СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОРЕЖИМНЫМ МНОГОТОПЛИВНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
MULIMODE MULTIFUEL ENGINE CONTROL METHOD

Предлагаемое изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в системах управления многорежимными многотопливными газотурбинными двигателями, применяемыми в составе стационарных и передвижных энергетических, судовых и транспортных силовых установок.
Многорежимный двигатель - это двигатель, работающий на различных режимах, на любом установившемся режиме работы двигателя от холостого хода до максимального и на любом переходном режиме работы двигателя от режима запуска до максимального.
Многотопливный двигатель - работающий на смеси неограниченного числа жидких и газообразных топлив в любом сочетании, таких как дизельное топливо, синтетическое топливо, природный газ и т.д.
Известен способ управления двухтопливным дизельным двигателем, применяемым на судах-газовозах, при котором запускают и останавливают двигатель на жидком топливе. Двигатель разгоняют до частоты вращения около 60% от номинального значения и, после того, как электронная система управления зафиксирует вспышки во всех цилиндрах, начинают плавное увеличение подачи в цилиндры газового топлива, достаточного для выхода на номинальную частоту вращения. Перевод двигателя с одного вида топлива на другой осуществляют при нагрузках не более 80% от номинала, путем постепенного увеличения (снижения) количества подаваемого газового топлива (Гильмияров Е.Б., Цветков В.В. Специализированные судовые энергетические установки. Вестник МГТУ, т. 10, №4, 2007).
Недостатками этого способа являются: пуск и останов двигателя выполняются только при работе на жидком топливе; смена жидкого топлива газообразным топливом невозможна при частоте вращения ниже 60% от номинального значения и при нагрузке более 80% номинального значения; работа двигателя на газообразном топливе невозможна при прекращении подачи жидкого топлива; невозможна работа двигателя одновременно на нескольких (более двух) топлив.
Известен способ управления двухтопливным дизельным двигателем, при котором выбирают сменяемое и сменяющее топлива, регулируемый параметр и закон управления двигателем, запуск двигателя выполняют на сменяемом топливе, выполняют смену топлив на любом установившемся режиме работы двигателя от холостого хода до максимального, уменьшают расход сменяемого топлива и одновременно увеличивают расход сменяющего топлива таким образом, чтобы значение регулируемого параметра оставалась неизменным (описание изобретения к патенту RU №2468231, МПК F02D 19/08, заявл. 18.09.2008, опубл. 27.11.2012. Бюл. №33).
Способ реализуется с помощью системы управления, обеспечивающей работу дизельного двухтопливного двигателя во множестве различных режимов, включающих в себя первый режим, в котором в двигатель подается только сменяемое топливо, и второй режим, в котором в двигатель подается полностью только сменяющее топливо или смесь из сменяемого и сменяющего топлив
Недостатками данного способа являются: запуск двигателя на газообразном топливе возможен только при наличии дизельного топлива, которое используется для воспламенения газообразного топлива; невозможность работы одновременно на нескольких (более двух) топлив; регулирование расходов топлив осуществляется на основе широтно-импульсной модуляции, что в совокупности с отсутствием учета изменения энергии сгорания топлив, приведенных к условиям эксплуатации двигателя, не обеспечивает необходимую точность поддержания заданного режима, в том числе при «сбросе/набросе» нагрузки в процессе смены топлив; отсутствие автоматического выбора закона управления двигателем, регулируемого параметра и его оптимального значения, в том числе при работе двигателя на переходных режимах; отсутствие алгоритма защиты двигателя на всех режимах его работы и при аварийных ситуациях в топливных системах жидкого и газообразного топлив.
Наиболее близким к предлагаемому является способ управления многорежимным двухтопливным двигателем, при котором выбирают типы топлив, регулируемый параметр и закон управления двигателем, выполняют запуск и работу двигателя, измеряют регулируемый параметр, на установившихся режимах работы двигателя выполняют смену топлив, при этом обеспечивают соответствие суммарного расхода топлив значению регулируемого параметра (описание изобретения к патенту РФ №2500911, МПК F02C 9/26, опубл. 10.12.2013. Бюл. №34).
