Газотурбинная электростанция и способ управления
GAS TURBINE POWER PLANT AND CONTROL METHOD

Изобретение относится к области энергетики, а именно к I газотурбинным электростанциям с несколькими газотурбинными установками и способам их управления.
Известен способ управления Газотурбинной электростанцией (патент РФ №2416730 С1, опубл. 20.04.2011), заключающийся в том, что измеряют частоту вращения свободной турбины, сравнивают заданное и измеренное значения частоты вращения свободной турбины, в зависимости от рассогласования между заданным и измеренным значениями частоты вращения свободной турбины управляют расходом топлива в камеру сгорания газотурбинной установки (ГТУ), электрогенератор (ЭГ) включают после выхода ГТУ на режим холостого хода, при этом дополнительно до выполнения синхронизации ЭГ с сетью неограниченной мощности до включения ЭГ на параллельную работу увеличивают уставку частоты вращения свободной турбины до тех пор, пока частота напряжения, генерируемого ЭГ, не станет выше частоты напряжения сети на величину, превышающую допуск по частоте автосинхронизатора.
Известен способ управления двухдвигательной силовой установкой (патент РФ 2365774 С2, опубл. 27.08.2009), выбранная в качестве наиболее близкого аналога, заключающийся в том, что измеряют положение рычага (РУД) управления первым двигателем и параметры первого двигателя, в зависимости от положения РУД и значения параметров первого двигателя,  формируют управляющее воздействие и осуществляют управление первым двигателем с помощью электронного регулятора (ЭР) первого двигателя, измеряют положение РУД вторым двигателем и параметры второго двигателя, в зависимости от положения РУД и значения параметров второго двигателя формируют управляющее воздействие и осуществляют управление вторым двигателем с помощью ЭР второго двигателя, отличающийся тем, что дополнительно в ЭР первого двигателя измеряют положение рычага (РУД) управления вторым двигателем и параметры второго двигателя, в зависимости от положения РУД и значения параметров второго двигателя формируют управляющее воздействие для второго двигателя, в ЭР второго двигателя измеряют положение рычага (РУД) управления первым двигателем и параметры первого двигателя, в зависимости от положения РУД и значения | параметров первого двигателя формируют управляющее воздействие для первого двигателя, при отказе ЭР первого двигателя и исправном ЭР второго двигателя управление обоими двигателями осуществляют с помощью ЭР второго двигателя, при отказе ЭР второго двигателя и исправном ЭР первого двигателя управление обоими двигателями осуществляют с помощью ЭР первого двигателя, при отказе ЭР первого и второго двигателей переводят управление первого и второго двигателя на резервный ГМР.
К недостаткам представленных аналогов можно отнести низкую эффективность энергетических установок на режимах частичных нагрузок и низкую скорость набора мощности.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является устранение указанных недостатков.
Технический результат заключается в повышении эффективности работы электростанции за счет обеспечения оптимального режима работы каждой газотурбинной установки.
Технический результат достигается газотурбинной электростанцией, включающей газотурбинные установки (1, 2, 3), каждая из которых состоит из Камеры (6) сгорания, устройства (9) подачи топлива в камеру (6) сгорания, Компрессора (5), турбины (7), турбогенератора (8), а каждое из устройств (9) подачи топлива и турбогенераторов (8) соединены с блоком (4) управления, выполненным с возможностью управления работой каждой газотурбинной установки (1, 2, 3), при этом по меньшей мере одна газотурбинная установка (1) включает рекуператор (10), один вход которого соединен с выходом камеры (6) сгорания и один выход которого соединен со входом турбины (7), а другой вход рекуператора (10) соединен с выходом турбины (7), кроме того электростанция включает по меньшей мере одну аккумуляторную батарею (11) и систему (12) преобразования энергии, выполненную с возможностью преобразования и передачи выработанной турбогенераторами (8) Электрической энергии во внешнюю сеть (13) и/или по меньшей мере одной аккумуляторной батарее (11).
Блок управления (4) выполнен с возможностью определения температуры Т за турбиной (7) каждой газотурбинной установки (1, 2, 3), определения мощности Ne и частоты n вращения каждого турбогенератора (8).
Турбогенераторы (8) выполнены с возможностью работы в моторном режиме для раскрутки соответствующих компрессоров (5).
