СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
GAS TURBINE ENGINE CONTROL SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к системе управления газотурбинным двигателем, предназначенной для регулирования выходной мощности в зависимости от давления топлива и температуры окружающей среды для любой заданной мощности жидкотопливной горелки.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Промышленные газотурбинные двигатели, работающие на двух видах топлива, способны обеспечить работу их систем горелок с жидким или газообразным топливом. Некоторые обычные газотурбинные двигатели работают на жидком топливе в течение коротких периодов во время приемки, и также можно ожидать, что они будут работать на низкой мощности, когда соответствующая газогенераторная установка не работает, например отключена для технического обслуживания и текущего ремонта. Это имеет тенденцию происходить в течение периода, составляющего несколько недель. В одном примере изделий, производимых Заявителем, а именно SGT400, геометрические характеристики горелки, работающей на жидком топливе, оптимизированы для работы при высоких нагрузках, например при требуемой мощности 13 МВт. При низких нагрузках, например при требуемой мощности 2 МВт, обычно используется газообразное топливо. Когда газообразное топливо недоступно, может быть использовано жидкое топливо. Однако для данных сравнительно низких нагрузок геометрические характеристики горелок не оптимизированы и наряду со сравнительно низкими давлениями топлива в камере сгорания имеет место недостаточное распыление струи жидкости. Недостаточное распыление жидкости приводит к несгоревшему топливу, которое может осаждаться на компонентах в камере сгорания. В частности, данные отложения сажи могут накапливаться на компонентах горелки и вызывать ухудшение характеристик воспламенения. В экстремальных случаях это может привести к повреждению оборудования или плохой работе двигателя.
В настоящее время, исходя из практики, принято считать, что работа при низких нагрузках на жидком топливе вызывает накапливание чрезмерных отложений сажи на компонентах системы сжигания топлива и что требуется демонтаж оборудования через регулярные промежутки времени для очистки и тщательного осмотра и ремонта.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения состоит в уменьшении или устранении отложений сажи в системе сжигания топлива. Другая задача настоящего изобретения состоит в уменьшении или устранении необходимости в разборке, очистке и ремонте горелок и других компонентов системы сжигания топлива, в частности, после только краткого периода работы на жидком топливе при сравнительно низких нагрузках. Еще одна задача настоящего изобретения состоит в разработке усовершенствованного переключения между подачей газообразного топлива и подачей жидкого топлива. Еще одна задача настоящего изобретения состоит в уменьшении выбросов из газотурбинного двигателя. Данные задачи могут быть решены посредством способа эксплуатации газотурбинного двигателя в соответствии с формулой изобретения.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения разработан способ эксплуатации газотурбинного двигателя. Газотурбинный двигатель содержит воздухозаборник, турбину, систему управления, систему подачи жидкого топлива и модульную систему жидкотопливных горелок. Модульная система жидкотопливных горелок имеет по меньшей мере две сменные жидкостные горелки и жидкотопливный коллектор. Система управления регулирует подачу топлива по жидкотопливному коллектору к горелкам в зависимости от потребной выходной мощности. Данные, по меньшей мере, две сменные жидкотопливные горелки имеют разные рабочие диапазоны выходной мощности и представляют собой, по меньшей мере, жидкотопливную горелку с высокой выходной мощностью и жидкотопливную горелку с низкой выходной мощностью. Модульная система жидкотопливных горелок может иметь сменную основную жидкостную горелку и/или сменную запальную жидкостную горелку. То есть каждая из основной и/или запальной горелок является взаимозаменяемой с соответствующими горелками другой мощности. Или основная, или запальная, или обе жидкостные горелки могут быть заменены на горелки такого же типа с другой мощностью. Термин «сменная, взаимозаменяемая» предназначен для обозначения того, что одна жидкотопливная горелка может быть заменена другой жидкотопливной горелкой с другим рабочим диапазоном выходной мощности. Таким образом, основная жидкотопливная горелка может быть заменена другой основной жидкотопливной горелкой, и запальная жидкотопливная горелка может быть заменена другой запальной жидкотопливной горелкой. Термин «модульная» предназначен для обозначения того, что одна жидкотопливная горелка может быть снята и заменена другой жидкотопливной горелкой, основной и/или запальной, без необходимости изменения любого другого физического свойства камеры сгорания.
