СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ
POWER PLANT AUTOMATIC CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к системам автоматического управления газотурбинными энергетическими установками, оборудованными свободной силовой турбиной и электрическим генератором, при изменениях потребляемой мощности.
ВД
ВД
ВД
ВД
ВД
ВД
СТ
СТ
СТ
СТ
СТ
ЗАД
ЗАД
ЗАД
ЗАД
ЗАД
Известна система автоматического управления газотурбинной установкой, включающей последовательно расположенные газотурбинный двигатель (газогенератор), переходный канал с поворотными лопатками, свободную силовую турбину и электрический генератор, размещенные на одном механическом валу, а также собственно устройство управления [Патент Японии №7003190, кл. F02C 9/46, 1995]. С целью управления газотурбинной установкой измеряют фактическую величину электрической нагрузки (N) на валу свободной турбины (СТ) и по результатам измерения нагрузки N в устройстве управления формируют заданное значение частоты вращения ротора двигателя (n ), обеспечивающее соответствующую мощность (нагрузку N), измеряют n, сравнивают n с n  и изменяют расход топлива в камеру сгорания двигателя пропорционально величине отклонения n от n . Также измеряют частоту вращения ротора свободной турбины n, сравнивают измеренную величину n с заданной n  и дополнительно осуществляют поворот лопаток в переходном канале перед силовой турбиной, изменяя расход газа через свободную турбину, в зависимости от величины отклонения n от заданной величины n  [Патент Японии №7003190, кл. F02C 9/46, 1995].
СТ
СТ
К недостаткам известного устройства относятся наличие в переходном канале специального лопаточного аппарата, имеющего конструктивную сложность механизма его поворота, что приводит к снижению надежности и удорожанию установки, а также пониженная точность поддержания n из-за косвенного характера управляющего воздействия в камеру сгорания двигателя. Кроме того, при одновременном воздействии двух независимых контуров (органов) управления возможна неустойчивая работа системы из-за наличия длительных незатухающих автоколебаний по параметру n.
Известна также система автоматического управления газотурбинной энергетической установкой, включающая последовательно расположенные газотурбинный двигатель (газогенератор), свободную силовую турбину и электрический генератор, размещенные на одном механическом валу. При этом в устройстве управления газотурбинной установкой при изменении величины потребляемой нагрузки предусмотрено регулирование расхода топлива в камеру сгорания двигателя в зависимости от величины рассогласования текущей мощности (измеренной электрической нагрузки N) свободной силовой турбины и временного установочного значения мощности силовой турбины с учетом сигнала от ограничителя сброса нагрузки. [Патент США №5761895, кл. F01C 9/28, 1995].
Основным недостатком данного аналога и других подобных устройств, предусматривающих управление на основе информации о величине электрической нагрузки N, является необходимость введения дополнительного точного и быстродействующего измерительного канала N, что на практике не всегда удается реализовать из-за его конструктивной сложности и существенного уровня методической погрешности измерения N в трехфазных сетях при несимметричной (неравномерной) нагрузке. Погрешность измерения N становится особенно значимой в динамике при глубоких мгновенных переключениях реактивной нагрузки в промышленных энергосистемах.
ст
Негативным последствием повышенной погрешности измерения N в динамике и в неблагоприятном сочетании с конструктивными особенностями газотурбинной установки (например, n≥5000…6000 об/мин и более, вместо типовых 3000 об/мин), эксплуатационными факторами, например внезапный полный сброс максимальной нагрузки, может стать повышенная раскрутка силовой турбины и ее механическое разрушение.
ВД
СТ
ВД
СТ
ВД
ВД
ЗАД
Наиболее близкой по конструкции и достигаемому результату к заявляемой является система автоматического управления энергетической установкой, содержащая газотурбинный двигатель, выполненный в виде одновального газогенератора, силовую турбину и электрический генератор, размещенные на одном механическом валу, датчик измерения частоты вращения ротора газотурбинного двигателя (газогенератора) n, датчик измерения частоты вращения силовой турбины n, собственно устройство управления с тремя последовательно соединенными функциональными блоками в виде нелинейных регуляторов, два из которых имеют обратную связь по параметрам n и n и исполнительным механизмом, обеспечивающим подачу топлива в камеру сгорания двигателя в зависимости от величины рассогласования текущего n и заданного значения частоты n  [Патент РФ №2204044, F02C 9/28, 2003 г.].
СТ
СТ
ВД
ВД
ВД
ВД
ВХ
ЗАД
ЗАД
Однако известная система автоматического управления энергетической установкой, выбранная за прототип, не обеспечивает необходимую точность поддержания частоты вращения n при изменениях нагрузки, так как регулирование n осуществляется косвенно, т.е по рассогласованию текущего и заданного значения частоты ротора газогенератора n и n  соответственно. Кроме того, при определении n  возникает дополнительная погрешность управления из-за использования зависимости N=f(n), которая существенно «расслаивается» по температуре воздуха на входе в газотурбинный двигатель Т.