Блок (4) управления соединен с по меньшей мере одной аккумуляторной батареей (11), внешней сетью (13), и с системой (13) преобразования энергии, которая выполнена с возможностью преобразования и передачи электрической энергии от по меньшей мере одной аккумуляторной батареи (11) к турбогенераторам (8).
max
Также технический результат достигается способом управления газотурбинной электростанцией, заключающимся в том, что производят запуск по меньшей мере одной газотурбинной установки (1, 2, 3), определяют температуру Т за турбиной (7) по меньшей мере одной газотурбинной установки (1, 2, 3), определяют мощность Ne и частоту вращения n по меньшей мере одного турбогенератора (8), при этом блоком (4) управления урегулируют подачу топлива в камеру (6) сгорания по меньшей мере одной газотурбинной установки (1) таким образом, чтобы обеспечивалось условие поддержания постоянной температуры Т за турбиной (7) перед рекуператором (10) и соответствующей максимально допустимой температуре T при изменении мощности Ne и частот вращения n турбогенератора (8).
max
Максимально допустимая температура T определяется исходя из условия максимально допустимой температуры для рекуператора (10).
Дополнительно производят запуск по меньшей мере второй газотурбинной установки (2 или 3), блоком (4) управления регулируют подачу топлива в камеру (6) сгорания по меньшей мере второй 1 газотурбинной установки (2 или 3) таким образом, чтобы мощность Ne и частота вращения n турбогенератора (8) и температура Т за турбиной (7) отвечали одному из условий:
max
- мощность Ne и частота вращения n турбогенератора (8) постоянны и соответствуют максимальной мощности Ne при переменной температуре Т за турбиной (7);
- мощность Ne и частота вращения n турбогенератора (8) переменны и соответствуют частичной нагрузке по меньшей мере второй газотурбинной установке (2 или 3) при переменной температуре Т за турбиной (7).
Блоком (4) управления обеспечивают поддержание заряда по меньшей мере одной аккумуляторной батареи (11) от системы преобразования энергии (12) на уровне не менее 80%.
Дополнительно определяют наличие реактивной мощности во внешней сети (13) и обеспечивают компенсацию этой реактивной мощности, изменяя фазу передаваемого во внешнюю сеть (13) тока.
Разгрузку газотурбинной электростанции осуществляют остановкой всех газотурбинных установок (2 и 3), кроме одной газотурбинной установки (1) и подключением по меньшей мере одной аккумуляторный батареи (11) и дальнейшее снижение мощности газотурбинной электростанции вплоть до ее остановки, при этом осуществляют охлаждение ротора и проточной части по меньшей мере одной турбины (7) ее прокруткой за счет энергии от по меньшей мере одной аккумуляторной батареи (11) турбогенератором (8).
На фиг. 1 показана схема газотурбинной электростанции.
На фиг. 2 показан график зависимости суммарной мощности Электростанции от нагрузки.
На фиг. 3 показан график зависимости мощности от нагрузки при прокрутке турбин для охлаждения.
На фиг. 4 показан график зависимости мощности от нагрузки по меньшей мере одной из газотурбинных установок (ГТУ 3).
На фиг. 5 показан график зависимости мощности от нагрузки для другой ГТУ.
На фиг. 6 показан график зависимости мощности от нагрузки также для одной из ГТУ, в частности, включающей рекуператор.
На представленной фиг. 1 обозначены следующие элементы. 1, 2, 3 - газотурбинные установки (ГТУ);
4 - блок управления (БУ);
5 -компрессор;
6 - камера сгорания (КС);
7 - турбина;
8 - турбогенератор;
9 - устройство подачи топлива;
10 - рекуператор;
11 - аккумуляторные батареи (АКБ);
12 - система преобразования энергии;
13 - нагрузка (внешняя сеть);
14 - соединение электрическое;
15, 16, 17, 18, 19, 20 - линии измерительно-управляющие;
Стрелками показаны направления движения сред в установке.
Газотурбинная электростанция включает несколько ГТУ (1, 2, 3), что повышает эффективность работы электростанции за счет обеспечения поддержания оптимального режима работы каждой ГТУ при переменных нагрузках. Каждая ГТУ (1, 2, 3) состоит из камеры (6) сгорания, устройства (9) подачи топлива в камеру (6) сгорания, компрессора (5), турбины (7), турбогенератора (8). Вход компрессора (5) соединен с атмосферой, а выход пневматическим каналом - со входом КС (6). Выход КС (6) соединен со входом турбины (7), которая выходом соединена с атмосферой. Турбина (7) кинематически соединена с компрессором (5) и турбогенератором (8). По меньшей мере одна из ГТУ (1) является рекуперативной ГТУ, например, ГТД - 1000 (см. https://cyberleninka.rU/article/n/vysokoeffektivnyy-gazoturbinnyy-dvigatel-moschnostyu-1-mvt/viewer). Так по меньшей мере одна ГТУ (1) включает рекуператор (10), один вход которого соединен с выходом камеры (6) сгорания и один выход которого соединен со входом турбины (7), другой вход рекуператора (10) соединен с выходом турбины (7), а другой выход рекуператора (10) соединен с атмосферой, что повышает эффективность работы электростанции за счет использования высокоэффективной ГТУ (1) с высоким КПД в широком диапазоне нагрузок.