Способ эксплуатации газотурбинного двигателя включает этапы регулирования подачи жидкого топлива к горелке с высокой выходной мощностью для обеспечения высокой выходной мощности при наличии предельной температуры на входе в турбину, регулирования подачи жидкого топлива к горелке с низкой выходной мощностью для обеспечения низкой выходной мощности при наличии предельного давления в жидкотопливном коллекторе. В одном варианте осуществления способ эксплуатации газотурбинного двигателя включает этапы регулирования подачи жидкого топлива к горелке с высокой выходной мощностью для обеспечения высокой выходной мощности при наличии предельной температуры на входе в турбину и регулирования подачи жидкого топлива к горелке с низкой выходной мощностью для обеспечения низкой выходной мощности при наличии предельного давления в жидкотопливном коллекторе. В пределах диапазона рабочих режимов газотурбинного двигателя предпочтительно обеспечивается удовлетворительное распыление жидкого топлива и/или смешивание и/или «размещение» распыленного жидкого топлива, и воздух имеется в достаточном количестве для предотвращения осаждения значительного количества сажи в устройстве с камерой сгорания.
Для горелки с высокой выходной мощностью, основной и/или запальной, ее выходная мощность может регулироваться или ограничиваться посредством управляющего устройства до значений, обеспечивающих предельную температуру на входе в турбину или температуры ниже предельной температуры на входе в турбину, когда предельная температура достигнута, и для того чтобы не превышать предельную температуру на входе в турбину или ограничить или задать продолжительность работы при выходной мощности, обеспечивающей превышение предельной температуры на входе в турбину. Таким образом, когда предельная температура на входе в турбину будет достигнута или даже до того как предельная температура на входе в турбину будет достигнута, управляющее устройство регулирует количество подаваемого жидкого топлива до такого уровня, чтобы предельная температура на входе в турбину не была превышена или чтобы она была превышена в течение ограниченного или заданного промежутка времени.
Способ может включать этап переключения между жидкотопливной горелкой с высокой выходной мощностью и горелкой с низкой выходной мощностью для достижения заданного диапазона выходной мощности.
Способ может включать этап ввода информации о том, что произошло переключение между жидкотопливной горелкой с высокой выходной мощностью и горелкой с низкой выходной мощностью, в систему управления. На данном этапе оператор может вводить в систему управления данные по удельной мощности горелки и/или типу горелки, например, основной или запальной горелки, или обеих.
Этап способа, заключающийся в переключении между жидкотопливной горелкой с высокой выходной мощностью и горелкой с низкой выходной мощностью, может включать этап изменения предельной температуры на входе в турбину в зависимости от давления в коллекторе, дающего сниженную предельную температуру на входе в турбину для ограничения максимальной допустимой выходной мощности. Система управления включает в себя программу, которая обеспечивает искусственное снижение или изменение предельной температуры на входе в турбину для предотвращения превышения предельного давления в топливном коллекторе. Это позволяет двигателю достичь максимальной возможной выходной мощности, поскольку максимальная мощность, получаемая при заданном давлении топлива, зависит от температуры воздуха на входе/в воздухозаборнике.
Для горелки с низкой выходной мощностью, основной и/или запальной, ее выходная мощность может регулироваться или ограничиваться посредством управляющего устройства до предельного давления в топливном коллекторе или в границах предельного давления в топливном коллекторе, когда данное предельное давление достигнуто, и для того чтобы не превышать предельное давление в топливном коллекторе или чтобы ограничить или задать продолжительность работы при выходной мощности, получаемой при значениях давления за пределами предельного давления в топливном коллекторе. Таким образом, когда предельное давление в топливном коллекторе будет достигнуто или даже до того как предельное давление в топливном коллекторе будет достигнуто, управляющее устройство обеспечит регулирование количества подаваемого жидкого топлива до такого уровня, чтобы предельное давление в топливном коллекторе не было превышено или было превышено только в течение ограниченного или заданного промежутка времени.
Способ может включать этап снижения измененной предельной температуры на входе в турбину, когда давление в жидкотопливном коллекторе является высоким. Для любого газотурбинного двигателя давление в жидкотопливном коллекторе будет иметь максимальное расчетное предельное значение для давления в его жидкотопливном коллекторе и это номинальное максимальное расчетное предельное значение может представлять собой заданное предельное значение для ситуации, когда измененная предельная температура на входе в турбину уменьшена. Заданное предельное значение может быть установлено или переустановлено на уровне выше или ниже номинального максимального расчетного предельного значения.
Способ может включать этап повышения измененной предельной температуры на входе в турбину, когда давление в жидкотопливном коллекторе является низким. Если давление в жидкотопливном коллекторе является низким или ниже заданного предельного значения, то измененную предельную температуру на входе в турбину повышают, что, в свою очередь, обеспечивает выдачу команды топливному насосу на повышение давления топлива.
Способ может включать этап регулирования подачи топлива к любой одной или более горелок в зависимости того, превышена ли температура на входе в турбину или достигнуто ли предельное давление в топливном коллекторе. Управляющее устройство может изменять поток жидкого топлива к горелке для снижения температуры на входе в турбину и/или давления в топливном коллекторе.
