УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ ТОПЛИВА В КАМЕРУ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится к области управления сложными объектами техники, работающими в широком диапазоне режимов и нагрузок и использующими одно управляющее воздействие для регулирования нескольких параметров, и может быть использовано в системах управления газотурбинными двигателями, турбинами электростанций, водяными воздухонагревателями и другими объектами.
Известен способ регулирования параметров газотурбинного двигателя [1], например, температуры газов за турбиной, путем использования замкнутого и корректирующего контуров. В замкнутый контур подают сигнал параметра, функционально связанного с регулируемым параметром, например, перепада давлений газов на турбине, а сигнал рассогласования между заданным и действительным значением параметра подают в корректирующий контур для изменения настройки замкнутого контура.
Недостатком известного способа является сложность настройки взаимосвязанных основного и корректирующего контуров, отсутствие возможности разделения управляющих сигналов этих контуров и, как следствие, - возможность выхода параметров объекта управления за допустимые значения при неточной настройке.
Известен способ регулирования газотурбинного двигателя [2], согласно которому измеряют температуру газов за турбиной и частоту вращения ротора, сравнивают их с заданными сигналами и формируют сигналы отклонения и изменения подачи топлива в двигатель пропорционально большему сигналу отклонения. При этом для улучшения качества переходных процессов сигнал измеренной частоты вращения ротора пропускают через инерционное звено с постоянной времени, большей или равной времени прогрева турбины, из полученного сигнала вычитают сигнал измеренной частоты вращения ротора, усилением сигнала рассогласования
формируют корректирующий сигнал, а первый заданный сигнал уменьшают на величину корректирующего сигнала.
Недостатком данного способа является то, что в нем учитывается только одна ограничительная переменная, а именно, температура газов за турбиной, а для безопасного автоматического управления газотурбинной установкой необходимо, как минимум, ограничивать еще и давление воздуха за компрессором газогенератора.
Известен способ управления многомерным объектом [3], в соответствии с которым при помощи регуляторов по каждому управляемому параметру формируют корректирующие сигналы, сравнивают значения этих сигналов, выбирают сигнал с наименьшим значением и регулируют этим сигналом положение исполнительного органа, при этом сигнал, по меньшей мере, по одному из управляемых параметров формируют путем суммирования выходного сигнала регулятора этого параметра и соответствующего этому параметру преобразованного выходного сигнала.
Недостаток способа заключается в том, что используется только выбор минимального значения управляющего сигнала, т.е. данный способ может обеспечить только ограничение максимального управляющего воздействия. В то же время, в ряде случаев требуется ограничение как максимального, так и минимального управляющего воздействия, например, при управлении газотурбинной установкой требуется ограничение минимальной частоты вращения турбины газогенератора на рабочем режиме (ограничение по устойчивости компрессора газогенератора) или при управлении водяным воздухонагревателем в зимнее время требуется ограничение минимальной температуры теплоносителя (ограничение по замерзанию воды в контуре).
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип предлагаемой полезной модели, является устройство, реализующее способ управления подачей топлива для газотурбинных двигателей [4]. Устройство содержит рабочие контуры обратной связи, регулирующие частоту вращения турбины газогенератора и частоту вращения свободной турбины, верхний и нижний ограничительные контуры обратной связи, удерживающие в заданном диапазоне частоту вращения турбины газогенератора,
верхние ограничительные контуры обратной связи, удерживающие в заданных пределах частоту вращения свободной турбины, температуру продуктов сгорания за свободной турбиной и давление на выходе компрессора, блок селекции минимума-максимума и общий интегратор, на выходе которого формируется сигнал управляющего воздействия на топливный клапан, дозирующий подачу топлива, при этом каждый из вышеуказанных контуров обратной связи выполнен с возможностью формирования на одном из своих выходов корректирующего сигнала, приведенного к расходу топлива, а на другом - сигнала приращения к общему интегратору, первый вход которого соединен с выходом блока селекции минимума-максимума, а второй соединен с выходом переключателя контуров, входы которого соединены с выходами сигналов приращения к общему интегратору всех вышеуказанных контуров обратной связи, выходы корректирующих сигналов которых соединены с входами блока селекции минимума-максимума, а выходы блока селекции минимума-максимума, на которых формируются сигналы идентификации контура с минимальным корректирующим сигналом и контура с максимальным корректирующим сигналом, соединены с управляющими входа-ми переключателя контуров.
