 МВт
3
140
86
90
Переход на 70 МВт
Переход на 70 МВт
4
32
86
20
Переход на 16 МВт
Переход на 16 МВт
В Таблице 2 случаи 1A, 1B и 1C представляют собой условия нагрузки в изолированном режиме работы при трех внешних условиях, в которых один газотурбинный генератор (энергоблок №1) обеспечивает электроэнергию для всей требуемой силовой нагрузки в изолированном режиме работы, а второй генератор (энергоблок №2) переведен в автономный режим работы на полных оборотах без нагрузки (FSNL). Случаи 2A, 2B и 2C представляют собой условия нагрузки в изолированном режиме работы, при которых требуемая силовая нагрузка в изолированном режиме работы распределена между двумя газотурбинными генераторами (энергоблоками №1 и №2). Эти шесть случаев (1A к 1C, и 2A к 2C) охватывают собой этапы изменения нагрузки, которые с большой вероятностью происходят в электростанции, и отображают случаи, при которых осуществляют управление стабильностью в камере сгорания и скоростью. Случай 3 представляет собой случай с самой низкой нагрузкой, которая вызывает то, что два блока газотурбинных генераторов электроэнергии остаются в неавтономном режиме с использованием функции распределения нагрузки в изолированном режиме работы, проиллюстрированной на чертеже Фиг.6, на котором показано, где именно имеет место каждый случай относительно функции распределения нагрузки в изолированном режиме работы.
Случай 4 представляет собой переход к 10% нагрузке газовой турбины. Этот случай является важным расчетным режимом для оценки производительности побочного пара. Условия относительно отработанных газов для газовой турбины обеспечены для всех случаев.
В таблице 3 сведены данные о реакции по скорости и о работе с запасом по срыву пламени для всех представленных случаев. Как видно из таблицы, реакция по скорости является хорошей в пределах расчетного интервала для всех случаев.
Таблица 3
Итоговая сводка случаев, для которых выполнялось моделирование
Случай
Максимальная скорость (%)
Минимальная скорость (%)
Среднее значение запаса по срыву пламени для PM1 (%)
Минимальный запас по срыву пламени для PM1 (%)
Расчетное целевое значение
<108
>98
-
>20%
1A
103,51
99,96
26,9
18,2
1B
102,49
99,97
29,7
24,5
1C
101,64
99,87
29,1
23,5
2A
103,65
99,74
27,5
20,5
2B
102,49
99,89
30,2
23,8
2C
101,46
99,87
29,3
23,5
3
103,18
99,91
26,9
20,7
4
105,17
99,18
54,6
47,6
Сбор данных производился во время моделирования каждого случая, и несколько ключевых параметров машины изображены на диаграммах, показанных на чертежах Фиг.10 - 32. Определения параметров, содержащихся в диаграммах, приведены в Таблице 4.
Таблица 4
Описания сигналов
Наименование сигнала
Описание
Тип
Технические единицы измерения
CSGV
Угол лопасти входного направляющего аппарата
с плавающей запятой
градус дуги
FSR
Опорная величина хода топливного клапана
с плавающей запятой
%
DWATT
Выходная мощность в мегаваттах
с плавающей запятой
мегаватт (МВт)
DVAR
Выходная реактивная мощность в мегавольт-амперах реактивной мощности
с плавающей запятой
мегавар (Мвар)
EXHMASS
Массовый расход отработанных газов
с плавающей запятой
фунт в секунду
L52LX1
Состояние линейного выключателя
логический (булев)
0 = разомкнут1 = замкнут
TNH
Скорость турбины
с плавающей запятой
%
TTXM
Температура отработанных газов
с плавающей запятой
градус Фаренгейта (°F)
WPM1
расход топлива, подаваемого в форсунку PM1
с плавающей запятой
фунт в секунду
WPM2
расход топлива, подаваемого в форсунку PM1
с плавающей запятой
фунт в секунду
WPM3
расход топлива, подаваемого в форсунку PM1
с плавающей запятой
фунт в секунду
WQUAT
расход топлива, подаваемого в магистраль из четырех трубопроводов
с плавающей запятой
фунт в секунду
Способ управления подачей топлива во время переходного процесса для контуров подачи топлива для множества подключенных газовых турбин, заключающийся в том, что обнаруживают (54, 72) событие (52) возникновения переходного процесса в электрической сети энергосистемы на основании наличия, по меньшей мере, одного из следующих факторов: быстрого изменения (64) 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 (71) переключить газовую турбину, по меньшей мере, на одну промежуточную нагрузку; регулируют (74) 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, и используют заранее заданный сигнал (76, 84, 86) о требуемой нагрузке в изолированном режиме работы для соразмерного распределения требуемой нагрузки в изолированном режиме работы между подключенными газотурбинными генераторами.