Устройства (9) подачи топлива топливными каналами соединены с соответствующими КС (6), при этом каждое из устройств (9) подачи топлива и турбогенераторов (8) соединены с блоком (4) управления, что повышает эффективность работы электростанции за счет обеспечения оптимального режима работы каждой газотурбинной установки (1, 2, 3). Электростанция также содержит по меньшей мере одну аккумуляторную батарею (11) и систему (12) преобразования энергии, выполненную с возможностью преобразования и передачи выработанной турбогенераторами (8) электрической энергии во внешнюю сеть (13) и/или по меньшей мере одной аккумуляторной батарее (11), что повышает эффективность работы электростанции за счет обеспечения возможности накопления энергии и поддержания заряда в АКБ (11) на заданном уровне для использования этой накопленной энергии при пуске и охлаждении ГТУ (1, 2, 3). Таким образом, по меньшей мере одна АКБ (11) и турбогенераторы (8) имеют электрические соединения (14) с системой (12) преобразования энергии, которая по сигналам с БУ (4) выполнена с возможностью преобразования и передачи электрической энергии к по меньшей мере одной АКБ (11), а также с возможностью преобразования и передачи электрической энергии от по меньшей мере одной аккумуляторной батареи (11) к турбогенераторам (8) для обеспечения их запуска и охлаждения, что также повышает эффективность работы электростанции за счет обеспечения возможности накопления энергии и поддержания заряда в АКБ (11) на заданном уровне для использования этой накопленной энергии при пуске и охлаждении ГТУ (1, 2, 3). Другими словами, система (12) преобразования энергии включает в себя функции инвертора напряжения, зарядного устройства для АКБ (11), устройства изменения частоты напряжения и смещения фаз передаваемого во внешнюю сеть от каждого турбогенератора (8) тока, что обеспечивает компенсацию реактивной мощности во внешней сети (13) любым известным способом, например, за счет изменения фазы передаваемого во внешнюю сеть (13) тока подключением дополнительных конденсаторов.
Блок (4) управления измерительно-управляющими линиями (15, 16, 17, 18, 19, 20) соединен с турбогенераторами (8), датчиками температуры, установленными за турбинами (7) каждой ГТУ (1, 2, 3), по меньшей мере одной АКБ (11), системой (12) преобразования энергии, внешней сетью (13), устройством (9) подачи топлива соответственно, что дополнительно повышает эффективность работы электростанции за счет обеспечения оптимального режима работы каждого соединенного с блоком (4) управления элемента электростанции. При этом блок (4) управления выполнен с возможностью определения в том числе реактивной мощности внешней сети (13) с помощью датчика мощности, например, OMIX P99-MLY-3, обеспечивающий определение по меньшей мере активной, реактивной и полной мощности (см. https://www.automatix.ru/catalog/?sid=19716&id=3255964) или аналогичный, соединенный с блоком (4) управления линией (19).
e
Блок управления (4) выполнен с возможностью определения температуры Т за турбиной (7) каждой газотурбинной установки (1, 2, 3), определения мощности N и частоты n вращения каждого турбогенератора (8), при этом датчики температуры установленный за турбиной (7) каждой ГТУ (1, 2, 3) выполнены в виде термопар, что дополнительно повышает эффективность работы электростанции за счет определения изменений и обеспечения поддержания оптимального режима работы каждой газотурбинной установки (1, 2, 3).
Турбогенераторы (8) выполнены с возможностью работы в моторном режиме для раскрутки соответствующих компрессоров (5) или оснащаются стартерными устройствами, участвующие в режимах запуска и снижения мощности электростанции вплоть до ее остановки.
Кроме того, по меньшей мере одна из ГТУ (2, 3) является одновальной ГТУ простого цикла, что обеспечивает быстрый набор мощности при ее включении в работу.
Газотурбинная электростанция работает следующим образом.