Недостатком устройства по прототипу является то, что в схему управления объединены только контуры отрицательной обратной связи, в то время как при управлении многомерным объектом используются и другие элементы, такие, например, как программные задатчики, реализующие изменение подачи топлива по заданной программе при пуске газотурбинного двигателя, задатчик положения клапана для ручного управления клапаном и т.п. При работе таких задатчиков отсутствует целевой регулятор, тем не менее, необходимо осуществлять ограничительное управление. Например, при программном увеличении подачи топлива на пуске газотурбинной установки необходимо ограничивать сверху температуру в камере сгорания. Отсутствие в схеме управления по прототипу таких задатчиков не позволяет объединить ручное или программное управление с ограничительными контурами обратной связи, что ухудшает качество управления объектом в некоторых режимах.
Решаемой задачей является повышение эффективности управления подачей топлива в камеру сгорания газотурбинной установки.
Сущность полезной модели заключается в том, что в устройство управления подачей топлива в камеру сгорания газотурбинной установки, содержащее рабочие контуры обратной связи, регулирующие частоту вращения турбины газогенератора и частоту вращения свободной турбины, верхний и нижний ограничительные контуры обратной связи, удерживающие в заданных пределах частоту вращения турбины газогенератора, верхние ограничительные контуры обратной связи, удерживающие верхние пределы частоты вращения свободной турбины, температуры продуктов сгорания за свободной турбиной и давления за компрессором, блок селекции минимума-максимума и общий интегратор, на выходе которого формируется сигнал управляющего воздействия на исполнительный орган, дозирующий подачу топлива, при этом каждый из вышеуказанных контуров обратной связи выполнен с возможностью формирования на одном из своих выходов корректирующего сигнала, приведенного к расходу топлива, а на другом - сигнала приращения к общему интегратору, первый вход которого соединен с выходом блока селекции минимума-максимума, а второй соединен с выходом блока коммутации, входы которого соединены с выходами сигналов приращения к общему интегратору всех вышеуказанных контуров обратной связи, выходы корректирующих сигналов которых соединены с входами блока селекции минимума-максимума, а выход блока селекции минимума-максимума, на котором формируется сигнал идентификации выбранного источника управляющего воздействия, соединен с управляющим входом блока коммутации, дополнительно введены автомат состояний, а также рабочий контур обратной связи, регулирующий температуру продуктов сгорания за свободной турбиной, программный задатчик и задатчик дистанционного ручного управления подачей топлива, выходы корректирующих сигналов которых соединены с входами блока селекции минимума-максимума, а выходы сигналов приращения к общему интегратору соединены с входами блока коммутации, при этом каждый из контуров обратной связи и задатчиков снабжен блоком активации, вход которого соединен с выходом автомата состояний, а выход - с управляющим входом ключа, коммутирующего цепи выходных сигналов, а автомат состояний выполнен с возможностью активации и отключения контуров обратной связи и задатчиков в зависимости от режима работы газотурбинной установки.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлены:
Фиг.1 - структурная схема устройства управления подачей топлива в газотурбинный двигатель,
Фиг.2 - структурная схема рабочего и ограничительного контуров обратной связи,
Фиг.3 - структурная схема программного задатчика,
Фиг.4 - структурная схема задатчика дистанционного управления топливным клапаном,
Фиг.5 - пример реализации графа состояний и переходов автомата состояний.
Устройство управления подачей топлива может быть реализовано как средствами цифровой схемотехники, так и на основе программируемого логического контроллера, обеспечивающего программную реализацию приведенной ниже структурной схемы устройства.
