Способ регулирования мощности системы газовая турбина - генератор
METHOD FOR POWER CONTROLLING OF SYSTEM GAS TURBINE - GENERATOR

Изобретение относится к области управления двигателями, в частности к регулированию мощности системы газовая турбина - генератор, например, газотурбовозов, гибридных локомотивов.
Известна турбогенераторная установка, содержащая газовую турбину, вал которой непосредственно соединен с ротором синхронного генератора переменного тока. Синхронный генератор переменного тока последовательно соединен со статическим преобразователем частоты, выполненном в виде двух тиристорных мостов, соединенных между собой через катушку индуктивности. Статический преобразователь через трансформатор соединен с электрической сетью. Способ регулирования известной турбогенераторной установки заключается в управлении статическим преобразователем частоты посредством двух измерительных трансформаторов. При запуске турбины статический преобразователь частоты питает от внешней сети синхронный генератор переменного тока, который в данном случае работает в двигательном режиме. После запуска синхронным генератором переменного тока турбины и выхода ее на заданные параметры статический преобразователь частоты реверсируется, преобразовывает вырабатываемую синхронным генератором переменного тока электрическую энергию и передает ее во внешнюю сеть (см. патент РФ №2195763, МПК Н02Р 9/04, опубл. 27.12.2002 г.).
Недостатком способа регулирования известной турбогенераторной установки является невозможность достаточно быстро и в широких пределах регулировать мощность турбины при значительных изменениях нагрузки, что требуется в условиях применения газотурбинного агрегата на локомотиве.
Известен способ регулирования турбогенераторной установки, согласно которому на исполнительное звено турбины (механизм управления дозатором) подают регулирующее воздействие и на исполнительное звено возбудителя генератора также подают регулирующее воздействие, причем регулирующее воздействие на исполнительный механизм турбины формируют, по меньшей мере, на основе двух управляющих параметров турбины, управляющее воздействие на исполнительное звено возбудителя формируют также на основе двух управляющих параметров возбудителя, при этом один из управляющих параметров турбины является управляющим параметром для возбудителя генератора, а один из управляющих параметров возбудителя генератора является управляющим параметром для исполнительного механизма турбины. В качестве таких регулирующих параметров используют отклонение мощности генератора, отклонение напряжения генератора или значения частоты вращения вала турбины. Регулируемая система представляет собой турбину, вал которой напрямую соединен с генератором. Для регулирования поступающего в турбину потока рабочей среды предусмотрено исполнительное звено, которое может быть выполнено в виде дозатора. Вращающаяся часть генератора имеет обмотку возбуждения, которую питает исполнительное звено возбудителя, выполненное в виде тиристорного блока. Регулирование положения дозатора и регулирование тиристорного блока осуществляется устройством регулирования, которое включает два блока задержки, выход одного из которых подсоединен к исполнительному элементу управления положением дозатора, а выход другого - к тиристорному блоку управления генератором. Вход каждого блока задержки соединен с выходом своего логического блока, входы каждого из которых соединены с выходами блоков, формирующих передаточные функции сигналов, поступающих на вход каждого из блоков, сравнивающих задающее воздействие по управляемым параметрам и действительные значения данных параметров, возникающие при работе системы турбина - генератор. В качестве управляющих параметров для регулирования системы могут быть использованы мощность генератора, напряжение генератора, частота генератора, число оборотов вала турбины (Патент РФ №2278464, МПК Н02Р 9/04, опубл. 20.06.2006 г.).
Недостатком известного способа регулирования является невозможность достаточно быстро и в широких пределах регулировать мощность турбины при значительных изменениях нагрузки, что требуется в условиях применения газотурбинного агрегата на локомотиве. Реализуется узкий диапазон частот вращения турбины, близкий к номинальным значениям, что отрицательно сказывается на экономичности ее работы, снижает ресурс подшипниковых узлов агрегата.
Известен способ регулирования мощности газовая турбина - генератор, принятый за прототип, в котором посредством электронной системы управления двигателем формируют сигнал управления для исполнительного устройства дозатора топлива на основе обработки сигнала датчика измерения частоты вращения газовой турбины и расчетного значения активной электрической выходной мощности генератора, в соответствии с режимом работы локомотива мощность системы задают контроллером машиниста, заданную величину мощности сравнивают с вычисленным значением фактической мощности, значение которой получают по измеренным значениям выпрямленного тяговым выпрямителем тока и напряжения, на основе полученной разности формируют сигнал управления исполнительным устройством дозатора топлива для обеспечения частоты вращения газовой турбины и управляющий сигнал для регулятора тока, обеспечивающего питание обмотки возбуждения генератора в соответствии с нагрузочной характеристикой системы газовая турбина - генератор (см. патент РФ №2628008, МПК Н02Р 9/04, опубл. 14.08.2016 г.).