Когда газотурбинный двигатель соединен с механическим приводом или с электрическим генератором, соединенным с электрораспределительной сетью, способ эксплуатации газотурбинного двигателя может включать этапы выдачи системой управления любого одного или более из предупреждений о том, что газотурбинный двигатель приближается к предельной температуре на входе в турбину, при которой никакая дополнительная нагрузка не может быть истребована, и газотурбинный двигатель работает при предельной температуре на входе в турбину.
В том случае когда газотурбинный двигатель работает в изолированном режиме, способ включает этапы выдачи системой управления любого одного или более из предупреждений о том, что газотурбинный двигатель приближается к предельной температуре на входе в турбину, при которой никакая дополнительная нагрузка не может быть требуемой нагрузкой, газотурбинный двигатель превысил предельную температуру на входе в турбину, и потребная мощность должна быть уменьшена, и газотурбинный двигатель работает при предельной температуре на входе в турбину. Это позволит оператору газотурбинного двигателя уменьшить нагрузку, требуемую со стороны объекта. Короткие промежутки времени работы при давлениях, превышающих номинальные максимальные давления на выходе насоса, предпочтительно не оказывают отрицательного влияния на эксплуатационную долговечность насоса.
Способ может включать этапы регулирования подачи жидкого топлива к горелке на основе предельной температуры на входе в турбину при высоких температурах на входе и регулирования подачи жидкого топлива к горелке на основе предельного числа оборотов вала при низких температурах на входе.
Данные по меньшей мере две сменные жидкотопливные горелки могут иметь рабочие диапазоны выходной мощности, которые перекрываются.
Данные по меньшей мере две сменные жидкотопливные горелки могут представлять собой основные жидкостные горелки. Данные по меньшей мере две сменные жидкотопливные горелки могут представлять собой запальные жидкостные горелки. Кроме того, данные, по меньшей мере две сменные жидкотопливные горелки могут представлять собой как основные, так и запальные жидкостные горелки.
Любая одна или более из основных жидкостных горелок могут иметь выходную мощность в пределах любого из диапазонов - 10%÷25%, 20%÷80% и 70%÷100%.
Любые две из горелок могут иметь выходную мощность в пределах диапазонов 10%÷25%, 20%÷80% и 70%÷100%.
Любые две из горелок могут иметь выходную мощность в пределах диапазонов 10%÷25% и 75%÷100%.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Вышеупомянутые признаки и другие признаки и преимущества данного изобретения и способ их достижения станут более очевидными и само изобретение будет лучше понято при ссылке на нижеприведенное описание вариантов осуществления изобретения, рассматриваемое совместно с сопровождающими чертежами, в которых
фиг. 1 показывает часть газотурбинного двигателя, который показан в разрезе и в котором внедрено настоящее изобретение;
фиг. 2 показывает увеличенный вид части секции с устройствами с камерами сгорания газотурбинного двигателя, к которой относится настоящее изобретение;
фиг. 3 представляет собой изображение рабочего интервала выходной мощности газотурбинного двигателя в зависимости от температуры окружающей среды;
фиг. 4 представляет собой логическую схему регулирования выходной мощности двигателя на основе давления в основном топливном коллекторе и предельной температуры на входе в турбину, и
фиг. 5 представляет собой логическую схему последовательности операций для системы управления, предназначенную для демонстрации того как применяется измененная предельная температура на входе в турбину вместе с соответствующей передачей сообщений.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1 представляет собой схематическую иллюстрацию общей компоновки газотурбинного двигателя 10, имеющего воздухозаборник 12, компрессор 14, систему 16 камер сгорания, систему 18 турбин, выпускную трубу 20 и двухвальную конструкцию 22, 24. Газотурбинный двигатель 10 по существу расположен вокруг оси 26, которая для вращающихся компонентов является их осью вращения. Конструкции 22, 24 могут иметь одинаковые или противоположные направления вращения. Система 16 камер сгорания содержит кольцевой ряд устройств 36 с камерами сгорания, из которых показано только одно. В одном примере имеются шесть устройств с камерами сгорания, расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга по окружности двигателя. Система 18 турбин включает в себя турбину 28 высокого давления, соединенную с возможностью передачи приводного усилия с компрессором 14 посредством первого вала 22 из двухвальной конструкции. Система 18 турбин также включает в себя турбину 30 низкого давления, соединенную с возможностью передачи приводного усилия с нагрузкой 29 посредством второго вала 24 из двухвальной конструкции.