На фиг.1 структурной схемы устройства управления подачей топлива обозначены:
1 - рабочий контур обратной связи (КОС), регулирующий частоту вращения турбины газогенератора (далее по тексту - рабочий КОС по частоте вращения ТГ),
2 - рабочий КОС, регулирующий частоту вращения свободной турбины (далее по тексту - рабочий КОС по частоте вращения СТ),
3 - рабочий КОС, регулирующий температуру продуктов сгорания за свободной турбиной (далее по тексту - рабочий КОС по температуре за СТ),
4 - контур обратной связи, ограничивающий верхний предел частоты вращения турбины газогенератора (далее по тексту - верхний ограничительный КОС по частоте вращения ТГ),
5 - контур обратной связи, ограничивающий верхний предел частоты вращения свободной турбины (далее по тексту - верхний ограничительный КОС по частоте вращения СТ),
6 - контур обратной связи, ограничивающий верхний предел давления за компрессором (далее по тексту - верхний ограничительный КОС по давлению за компрессором),
7 - контур обратной связи, ограничивающий верхний предел температуры продуктов сгорания за свободной турбиной (далее по тексту - верхний ограничительный КОС по температуре за СТ),
8 - программный задатчик,
9 - задатчик дистанционного ручного управления подачей топлива,
10 - контур обратной связи, ограничивающий нижний предел частоты вращения турбины газогенератора (далее по тексту - нижний ограничительный КОС по частоте вращения ТГ),
11 - автомат состояний,
12 - блок селекции минимума-максимума,
13 - блок определения минимального корректирующего сигнала (далее по тексту - блок определения минимума),
14 - блок определения максимального корректирующего сигнала (далее по тексту - блок определения максимума),
15 - блок идентификации, выполненный на основе регистра, в котором записаны номера блоков-источников управляющего воздействия,
16 - блок коммутации,
17 - общий интегратор,
18 - ограничитель положения,
19 - исполнительный орган, выполненный в виде позиционера дозирующего клапана,
20 - блок задания частоты вращения турбины газогенератора,
21 - блок задания частоты вращения свободной турбины,
22 - блок задания температуры продуктов сгорания за свободной турбиной (далее по тексту - блок задания температуры),
23 - датчик частоты вращения турбины газогенератора,
24 - датчик частоты вращения свободной турбины,
25 - датчик температуры продуктов сгорания за свободной турбиной (далее по тексту - датчик температуры),
26 - датчик давления за компрессором,
27, 28 - блоки задания максимальной и минимальной частоты вращения турбины газогенератора, соответственно,
29 - блок задания максимальной частоты вращения свободной турбины,
30 - блок задания максимального давления за компрессором,
31 - блок задания максимальной температуры продуктов сгорания за свободной турбиной (далее по тексту - блок задания максимальной температуры за СТ),
32,...,39 - блоки формирования сигналов рассогласования, выполненные в виде вычитателей.
Согласно фиг.1 входы блока 32 формирования сигнала рассогласования соединены с выходами блока 20 задания частоты вращения турбины газогенератора и датчика 23 частоты вращения турбины газогенератора, а его выход соединен с входом сигнала рассогласования (е) рабочего КОС 1 по частоте вращения турбины газогенератора.
Входы блока 33 формирования сигнала рассогласования соединены с выходами блока 21 задания частоты вращения свободной турбины и датчика 24 частоты вращения свободной турбины, а его выход соединен с входом сигнала рассогласования (е) рабочего КОС 2 по частоте вращения свободной турбины.
Входы блока 34 формирования сигнала рассогласования соединены с выходами блока 22 задания температуры и датчика 25 температуры, а его выход соединен с входом сигнала рассогласования (е) рабочего КОС 3 по температуре за свободной турбиной.
Входы блока 35 формирования сигнала рассогласования соединены с выходами блока 27 задания максимальной частоты вращения турбины газогенератора и
датчика 23 частоты вращения турбины газогенератора, а его выход соединен с входом сигнала рассогласования (е) верхнего ограничительного КОС 4 по частоте вращения турбины газогенератора.
Входы блока 36 формирования сигнала рассогласования соединены с выходами блока 29 задания максимальной частоты вращения свободной турбины и датчика 24 частоты вращения свободной турбины, а его выход соединен с входом сигнала рассогласования (е) верхнего ограничительного КОС 5 по частоте вращения свободной турбины.
Входы блока 37 формирования сигнала рассогласования соединены с выходами блока 30 задания максимального давления за компрессором и датчика 26 давления за компрессором, а его выход соединен с входом сигнала рассогласования (е) верхнего ограничительного КОС 6 по давлению за компрессором.
