СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ ПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
POWER CONTROL METHOD OF COMBINED-CYCLE PLANTS AND APPARATUS FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к способам регулирования мощности парогазовых установок (ПГУ), имеющих в своем составе газотурбинную установку и паровую утилизационную часть, и может быть использовано для повышения эффективности парогазовых установок при изменяющихся режимных и внешних климатических факторах, влияющие на процесс сгорания топлива и теплообмен в газотурбинной установке.
В состав основного оборудования ПГУ входят обычно одна или две ГТУ, каждая со своей газовой турбиной (ГТ), которая служит приводом компрессора и электрического генератора (ЭГ), а также паровая утилизационная часть, соответственно, один или два котла-утилизатора (КУ) и одна паротурбинная установка (ПТУ) с паровой турбиной (ПТ), питаемой паром от КУ и служащей приводом еще одного ЭГ ПТ. В состав ГТУ входят осевой компрессор, камера сгорания (КС), газовая турбина и электрический генератор (ЭГ).
Известно, что эффективность использования топлива на блоках ПГУ с ГТУ весьма чувствительна к вариациям параметров наружного воздуха, в частности - температуры наружного воздуха. Естественные отклонения температуры наружного воздуха от расчетной (+15°С) ведут к существенному снижению эффективности использования топлива и к неоправданным потерям до 5-6% коэффициента полезного действия КПД (см. Ольховский Г.Г. «Энергетические газотурбинные установки», М., «Энергоатомиздат», 1985, с. 165-166).
Известен способ управления газотурбинным двигателем (см. Боднер В.А., Рязанов Ю.А., Шаймарданов Ф.А. «Системы автоматического управления двигателями летательных аппаратов», М., «Машиностроение», 1973, с. 181, рис. 4.6) путем измерения частоты вращения ротора двигателя и температуры воздуха на входе в двигатель, по измеренной частоте вращения ротора двигателя и температуре воздуха на входе в двигатель формируют значение приведенной частоты вращения ротора двигателя, по которой формируют новый заданный расход топлива, сравнивают его с измеренным текущим расходом, по величине рассогласования между заданным и измеренным значениями формируют управляющее воздействие на исполнительный механизм управления расходом топлива.
Недостаток известного способа обусловлен тем, что при управлении энергоблоком при изменениях его нагрузки, температуры и давления воздуха на входе в компрессор, в известных решениях, прежде всего, изменяют подачу топлива в камеру сгорания, а это ведет к рассогласованию (дисбалансу) параметров блока, и не обеспечивает эффективность режима ГТУ и парогазового блока в целом.
Исследования показали, что при изменениях температуры и давления воздуха на входе в компрессор блока ПГУ фактическое значение КПД энергоблока имеет «плавающий» характер, и может изменяться в достаточно широком диапазоне.
В качестве прототипа принят способ «Управления положением направляющих аппаратов компрессора газотурбинного двигателя» (см. патент №2432501, МПК F04D 27/00, 2011), согласно которому в процессе работы двигателя измеряют параметры потока воздуха, поступающего в компрессор, а именно температуру и давление воздуха на входе, а также частоту вращения ротора компрессора и отслеживают положение направляющих аппаратов компрессора, сравнивают его с программным значением, по результатам сравнения формируют управляющий сигнал, который подают на исполнительный механизм привода управления направляющими аппаратами компрессора, при этом дополнительно измеряют давление воздуха на выходе из компрессора, по значениям температуры воздуха на входе в двигатель и частоты вращения ротора компрессора формируют управляющий сигнал приведенной частоты вращения ротора компрессора, причем дополнительно формируют заданное значение отношения степени сжатия к приведенному расходу воздуха компрессора и заданное значение отношения степени сжатия к приведенному расходу воздуха компрессора, зависящее от температуры воздуха на входе в двигатель, которые суммируют и подают управляющий сигнал на второй вход элемента сравнения, на первый вход которого подают сигнал текущего значения отношения степени сжатия воздуха в компрессоре к приведенному расходу воздуха, формируют сигнал разности программного и текущего значений отношения степени сжатия воздуха в компрессоре к приведенному расходу воздуха и полученный управляющий сигнал подают на исполнительный механизм привода управления направляющими аппаратами компрессора.