Соотношение компонентов топливной смеси, подаваемой в один из контуров подачи топлива могут увеличивать.
Можно дополнительно использовать соразмерно распределенную требуемую нагрузку (86) для выбора целевого режима сжигания с сухими камерами сгорания и низким содержанием окислов азота (DLN) в течение всего переходного процесса.
На шаге обнаружения события возникновения переходного процесса можно осуществлять дистанционную регистрацию (64, 66, 68) скоростного режима, по меньшей мере, в одной из газовых турбин.
На шаге соразмерного распределения по меньшей мере одну газовую турбину можно оставлять без нагрузки (71).
На шаге (86, 88) соразмерного распределения требуемую нагрузку в изолированном режиме работы можно распределять между множеством газовых турбин.
На шаге обнаружения события возникновения переходного процесса в электрической сети энергосистемы можно регистрировать изменения (54) состояния выключателя линии связи.
При событии (52, 54, 64) возникновения переходного процесса в электрической сети энергосистемы можно осуществлять поддержание связи между электрической сетью энергосистемы и одним или большим количеством генераторов, каждый из которых приводится в действие, по меньшей мере, одной из множества подключенных газовых турбин.
Способ управления подачей топлива во время переходного процесса для контуров подачи топлива для множества подключенных газовых турбин, заключающийся в том, что обнаруживают (64, 66, 68) событие (52) возникновения переходного процесса в электрической сети энергосистемы на основании наличия, по меньшей мере, одного из следующих факторов: быстрого изменения подачи топлива в газовую турбину или ускорения вращения вала турбины в результате события возникновения переходного процесса в электрической сети энергосистемы, после обнаружения события возникновения переходного процесса в электрической сети энергосистемы в устройство управления газовой турбиной подают команду (56, 74) переключить газовую турбину, по меньшей мере, на одну промежуточную нагрузку, регулируют (86) соотношение компонентов топливной смеси камеры сгорания таким образом, чтобы сохранить устойчивость в камере сгорания во время события возникновения переходного процесса в электрической сети энергосистемы, и используют заранее заданный сигнал (88) о требуемой нагрузке в изолированном режиме работы для соразмерного распределения требуемой нагрузки в изолированном режиме работы между подключенными газотурбинными генераторами.
Дополнительно после обнаружения события возникновения переходного процесса в электрической сети энергосистемы можно уменьшать опорный сигнал подачи топлива (74).
Случай 1А (Фиг.10 - 12)
Условия следующие: переключение с базовой нагрузки на нагрузку в изолированном режиме работы, равную 85 мегаваттам (МВт), при температуре окружающей среды, равной 30°F. Случай 1А начинается с того, что оба энергоблока имеют базовую нагрузку, например базовую нагрузку для электрической сети энергосистемы. При температуре 30°F базовая нагрузка равна приблизительно 185 МВт. Целевое значение нагрузки в изолированном режиме работы является заранее заданным и равно 85 МВт. На Фиг.10 сначала происходит сброс нагрузки до 42,5 МВт в течение приблизительно 0,3 секунды, а затем она скачкообразно повышается до 85 МВт. Поскольку функция распределения нагрузки в изолированном режиме работы (90 на Фиг.6) требует, чтобы нагрузка, равная 85 МВт, приходилась на один энергоблок, то поэтому второй энергоблок переводят в автономный режим. Поскольку существует короткая задержка перед тем, как второй энергоблок будет переведен в автономный режим, то на короткий промежуток времени нагрузку, равную 85 МВт, как и ожидается, распределяют поровну по обоим энергоблокам, по 42,5 МВт на каждый энергоблок.