СТ
Техническая задача заключается в повышении точности поддержания необходимой генерируемой мощности (величины n) за счет формирования управляющего сигнала на подачу топлива в зависимости от величины частоты вращения силовой турбины и условий окружающей среды, а также обеспечении требуемого качества вырабатываемой электрическим генератором электроэнергии за счет идентификации режима работы электрического генератора (автономная работа или параллельная с промышленной энергосистемой).
ВД
СТ
ВХ
ВХ
вд пр
вд пр
ВХ
ВД
вд пр
вд пр
ст
ст
ст
зад
зад
зад
Сущность изобретения заключается в том, что система автоматического управления энергетической установкой, содержащая газотурбинный двигатель, силовую турбину, электрический генератор, датчики измерения частоты вращения ротора газотурбинного двигателя n и силовой турбины n, исполнительный механизм регулирования подачи топлива, первый, второй и третий электронные регуляторы, согласно изобретению дополнительно включает датчик температуры воздуха на входе в двигатель Т, блок вычисления величины приведенной по Т частоты вращения ротора n, множитель-усилитель, блок формирования сигнала о режиме работы электрического генератора и ключ-коммутатор, при этом второй электронный регулятор через блок вычисления величины n связан с датчиком температуры воздуха Т на входе в двигатель и с датчиком измерения частоты вращения n ротора газотурбинного двигателя и выполнен с возможностью подачи выходного сигнала на множитель-усилитель о величине рассогласования между величинами n и n , на выходе второй электронный регулятор через множитель-усилитель соединен с первым входом ключа-коммутатора, второй вход которого соединен с выходом блока формирования сигнала о режиме работы электрического генератора, причем выход ключа-коммутатора связан с первым входом первого электронного регулятора, выход которого соединен с первым входом третьего электронного регулятора, второй вход которого соединен с выходом силовой турбины, при этом второй вход третьего электронного регулятора соединен с выходом силовой турбины, а первый электронный регулятор выполнен с возможностью подачи выходного сигнала о величине заданного значения частоты вращения ротора силовой турбины n  при работе электрического генератора под нагрузкой и без нее, причем третий электронный регулятор выполнен с возможностью формирования управляющего сигнала на исполнительный механизм подачи топлива в зависимости от величины рассогласования величин n  и n.
Заявляемая система позволяет формировать управляющие сигналы на подачу топлива в зависимости от величины частоты вращения ротора силовой турбины и условий окружающей среды. Обеспечение требуемого качества вырабатываемой электрическим генератором электроэнергии осуществляется за счет идентификации режима работы электрического генератора - автономная работа или параллельная с промышленной энергосистемой.
На чертеже представлена структурная схема заявляемой системы автоматического управления энергетической установкой.
ВД
Блок 1 - датчик измерения частоты вращения n ротора высокого давления газотурбинного двигателя 2. Газотурбинный двигатель 2 включает компрессор, камеру сгорания и турбину высокого давления (не показаны)
ВХ
Блок 3 - датчик температуры воздуха Т на входе в двигатель 2.
ВДПР
ВД
ВХ
1
Блок 4 - блок вычисления приведенной по температуре воздуха на входе в двигатель 2 частоты вращения ротора высокого давления n. По входным сигналам о величинах n и Т на выходе блока 4 формируется сигнал I о величине .
Блок 5 - второй электронный регулятор, выполненный в виде блока вычитания. Имеет два входа и один выход.
1
ВДПР
ВДПР
ЗАД
На первый вход блока 5 поступает сигнал I о величине n, на второй вход - сигнал о заданной величине приведенной по температуре воздуха на входе в двигатель частоты вращения ротора высокого давления n .
2
На выходе блока 5 формируется сигнал I о величине
ВДПР
ВДПР
ВДПР
ЗАД
Δn=n -n, который подается на вход блока 6.
3
СТ
Р
ВДПР
СТ
Блок 6 - множитель-усилитель, на выходе которого формируется сигнал I=К×К×Δn, где К - коэффициент статизма регулирования,
Р
ВДПР
К - коэффициент связи (пропорциональности), определяемый соотношением мощности, развиваемой свободной турбины, и величиной n, соответствующей этой мощности.
Блок 7 - блок формирования сигнала о режиме работы электрического генератора. Имеет два входа и один выход.
На первый вход блока 7 поступает сигнал на автономную работу, характеризующий работу энергетической установки на автономную нагрузку, т.е. изолированную от энергосистемы и не потребляющую электроэнергию от других параллельно подключенных генераторов. На второй вход блока 7 поступает сигнал включения нагрузки генератора.