Недостаток прототипа обусловлен невысокой точностью регулирования подачи воздуха, отклонением параметров ГТУ и блока от расчетных и дисбалансом сложной системы, который возникает при изменениях параметров наружного воздуха.
Недостаток прототипа обусловлен также тем, что при изменениях температуры и давления воздуха на входе в компрессор командное управление направлено на восстановление приведенной частоты вращения ротора двигателя, при этом исполнительный механизм привода управления направляющими аппаратами компрессора перемещают по соотношению косвенных показателей.
При заданной мощности энергоблока известный способ не позволяет получить технически безопасные (расчетные) выходные параметры ГТУ, расчетную техническую эффективность ГТУ и парогазового блока в целом, поскольку непосредственная причина возникновения дисбаланса, связанная, как показали исследования авторов, с неконтролируемыми «плавающими» изменениями массового расхода воздуха, не устраняется.
Недостаток прототипа обусловлен также тем, что эффективность работы блока ПГУ зависит не только от эффективной работы ГТУ, но прежде всего от эффективности паровой утилизационной части блока, которая определяется параметрами теплового потока дымовых газов перед котлом утилизатором. Поддержание температуры дымовых газов за ГТ на постоянном (например, 517°С для ПГУ-325) уровне недостаточно корректно, т.к. тепловой поток на выходе ГТУ зависит не только от температуры, но и от изменяющихся при этом расхода и теплоемкости дымовых газов.
Известно устройство регулирования ГТУ содержащее регуляторы мощности газовых турбин и регулирующие органы газотурбинной установки и паровой турбины. Устройство реализовано в системе «Автоматическое регулирование мощности парогазовой установки с воздействием на регулирующие органы газотурбинной установки и паровой турбины» (см. патент РФ №2361092, МПК F01K 13/02, 2009). При этом мощность ГТУ изменяется путем формирования задания по мощности ГТ, измерения текущих мощностей ГТ и ПТ и воздействия на клапан расхода топлива.
Недостаток устройства регулирования ГТУ, примененный в упомянутой выше системе автоматического регулирования, заключается в том, что при управляющих воздействиях на регулирующие органы ГТУ и ПТУ не учитываются изменяющиеся факторы внешней среды, которые приводят к неконтролируемым вариациям режимных параметров энергоблока (температуры уходящих газов за КС и ГТУ, активной мощности ГТ и др.), неэффективной работе ГТУ, утилизационной части ПГУ и энергоблока в целом.
Технический результат изобретения - повышение эффективности парогазовых установок при изменяющихся режимных и внешних климатических факторах путем повышения точности регулирования подачи воздуха и топлива в камеру сгорания ГТУ.
Технический результат достигается тем, что, во-первых, непрерывно устраняется дисбаланс между расходом топлива и «плавающим» массовым расходом воздуха при изменении режимных и внешних климатических факторов, а во-вторых, поддержание максимально возможного значения уровня теплового потока дымовых газов перед КУ обеспечивает расчетную работу паровой утилизационной части блока ПГУ и, соответственно, эффективную работу парогазовой установки в целом.
Так в способе регулирования мощности парогазовых установок повышается точность изменения расхода топлива, подаваемого в камеру сгорания газотурбинной установки, и расхода воздуха, подаваемого в камеру сгорания газотурбинной установки посредством компрессора, при этом расход воздуха устанавливают пропорционально заданной мощности, а теплоту потока выхлопных газов газотурбинной установки на входе в котел-утилизатор поддерживают изменением расхода топлива, подаваемого в камеру сгорания газотурбинной установки, постоянной, предпочтительно на максимальном уровне. При изменении режимных и климатических факторов значение максимального уровня теплоты корректируют пропорционально изменениям массового расхода воздуха.