При данном способе управления расходом топлива в двухтопливную камеру сгорания судовой газотурбинной установки переход с одного топлива на другое выполняют по команде оператора, фиксируют значение частоты вращения турбокомпрессора в момент получения команды, уменьшают расход первого топлива по линейному закону с наперед заданным темпом, одновременно увеличивают расход второго топлива таким образом, чтобы частота вращения турбокомпрессора оставалась неизменной.
Недостатками данного способа являются: невозможность работы двигателя на смеси более двух топлив, что ограничивает область применения двигателя; использование линейного закона уменьшения расхода сменяемого топлива усложняет систему управления двигателем при применении дозаторов топлив с нелинейными регулировочными характеристиками.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение эксплуатационной надежности работы газотурбинного двигателя за счет его работы на смеси, по меньшей мере, двух топлив, контроля запасов топлив, возможности смены топлив не только на установившихся, но и на переходных режимах работы двигателя и корректировки суммарного расхода топлив по пропорционально-интегрально-дифференциальному закону регулирования. Дополнительным техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности управления многотопливным газотурбинным двигателем на любом установившемся и переходном режимах его работы за счет исключения простоев при смене топлива.
Технический результат достигается тем, что в способе управления многорежимным многотопливным двигателем, при котором выбирают типы топлив, регулируемый параметр и закон управления двигателем, выполняют запуск и работу двигателя, измеряют регулируемый параметр, на установившихся режимах работы двигателя выполняют смену топлив, при этом обеспечивают соответствие суммарного расхода топлив значению регулируемого параметра, в отличие от известного, выбирают, по меньшей мере, три типа топлив и вводят в программное обеспечение системы управления двигателем значения их теплотворных способностей, регулируемый параметр и закон управления двигателем выбирают в зависимости от назначения силовой установки, в состав которой он входит, запуск и работу двигателя выполняют на смеси, по меньшей мере, двух топлив, контролируют запасы топлив, при этом смену топлив дополнительно выполняют и на переходных режимах работы двигателя, а соответствие суммарного расхода топлив заданному или фактическому значению регулируемого параметра обеспечивают его корректировкой по пропорционально-интегрально-дифференциальному закону регулирования с учетом значений удельной теплоты сгорания выбранных топлив.
Соответствие суммарного расхода топлив заданному или фактическому значению регулируемого параметра может обеспечиваться его корректировкой по формуле:
1
2
3
i
1
2
3
i
1
2
3
i
где δ, δ, δ, … δ - коэффициенты расхода топлив, задаваемых оператором с пульта управления при условии δ+δ+δ+…+δ=1 или устанавливаемых блоком управления автоматически, например, δ=δ=δ=…=δ=1/i;
i
Hu - значения удельной теплоты сгорания используемых топлив, Дж/кг;
1
1
j
2
j
3
j
1
j
ΔG=(kΔx+kΔx/dτ+k∫Δxdτ) - корректирующее воздействие на расход топлива G, обеспечивающее требуемую точность поддержания выбранного регулируемого параметра x;
1
2
3
k, k, k - коэффициенты усиления пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих закона пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования, соответственно;
j
j
j
1
Δx=x(τ+Δτ)-x(τ) - рассогласование между текущим и заданным значением регулируемого параметра за шаг регулирования расхода топлива G;
Δτ - шаг регулирования (для цифровых систем);
- приведенные к условиям эксплуатации расходы топлив;
(1…i)Ф
G - физические расходы топлив;
Н
ВХ
р и Т - давление и температура воздуха на входе в двигатель.
Выбор топлив, регулируемого параметра, закона управления двигателем и смену топлив выполняют в автоматическом или автоматизированном режимах.
При работе двигателя на смеси газообразных и жидких топлив одновременно изменяют соотношение расходов топлив таким образом, чтобы обеспечить минимальные значения вредных выбросов выхлопных газов при одновременном поддержании заданного режима работы двигателя регулированием суммарного расхода топлив.
На чертеже изображена схема системы управления многорежимным многотопливным двигателем, реализующая предлагаемый способ.
Способ осуществляют следующим образом.