Термины «радиальный», «окружной» и «аксиальный/осевой» используются по отношению к оси 26. Термины «расположенный впереди по потоку» и «расположенный дальше по потоку» используются по отношению к общему направлению потока газа через двигатель, и, как видно на фиг. 1, это направление по существу представляет собой направление слева направо.
Компрессор 14 содержит аксиальную последовательность неподвижных направляющих лопаток/статорных лопаток и подвижных лопаток ротора/рабочих лопаток, установленных обычным образом. Неподвижные направляющие лопатки или лопатки компрессора могут быть фиксированными или могут иметь изменяемую геометрию для улучшения воздушного потока к расположенным дальше по потоку подвижным лопаткам ротора или лопаткам компрессора. Каждая турбина 28, 30 содержит аксиальную последовательность неподвижных направляющих лопаток и подвижных лопаток, установленных посредством дисков, расположенных и функционирующих обычным образом.
При эксплуатации воздух 32 всасывается в двигатель 10 через воздухозаборник 12 и в компрессор 14, в котором последовательные ступени из неподвижных лопаток и подвижных лопаток обеспечивают сжатие воздуха перед подачей сжатого воздуха в систему 16 сжигания топлива. В камере 37 сгорания системы 16 сжигания топлива смесь сжатого воздуха и топлива воспламеняется. Образующийся в результате поток горячих рабочих газов направляется в турбину 28 высокого давления, расширяется и приводит в действие турбину 28 высокого давления, которая, в свою очередь, обеспечивает приведение в действие компрессора 14 посредством первого вала 22. После прохода через турбину 28 высокого давления поток горячих рабочих газов направляется в турбину 30 низкого давления, которая обеспечивает приведение в действие нагрузки 29 посредством второго вала 24.
Турбина 30 низкого давления также может быть названа силовой турбиной, и второй вал 24 также может быть назван валом привода. Нагрузка 29, как правило, представляет собой электрическую машину, предназначенную для выработки электроэнергии, или механическую машину, такую как насос или технологический компрессор. Другие известные нагрузки могут приводиться в действие посредством турбины низкого давления. Топливо может находиться в газообразном или жидком виде.
Газотурбинный двигатель 10, показанный и описанный со ссылкой на фиг. 1, представляет собой лишь один пример из ряда газотурбинных двигателей, в которые данное изобретение может быть включено. К подобным двигателям относятся двигатели с одним, двумя и тремя валами, применяемые в морском, промышленном и авиационно-космическом секторах.
Фиг. 2 показывает увеличенный вид части секции 16 с устройствами с камерами сгорания, которая представляет собой систему сжигания топлива с низким уровнем выбросов сухих газов и предназначена для минимизации выбросов оксидов азота, моноксида углерода и несгоревших углеводородов в атмосферу. Показано только одно из кольцевого ряда устройств 36 с камерами сгорания. Устройство 36 с камерой сгорания содержит наружный кожух 38, окружающий камеру 40 сгорания, внутри которой удерживается пламя. Устройство 36 с камерой сгорания дополнительно содержит горелку 42 обычной конструкции. Например, типовая конструкция горелки описана со ссылкой на GB24531 14B на имя Заявителя по данной заявке и ее описание включено в данный документ.
Горелка 42 содержит запальную газовую горелку 46, основную газовую горелку 47, запальную жидкостную горелку 49, основную жидкостную горелку 48 и завихритель 41. В данном варианте осуществления запальная жидкостная горелка 49 выполнена в виде пики/запальника. Термин «модульная система 45 жидкотопливных горелок» используется для описания запальной и основной жидкостных горелок 48, 49.
Сжатый воздух (стрелка А) из компрессора проходит между наружным кожухом 38 и камерой 40 сгорания и поступает в завихритель 41, в котором топливо смешивается с ним. Горелка 42 может быть названа горелкой, работающей на двух видах топлива, поскольку она выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность подачи и нагнетания как газообразного, так и жидкого топлива в камеру 37 сгорания. Газообразное и жидкое топливо подают по системе трубопроводов и коллекторов, как описано ниже. Как можно видеть в GB24531 14B, в горелке 42 образованы отверстия или каналы (10) для распыления жидкого топлива и отверстия или каналы (18) для газообразного топлива для запальной горелки, которые дублируются в основной горелке. Обеспечивается принудительное завихрение сжатого воздуха и он является турбулентным, что способствует распылению и смешиванию топлива. В случае жидкого топлива струя распыленного жидкого топлива дополнительно подвергается испарению за счет турбулентности. Воспламенитель 43 создает искру для воспламенения воздушно-топливной смеси. Термопара 43 обеспечивает измерение температуры на торцевой поверхности 39 горелки.
