Способ управления газотурбинным двигателем
GAS TURBINE ENGINE CONTROL METHOD

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в системах автоматического управления газотурбинными двигателями, применяемыми в составе газотурбинных установок.
Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ управления турбогенератором, заключающийся в том, что формируют заданную частоту вращения ротора турбогенератора, измеряют частоту вращения ротора турбогенератора, поддерживают заданное значение частоты вращения ротора турбогенератора путем изменения механической мощности турбины и измеряют текущую электрическую мощность генератора, отличающийся тем, что дополнительно в зависимости от быстродействия регулятора частоты вращения ротора турбогенератора выбирают порог по скорости изменения электрической мощности генератора и интервал времени, необходимый для парирования изменения электрической мощности генератора, формируют сигнал скорости изменения электрической мощности генератора и при превышении данным сигналом по абсолютной величине выбранного порога повышают быстродействие регулятора частоты вращения ротора турбогенератора в течение выбранного интервала времени (патент РФ 2729584, кл. F02C 9/00, 2020 г.).
В результате анализа данного способа необходимо отметить, что для энергоустановок, в которых используется газотурбинный двигатель (ГТД) со свободной силовой турбиной (СТ), проблемой является поддержание частоты вращения СТ в заданных безопасных пределах при резком изменении нагрузки, что обусловлено ограниченным быстродействия регулятора частоты вращения. Например, для электростанций с газотурбинным приводом при аварийном отключении нагрузки генератора происходит раскрутка ротора СТ с ускорением (20...40)%/с до недопустимо высоких значений, что приводит к аварийному останову энергоустановки. Для защиты от раскрутки ротора необходимо обеспечить темп снижения расхода топлива до (200…300)%/с. Попытки повысить быстродействие регулятора до необходимого значения приводят к потере устойчивости регулятора и возбуждению колебаний.
Известный способ не позволяет обеспечить необходимый темп снижения расхода топлива для парирования раскрутки ротора СТ без потери устойчивости регулятора.
Техническая проблема заявленного изобретения заключается в повышении надежности.
Техническим результатом настоящего изобретения является защита от раскрутки ротора силовой турбины до недопустимых значений и разрушение ГТД при изменении загрузки двигателя.
Указанный технический результат достигается за счет того в способе управления газотурбинным двигателем, снабженным валом отбора мощности, с генератором, заключающийся в том, что формируют заданную частоту вращения вала отбора мощности, измеряют частоту вращения вала отбора мощности, поддерживают заданное значение частоты вращения вала отбора мощности путем изменения расхода топлива, подаваемого в газотурбинный двигатель, измеряют текущую мощность вырабатываемую генератором и формируют сигнал скорости изменения мощности, при этом дополнительно определяют фильтрованное значение скорости изменения мощности и изменяют расход топлива, подаваемого в газотурбинный двигатель, пропорционально фильтрованному значению скорости изменения мощности.
В качестве сигнала скорости изменения мощности используют сигнал скорости изменения тока генератора.
Следует отметить, что указанный способ может быть применен при различных конструктивных схемах ГТД, например, одновальных ГТД или ГТД со свободной силовой турбиной с подключенным в качестве нагрузки генератором.
Далее рассмотрим применение способа для ГТД со свободной силовой турбиной, примем, что в качестве нагрузки используется электрогенератор.
Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, на которых представлены:
На фиг. 1 - структурная схема системы управления, реализующая заявляемый способ регулирования ГТД,
На фиг. 2 - графики переходных процессов по выбранным координатам в момент изменения мощности, отбираемой от генератора.
Система управления ГТД содержит задатчик 1 частоты вращения вала отбора мощности ротора генератора (свободной силовой турбины, СТ), связанный с первым входом сумматора 2, выход сумматора 2 связан с регулятором 3 частоты вращения СТ и сообщенного с ней вала отбора мощности. Выход регулятора 3 частоты вращения СТ подключен к первому входу суммирующего усилителя 4, к выходу которого подключен дозатор 5 топлива, который подает топливо в камеру сгорания (на фиг. не показана) ГТД 6. При изменении расхода топлива, подаваемого в камеру сгорания ГТД меняется механическая мощность СТ и частота вращения вала отбора мощности. Частота вращения вала отбора мощности измеряется датчиком 7, выход которого подключен к второму (инвертирующему) входу сумматора 2.
СТ ГТД 6 через вал отбора мощности сообщен с генератором 8 с имеющими возможность подключения к генератору потребителями 9.
Система так же содержит измеритель 10 электрической мощности генератора 8. Выход измерителя 10 электрической мощности подключен к входу блока дифференцирования 11, который подключен к входу фильтра низкой частоты 12. Выход фильтра низкой частоты 12 подключен к второму входу суммирующего усилителя 4.