Выбирают, по меньшей мере, три типа топлив. В качестве топлив применяют, например, природный газ, попутный газ, метан, этанол, метанол, водород, дизельное топливо, бензин, керосин, синтетическое топливо и т.п., в любом сочетании.
i
Вводят в программное обеспечение системы управления двигателем значения удельной теплоты сгорания выбранных топлив Hu, Дж/кг, регламентированные технической документацией на топлива.
j
Выбирают регулируемый параметр и закон управления двигателем в зависимости от назначения силовой установки, в состав которой он входит. В качестве параметра регулирования x могут быть использованы: частота вращения ротора турбокомпрессора; частота вращения ротора свободной турбины; температура выхлопных газов; мощность; КПД; концентрация вредных выбросов в выхлопных газах и др. Регулируемый параметр и закон управления двигателем выбирают в зависимости от заданного назначения силовой установки, в состав которой он входит.
1
j
Вводят в программное обеспечение блока управления двигателем типовую зависимость значения расхода одного из топлив, выбранного в качестве «первого» G, кг/ч, необходимого для обеспечения значений регулируемого параметра x:
1
j
G=f(x),
где j - простое натуральное число, соответствующее выбранному параметру регулирования.
Выполняют запуск двигателя. Работу двигателя выполняют на смеси, по меньшей мере, двух топлив. Измеряют регулируемый параметр и обеспечивают соответствие суммарного расхода топлив значению регулируемого параметра. Контролируют запасы топлив.
При невозможности работы двигателя на каком-либо из используемых топлив подают команду на смену топлив, которую выполняют на любых установившихся и переходных режимах работы двигателя. При этом обеспечивают соответствие суммарного расхода топлив заданному или фактическому значению регулируемого параметра его корректировкой по пропорционально-интегрально-дифференциальному закону регулирования с учетом значений удельной теплоты сгорания выбранных топлив.
Система управления двигателем поддерживает суммарный расход топлив  таким образом, чтобы выполнялось равенство:
1
2
3
i
1
2
3
i
1
2
3
i
где δ, δ, δ, … δ - коэффициенты расхода топлив, задаваемых оператором с пульта управления при условии δ+δ+δ+…+δ=1 или устанавливаемых блоком управления автоматически, например, δ=δ=δ=…=δ=1/i;
i
Hu - значения удельной теплоты сгорания используемых топлив, Дж/кг;
1
1
j
2
j
3
j
1
j
ΔG=(kΔx+kΔx/dτ+k∫Δxdτ) - корректирующее воздействие на расход топлива G, обеспечивающее требуемую точность поддержания выбранного регулируемого параметра x;
1
2
3
k, k, k - коэффициенты усиления пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих закона пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования, соответственно;
j
j
j
1
Δx=x(τ+Δτ)-x(τ) - рассогласование между текущим и заданным значением регулируемого параметра за шаг регулирования расхода топлива G;
Δτ - шаг регулирования (для цифровых систем);
- приведенные к условиям эксплуатации расходы топлив;
(1…i)Ф
G - физические расходы топлив;
Н
ВХ
р и Т - давление и температура воздуха на входе в двигатель.
Если средства встроенного контроля системы управления двигателем диагностируют невозможность продолжения работы на каком-либо одном или нескольких из выбранных топлив, то блок управления выдает команды на прекращение их подачи в камеру сгорания и выполняет пересчет соответствующих коэффициентов δ в равенстве (1). При этом блок управления выполняет ПИД - регулирование расхода топлива, ранее выбранного или вновь выбранного в качестве «первого».
x
х
x
х
х
х
x
x
Если в качестве параметра регулирования выбрано значение вредных выбросов выхлопных газов NO или СО, то система управления двигателем одновременно изменяет соотношение расходов топлив таким образом, чтобы обеспечить минимальное значение выбранного параметра NO или СО при одновременном поддержании заданного режима работы двигателя регулированием суммарного расхода топлив в соответствии с равенством (1). Например, если двигатель работает на жидком топливе или на смеси жидких топлив и концентрация СО превышает заданное значение, система управления двигателем уменьшает расход жидких топлив до тех пор, пока концентрация СО не уменьшится до заданного значения и одновременно включает подачу газообразного топлива или смеси газообразных топлив, поддерживая заданный режим работы двигателя. Если двигатель работает на газообразном топливе или на смеси газообразных топлив и концентрация NO превышает заданное значение, система управления двигателем уменьшает расход газообразных топлив до тех пор, пока концентрация NO не уменьшится до заданного значения, и одновременно включает подачу жидкого топлива или смеси жидких топлив, поддерживая заданный режим работы двигателя.