Описываемая в данном документе система, работающая на двух видах топлива, является модульной, то есть горелка 42 или компоненты горелки 42 являются сменными. Запальная и основная газовые горелки 46 и 47 выполнены с возможностью использования при нагрузке от 0% до 100% допустимой нагрузки. Каждая основная жидкостная горелка 48 предназначена для работы в определенном диапазоне нагрузок, и диапазон для каждой жидкостной горелки предпочтительно перекрывается с диапазоном по меньшей мере одной другой горелки. В данном приведенном в качестве примера варианте осуществления три основные жидкостные горелки 48 являются взаимозаменяемыми друг с другом и спроектированы с соответствующими рабочими диапазонами - 10%÷25%, 20%÷80% и 70%÷100%. Каждая из трех основных жидкостных горелок 48 имеет распылительные отверстия или каналы для жидкого топлива, которые имеют разные размеры и размеры которых соответствуют рабочему диапазону выходной мощности, и, как правило, размер отверстий или их площадь сечения для прохода потока жидкого топлива увеличиваются при увеличений диапазона рабочих нагрузок. Запальная жидкостная горелка 49 также является независимо взаимозаменяемой/сменной, и способность жидкостного запальника или запальной жидкостной горелки пропускать топливо может быть задана дополняющей по отношению к основной жидкостной горелке 48.
Диапазоны выходной мощности для основных жидкостных горелок 48 составляют 10%÷25%, 20%÷80% и 70%÷100% (включительно) и могут быть описаны как диапазоны соответственно низкой, средней и высокой выходной мощности. Тем не менее, следует понимать, что данные диапазоны выходной мощности могут заметно изменяться в зависимости от эксплуатационных характеристик газотурбинного двигателя, основных эксплуатационных характеристик объекта, типа нагрузки и соображений, связанных с загрязнением окружающей среды. Не требуется, чтобы диапазоны выходной мощности перекрывались, например диапазоны могут быть следующими: 10%÷25%, 25%÷75% и 75%÷100%. В другом примере потребностей объекта диапазоны выходной мощности для основных жидкостных горелок 48 составляют 10%÷25% и 75%÷100% (включительно).
Если снова обратиться к фиг. 1, видно, что управление каждой модульной горелкой 42 осуществляется модулем 50 системы управления, который представляет собой часть системы 51 управления двигателем. Модуль 50 системы управления имеет настройки, специально подобранные для каждой отдельной модульной горелки 42. Каждая горелка 42 снабжается жидким топливом посредством системы 53 подачи жидкого топлива, включающей в себя насос 52, топливный коллектор 54 и отдельные питающие трубы 56, ведущие к горелке 42. Газообразное топливо подается в горелку 42 посредством системы 55 подачи газообразного топлива, включающей в себя источник газообразного топлива под давлением, регулируемые клапаны (непоказанные), газовый коллектор 58 и отдельные трубы 59 для подачи газа, также соединенные с горелкой 42.
Как показано на фиг. 3, газотурбинный двигатель имеет рабочий интервал 60, представленный выходной мощностью в мегаваттах по оси y 62 и температурой воздуха в воздухозаборнике (12) в градусах Цельсия по оси x 64. В данном приведенном в качестве примера варианте осуществления температура воздуха в воздухозаборнике представляет собой температуру окружающей среды; тем не менее, нагревательные или охлаждающие устройства могут быть использования для регулирования температуры окружающего воздуха до желательной температуры воздуха в воздухозаборнике.
Предельные значения выходной мощности в рабочем интервале 60 зависят от температуры газа на входе/в воздухозаборнике и включают верхний предел 66 и нижний предел 68. Верхний предел 66 выходной мощности ограничен давлением топлива в топливном коллекторе 54 и достигается регулированием топливного насоса 52. Безопасное предельное рабочее давление, превышающее верхний предел, также применяется для защиты системы 51 подачи жидкого топлива от превышения давления и потенциальной неисправности. Нижний предел 68 представляет собой предельное значение, ниже которого чрезмерные или неприемлемые отложения сажи могут накапливаться внутри устройства 36 с камерой сгорания. Нижний предел 68 может соответствовать самому низкому давлению жидкого топлива, при котором достигается удовлетворительное распыление жидкого топлива и/или смешивание и/или «размещение» распыленного топлива и воздуха является адекватным для предотвращения значительных отложений сажи в устройстве с камерой сгорания. Нижний предел 68 может базироваться на любом одном или более факторах, таких как отношение моментов количества движения топлива и воздуха, проникновение топлива в воздушный поток или размер капель топлива (например, средний диаметр по Sauter). Нижний предел 68 также может быть найден эмпирически.