Устройство регулирования мощности парогазовых установок обеспечивает достижение технического результата тем, что содержит регулятор положения входного направляющего аппарата компрессора, выходом подключенный к исполнительному механизму управления углом открытия входного направляющего аппарата компрессора, датчик положения исполнительного механизма входного направляющего аппарата компрессора, выходом подключенный к 1-ому входу регулятора положения входного направляющего аппарата компрессора, блок задания угла открытия входного направляющего аппарата компрессора, выходом подключенный ко 2-му входу регулятора положения входного направляющего аппарата компрессора, датчик массового расхода воздуха, блок фильтрации сигнала по массовому расходу воздуха, корректирующий регулятор массового расхода воздуха с задатчиком, при этом датчик массового расхода воздуха подключен посредством блока фильтрации сигнала по массовому расходу воздуха к 1-му входу корректирующего регулятора массового расхода воздуха, ко 2-му входу корректирующего регулятора массового расхода воздуха соответственно подключен задатчик корректирующего регулятора массового расхода воздуха, при этом выход корректирующего регулятора массового расхода воздуха подключен к 3-му входу регулятора положения входного направляющего аппарата компрессора, регулятор степени открытия клапана расхода топлива в камеру сгорания, выходом подключенный к исполнительному механизму управления клапаном расхода топлива, датчик расхода топлива, выходом подключенный к 1-ому входу регулятора степени открытия клапана расхода топлива в камеру сгорания, датчик электрической мощности газовой турбины, датчик электрической мощности паровой турбины, регулятор мощности блока, задатчик мощности блока, формирователь задания по мощности газовой турбины, блок суммирования сигналов к 1-му входу которого подключен датчик электрической мощности газовой турбины, ко 2-му входу подключен датчик электрической мощности паровой турбины, выходом блок суммирования сигналов подключен к 1-му входу регулятора мощности блока, ко 2-му входу которого подключен задатчик мощности блока, при этом выход регулятора мощности блока соединен с формирователем задания по мощности газовой турбины, регулятор мощности газовой турбины, при этом к 1-му и 2-му входам регулятора мощности газовой турбины подключены соответственно датчик электрической мощности газовой турбины и формирователь задания по мощности газовой турбине, отличающееся тем, что регулятор мощности газовой турбины выходом подключен к 3-му входу корректирующего регулятора массового расхода воздуха, устройство дополнительно снабжено датчиком теплового потока выхлопных газов на выходе газовой турбины, блоком фильтрации сигнала по тепловому потоку выхлопных газов, корректирующим регулятором теплового потока выхлопных газов, блоком компенсации внешних, приведенных к массовому расходу воздуха, возмущений на регулятор степени открытия клапана расхода топлива в камеру сгорания, блоком компенсации внешних, приведенных к массовому расходу воздуха, возмущений на корректирующий регулятор теплового потока выхлопных газов, при этом датчик теплового потока выхлопных газов на выходе газовой турбины подключен посредством блока фильтрации сигнала по тепловому потока выхлопных газов к 1-му входу корректирующего регулятора теплового потока выхлопных газов, ко 2-му входу корректирующего регулятора теплового потока выхлопных газов подключен блок компенсации внешних, приведенных к массовому расходу воздуха, возмущений на корректирующий регулятор теплового потока выхлопных газов, при этом выход корректирующего регулятора теплового потока выхлопных газов подключен к 3-му входу регулятора степени открытия клапана расхода топлива в камеру сгорания, ко 2-му входу регулятора степени открытия клапана расхода топлива в камеру сгорания подключен блок компенсации внешних, приведенных к массовому расходу воздуха, возмущений на регулятор степени открытия клапана расхода топлива в камеру сгорания, а выход с блока фильтрации сигнала по массовому расходу воздуха подключен к входу блока компенсации внешних, приведенных к массовому расходу воздуха, возмущений на регулятор степени открытия клапана расхода топлива в камеру сгорания и к входу блока компенсации внешних, приведенных к массовому расходу воздуха, возмущений на корректирующий регулятор теплового потока выхлопных газов.