4
4
При отсутствии сигнала на автономную работу и наличии сигнала о включении нагрузки генератора на выходе блока 7 формируется сигнал I=1 (режим работы электрического генератора параллельно с энергосистемой), во всех других случаях I=0.
3
4
4
5
4
5
3
СТ
Р
ВДПР
Блок 8 - ключ-коммутатор, на первый (информационный) вход блока 8 поступает сигнал I, а на второй вход - сигнал I. При I=0 на выходе блока 8 сигнал I равен 0. При I=1 на выходе блока 8 формируется сигнал I=I=К·К·Δn. Выход блока 8 соединен с первым входом блока 9.
Блок 9 - первый электронный регулятор, который представляет собой сумматор, имеющий два входа и один выход.
5
На первый вход блока 9 поступает сигнал I.
5
3
СТ
Р
ВДПР
5
При работе генератора на нагрузку параллельно с сетью I=I=К×К×Δn, а при работе генератора в автономном режиме или при отключенной нагрузке I=0.
ст
СТ
УСТ
На второй вход блока 9 подается сигнал о величине частоты вращения ротора свободной турбины n  (заданная величина n на режиме холостого хода).
6
На выходе блока 9 формируется сигнал I о заданной величине частоты вращения
СТ
n:
СТ
СТ
СТ
ВДПР
ВДПР
Р
ЗАД
УСТ
ЗАД
n =n +К×(n -n)×К, где
СТ
СТ
ЗАД
n  - заданная величина частоты вращения n, соответствующая требуемой величине генерируемой нагрузки;
СТ
СТ
УСТ
n  - заданная величина n на режиме холостого хода;
СТ
СТ
СТ
СТ
СТ
НОМ
СТ
НОМ
НОМ
К - коэффициент статизма К=Δω/ΔР, где Δω - изменение частоты вращения n в относительных единицах (Δω=Δn/n ), ΔР - изменение мощности, развиваемой генератором, в относительных единицах (ΔP=ΔN/N), где n  - частота вращения свободной турбины на заданном установившемся режиме (N - const);
НОМ
СТ
НОМ
N - электрическая нагрузка на валу свободной турбины при частоте n .
СТ
ΔN - изменение электрической нагрузки на валу свободной турбины при изменении частоты вращения свободной турбины на величину Δn,
Р
ВДПР
К - коэффициент связи, определяемый соотношением единиц измерения мощности, развиваемой свободной турбиной, и приведенной частоты вращения n, соответствующей этой мощности.
6
СТ
7
СТ
упр
ЗАД
Блок 10 представляет собой третий электронный регулятор, на первый вход которого поступает сигнал I о величине n , на второй вход поступает сигнал I о величине n, а на выходе формируется управляющий сигнал Iна дозатор топлива в зависимости от величины рассогласования
СТ
СТ
СТ.
ЗАД
Δn=n -n
СТ
упр
T
СТ
СТ
упр
T
СТ
При Δn>0 сигнал I обеспечивает увеличение расхода топлива (G) в камеру сгорания, что обеспечивает увеличение n. При n<0 сигнал Iобеспечивает уменьшение G в камеру сгорания и, следовательно, снижение n.
упр
Блок 11 - дозатор топлива (исполнительный механизм), который обеспечивает подачу топлива в камеру сгорания по сигналу I.
Блок 12 - силовая турбина.
Блок 13 - электрический генератор, расположенный на одном валу со свободной турбиной.
Работа устройства осуществляется следующим образом:
4
При наличии сигнала на автономную работу или при отсутствии сигнала включения нагрузки на входе в блок 7 (работа генератора на автономную нагрузку или работа генератора в режиме холостого хода) на выходе блока 7 формируется сигнал I=0.
4
5
СТ
СТ
ЗАД
УСТ
При значении сигнала I=0 от блока 7 (работа на автономную нагрузку или при отключенной нагрузке) на вход блока 9 из блока 8 поступает сигнал I=0 и на выходе первого электронного регулятора 9 формируется заданная величина частоты вращения n =n .
СТ
СТ
ЗАД
Величина n  сравнивается с измеренной частотой вращения n в третьем электронном регуляторе 10. На выходе последнего формируется сигнал управления
упр
T
СТ
СТ
ЗАД
I исполнительным механизмом дозатора топлива 11, который изменяет расход топлива G в камеру сгорания ГТД пропорционально величине отклонения Δn с целью поддержания заданной частоты вращения n .
4
При отсутствии сигнала на автономную работу и при наличии сигнала включения нагрузки на входе в блок 7 (работа генератора на нагрузку параллельно с электрической сетью) на выходе блока 7 формируется сигнал I=1.