Верхний рабочий интервал 60 может быть увеличен до большего предела 61 посредством увеличения потока жидкого топлива через жидкостную запальную горелку 44. Существует возможность увеличения потока топлива через запальную горелку до 100%, но возникнут другие последствия, связанные с эксплуатацией двигателя, такие как увеличенные выбросы и повышенные температуры в камере 40 сгорания. Вместо этого предпочтительно оптимизировать поток топлива через запальную горелку для диапазона нагрузок, используемого для ограничения выбросов и температур. Типовым примером этого будет увеличение потока жидкого топлива через запальную горелку на 20%. При приблизительно 3 МВт это будет означать увеличение достигаемой мощности на 15%, как показано линией 61 на фиг. 2.
Модуль 50 системы управления включает в себя программное обеспечение, имеющее подпрограмму, которая обеспечивает задание максимального достижимого потока топлива для верхнего предела 66 рабочего интервала и, следовательно, давления топлива для любой заданной мощности жидкостной горелки. В дополнение к этому модуль 50 системы управления включает в себя подпрограмму с рабочими пределами для предотвращения повреждения или сокращения срока службы насоса 52. Срок службы насоса 52 уменьшается в большей степени, если он работает при давлении, более близком к его максимальному рабочему давлению подачи. Желательно, чтобы насос 52 мог работать в течение короткого периода при подаче, соответствующей его максимальной подаче, для того чтобы у операторов было время для снижения потребной выходной мощности до более безопасного и более низкого рабочего предела. В ситуациях, когда в основе работы модуля 50 системы управления лежит нерегулирование давления топлива, работа ограничивается воздействием на такой параметр, как выходная мощность. Однако, как можно видеть на фиг. 3, максимальный рабочий предел для двигателя в диапазоне выходной мощности будет значительно уменьшен в условиях более высоких температур окружающей среды, если работа ограничена воздействием на такой фактор, как выходная мощность.
Параметры, отличные от выходной мощности, могут быть использованы для ограничения эксплуатации. Например, в случае повреждения или износа компонента двигателя безопасная эксплуатация может продолжаться до регламентного технического обслуживания с учетом потребной мощности объекта, мощности электрической системы, предусмотренной за генератором, или доступности заменяемого компонента-заменителя. В этом случае другие параметры включают давление на выходе компрессора, температуру отходящих газов или давление подаваемого газообразного топлива.
Обычное управление работой двигателя ограничено регулированием или температуры на входе в турбину (ТЕТ - Turbine Entry Temperature), или частоты вращения ротора газогенератора для предотвращения чрезмерных температур или напряжений, действующих на компоненты турбины. В том случае, если любое из двух данных предельных значений будет превышено, система управления двигателем обеспечит уменьшение ввода топлива для восстановления работы при параметрах ниже данных пределов.
Для горелок 42, спроектированных с нижним и средним рабочими диапазонами 10%÷25% и 20%÷80%, давление в жидкостном коллекторе достигнет максимального доступного давления топлива, создаваемого насосом 52 (также вызывающего уменьшение срока службы насоса), до того как двигатель достигнет предельной температуры на входе в турбину или предельной частоты вращения ротора газогенератора. Предельная температура на входе в турбину в системе управления задана для нормальной эксплуатации при полной нагрузке и имеет разные уставки для работы на газообразном и жидком топливе. Система управления включает в себя программу, которая обеспечивает искусственное снижение или изменение предельной температуры на входе в турбину для предотвращения превышения предельного давления в топливном коллекторе. Это обеспечивает возможность достижения максимальной возможной выходной мощности двигателя, поскольку максимальная мощность, доступная при данном давлении топлива, зависит от температуры на входе/в воздухозаборнике. Данная уменьшенная предельная температура на входе в турбину также может быть названа измененной предельной температурой на входе в турбину.
Модуль 50 системы управления обеспечивает снижение измененной предельной температуры на входе в турбину, когда давление в жидкотопливном коллекторе является высоким, и будет затем регулировать измененную предельную температуру на входе в турбину для ограничения давления в топливном коллекторе. При этом он обеспечивает увеличение измененной предельной температуры на входе в турбину, когда давление в жидкотопливном коллекторе ниже предельного значения вследствие того, что потребная выходная мощность ниже максимально допустимой. Это обеспечивает возможность достижения максимальной выходной мощности при любой заданной температуре газа в воздухозаборнике вместо того, чтобы иметь единственный и определенный предел выходной мощности. Это также является предпочтительным, когда газотурбинный двигатель обеспечивает приведение в действие механического привода, а не электрического генератора.