Недостатком известного способа регулирования является то, что формирование сигнала управления исполнительным устройством дозатора топлива по разности значений заданной и измеренной частот вращения вала газовой турбины и по разности значений заданной и вычисленной фактической мощности тягового генератора без наличия ограничений, связанных с пропускной способностью газовой турбины, может привести к срыву потока (помпажу) газовой турбины и ее аварийному останову, что снижает ресурс ее работы. Также задание мощности тягового генератора при отсутствии сигнала обратной связи, характеризующего возможность газовой турбины принимать заданную мощность, отрицательно сказывается на экономичности работы газовой турбины, что также отрицательно сказывается на экономичности работы локомотива.
Техническим результатом изобретения является обеспечение наиболее энергооптимальных условий работы системы газовая турбина - генератор во всем диапазоне регулирования мощности, исключение возможности возникновений помпажей и аварийных остановов газовой турбины.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе регулирования мощности системы газовая турбина - генератор запускают газовую турбину, имеющую механическое соединение через вал силовой турбины газовой турбины с тяговым генератором, после выполнения запуска газовой турбины по значению управляющего сигнала от задатчика мощности в электронной системе управления системой газовая турбина -генератор формируют уставку заданной мощности тягового генератора и уставку частоты вращения вала силовой турбины газовой турбины, датчиками измерения тока и напряжения, установленными на выходных шинах тягового выпрямителя, измеряют фактические значения выпрямленного тока и напряжения тягового генератора, по результату измерения этих параметров вычисляют фактическое значение электрической мощности тягового генератора, сравнивают уставку заданной мощности тягового генератора и фактическое значение электрической мощности тягового генератора, по величине рассогласования формируют уставку напряжения тягового генератора, которую сравнивают с величиной напряжения тягового генератора, измеренного датчиком напряжения, сигнал, пропорциональный величине результата сравнения, принимают за уставку тока возбуждения тягового генератора и подают на вход регулятора тока возбуждения тягового генератора, обеспечивающего питание обмотки возбуждения тягового генератора, уставку частоты вращения вала силовой турбины газовой турбины сравнивают с ее фактическим значением, поступающим в электронную систему управления от датчика измерения частоты вращения силовой турбины газовой турбины, по результату сравнения формируют уставку расхода топлива, подаваемого в газовую турбину, необходимую для поддержания заданной частоты вращения силовой турбины газовой турбины, одновременно по фактическому значению электрической мощности тягового генератора электронной системой управления формируют уставку расхода топлива, подаваемого в газовую турбину, необходимую для поддержания измеренной мощности тягового генератора, суммируют уставку расхода топлива, подаваемого в газовую турбину, необходимую для поддержания заданной частоты вращения силовой турбины газовой турбины, и уставку расхода топлива, подаваемого в газовую турбину, необходимую для поддержания измеренной мощности тягового генератора, результат суммирования принимают за уставку расхода топлива, подаваемого в газовую турбину, датчиками измерения частоты вращения измеряют частоту вращения турбины низкого давления газовой турбины и частоту вращения турбины высокого давления газовой турбины, датчиком температуры измеряют температуру воздуха на входе во входное устройство газовой турбины, на основании этих измерений в электронной системе управления вычисляют текущую пропускную способность газовой турбины, по величине текущей пропускной способности газовой турбины рассчитывают максимальную уставку расхода топлива, подаваемого в газовую турбину, задают минимальную уставку расхода топлива, подаваемого в газовую турбину, сравнивают уставку расхода топлива, подаваемого в газовую турбину, с расчетной максимальной уставкой расхода топлива, подаваемого в газовую турбину, и минимальной уставкой расхода топлива, подаваемого в газовую турбину, в случае, если уставка расхода топлива меньше минимальной, то уставку расхода топлива, подаваемого в газовую турбину, принимают равной минимальной, а в случае, если уставка расхода топлива больше максимальной, то уставку расхода топлива принимают равной максимальной, сигнал, пропорциональный величине уставки расхода топлива, подаваемого в газовую турбину, подают на вход устройства управления дозатором топлива, с выхода которого подают сигнал управления на дозатор топлива, в электронной системе управления рассчитывают максимальную мощность на валу силовой турбины газовой турбины, которую можно получить при максимальном расходе топлива, подаваемого в газовую турбину, величину расчетной максимальной мощности сравнивают с уставкой заданной мощности тягового генератора, и в случае, если уставка заданной мощности тягового генератора, больше величины расчетной максимальной мощности, то уставку заданной мощности тягового генератора принимают равной величине расчетной максимальной мощности.