СТ
СТ
СТ
СТ
СТ
УПР
T
T
ВД
ЗАД
ЗАД
При увеличении частоты переменного тока в сети электрическая мощность, отдаваемая электрическим генератором, начнет уменьшаться. Уменьшение мощности приведет к увеличению текущей величины n по сравнению с n . В третьем электронном регуляторе 10 возникнет сигнал рассогласования Δn=n -n и на выходе блока 10 сформируется управляющий сигнал I на уменьшение расхода топлива G в камеру сгорания ГТД. Уменьшение G приведет к уменьшению частоты вращения ротора высокого давления двигателя n.
ВД
Уменьшение n приведет к уменьшению величины
ВД
ВХ
ВДПР
ВДПР
ВДПР
СТ
ВДПР
СТ
Р
ЗАД
ЗАД
, формируемой в блоке 4 по входным сигналам о величине n и величине Т, и возникновению сигнала рассогласования Δn=n -n на выходе второго электронного регулятора 5, сравнивающего приведенную частоту вращения ротора высокого давления с заданной n . При этом в блоке 6 величина рассогласования Δnкорректируется с учетом коэффициента статизма К и коэффициента связи К.
3
СТ
ВДПР
ВДПР
Р
4
Сигнал I=К×(n-n)×К) поступает на первый вход ключа-коммутатора 8. На второй вход поступает сигнал I=1 от блока 7.
4
5
3
СТ
ВДПР
ВДПР
Р
СТ
ЗАД
УСТ
При значении сигнала I=1 от блока 7 на выходе ключа-коммутатора 8 формируется величина I=I=К×(n -n)×К, которая складывается в первом электронном регуляторе 9 с величиной n  и на выходе первого электронного регулятора 9 формируется заданная величина частоты вращения
СТ
СТ
ст
вдпр
вдпр
р
ЗАД
УСТ
ЗАД
n = n К×(n -n)×К.
При достижении равенства
СТ
СТ
СТ
СТ
ВДПР
ВДПР
Р
T
СТ
ВДПР
СТ
ЗАД
УСТ
n=n =n +К×(n-n)×К уменьшение подачи топлива G прекратится (в третьем электронном регуляторе 10 сигнал рассогласования Δn=0), при этом величина n будет соответствовать меньшей мощности, отдаваемой генератором в сеть, а величина Δn будет соответствовать увеличению частоты переменного тока в сети.
ВДПР
СТ
СТ
ЗАД
При уменьшении частоты переменного тока в сети процесс регулирования будет происходить аналогично, но в сторону увеличения электрической мощности, отдаваемой генератором в сеть, и соответственно к увеличению n для поддержания равенства n=n .
ВДПР
ВДПР
СТ
ЗАД
ЗАД
ЗАД
Предлагаемая система автоматического управления обеспечивает также увеличение или снижение нагрузки (мощности) генератора при постоянной частоте переменного тока в сети (при работе генератора параллельно с сетью) за счет увеличения или уменьшения величины n . При увеличении n  появляется сигнал рассогласования на выходе второго функционального блока 4, который приводит первоначально к увеличению n , а затем к увеличению
ВДПР
ВДПР
СТ
СТ
ЗАД
ЗАД
n до величины n  и восстановлению равенства n=n .
ГЕН
Поскольку величина мощности генератора Р является функцией величины
ВДПР
ГЕН
ВДПР
ГЕН
ГЕН
ЗАД
ТЕК
n, т.е. Р=f(n), возможно во втором электронном регуляторе 5 производить сравнение заданной величины Р  и текущего значения Р . В этом случае во втором электронном регуляторе 9 при работе генератора параллельно с сетью будет формироваться величина
СТ
СТ
СТ
ГЕН
ГЕН
Р
ЗАД
УСТ
ЗАД
ТЕК
n =n +К×(Р -Р )×К.
Заявляемая система автоматического управления энергетической установкой проверена в составе системы автоматического управления газотурбинной электростанции типа «Урал» (мощностью 2,5; 4 и 6 МВт) производства ОАО «Авиадвигатель», Россия. Электростанция содержит газотурбинный двигатель типа Д-30ЭУ, изготовленный на базе авиационного двигателя Д-30 третьей серии, свободную силовую турбину (турбина низкого давления базового двигателя) и синхронный генератор трехфазного переменного тока типа ГТГ (рассчитан на ~10,5 кВ).
СТ
Испытаниями и эксплуатацией подтверждено, что заявляемая система автоматического управления энергетической установкой надежно и устойчиво поддерживает заданную электрическую нагрузку, обеспечивает повышенную точность поддержания частоты вращения n и с запасом удовлетворяет нормально допустимым (по ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения») отклонениям частоты напряжения переменного тока, вырабатываемого генератором как при работе на автономную нагрузку, так и при работе параллельно с сетью (энергосистемой).