Способ диагностики погасания малоэмиссионной камеры сгорания газотурбинного двигателя на запуске
METHOD FOR DIAGNOSING THE EXTINCTION OF A LOW-EMISSION COMBUSTION CHAMBER OF A GAS TURBINE ENGINE AT STARTUP

Изобретение относится к области автоматического (САУ) управления газотурбинными двигателями, используемыми в качестве силовых агрегатов в газовой и энергетических отраслях.
Газотурбинные двигатели с низкоэмиссионными (малоэмиссионными) камерами сгорания (МЭКС), характеризующиеся низким содержанием вредных выбросов и высокой степенью сгорания топлива, работают с так называемой «бедной смесью», то есть соотношение подаваемого в камеру сгорания (КС) топлива и воздуха существенно меньше идеального стехиометрического соотношения топливо-окислитель. Это приводит к тому, что в процессе запуска и при работе двигателя вблизи «малого газа» КС работает неустойчиво. Погасание камеры сгорания происходит при прекращении увеличения расхода топлива в процессе разгона или при длительной работе на «малом газу», вызванной технологической необходимостью, пропуск момента погасания камеры сгорания может привести к выдаче от системы управления управляющего воздействия на увеличение расхода топлива по обратной связи по параметрам двигателя (например, по частоте вращения ротора), что может повлечь за собой повторное воспламенение топлива в КС и физическое ее повреждение, а также повреждение выхлопной шахты двигателя.
Для своевременного определения момента погасания камеры сгорания известен способ (Патент RU № 2430252, МПК F02C 9/46, публ. 27.09.2011), в котором измеряются основные параметры, характеризующие работу двигателя, такие как частота вращения ротора высокого давления и температура за турбиной высокого давления, полученные величины сравниваются с установленными условиями работы для конкретного двигателя (уставками) и при значениях, когда не выполняются установленные условия, формируют признак погасания камеры сгорания.
Недостатком известного способа является низкая надежность функционирования алгоритма контроля погасания камеры сгорания только по производным параметров частоты вращения ротора, давления за компрессором и температуры за турбиной.
Наиболее близким аналогом по технической сущности и принятым за прототип, является способ диагностики погасания камеры сгорания газотурбинного двигателя (Патент RU № 2693338, МПК F02C 9/46, опубл. 02.07.2019), заключающийся в том, что измеряют основные параметры, характеризующие работу двигателя - частоту вращения ротора высокого давления Nвд, и температуру за турбиной высокого давления Тт, сравнивают с уставками и формируют признак погасания.
Недостатком известного способа является низкая надежность функционирования алгоритма контроля погасания камеры сгорания только по производным параметров частоты вращения ротора, и температуры за турбиной.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения, и не может быть реализовано при использовании прототипа, является низкая надежность функционирования газотурбинного двигателя за счет низкой надежности работы алгоритма определения погасания камеры сгорания, например, в случае погасания КС при работающем стартере, когда алгоритм определения погасания по контролю производных не работает.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности функционирования алгоритма контроля погасания малоэмиссионной камеры сгорания по параметрам частоты вращения ротора и температуры за турбиной и в целом повышение надежности газотурбинного двигателя.
Техническая проблема решается тем, что в способе диагностики погасания малоэмиссионной камеры сгорания газотурбинного двигателя на запуске, содержащем измерение температуры газа за турбиной высокого давления Тт термопарами, измерения частоты вращения ротора высокого давления Nвд, согласно изобретению, дополнительно измеряют температуру воздуха за компрессором Тк, которую сравнивают с температурой Тт каждой термопары за турбиной высокого давления и при отклонении на заранее заданную величину предельного отклонения температуры Тпред по любой из термопар, в течении 0,4- 0,7 секунды формируют логический сигнал о погасании малоэмиссионной камеры сгорания, при условии , что Nвд < 9000 об/мин.
,
Кроме того, согласно изобретению отклонение температуры Тт каждой термопары за турбиной высокого давления измеряют в течении 0,4- 0,7 секунды.
Кроме того, согласно изобретению, в качестве заранее заданной величины предельного отклонения температуры Тпред применяют 75-85 °С.
В отличии от прототипа, дополнительно измеряют температуру воздуха за компрессором Тк, которую сравнивают с температурой Тт каждой термопары за турбиной высокого давления и при отклонении на заранее заданную величину предельного отклонения температуры Тпред по любой из термопар, в течении 0,4- 0,7 секунды формируют логический сигнал о погасании малоэмиссионной камеры сгорания при условии , что Nвд < 9000 об/мин,что позволяет повысить надежность функционирования алгоритма контроля погасания камеры сгорания по параметрам частоты вращения ротора и температуры за турбиной.
Если частота вращения ротора высокого давления Nвд <9000 об/мин, то в этом диапазоне алгоритм сохраняет свою надежность.
Если частота вращения ротора высокого давления Nвд> 9000 об/мин, то способ может привести к ложному формированию сигнала «Погасание МЭКС».
Если формируют логический сигнал о погасании МЭКС течении менее 0,4 секунды, то возможно возникновение ложного формирования сигнала «Погасание МЭКС» из-за помех в каналах измерения.
Если формируют логический сигнал о погасании МЭКС более 0,7 секунды, то будет необоснованно большая задержка срабатывания сигнала о погасании.
Кроме того, отклонение температуры Тт каждой термопары за турбиной высокого давления измеряют в течении 0,4- 0,7 секунды, что позволяет исключить ложное срабатывание алгоритма.