На чертеже представлена блок-схема устройства, реализующего способ.
Устройство для реализации предлагаемого способа состоит из:
- газовой турбины 1, в состав которой входят: турбина 2 низкого давления, турбина 3 высокого давления и силовая турбина 4;
- электронной системы управления системы газовая турбина - генератор, в состав которой входят: блок 9 расчета задаваемой мощности электропередачи, блок 10 задания частоты вращения вала силовой турбины 4, блок 11 расчета измеренной мощности тягового генератора 5, блок 12 задания напряжения тягового генератора 5, блок 13 задания тока возбуждения тягового генератора 5, блок 14 сравнения частоты вращения вала силовой турбины 4, блок 15 задания расхода топлива по частоте вращения вала силовой турбины 4, блок 16 задания расхода топлива по измеренной мощности тягового генератора 5, сумматор 17, блок 18 расчета пропускной способности газовой турбины 1, блок 19 расчета максимального расхода топлива, блок 20 задания минимального расхода топлива газовой турбины 1, блок 21 задания расхода топлива газовой турбины 1, блок 22 расчета максимальной мощности по максимальному расходу топлива на валу силовой турбины 4.
Газовая турбина 1 через вал силовой турбины 4 механически соединена с валом тягового синхронного генератора 5, выход которого подключен к неуправляемому выпрямителю 6. Силовой выход неуправляемого выпрямителя 6 подключен к датчику 7 напряжения и через датчик 8 тока к тяговым электродвигателям (на схеме не показаны);
Задатчиком 23 мощности, например, контроллером машиниста, задают мощность системы газовая турбина - генератор, сигнал с выхода задатчика 23 мощности поступает на один из входов блока 9 расчета задаваемой мощности электропередачи и на вход блока 10 задания частоты вращения вала силовой турбины 4.
С выхода датчика 7 напряжения сигнал, пропорциональный измеренному напряжению с выхода неуправляемого выпрямителя 6, поступает на один из входов блока 11 расчета измеренной мощности, на другой вход которого поступает сигнал, пропорциональный току неуправляемого выпрямителя 6, измеренный датчиком тока 8, с выхода блока 11 расчета измеренной мощности сигнал, пропорциональный измеренной мощности с выхода неуправляемого выпрямителя 6, поступает на один из входов блока 12 задания напряжения тягового генератора 5 и на вход блока 16 задания расхода топлива по измеренной мощности тягового генератора 5, с выхода блока 12 задания напряжения тягового генератора 5 сигнал, пропорциональный заданному напряжению тягового генератора 5, поступает на вход блока 13 задания тока возбуждения тягового генератора 5, на другой вход которого поступает сигнал, пропорциональный напряжению на выходе неуправляемого выпрямителя 6, измеренного датчиком 7 напряжения, с выхода блока 13 задания тока возбуждения тягового генератора 5 сигнал, пропорциональный заданному току возбуждения тягового генератора 5, поступает на вход регулятора 24 тока возбуждения тягового генератора 5, силовой выход которого питает обмотку возбуждения тягового генератора 5.
С выхода блока 10 задания частоты вращения вала силовой турбины 4 сигнал, пропорциональный заданной частоте вращения силовой турбины 4, поступает на один из входов блока 14 сравнения частоты вращения вала силовой турбины 4, на другой вход которого поступает сигнал, пропорциональный частоте вращения вала силовой турбины 4, измеренный датчиком 25 частоты вращения, с выхода блока 14 сравнения частоты вращения вала силовой турбины 4 сигнал, равный рассогласованию заданной в блоке 10 и измеренный датчиком 25 частоты вращения вала силовой турбины 4, поступает на вход блока 15 задания расхода топлива по частоте вращения вала силовой турбины 4, с выхода которого сигнал, пропорциональный заданному расходу топлива по частоте вращения вала силовой турбины 4, поступает на один из входов сумматора 17, на другой вход которого поступает сигнал с выхода блока 16 задания расхода топлива по измеренной мощности тягового генератора 5, пропорциональный заданному расходу топлива по измеренной мощности тягового генератора 5, с выхода сумматора 17 сигнал, равный сумме заданных расходов топлива газовой турбины 1 по частоте вращения вала силовой турбины 4 и по измеренной мощности тягового генератора 5, поступает на первый из трех входов блока 21 задания расхода топлива газовой турбины 1, на второй вход которого поступает сигнал, пропорциональный заданному минимальному расходу топлива, с выхода блока 20 задания минимального расхода топлива газовой турбины 1.