Способ регулирования мощности парогазовых установок согласно изобретению показан на фиг. 1; схема устройства регулирования мощности парогазовых установок согласно изобретению приведена на фиг. 2; иерархическая структура системы автоматического управления (САУ) подачей воздуха и топлива при регулировании мощности энергоблока ПГУ согласно заявляемого устройства приведена на фиг. 3.
вна
г
m
гт
пт
гт
На фиг. 1-3 обозначено: 1 - компрессор; 2 - камера сгорания; 3 - газовая турбина; 4 - электрический генератор газовой турбины; 5 - регулирующий клапан расхода топлива; 6 - регулирующий клапан угла открытия входного направляющего аппарата компрессора; 7 - котел-утилизатор; 8 - паровая турбина; 9 - электрический генератор паровой турбины; 10 - вспомогательное оборудование паровой турбины; 11 - датчик электрической мощности газовой турбины; 12 - датчик электрической мощности паровой турбины; 13 - суммарный сигнал электрической мощности парогазового блока; 14 - датчик массового расхода воздуха; 15 - датчик расхода топлива; 16 - датчик теплового потока выхлопных газов на выходе газовой турбины; 17 - датчик теплового потока выхлопных газов на выходе котла утилизатора; 18 - регулятор положения входного направляющего аппарата компрессора; 19 - исполнительный механизм управления углом открытия входного направляющего аппарата компрессора; 20 - датчик положения исполнительного механизма входного направляющего аппарата компрессора; 21 - блок задания угла открытия входного направляющего аппарата компрессора; 22 - блок фильтрации сигнала по массовому расходу воздуха; 23 - корректирующий регулятор массового расхода воздуха; 24 - задатчик корректирующего регулятора массового расхода воздуха; 25 - регулятор степени открытия клапана расхода топлива в камеру сгорания; 26 - исполнительный механизм управления клапаном расхода топлива; 27 - регулятор мощности блока; 28 - задатчик мощности блока; 29 - формирователь задания по мощности газовой турбины; 30 - регулятор мощности газовой турбины; 31 - блок фильтрации сигнала по тепловому потоку выхлопных газов; 32 - корректирующий регулятор теплового потока выхлопных газов; 33 - блок компенсации внешних, приведенных к массовому расходу воздуха, возмущений на регулятор степени открытия клапана расхода топлива в камеру сгорания; 34 - блок компенсации внешних, приведенных к массовому расходу воздуха, возмущений на корректирующий регулятор теплового потока выхлопных газов; 35 - газотурбинная установка; λ(t) - внешнее возмущение; α - степень угла открытия входного направляющего аппарата компрессора, град.; В - расход топлива, кг/с; G - массовый расход воздуха, кг/с; N - электрическая мощность газовой турбины, МВт; N - электрическая мощность паровой турбины, МВт; Q″ - тепловой поток выхлопных газов на выходе газовой турбины, Дж/с.
Способ регулирования мощности парогазовых установок осуществляется следующим образом (фиг. 1).
Для обеспечения эффективности работы блока 13 в широком диапазоне режимных и внешних факторов, например, при переходе с одной нагрузки на другую, расход воздуха 6, подаваемый посредством компрессора 1 в камеру сгорания 2 газотурбинной установки, устанавливаем в соответствие с заданной мощностью ГТУ, а расход топлива 5, подаваемый в камеру сгорания 2 газотурбинной установки, -таким, чтобы тепловой поток 16 дымовых газов газотурбинной установки 35 на входе в котел-утилизатор 7 поддерживать на постоянном, предпочтительно на максимальном, уровне, который при изменении режимных и климатических факторов (значение максимального уровня теплоты) дополнительно корректируют пропорционально изменениям массового расхода воздуха.
При предложенном способе управления в условиях изменяющихся режимных и внешних климатических факторах эффективность парогазовых установок обеспечивается как в результате повышения КПД ГТУ, так и в результате поддержания расчетного (проектного) режима работы утилизационной части блока, имеющей определяющий вес в общей структуре достигаемой (реально возможной) эффективности, являющейся сложной функцией режимных и внешних факторов. А также при технологических ограничениях компрессора.