Если отклонение температуры Тт каждой термопары за турбиной высокого давления измеряют в течении менее 0,4 секунды, то возможно возникновение ложного формирования сигнала «Погасание МЭКС» из-за помех в каналах измерения.
Если отклонение температуры Тт каждой термопары за турбиной высокого давления измеряют в течении более 0,7 секунды, то будет необоснованно большая задержка срабатывания сигнала о погасании. Кроме того, в качестве заранее заданной величины предельного отклонения температуры Тпред применяют 75-85°С.
Если заранее заданная величина предельного отклонения температуры Тпред меньше 75 °С, то порог диагностики погасания будет очень низким. Если заранее заданная величина предельного отклонения температуры Тпред больше 85°С, то время диагностики сигнала будет значительным.
Приведены примеры осуществления способа диагностики погасания МЭКС ГТД на запуске.
Пример 1.
Способ содержит измерение температуры газа за турбиной высокого давления (ТВД) Тт термопарами, измерения частоты вращения ротора высокого давления (РВД) Nвд. Дополнительно измеряют температуру воздуха за компрессором Тк, которую сравнивают с температурой Тт каждой термопары за ТВД и при отклонении на заранее заданную величину предельного отклонения температуры Тпред 77°С по любой из термопар, в течение 0,45 секунды формируют логический сигнал о погасании МЭКС, при условии, что Nвд <9000 об/мин. При этом отклонение температуры Тт каждой термопары за ТВД измеряют в течение 0,5 секунды.
Пример 2.
Способ содержит измерение температуры газа за ТВД Тт термопарами, измерения частоты вращения РВД Nвд. Дополнительно измеряют температуру воздуха за компрессором Тк, которую сравнивают с температурой Тт каждой термопары за ТВД и при отклонении на заранее заданную величину Тпред 81°С по любой из термопар, в течение 0,58 секунды формируют логический сигнал о погасании МЭКС, при условии, что Nвд <9000 об/мин. При этом отклонение температуры Тт каждой термопары за ТВД измеряют в течение 0,55 секунды.
Пример 3.
Способ содержит измерение температуры газа за ТВД Тт термопарами, измерения частоты вращения РВД Nвд. Дополнительно измеряют температуру воздуха за компрессором Тк, которую сравнивают с температурой Тт каждой термопары за ТВД и при отклонении на заранее заданную величину Тпред 83°С по любой из термопар, в течение 0,61 секунды формируют логический сигнал о погасании МЭКС, при условии, что Nвд <9000 об/мин. При этом отклонение температуры Тт каждой термопары за ТВД измеряют в течение 0,60 секунды.
Положительный технический результат получен во всех представленных примерах осуществления.
На фиг. 1 представлена структурная блок-схема для реализации предлагаемого способа.
Блок Nвд представляет собой датчик измерения частоты вращения ротора высокого давления. Выход данного блока соединен с входом блока 1. Датчик измерения частоты вращения может быть выполнен в виде индукционного датчика частоты вращения ДЧВ.
Блок Тк представляет собой датчик измерения температуры газов за компрессором высокого давления, выход блока Тк соединен с входами блоков 2 – 13 (блоки 3-12 не показаны). Датчик измерения температуры газов может быть выполнен в виде малоинерционной хромель-алюмелевой термопары с закрытым горячим спаем, например, марки ТК-162М.
Блок Тт1, Тт12 представляют собой датчики измерения температуры газов за турбиной высокого давления и каналы измерения (без позиции). Содержатся также идентичные блоки Тт2 – Тт11, которые на фиг.1 условно не показаны. Выходы блоков Тт1– Тт12 соединены с входами блоков 2 - 13. Датчики измерения температуры газов за турбиной высокого давления могут быть выполнены в виде малоинерционной хромель-алюмелевой термопары с закрытым горячим спаем, например, марки ТК-162М.
Блок 1 представляет из себя логический блок сравнения и формирует логическую единицу при выполнении условия Nвд <9000 об/мин. Выход блока 1 соединен со входом блока 15.
Идентичные блоки 2 - 13 (блоки 3-12 на фиг. 1 условно не показаны) представляют собой арифметические логические блоки, которые формируют логическую единицу при уменьшении разницы входных сигналов меньше, чем 80 °С, например, если Тт1 – Тк <80°С, то блок 2 на выходе сформирует логическую единицу «1». Выходы блоков 2 – 13 поступают на вход блока 14.
Блок 14 представляет собой логический блок «ИЛИ». Выход блока 14 поступает на вход блока 15.
Блок 15 представляет собой логический блок «И». На выходе блок при выполнении условий погасания камеры сгорания формирует логическую единицу, что соответствует сигналу «Погасание камеры сгорания».
Способ диагностики погасания малоэмиссионной камеры сгорания газотурбинного двигателя на запуске успешно прошел экспериментальные испытания на компрессорных станциях «Пермская» и «Чайковская», в результате чего расчетным способом были определены существенные значения представленных параметров технического решения. В настоящее время способ управления малоэмиссионным режимом газотурбинного двигателя внедрен в САУ ГТУ мощностью 16 МВт и 25 МВт с МЭКС.
Предлагаемый способ определения погасания камеры сгорания газотурбинного двигателя реализован в системах автоматического управления газотурбинных установок (ГТУ) из состава газоперекачивающих агрегатов и газотурбинных электростанций различных мощностей.
Таким образом, выполнение предлагаемого изобретения с вышеуказанными существенными признаками в совокупности с известными признаками, позволяет обеспечить повышение надежности функционирования алгоритма контроля погасания малоэмиссионной камеры сгорания по параметрам частоты вращения ротора и температуры за турбиной и, в целом, повышение надежности газотурбинного двигателя.