При сбросе нагрузки скорость (TNH) быстро повышается до максимального значения, равного 103,5%, перед тем, как произойдет ее уменьшение обратно до 100%. Расчетное целевое значение максимальной скорости во время переходных процессов в изолированном режиме работы составляет 108%. Для справки, типичный полный сброс нагрузки приводит к повышенной скорости вращения, равной приблизительно 106%, а уровень срабатывания автомата безопасности при превышении скорости вращения установлен равным 110%. В случае, показанном на Фиг.7, имеет место небольшое понижение скорости. Расчетное целевое значение минимальной скорости во время переходных процессов переключения в изолированный режим работы составляет 98%. Уровень срабатывания автомата безопасности при понижении частоты установлен равным 94%.
В ответ на увеличение скорости и ускорения система управления выдает команду на существенное снижение общего расхода топлива, что показано посредством сигнала FSR на второй диаграмме. Сигнал FSR уменьшается от 80% до минимального предельного значения, равного приблизительно 24%. Второй менее сильный переходный процесс в скорости происходит при увеличении сигнала FSR относительно его минимального уровня приблизительно при 45%.
Функция алгоритма управления подачей топлива во время переходного процесса проиллюстрирована на Фиг.11, на которой показаны значения расхода топлива в четырех контурах подачи газообразного топлива. В то время как расход (W) топлива, подаваемого в топливные форсунки РМ2 и РМ3 и в контуры из четырех трубопроводов резко уменьшается, расход (W) топлива, подаваемого в контур РМ1 увеличивается. Во время переходного процесса расход топлива, подаваемого в контур РМ1, регулируют таким образом, чтобы поддерживать сверхустойчивое пламя в форсунке РМ1. По мере развития переходного процесса отдельные значения расхода топлива постепенно возвращают к их обычным уровням в устойчивом режиме. Для оценки того, является ли устойчивость пламени в камере сгорания достаточной, для каждого случая была вычислена величина запаса по срыву пламени в камере сгорания. Для случая 1А среднее значение запаса по срыву пламени во время переходного процесса составляет 26%, а минимальный запас по срыву пламени составляет 18%. Для справки, запас по срыву пламени для работы в обычном устойчивом режиме в режиме сжигания №6 составляет приблизительно 7%. Во время переходного процесса при переходе в изолированный режим работы было достигнуто существенное увеличение запаса по срыву пламени. Расчетное целевое значение минимального запаса по срыву пламени составляет 20%, и, таким образом, в случае 1А имеется немного меньший запас по срыву пламени, чем желательный. Вполне ожидаемо, что путем дополнительной настройки в алгоритме управления подачей топлива во время переходного процесса минимальный запас по срыву пламени, равный 20%, будет достигнут для всех условий.
Тенденции для массового расхода отработанных газов из газовой турбины и температуры показаны на Фиг.12. Видно, что наибольшие изменения в условиях, в которых работает машина, происходят за первые 10-15 секунд переходного процесса.
Случай 1В (Фиг.13 - 15)
Это моделирование выполнено для переключения с базовой нагрузки на нагрузку в изолированном режиме работы, равную 85 МВт, и при температуре окружающей среды, равной 86°F. В случае 1В целевая нагрузка в изолированном режиме работы равна 85 МВт, а температура окружающей среды равна 86°F. При температуре 86°F базовая нагрузка равна приблизительно 155 МВт, и ступенчатое изменение нагрузки для случая 1В является меньшим, чем для случая 1А. На Фиг.13 имеет место то же самое начальное ступенчатое переключение на нагрузку 42,5 МВт, как и в случае 1А, вследствие задержки при переходе второго энергоблока в автономный режим. Максимальная скорость для случая 1В составляет 102,5%, и состояние с пониженной скоростью почти отсутствует. Тенденции изменения скорости и других параметров турбины (Фиг.15) аналогичны случаю 1А, но меньше по величине. Общим правилом является: чем меньше шаг ступенчатого изменения нагрузки, тем меньше отклонения от номинальных значений для большинства других параметров турбины. Среднее значение и минимальное значение запаса по срыву пламени в камере сгорания равны, соответственно, 29% и 25%, и в достаточной мере превышают расчетное целевое значение, равное 20%.