Датчиком 26 частоты вращения измеряют частоту вращения вала турбины 2 низкого давления газовой турбины 1, сигнал с выхода датчика 26 частоты вращения, пропорциональный измеренной частоте вращения вала турбины 2 низкого давления газовой турбины 1, поступает на один из входов блока 18 расчета пропускной способности газовой турбины 1, датчиком 27 частоты вращения измеряют частоту вращения вала турбины 3 высокого давления газовой турбины 1, сигнал с выхода датчика 27 частоты вращения, пропорциональный измеренной частоте вращения вала турбины 3 высокого давления газовой турбины 1, поступает на другой вход блока 18 расчета пропускной способности газовой турбины 1, датчиком температуры 28 измеряют температуру воздуха на входе в газовую турбину 1, сигнал с выхода датчика температуры 28, пропорциональный измеренной температуре воздуха на входе в газовую турбину 1, подают на третий вход блока 18 расчета пропускной способности газовой турбины 1, с выхода блока 18 расчета пропускной способности газовой турбины 1 сигнал, пропорциональный пропускной способности газовой турбины 1, поступает на вход блока 19 расчета максимального расхода топлива и на один из входов блока 22 расчета максимальной мощности по максимальному расходу топлива на валу силовой турбины 4, сигнал с выхода блока 19 расчета максимального расхода топлива, равный максимальному расходу топлива, поступает на третий вход блока 21 задания расхода топлива газовой турбины 1 и второй вход блока 22 расчета максимальной мощности по максимальному расходу топлива на валу силовой турбины 4, на третий вход которого поступает сигнал, пропорциональный частоте вращения вала силовой турбины 4, измеренный датчиком 25 частоты вращения, сигнал с выхода блока 22 расчета максимальной мощности по максимальному расходу топлива на валу силовой турбины 4, пропорциональный величине расчетной максимальной мощности, поступает на второй вход блока 9 расчета задаваемой мощности электропередачи, сигнал с выхода блока 21 задания расхода топлива газотурбинного двигателя 1 поступает на вход блока 29 управления дозатором 30 топлива, с выхода блока 29 управления дозатором 30 топлива сигнал, пропорциональный расходу топлива газовой турбины 1, поступает на дозатор 30 топлива, например, дроссельную заслонку, выход которой питает топливом газовую турбину 1.
Способ реализуют следующим образом.
Запускают газовую турбину 1, имеющую механическое соединение через вал силовой турбины 4 газовой турбины 1 с тяговым генератором 5, после выполнения запуска газовой турбины 1 по значению управляющего сигнала от задатчика 23 мощности в электронной системе управления формируют две уставки: уставку заданной мощности тягового генератора 5 в блоке 9 расчета задаваемой мощности электропередачи и уставку частоты вращения вала силовой турбины 4 газовой турбины 1 в блоке 10 задания частоты вращения, датчиком тока 8 и датчиком напряжения 7, установленными на выходных шинах тягового выпрямителя 6, измеряют фактические значения выпрямленного тока и напряжения тягового генератора 5, по результату измерения этих параметров в блоке 11 расчета измеренной мощности вычисляют фактическое значение электрической мощности тягового генератора 5, в блоке 12 задания напряжения тягового генератора 5 сравнивают уставку заданной мощности тягового генератора 5 и фактическое значение электрической мощности тягового генератора 5 и по величине их рассогласования формируют уставку напряжения тягового генератора 5, в блоке 13 задания тока возбуждения тягового генератора 5 уставку напряжения тягового генератора 5 сравнивают с величиной напряжения тягового генератора 5, измеренного датчиком напряжения 7, сигнал с выхода блока 13 задания тока возбуждения тягового генератора 5, пропорциональный величине результата сравнения, принимают за уставку тока возбуждения тягового генератора 5 и подают на вход регулятора 24 тока возбуждения тягового генератора 5, обеспечивающего питание обмотки возбуждения тягового генератора 5, уставку частоты вращения вала силовой турбины 4 газовой турбины 1 сравнивают в блоке 14 сравнения частоты вращения вала силовой турбины 4 с ее фактическим значением, поступающим в электронную систему управления от датчика 25 измерения частоты вращения силовой турбины 4 газовой турбины 1, по результату сравнения в блоке 14 сравнения частоты вращения вала силовой турбины 4 в блоке 15 задания расхода топлива по частоте вращения вала силовой турбины 4 формируют уставку расхода топлива, подаваемого в газовую турбину 1, необходимого для поддержания заданной частоты вращения силовой турбины 4 газовой турбины 1, одновременно по фактическому