Входы блока 38 формирования сигнала рассогласования соединены с выходами блока 31 задания максимальной температуры за СТ и датчика 25 температуры за СТ, а его выход соединен с входом сигнала рассогласования (е) верхнего ограничительного КОС 7 по температуре за СТ.
Входы блока 39 формирования сигнала рассогласования соединены с выходами блока 28 задания минимальной частоты вращения турбины газогенератора и датчика 23 частоты вращения турбины газогенератора, а его выход соединен с входом сигнала рассогласования (е) нижнего ограничительного КОС 10 по частоте вращения ТГ.
Входы активации (work) и входы настройки (selMin) рабочих КОС 1, 2, 3, верхних ограничительных КОС 4, 5, 6, 7, нижнего КОС 10, программного задатчи-ка 8 и задатчика 9 дистанционного ручного управления подключены к автомату 11 состояний, а их выходы, на которых формируются сигналы приращения к общему интегратору, соединены с соответствующими входами блока 16 коммутации, выход которого соединен со вторым входом общего интегратора 17, выполненного на основе двух сумматоров и линии задержки.
Выходы рабочих КОС 1, 2, 3, верхних ограничительных КОС 4, 5, 6, 7, программного задатчика 8 и задатчика 9 дистанционного ручного управления, на которых формируются корректирующие сигналы, приведенные к расходу топлива,
соединены с соответствующими входами блока 13 определения минимума, входящего в состав блока 12 селекции минимума-максимума, который содержит также блок 14 определения максимума и блок 15 идентификации. Сигнальный выход блока 13 определения минимума и выход корректирующего сигнала нижнего ограничительного КОС 10 соединены с соответствующими входами блока 14 определения максимума, сигнальный выход которого соединен с первым входом общего интегратора 17. Управляющие выходы блоков 13, 14, соединены с блоком 15 идентификации, на выходе которого, соединенном с управляющим входом блока 16 коммутации, формируется сигнал идентификации выбранного источника управляющего воздействия.
Выход общего интегратора 17 через ограничитель 18 положения исполнительного органа соединен с исполнительным органом 19.
На фиг.2 структурно-функциональной схемы контура обратной связи обозначены:
40 - вычислительный блок, реализованный на основе сумматоров, вычитателя, умножителей и линии задержки,
41 - блок активации,
42 - ключ.
Блоки рабочих КОС 1, 2, 3, верхних ограничительных КОС 4, 5, 6, 7 и нижнего ограничительного КОС 10 выполнены в виде пропорционально-интегрально-дифференциальных регуляторов, основу которых составляет вычислительный блок 40, формирующий выходной корректирующий сигнал out и сигнал dInteg приращения к общему интегратору в соответствии с известными зависимостями:
где d - дифференциальная компонента, определяемая зависимостью
k
k-1
е, e - значение входного сигнала рассогласования на текущем и предыдущем шаге вычисления,
рег
К - коэффициент усиления контура,
рег1
рег2
τ, τ - коэффициенты динамической коррекции,
step - шаг (период) вычисления.
Блок 41 активации выполнен на основе логического элемента И с инверсией одного входа. При сигнале логической «1» на этом входе (сигнал work) выходной сигнал блока замыкает ключ 42, коммутирующий выходные сигналы вычислительного блока 40 на выход регулятора, а при входном сигнале логический «0» (сигнал selMin) размыкает ключ 42, и данные на выходе регулятора не обновляются.
На фиг.3 структурно-функциональной схеме программного задатчика 8 обозначены:
43 - формирователь табличной зависимости,
44 - сумматор,
45 - линия задержки,
46 - вычитатель,
47 - линия задержки,
48 - коммутатор,
49 - блок активации.
Блок программного задатчика 8 реализует изменение величины выходного корректирующего сигнала в соответствии с заданной программой (табличной зависимостью).
Вход формирователя 43 табличной зависимости соединен с выходом сумматора 44, первый вход которого образует вход синхронизации задатчика (тактовые импульсы step), а второй соединен с выходом линии 45 задержки, подключенной к выходу сумматора 44. Выход формирователя 43 табличной зависимости непосредственно и через линию 47 задержки соединен с соответствующими входами вычитателя 46, выходы которого по сигналам out (корректирующий сигнал) и dInteg
(сигнал приращения к общему интегратору) соединены с входами коммутатора 48. Управляющий вход коммутатора 48 соединен с выходом блока 49 активации, выполненного аналогично блокам 41 активации контуров обратной связи.