Устройство регулирования мощности парогазовых установок (фиг. 2, фиг. 3), содержит регулятор 18 положения входного направляющего аппарата компрессора 1, выходом подключенный к исполнительному механизму 19 управления углом открытия входного направляющего аппарата компрессора, датчик 20 положения исполнительного механизма входного направляющего аппарата компрессора 1, выходом подключенный к 1-ому входу регулятора 18 положения входного направляющего аппарата компрессора, блок 21 задания угла открытия входного направляющего аппарата компрессора, выходом подключенный ко 2-му входу регулятора 18 положения входного направляющего аппарата компрессора, датчик 14 массового расхода воздуха, блок 22 фильтрации сигнала по массовому расходу воздуха, корректирующий регулятор 23 массового расхода воздуха с задатчиком 24, при этом датчик 14 массового расхода воздуха подключен посредством блока 22 фильтрации сигнала по массовому расходу воздуха к 1-му входу корректирующего регулятора 23 массового расхода воздуха, ко 2-му входу корректирующего регулятора 23 массового расхода воздуха соответственно подключен задатчик 24 корректирующего регулятора массового расхода воздуха, при этом выход корректирующего регулятора 23 массового расхода воздуха подключен к 3-му входу регулятора 18 положения входного направляющего аппарата компрессора 1, регулятор 32 степени открытия клапана расхода топлива в камеру сгорания 2, выходом подключенный к исполнительному механизму 26 управления клапаном расхода топлива, датчик 15 расхода топлива, выходом подключенный к 1-ому входу регулятора 32 степени открытия клапана расхода топлива в камеру сгорания 2, датчик 11 электрической мощности газовой турбины 3, датчик 12 электрической мощности паровой турбины 8, регулятор 27 мощности блока, задатчик 28 мощности блока, формирователь задания 29 по мощности газовой турбины, блок 13 суммирования сигналов к 1-му входу которого подключен датчик 11 электрической мощности газовой турбины, ко 2-му входу подключен датчик 12 электрической мощности паровой турбины, выходом блок 13 суммирования сигналов подключен к 1-му входу регулятора 27 мощности блока, ко 2-му входу которого подключен задатчик 28 мощности блока, при этом выход регулятора 27 мощности блока соединен с формирователем задания 29 по мощности газовой турбины, регулятор 30 мощности газовой турбины, при этом к 1-му и 2-му входам регулятора 30 мощности газовой турбины подключены соответственно датчик 11 электрической мощности газовой турбины и формирователь задания 29 по мощности газовой турбине, отличающееся тем, что регулятор 30 мощности газовой турбины выходом подключен к 3-му входу корректирующего регулятора 23 массового расхода воздуха, устройство дополнительно снабжено датчиком 16 теплового потока выхлопных газов на выходе газовой турбины, блоком 31 фильтрации сигнала по тепловому потоку выхлопных газов, корректирующим регулятором 32 теплового потока выхлопных газов, блоком 33 компенсации внешних, приведенных к массовому расходу воздуха, возмущений на регулятор степени открытия клапана расхода топлива в камеру сгорания, блоком 34 компенсации внешних, приведенных к массовому расходу воздуха, возмущений на корректирующий регулятор теплового потока выхлопных газов, при этом датчик 16 теплового потока выхлопных газов на выходе газовой турбины подключен посредством блока 31 фильтрации сигнала по тепловому потока выхлопных газов к 1-му входу корректирующего регулятора 32 теплового потока выхлопных газов, ко 2-му входу корректирующего регулятора 32 теплового потока выхлопных газов подключен блок 34 компенсации внешних, приведенных к массовому расходу воздуха, возмущений на корректирующий регулятор теплового потока выхлопных газов, при этом выход корректирующего регулятора 32 теплового потока выхлопных газов подключен к 3-му входу регулятора 25 степени открытия клапана расхода топлива в камеру сгорания, ко 2-му входу регулятора 25 степени открытия клапана расхода топлива в камеру сгорания подключен блок 33 компенсации внешних, приведенных к массовому расходу воздуха, возмущений на регулятор степени открытия клапана расхода топлива в камеру сгорания, а выход с блока 22 фильтрации сигнала по массовому расходу воздуха подключен к входу блока 33 компенсации внешних, приведенных к массовому расходу воздуха, возмущений на регулятор степени открытия клапана расхода топлива в камеру сгорания и к входу блока 34 компенсации внешних, приведенных к массовому расходу воздуха, возмущений на корректирующий регулятор теплового потока выхлопных газов.