Запуск газотурбинной электростанции начинают с запуска по меньшей мере одной газотурбинной установки (1, 2, 3), а именно по меньшей одной рекуперативной газотурбинной установки (1) - раскрутка компрессора (5) с подачей устройством (9) подачи топлива и розжигом топлива в камере (6) сгорания за счет энергии по меньшей мере одной аккумуляторной батареи (11) (участок «а») через систему (12) преобразования энергии. После выхода на холостой ход и прогрева рекуператора (10) ГТУ (1) обеспечивает генерирование электрической энергии турбогенератором (8) различной мощности для внешней сети (13) по электрическому соединению (14) через систему (12) преобразования энергии (12), что повышает эффективность работы электростанции за счет обеспечения оптимального режима работы газотурбинной установки и электростанции в целом.
max
max
Далее блоком (4) управления по показаниям датчиков температуры, выполненных, например, в виде термопары, определяют температуру Т за турбиной (7) по меньшей мере одной газотурбинной установки (1, 2, 3), определяют мощность Ne и частоту вращения n по меньшей мере одного турбогенератора (8) что повышает эффективность работы электростанции за счет определения показателей по меньшей мере одной ГТУ и обеспечения оптимального режима работы газотурбинной электростанции. Блоком (4) управления регулируют подачу топлива в камеру (6) сгорания по меньшей мере одной газотурбинной установки (1) таким образом, чтобы обеспечивалось условие поддержания температуры Т=const за турбиной (7) перед рекуператором (10) постоянной и соответствующей максимально допустимой температуре T при изменении «блоком (4) управления мощностях Ne=var и частотах вращения n=var турбогенератора (8) в зависимости от потребляемой мощности внешней сетью (13) с учетом необходимости зарядки по меньшей мере одной аккумуляторной батареи (11), что повышает эффективность работы электростанции за счет обеспечения оптимального режима работы газотурбинной электростанции. Максимально допустимая температура T определяется исходя из условия максимально допустимой температуры для рекуператора (10) и/или по меньшей мере для турбогенератора (8), и/или камеры сгорания (6).
Дополнительно производят запуск по меньшей мере второй газотурбинной установки (2 или 3) (участок «б»), при этом работа отличается от приведенной выше более быстрым выходом на режимную работу - максимальную мощность с высоким КПД, что повышает эффективность работы электростанции за счет обеспечения оптимального режима работы газотурбинной электростанции. Пуск осуществляют по требованию внешней сети (13) в большей мощности, чем может обеспечить ГТУ (1).
Блоком (4) управления регулируют подачу топлива в камеру (6) сгорания по меньшей мере второй газотурбинной установки (2 или 3) таким образом, чтобы мощность Ne и частота вращения n турбогенератора (8) по меньшей мере второй газотурбинной установки (2 или 3) и температура Т за турбиной (7) по меньшей мере второй газотурбинной установки (2 или 3) отвечали одному из условий:
- мощность Ne=const и частота вращения n=const турбогенератора (8) постоянны и соответствуют максимальной мощности Nemax при переменной температуре Т=var за турбиной (7);
- мощность Ne=var и частота вращения n=var турбогенератора (8) переменны и соответствуют частичной нагрузке по меньшей мере второй газотурбинной установке (2 или 3) при переменной температуре Т=var за турбиной (7) (участки «г» и «ж»), что дополнительно повышает эффективность работы электростанции за счет обеспечения оптимального режима работы газотурбинной электростанции.
Такой же алгоритм пуска и работы для всех остальных ГТУ (3) (участок «в»), входящих в состав электростанции.
Дополнительно блоком (4) управления обеспечивают поддержание заряда по меньшей мере одной аккумуляторной батареи (11) от системы преобразования энергии (12) на уровне не менее 80%, что также повышает эффективность работы электростанции за счет обеспечения возможности накопления энергии и поддержания заряда в АКБ (11) на заданном уровне для использования этой накопленной энергии при пуске и охлаждении ГТУ (1, 2, 3).
Дополнительно определяют наличие реактивной мощности во внешней сети (13) и обеспечивают компенсацию этой реактивной мощности, изменяя системой (12) преобразования энергии фазу передаваемого во внешнюю сеть (13) тока, что дополнительно повышает эффективность работы электростанции за счет обеспечения компенсации реактивной мощности.
Далее разгрузку (участки «д» и «з») газотурбинной электростанции осуществляют остановкой всех газотурбинных установок (2 и 3), кроме одной газотурбинной установки (1) (участок «е») и подключением по меньшей мере одной аккумуляторный батареи (11) и дальнейшее снижение мощности газотурбинной электростанции вплоть до ее остановки (участок «и»), при этом осуществляют охлаждение ротора и проточной части по меньшей мере одной турбины (7) (участок «к») ее прокруткой за счет энергии от по меньшей мере одной аккумуляторной батареи (11) турбогенератором (8), что дополнительно повышает эффективность работы электростанции за счет обеспечения оптимального режима работы газотурбинной электростанции использованием АКБ (11) для обеспечения заданных условий.