В ситуации, когда газотурбинный двигатель обеспечивает приведение в действие механического привода (29), или в том случае, когда он соединен с электрической сетью (29), уставки температуры на входе в турбину или уставки частоты вращения ротора газогенератора имеют другие значения по сравнению с его работой в изолированном режиме, подобном описанному выше. В изолированном режиме газотурбинный двигатель 10 вырабатывает всю мощность для заданного объекта и, следовательно, не имеет управления потребной нагрузкой. В обоих случаях будет иметь место безопасный уровень эксплуатационных параметров, который предназначен для предотвращения превышения предельного давления, создаваемого топливным насосом 52, которое отрицательно влияет на срок его службы, и предельного остаточного давления, которое имеет место там, где поток начинает расслаиваться в топливном насосе 52. Расслоение потока топлива в топливном насосе оказывает особенно отрицательное воздействие на долговечность топливного насоса и, следовательно, на подачу топлива в газотурбинный двигатель. Отказ топливного насоса приведет к прекращению работы газотурбинного двигателя и, следовательно, к прекращению выработки электроэнергии.
Для механического привода или электрического генератора, соединенного с электрораспределительной сетью, которые соединены с газотурбинным двигателем, газотурбинный двигатель может работать во всем диапазоне до измененной предельной температуры на входе в турбину, и при этом обеспечивается изменение выходной мощности так, чтобы она соответствовала данной измененной предельной температуре на входе в турбину.
В данном случае система управления будет выдавать два сообщения по состоянию двигателя:
1) двигатель приближается к предельной температуре на входе в турбину, заданной для двигателя (это предупреждает оператора о том, что невозможно допустить никакую дополнительную нагрузку со стороны объекта), и
2) двигатель работает при предельной температуре на входе в турбину (на основе давления топлива).
При эксплуатации в изолированном режиме, когда невозможно регулировать потребную выходную мощность, система управления выдает три сообщения по состоянию двигателя:
1) двигатель приближается к предельной температуре на входе в турбину (это предупреждает оператора о том, что невозможно допустить никакую дополнительную нагрузку со стороны объекта);
2) двигатель превысил предельную температуру на входе в турбину, и потребная мощность должна быть уменьшена (это имеет место, когда уровень эксплуатации, безопасный с точки зрения поддержания срока службы насоса, был немного превышен, но не достиг максимального допустимого давления) и
3) двигатель работает при предельной температуре на входе в турбину.
При изолированном режиме состояние 2) предназначено для обеспечения возможности короткого времени работы при значении параметра, превышающем предельное, как правило, это короткое время может составлять до одного часа и предпочтительно до 10 минут. Время работы при значении параметра, превышающем предельное, будет «базироваться» на алгоритме обратной зависимости времени, при котором чем больше превышение предельного значения, тем меньшее время можно будет работать при значении параметра, превышающем предельное, то есть в наличии будет меньше времени для снижения потребной нагрузки. Это позволит оператору газотурбинного двигателя снизить нагрузку, требуемую со стороны объекта. Некоторые короткие промежутки времени работы при более высоких давлениях не должны оказывать отрицательного воздействия на эксплуатационный срок службы насоса; таким образом, предотвращается автоматическое ограничение мощности, доступной для объекта, которое нежелательно. Тем не менее, после истечения заданного короткого промежутка времени или при превышении максимального предельного давления эффективная мощность газотурбинного двигателя обеспечит начало регулирования выходной мощности на основе предельной температуры на входе в турбину и, следовательно, ограничение доступной мощности. Это вызовет уменьшение частоты вращения вала, и система управления электроснабжением в этом случае должна обнаружить, что эффективная мощность газотурбинного двигателя регулируется (на основе предельной температуры на входе в турбину), и начать снижать потребную нагрузку.
Система 52 управления выполнена с возможностью преодоления проблемы изменения типа топлива, то есть переключения с работы на газообразном топливе на работу на жидком топливе и наоборот. В случае газотурбинных двигателей, используемых в изолированном режиме, для привода механической нагрузки и выдачи энергии в сеть, когда они работают на газообразном топливе и поступает запрос на переключение на работу на жидком топливе (например, дизельном), сначала отсутствует поток жидкого топлива, так что система управления не сможет задать предельную температуру на входе в турбину в соответствии с давлением жидкого топлива. Как правило, рабочая мощность при работе на газообразном топливе перед переключением на жидкое топливо может быть более высокой по сравнению с мощностью жидкостной горелки более низкого рабочего диапазона, так что нагрузка должна быть уменьшена до попыток изменить топливо. Таким образом, переключение на жидкое топливо предотвращается посредством программного обеспечения системы 51 управления, если оно прогнозирует то, что максимальное давление топлива для данной мощности будет выше предельного давления жидкого топлива, до тех пор, пока нагрузка не будет уменьшена до значений ниже прогнозируемого уровня.