Задатчик 10 дистанционного ручного управления, структурно-функциональная схема которого приведена на фиг.4, выполнен на основе вычитателя 50 текущего и задержанного на шаг вычисления посредством линии 51 задержки входного сигнала, а также коммутатора 53 выходных сигналов (out и dInteg) и блока 52 активации, управляющего коммутатором 53.
Автомат 11 состояний представляет собой устройство, которое может быть реализовано как средствами цифровой схемотехники, так и на основе программируемого логического контроллера, алгоритм работы которого может варьироваться в зависимости от типа газотурбинной установки.
На фиг.5 примера реализации графа состояний и переходов автомата 11 состояний обозначены:
54 - команда оператора «Пуск»,
55 - достижение частоты,
56 - окончание времени прогрева,
57 - команда оператора «Работа по СТ»,
58 - команда оператора «Работа по ТГ»,
59 - команда оператора «Работа по t° за СТ»,
60 - команда оператора «Нормальный останов»,
61 - окончание времени охлаждения,
62 - команда оператора «Аварийный останов» или срабатывание аварийной защиты,
63 - команда оператора «Деблокировка аварии»,
64 - команда оператора «Включить ручное управление»,
65 - команда оператора «Выключить ручное управление».
Устройство работает следующим образом.
По команде оператора «Пуск» (позиция 54 на фиг.5) начинается программный разгон турбины газогенератора газотурбинного двигателя, для чего сигналом «work» автомата 11 состояний включаются программный задатчик 8 и верхний ограничительный контур 7 обратной связи по температуре за свободной турбиной.
При этом на каждом шаге вычислений на выходе программного задатчика 8 формируется сигнал «out», являющийся приращением к значению, полученному на предыдущем шаге вычислений, который поступает на соответствующий вход блока 13 определения минимума. Одновременно на каждом шаге вычислений верхний ограничительный КОС 7, на который поступает сигнал рассогласования между заданным блоком 31 максимальным значением температуры продуктов сгорания за свободной турбиной и текущим значением температуры, измеренным датчиком 25, формирует корректирующий сигнал «out», который также поступает на соответствующий вход блока 13 определения минимума.
Выбранный минимальный сигнал с выхода блока 13 через блок 14 определения максимума транслируется на первый вход общего интегратора 17, где суммируется с задержанным на шаг вычисления значением сигнала приращения к общему интегратору от выбранного источника управляющего воздействия, текущее значение «dinteg» которого поступает из соответствующего источника (7 или 8) управляющего воздействия через блок 16 коммутации. Коммутация соответствующей цепи производится управляющим сигналом с выхода блока 15 идентификации, который определяет номер источника с минимальным выходным сигналом. Выходной сигнал общего интегратора 17 проходит через ограничитель 18 положения и поступает в качестве управляющего воздействия на позиционер 19 дозирующего клапана, обеспечивающий подачу топлива в камеру сгорания газотурбинной установки.
В случае развития какой-либо нештатной ситуации система аварийной защиты (на рисунке не показана) или оператор производит остановку двигателя командой «Аварийный останов» (позиция 62 на фиг.5), по которой автомат состояний отключает КОС 7, а программный задатчик 8 переводится в нулевое состояние. После обнаружения и устранения неисправности командой «Деблокировка аварии» (позиция 63) производится повторный запуск двигателя.
При нормальном достижении заданной частоты вращения холостого хода турбины газогенератора программный задатчик 8 отключается, и газотурбинная установка переводится в режим прогрева.
В режиме прогрева задается и поддерживается частота вращения турбины газогенератора, равная оборотам холостого хода, для чего активизируются рабочий КОС 1 по частоте вращения ТГ, верхний и нижний ограничительные контура 4 и 10 обратной связи по частоте вращения ТГ, а также верхний ограничительный КОС 5 по частоте вращения свободной турбины, верхний ограничительный КОС 7 по температуре за СТ и верхний ограничительный КОС 6 по давлению за компрессором. Выбор источника управляющего воздействия производится с помощью селектора 12 минимума-максимума, при этом минимальный из корректирующих сигналов «out», формируемых рабочим КОС 1 и верхними ограничительными КОС 4, 5, 6 сравнивается в блоке 14 определения максимума с корректирующим сигналом «out» нижнего ограничительного КОС 10, и максимальный из этих сигналов подается на вход общего интегратора 17, где суммируется с сигналом приращения к общему интегратору, поступающим из управляющего контура через блок 16 коммутации.