Устройство регулирования мощности парогазовых установок работает следующим образом (фиг. 2, фиг. 3).
Регулятор 18 угла открытия входного направляющего аппарата компрессора по сигналу от датчика 20 положения исполнительного механизма 19 стабилизирует заданное положение входного направляющего аппарата компрессора 1 в соответствие с сигналом от задатчика 21 (контур стабилизации положения ВНА).
Регулятор 25 подачи топлива поддерживает расход топлива в соответствие с заданным блоком 33 соотношением «воздух-топливо», получая сигнал обратной связи от датчика 15 расхода топлива и воздействуя на исполнительный механизм 26 управления клапаном расхода топлива в камеру сгорания 2.
Корректирующий регулятор 23 с задатчиком 24 и сигналом по массовому расходу воздуха от соответствующего датчика 14 с фильтром 22 оптимизирует заданное положение ВНА при изменениях внешних факторов (контур беспоисковой оптимизации открытия ВНА путем стабилизации массового расхода воздуха).
Заданное значение массового расхода воздуха изменяется при этом по командному сигналу от регулятора 30 мощности ГТУ 35 с сигналом обратной связи от датчика 11 электрической мощности газовой турбины (контур стабилизации мощности ГТУ, заданной регулятором мощности блока как системой более высокого уровня).
При этом корректирующий регулятор 32 с сигналом по тепловому потоку за газовой турбиной от соответствующего датчика 16 с фильтром 31 формирует командный сигнал на регулятор топлива 25, поддерживая расход топлива в камеру сгорания по фактическому тепловому потоку за ГТ на заданном предпочтительно максимальном значении (контур стабилизации теплового потока за ГТ).
Значение заданного уровня теплового потока при изменениях нагрузки ГТ и внешних факторов формируется блоком 34 по фактическому значению массового расхода воздуха.
Таким образом, для изменения режима работы блока (например, переход с одной мощности на другую нагрузку) с помощью задатчика 28 оператором блока вручную или системой более высокого уровня автоматически формируется новое задание блочному регулятору мощности 27. Далее в соответствии с заданной блоком 29 скоростью нагружения ГТ командный сигнал от блочного регулятора мощности 27 поступает на регулятор 30 мощности ГТУ 35, а командный сигнал регулятора 30 задает новое значение массового расхода воздуха, поступающего в компрессор 1 ГТУ 35, на корректоре 23. При этом корректор 23 формирует командный сигнал регулятору 18 угла открытия входного направляющего аппарата компрессора, и регулятор 18 посредством исполнительного механизма 19 изменяется угол открытия ВНА компрессора, что приводит к изменению необходимого расхода воздуха в камеру сгорания. Вслед за изменяющимся массовым расходом воздуха изменяется расход топлива. Для этого сигнал с датчика 14 массового расхода воздуха посредством блока 22 поступает на регулятор 25 расхода топлива посредством блока 33, обеспечивая компенсацию внешних возмущений и формирующего заданное соотношение «воздух-топливо». По сигналу с блока 34 формируется сигнал коррекции оптимального для заданной мощности значения теплоты дымовых газов на выходе ГТ 32, который, в свою очередь, воздействует на регулятор расхода топлива 25 и исполнительный механизм 26, изменяя положение клапана 15 расхода топлива, поступающего в камеру сгорания 2 ГТУ 35.
Блоки 22 и 31 необходимы для фильтрации приведенных случайных помех технологического процесса, связанных как с режимными, так и внешними климатическими факторами.
В результате имеет место повышение эффективности парогазовых установок при изменяющихся режимных и внешних климатических факторах путем повышения точности регулирования подачи воздуха и топлива в камеру сгорания ГТУ.