Управляющее программное обеспечение обеспечивает вычисление данного уровня на основе знаний о характеристиках жидкостной горелки (Flow Number), предельном давлении на выходе топливного насоса и заданных характеристиках двигателя следующим образом:
Номинальная характеристика Flow Number горелки может быть определена оператором при установке горелок или может быть оценена на основе начальной стадии работы двигателя на жидком топливе путем соотнесения потока топлива с давлением в горелке.
Исходя из Flow Number и предельного давления топлива, рассчитывают максимальный поток топлива. Он преобразуется в максимальную величину энергии (кВт), которая может быть получена из данного топлива.
Данную величину энергии используют для расчета доступной выходной мощности, получаемой от двигателя при данной величине энергии от топлива. Данная мощность, рассчитанная исходя из характеристик двигателя, представляет собой максимально возможную мощность двигателя, работающего на жидком топливе посредством горелок.
Выходная мощность двигателя должна быть уменьшена до данного уровня или ниже (для обеспечения запаса с учетом неопределенности) перед началом переключения с газообразного на жидкое топливо.
На фиг. 4, когда давление в основном жидкотопливном коллекторе исходно превышает уставку, ПИД1 (пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор) включается на основе разности рассчитанной температуры на входе в турбину и уставки предельной температуры, так что регулятор предельной температуры на входе в турбину будет «брать управление на себя». Затем ПИД1 осуществит регулирование смещения, подаваемого к ПИД-регулятору температуры на входе в турбину (ПИД2), так что регулятор температуры на входе в турбину ограничит потребность в топливе до тех пор, пока нагрузка не приведет к давлению топлива ниже максимального предела.
Фиг. 5 представляет собой логическую схему последовательности операций для системы управления, предназначенную для демонстрации того, как применяется измененная предельная температура на входе в турбину наряду с соответствующей передачей сообщений. Следует понимать, что данная часть системы управления не требует знаний о мощности определенной жидкотопливной горелки. Данная логика работает непрерывно во время работы на жидком топливе.
Логика 80 системы управления требует ввода данных для определения того, работает ли газотурбинный двигатель в изолированном режиме (или режиме приведения в действие механического привода или подачи энергии в сеть). Если выбран изолированный режим (ДА), то по мере увеличения потребности (что вызывает повышение давления в топливном коллекторе) будет осуществляться индикация предупреждения 86, указывающего на то, что давление в коллекторе близко к его пределу. В данном случае оператор может уменьшить потребность со стороны объекта. Если потребность увеличивается до значений, вызывающих превышение номинального предельного давления 90, или до номинального предельного давления 90 (ДА), то будет осуществлена индикация предупреждения 92. Для защиты насоса 52 от существенного повреждения применяется обратная зависимость времени от предельного давления, связанная с уровнем выходной мощности, превышающим номинальный или расчетный максимальный, и рассчитывается 94 предельное время работы в условиях перегрузки. Если имеет место чрезмерная продолжительность работы при давлении, превышающем предельное давление, 96 (ДА), то система управления применяет измененную задаваемую предельную температуру на входе в турбину при номинальном предельном давлении 98 и осуществляет индикацию того, что выходная мощность газотурбинного двигателя ограничивается 100. В альтернативном случае, если отсутствует чрезмерная продолжительность работы при давлении, превышающем предельное давление, 96 (НЕТ), то система управления осуществляет мониторинг того, превышено ли максимальное давление в топливном коллекторе или оно находится на уровне высокого предельного давления 106.
Если давление в топливном коллекторе превышено или находится на уровне высокого предельного давления 106 (ДА), то применяется измененная задаваемая предельная температура на входе в турбину при высоком предельном давлении в топливном коллекторе, и осуществляется индикация 104 предупреждения о том, что выходная мощность двигателя ограничивается до высокого предельного давления в топливном коллекторе. После этого прогон программы системы управления заканчивается 118.
Когда газотурбинный двигатель не находится в изолированном режиме 82 (НЕТ), например двигатель обеспечивает приведение в действие механической системы или соединен с электрической сетью, система управления осуществляет мониторинг давления, и если оно близко к предельному давлению (ДА), то осуществляется индикация 110 предупреждения. Система управления выполняет мониторинг того, находится ли давление на уровне предельного давления или превысило предельное давление 112. После этого прогон программы системы управления заканчивается 118. Однако если давление находится на уровне предельного давления или превысило предельное давление (ДА), то система управления применяет измененную задаваемую предельную температуру на входе в турбину при номинальном предельном давлении 114 и выдает сообщение о том, что выходная мощность газотурбинного двигателя регулируется и ограничивается 116. После этого прогон программы системы управления заканчивается 118.