Для осуществления способа предложена система управления многорежимным многотопливным двигателе (чертеж).
Для управления двигателем 1 используют самонастраивающийся блок управления 2, взаимодействующий по каналу 3 информационного обмена с пультом 4 автоматизированного управления двигателем и по каналу 5 информационного обмена с системой управления 6 объектом применения двигателя.
Математические и программные средства блока управления 2, пульта 4 и системы управления объектом 6 обеспечивают управление двигателем 1 при его работе как на одном топливе, так и на смеси топлив, встроенный контроль и диагностирование, автоматическую или автоматизированную смену топлив.
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
Подачу i топлив, где - i простое натуральное число, к дозаторам 7 топлив осуществляют через клапаны 8 при наличии командных сигналов от блока управления 2 на открытие данных клапанов и получения информации об их открытии по линиям связи 9. Дозирование расходов подаваемых топлив G через форсунки 10 в камеру сгорания 11 выполняют дозаторы 7 по командным сигналам от блока управления 2 и сигналам обратной связи по линиям связи 12. Для расчета блоком управления 2 приведенных расходов топлив G применяют датчики температуры 13 и датчики 14 давления.
i
i
Для измерения давления i топлив перед форсунками 10 применены датчики 15 давления. Для измерения давления в камере сгорания 11 применен датчик 16 давления. Блок управления 2 вычисляет перепад давления топлива на каждой форсунке, как разность давления в камере сгорания и давления перед форсункой.
х
x
Система управления двигателем также включает в свой состав датчик 17 частоты вращения турбокомпрессора, датчик 18 частоты вращения свободной турбины; датчик 19 температуры выхлопных газов; датчики 20 уровня жидких топлив в топливных баках, датчики 21 концентрации СО и NO на выходе из двигателя; датчик 22 температуры воздуха на входе в двигатель; датчик 23 давления воздуха на входе в двигатель. В зависимости от типа и назначения двигателя номенклатура и количество датчиков могут варьироваться.
Пример осуществления способа
Способ был реализован на многорежимном газотурбинном двигателе морского исполнения мощностью 8 МВт, предназначенном для работы в составе судовой силовой установки в качестве привода гребного винта или в качестве привода турбогенератора. На всех установившихся и переходных режимах работы двигателя, при любых соотношениях расходов топлив точность параметров регулирования обеспечивали дозированием расходов топлив с учетом значений их удельной теплоты сгорания и корректировкой их расходов по закону ПИД-регулирования.
1
2
В качестве топлив использовали газ природный по ГОСТ 5542-87, топливо дизельное ЕВРО по ГОСТ Р 52368-2005, топливо дизельное Л-0,2-62 по ГОСТ 305-82, топливо дизельное З-0,2- минус 35 по ГОСТ 305-82 и топливо дизельное З-0,2- минус 45 по ГОСТ 305-82, значения удельной теплоты сгорания которых, Hu=50000 Дж/кг и Hu=42800 Дж/кг, были введены в программное обеспечение блока управления двигателем.
1
2
1
2
Коэффициенты расхода газа природного δ и топлива дизельного δ задавались оператором с пульта управления в пределах от 0 до 1 при условии δ+δ=1.
1
2
Для проверки эффективности работы ПИД-регулятора значения Hu и Hu независимо изменялись по командам с пульта управления двигателем в пределах ±50% от значений, первоначально введенных в программное обеспечение блока управления двигателем.
В качестве параметра регулирования была выбрана частота вращения ротора свободной турбины.
Предложенный способ управления двигателем обеспечил устойчивую бесперебойную работу многотопливного многорежимного двигателя на всех рабочих режимах.
Погрешность регулирования параметров двигателя не превысила 0,25% от заданного значения на всех установившихся и переходных режимах его работы, время стабилизации режима при смене топлив не превысило 10 с.