Случай 1C (Фиг.16 - 18)
При моделировании предполагают переключение с базовой нагрузки на нагрузку в изолированном режиме работы, равную 85 МВт при температуре окружающей среды, равной 120°F. В случае 1C целевое значение нагрузки в изолированном режиме работы равно 85 МВт, а температура окружающей среды равна 120°F. При температуре 120°F, базовая нагрузка равна приблизительно 130 МВт, поэтому ступенчатое изменение нагрузки является меньшим, чем для случаев 1A и 1В. Происходит начальное ступенчатое переключение на нагрузку 42,5 МВт (точно так же, как и в случаях 1А и 1В) вследствие задержки при переходе второго энергоблока в автономный режим. Максимальная скорость для случая 1C составляет 101,6% и состояние с пониженной скоростью почти отсутствует. Тенденции изменения скорости и других параметров турбины являются аналогичными случаям 1А и 1В, но меньшими по величине. Среднее значение и минимальное значение запаса по срыву пламени в камере сгорания равны, соответственно, 29% и 24%.
Случай 2А (Фиг.19 - 21)
Моделирование переключения с базовой нагрузки на нагрузку в изолированном режиме работы, равную 180 МВт, при температуре окружающей среды, равной 30°F. Случай 2А начинается с того, что оба энергоблока имеют базовую нагрузку при температуре окружающей среды, равной 30°F. Целевое значение нагрузки в изолированном режиме работы является заранее заданным и равно 180 МВт. Функция распределения нагрузки в изолированном режиме работы требует, чтобы нагрузка, равная 180 МВт, приходилась на оба энергоблока, каждый из которых должен работать на 90 МВт. Оба энергоблока остаются подключенными к линии и испытывают идентичный переходный процесс при переключении с базовой нагрузки (равной приблизительно 185 МВт) на нагрузку 90 МВт. Максимальная скорость в случае 2А составляет 103,6%, а минимальная скорость составляет 99,7%. Этот случай является близким по тенденции изменения скорости к случаю 1А, в котором ступенчатое переключение нагрузки со 188 МВт на 85 МВт производилось только для одного энергоблока, и подтверждает ожидание того, что два энергоблока будут иметь независимый друг от друга характер поведения в том случае, если они подвергаются одинаковому изменению нагрузки. Тенденции изменения других параметров турбины также являются аналогичными случаю 1А. Среднее значение и минимальное значение запаса по срыву пламени в камере сгорания для случая 2А равны, соответственно, 27% и 21%.
Случай 2В (Фиг.22 - 24)
Моделирование переключения с базовой нагрузки на нагрузку в изолированном режиме работы, равную 180 МВт, при температуре окружающей среды, равной 86°F. Как и для случая 2А, в изолированном режиме работы оба газотурбинных энергоблока остаются подключенными к сети и испытывают идентичный переходный процесс при переключении с базовой нагрузки (равной приблизительно 155 МВт) на нагрузку, равную 90 МВт. Максимальная скорость в случае 2В составляет 102,5%, а минимальная скорость составляет 99,9%. Тенденции изменения других параметров турбины являются аналогичными случаю 2А, но меньшими по величине. Среднее значение и минимальное значение запаса по срыву пламени в камере сгорания для случая 2В равны, соответственно, 30% и 24%.
Случай 2С (Фиг.25 - 27)
Моделирование переключения с базовой нагрузки на нагрузку в изолированном режиме работы, равную 180 МВт, при температуре окружающей среды, равной 120°F. Как и в случаях 2А и 2В, в изолированном режиме работы оба газотурбинных энергоблока остаются подключенными к сети и испытывают идентичный переходный процесс при переключении с базовой нагрузки (равной приблизительно 130 МВт) на нагрузку, равную 90 МВт. Максимальная скорость в случае 2С составляет 101,5%, а минимальная скорость составляет 99,9%. Тенденции изменения других параметров турбины являются аналогичными случаям 1А и 1В, но меньшими по величине. Среднее значение и минимальное значение запаса по срыву пламени в камере сгорания для случая 2С равны, соответственно, 29% и 23%.