Заявленная система может быть скомпонована из известных блоков и элементов.
Сумматор, суммирующий усилитель, блок дифференцирования являются стандартными.
В качестве задатчика частоты вращения СТ может быть использован стандартный задатчик постоянного значения.
В качестве датчика частоты вращения СТ может быть использован стандартный индуктивный датчик частоты вращения.
В качестве регулятора частоты вращения ротора может быть использован стандартный ПИД-регулятор.
При изменении напряжения генератора в ограниченных пределах вместо измерителя электрической мощности может быть использован измеритель тока.
Коэффициент усиления второго входа суммирующего усилителя 4 выбирается исходя из коэффициента передачи двигателя от расхода топлива к мощности на валу СТ.
В качестве фильтра может быть использован стандартный фильтр первого порядка. Фильтр низких частот определяет интервал времени после действия возмущения, в течение которого необходим дополнительный расход топлива. Например, при разгрузке ротора свободной турбины окончанием этого интервала является момент времени, когда ускорение ротора свободной турбины снижается до нуля. Постоянная времени фильтра выбирается таким образом, чтобы в течение этого интервала времени дополнительный расход топлива плавно снижался от максимального значения до нуля.
Система работает следующим образом:
Изменение мощности, отбираемой от генератора 8 потребителями 9, вызывает изменение частоты вращения СТ ГТД 6 и сообщенного с ней вала отбора мощности. Изменения частоты вращения вала отбора мощности измеряются датчиком 7 и далее передаются на второй (инвертирующий) вход сумматора 2, на первый вход которого поступает сигнал заданной частоты вращения СТ ГТД 6 и сообщенного с ней вала отбора мощности с задатчика 1. Сумматор 2 формирует отклонение фактической частоты вала отбора мощности от заданного - ошибку регулирования. Сигнал ошибки регулирования поступает на вход регулятора 3. Регулятор 3 формирует необходимый для устранения ошибки заданный расход топлива.
Заданный расход топлива, формируемый регулятором 3, корректируется (суммируется) на суммирующем усилителе 4 с расходом, формируемым цепью блоков 10-11-12 в зависимости от скорости изменения электрической мощности генератора 8.
Сформированный на суммирующем усилителе 4 расход топлива через дозатор топлива 5 поступает в камеру сгорания ГТД 6 и вызывает изменение механической мощности СТ а также, соответственно, изменение частоты вращения вала отбора мощности.
На квази-установившихся режимах работы ГТД 6 с подключенными к генератору 8 потребителями 9 сигнал измерителя 10 электрической мощности постоянный или медленно меняется в зависимости от изменения режима работы потребителей. Блок 11 дифференцирования формирует сигнал, равный скорости изменения мощности, и на выходе блока 11 сигнал близок к нулю, и цепь блоков 10-11-12 не оказывает влияния на расход топлива, сформированный регулятором 3.
При резком изменении нагрузки, например, при разгрузке генератора блок дифференцирования 11 формирует кратковременный отрицательный сигнал скорости изменения мощности генератора. Этот сигнал фильтруется фильтром низких частот 12 и результат, являющийся фильтрованным значением скорости изменения электрической мощности генератора, поступает на второй вход суммирующего усилителя 4. В результате совместной работы цепи блоков 10-11-12 и регулятора частоты вращения 3 расход топлива снижается ниже значения, необходимого для поддержания частоты вращения СТ и вала отбора мощности при пониженной нагрузке на генератор, и раскрутка ротора СТ прекращается. После прекращения раскрутки ротора СТ точное значение расхода топлива формируется регулятором 3 частоты вращения.
0
Работа системы управления расходом топлива в момент отключения потребителей от генератора (t) иллюстрируется графиками, представленными на фиг. 2, где последовательно показаны сигналы, формируемые блоками:
U10 - мощность, отбираемая от генератора, формируемая измерителем 10,
U11 - сигнал скорости изменения мощности генератора, формируемый блоком дифференцирования 10,
U12 - фильтрованное значение сигнала скорости изменения мощности генератора, формируемый фильтром низкой частоты 12,
U4 - сигнал заданного расхода топлива, формируемый на суммирующем усилителе 4,
U7 - сигнал изменения частоты вращения ротора СТ и сообщенного с ней вала отбора мощности, формируемый датчиком 7; пунктиром показ сигнал, равный заданной частоте вращения СТ.
Предлагаемый способ управления позволяет сократить отклонение частоты вращения от заданного значения при резком изменении мощности, отбираемой от генератора, и не допустить превышение частотой вращения порога аварийного останова и разрушение ГТД.