значению электрической мощности тягового генератора 5, рассчитанному в блоке 11 расчета измеренной мощности, в блоке 16 задания расхода топлива по измеренной мощности тягового генератора 5 формируют уставку расхода топлива, подаваемого в газовую турбину 1, необходимую для поддержания измеренной мощности тягового генератора 5, в сумматоре 17 суммируют уставку расхода топлива, подаваемого в газотурбинный двигатель 1, необходимую для поддержания заданной частоты вращения силовой турбины 4 газовой турбины 1 и уставку расхода топлива, подаваемого в газовую турбину 1, необходимую для поддержания измеренной мощности тягового генератора 5, результат суммирования принимают за уставку расхода топлива, подаваемого в газовую турбину 1, датчиком 26 измерения частоты вращения измеряют частоту вращения турбины 2 низкого давления газовой турбины 1, датчиком 27 измерения частоты вращения измеряют частоту вращения турбины 3 высокого давления 3 газовой турбины 1, датчиком температуры 28 измеряют температуру воздуха на входе во входное устройство газовой турбины 1, на основании этих измерений в блоке 18 расчета пропускной способности газовой турбины 1 электронной системы управления вычисляют текущую пропускную способность газовой турбины 1, по величине пропускной способности газовой турбины 1 в блоке 19 расчета максимального расхода топлива рассчитывают максимальную уставку расхода топлива, подаваемого в газовую турбину 1, в блоке 20 задания минимального расхода топлива газовой турбины 1 задают минимальную уставку расхода топлива, подаваемого в газовую турбину 1, в блоке 21 задания расхода топлива газовой турбины 1 сравнивают уставку расхода топлива, подаваемого в газовую турбину 1 с выхода сумматора 17, с расчетной максимальной уставкой расхода топлива, подаваемого в газовую турбину 1 с выхода блока 19 расчета максимального расхода топлива, и минимальной уставкой расхода топлива, подаваемого в газовую турбину 1 с выхода блока 20 задания минимального расхода топлива, в случае, если уставка расхода топлива меньше минимальной, то уставку расхода топлива, подаваемого в газовую турбину 1, принимают равной минимальной, а в случае, если уставка расхода топлива больше максимальной, то уставку расхода топлива, подаваемого в газовую турбину 1, принимают равной максимальной, сигнал с выхода блока 21 задания расхода топлива газовой турбины 1, пропорциональный величине уставки расхода топлива, подаваемого в газовую турбину 1, подают на вход устройства 29 управления дозатором топлива, с выхода блока 29 управления дозатором 30 топлива подают сигнал управления на дозатор 30 топлива, в блоке 22 расчета максимальной мощности по максимальному расходу топлива на валу силовой турбины 4 электронной системы управления рассчитывают максимальную мощность на валу силовой турбины 4 газовой турбины 1, которую можно получить при максимальном расходе топлива, рассчитанном в блоке 19 расчета максимального расхода топлива, подаваемого в газовую турбину 1, величину расчетной максимальной мощности с выхода блока 22 расчета максимальной мощности по максимальному расходу топлива на валу силовой турбины 4 сравнивают в блоке 9 расчета задаваемой мощности электропередачи с уставкой заданной мощности тягового генератора 5 с выхода задатчика 23 мощности и в случае, если уставка заданной мощности тягового генератора 5 больше величины расчетной максимальной мощности, то уставку заданной мощности тягового генератора 5 принимают равной величине расчетной максимальной мощности и с выхода блока 9 расчета задаваемой мощности электропередачи подают на вход блока задания напряжения 12 тягового генератора 5.
Таким образом, реализуют способ регулирования выходной мощности системы газовая турбина - генератор, исключающий возможность возникновения помпажей в газовой турбине и, как следствие, ее аварийных остановов за счет ограничения количества топлива, подаваемого на вход газовой турбины, до максимально возможного его значения при текущей пропускной способности газовой турбины, а также обеспечивающий условия для формирования энергооптимальной траектории нагружения системы газовая турбина - генератор во всем диапазоне регулирования мощности за счет ограничения задаваемой мощности тягового генератора до величины максимально возможной выходной мощности газовой турбины в режиме ограничения количества топлива, подаваемого на вход газовой турбины, до максимально возможного его значения при текущей пропускной способности газовой турбины.
Предложенный способ регулирования мощности опробован и реализован на магистральных газотурбовозах ГТ1h №№001, 002 и показал положительные результаты.