Случай 3 (Фиг.28 - 30)
Моделирование переключения с базовой нагрузки на нагрузку в изолированном режиме работы, равную 140 МВт, при температуре окружающей среды, равной 86°F. В случае 3 целевое значение нагрузки в изолированном режиме работы равно 140 МВт, а температура окружающей среды равна 86°F. Нагрузка, равная 140 МВт, является близкой к самой низкой нагрузке, для которой функция распределения нагрузки в изолированном режиме работы использует два энергоблока для обеспечения нагрузки. Оба энергоблока остаются подключенными к сети и испытывают идентичный переходный процесс при переключении с базовой нагрузки (равной 157 МВт) на нагрузку 70 МВт. Максимальная скорость в случае 3 составляет 103,2%, а минимальная скорость составляет 99,9%. Тенденции изменения других параметров турбины являются аналогичными всем предшествующим случаям. Среднее значение и минимальное значение запаса по срыву пламени в камере сгорания для случая 3 равны, соответственно, 27% и 21%.
Случай 4 (Фиг.31 - 33)
Моделирование переключения с базовой нагрузки на нагрузку в изолированном режиме работы, равную 32 МВт, при температуре окружающей среды, равной 86°F. Случай 4 содержит промежуточное ступенчатое переключение на нагрузку в изолированном режиме работы, равную всего лишь 16 МВт, при температуре окружающей среды, равной 86°F. Функция распределения нагрузки обеспечивает эту нагрузку посредством одного энергоблока, при этом второй энергоблок переходит в режим работы на полных оборотах без нагрузки (FSNL). Кроме того, нагрузка является достаточно низкой, вследствие чего используется стандартная функция переключения в изолированный режим работы.
Величина ступенчатого переключения нагрузки в случае 4 (с нагрузки, равной приблизительно 155 МВт на нагрузку 16 МВт) является большей, чем в любом из других случаев, и, как ожидается, отклонение по скорости является более существенным. Максимальная скорость в случае 4 составляет 105,2%, а минимальная скорость составляет 99,2%. Тенденции изменения других параметров турбины являются несколько иными, чем в других случаях. Как и следовало ожидать, реакция системы подачи топлива является иной, поскольку стандартная функция переключения в изолированный режим работы использует уникальный режим и уникальную стратегию подачи топлива. Среднее значение и минимальное значение запаса по срыву пламени в камере сгорания для случая 4 равны, соответственно, 55% и 47%.
Несмотря на то, что изобретение было описано применительно к тому варианту его осуществления, который в настоящее время считают наиболее пригодным для практического применения и предпочтительным, следует понимать, что настоящее изобретение не следует ограничивать раскрытым здесь вариантом его осуществления, а, наоборот, подразумевают, что оно охватывает собой различные модификации и эквивалентные схемы, не выходящие за пределы сущности и объема прилагаемой формулы изобретения.
ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ
Номера позиций
Описание
5
Электроэнергетическая система
10
Газотурбинный генератор
12
Электрическая сеть энергосистемы общего пользования
14
Локальная силовая нагрузка
15
Центр управления газотурбинным двигателем
16
Трансформатор
18
Трансформатор
20, 22, 24
Автоматические выключатели линии связи
26
Стабилизирующий регулятор
28
Команда подачи топлива
30
Ограничитель подачи топлива
32
Функция преобразования
34
Сравнение сигнала подачи топлива с опорным
37
Предельное значение при управлении подачей топлива в случае ускорения
40
Стабилизирующий регулировочный коэффициент
42
Заданное значение параметров регулятора
43
Группа топливных форсунок
44
Контур подачи топлива
45
Камера сгорания типа DNL
46
Топливные форсунки
50
Общая последовательность выполнения операций
52
Нагрузка в электрической сети энергосистемы
54
Устройство управления
56
Выбор изолированного режима работы
58
Сброс нагрузки
60
Работа камер сгорания при сбросе нагрузки
62
Балансировка уровня мощности электростанции
64
Ускорение вследствие изменения частоты или мощности
66
Смещение соотношения компонентов топливной смеси при переходном процессе
68
Должна быть применена линейная защита
70
Управление подачей топлива регулирует ускорение
72
Дистанционное указание факта отключения
74
Смещение соотношения компонентов топливной смеси при переходном процессе
80
Стратегия распределения нагрузки в изолированном режиме работы
82
Связь с оператором
84
Заданное значение скорости при нагрузке
86
Средство управления подачей топлива устанавливает минимальную дозировку топлива
88
Управление в изолированном режиме работы после восстановления скорости
90
Функция разделения в изолированном режиме работы