В случае выхода частоты вращения турбины газогенератора или свободной турбины за пределы заданного диапазона допустимых величин, а также в случаях превышения заданных максимальных величин температуры и давления производится аварийный останов двигателя и повторный запуск после устранения неисправности.
По окончании времени прогрева (позиция 56 на фиг.5) оператор задает помощью автомата состояний один из трех основных режимов: «Работа по СТ», «Работа по ТГ», «Работа по t за СТ».
В режиме «Работа по СТ», управление осуществляется с использованием рабочего КОС 2 по частоте вращения свободной турбины, верхнего ограничительного КОС 5 по частоте вращения свободной турбины, верхнего и нижнего ограничительных КОС 4, 10 по частоте вращения турбины газогенератора, а также верхних ограничительных КОС 6, 7 по давлению за компрессором и температуре продуктов сгорания за свободной турбиной. На основании сигналов рассогласования
«е» между заданными и действительными значениями контролируемых параметров, формируемых блоками 33, 35-39, каждый из указанных КОС вычисляет сигналы «diteg» приращения к общему интегратору и корректирующие сигналы «out», приведенные к расходу топлива. После выбора контура-источника управляющего воздействия с помощью селектора 12 минимума-максимума общий интегратор 17 формирует выходной сигнал воздействия на позиционер дозирующего клапана.
В режимах «Работа по ТГ» и «Работа по t за СТ» управление осуществляет аналогично с использованием в качестве регуляторов целевых переменных рабочего КОС 1 по частоте вращения ТГ или рабочего КОС 3 по температуре продуктов сгорания за свободной турбиной.
При выходе контролируемых параметров за границы заданных предельных величин производится аварийный останов установки.
Выключение установки производится командой оператора «Останов» (позиция 60 на фиг.5), по которой автомат 11 состояний устанавливает режим охлаждения установки. В этом режиме работают рабочий КОС 1 по частоте вращения турбины газогенератора (задается постоянная частота вращения, равная оборотам холостого хода), верхний и нижний ограничительные КОС 4, 10 по частоте вращения ТГ и верхние ограничительные КОС 5, 6, 7 по частоте вращения свободной турбины, давлению за компрессором и температуре продуктов сгорания за свободной турбиной.
При ручном управлении подачей топлива автомат состояний активизирует задатчик 9 дистанционного ручного управления, отключает рабочие КОС и активизирует те ограничительные КОС, датчики входных величин которых исправны.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает эффективное управление объектом вблизи границ допустимого рабочего диапазона, одновременно обеспечивая безопасность (недопущение выхода за границы рабочего диапазона) и эффективность (максимальное использование всего рабочего диапазона) управления объектом.
Кроме этого, возможность управления активностью источников управляющего воздействия во время работы позволяет создавать алгоритмы управления, обеспечивающие адаптацию к внешним условиям и различным режимам работы
объекта, в том числе, нештатным. Например, это могут быть режимы сохранения работоспособности при отказе части датчиков.
Данное устройство реализовано в составе системы автоматического управления газотурбинным приводом газоперекачивающего агрегата ГТК-10-4.
Промышленная применимость полезной модели определяется тем, что предлагаемое устройство может быть изготовлено в соответствии с приведенным описанием и чертежами на основе известных в области производства систем автоматического управления комплектующих изделий и использовано для управления подачей топлива в газотурбинных установках.
Список литературы
1. Авт.свидетельство СССР №565553 на изобретение, МПК F02C 9/28, публикация 2005 г.
2. Авт.свидетельство СССР №1389354 на изобретение, МПК F02C 9/28, публикация 1987 г.
3. Патент РФ №2172419 на изобретение, МПК F02C 9/28, публикация 2001 г.
4. Патент РФ №2322601 на изобретение, МПК F02C 9/28, публикация 2008 г., прототип