L международная выставка-презентация
научных, технических, учебно-методических и литературно-художественных изданий
УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА ВОЗДУХА В КОМПРЕССОР ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК БИНАРНОГО ЭНЕРГОБЛОКА
| Название | УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА ВОЗДУХА В КОМПРЕССОР ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК БИНАРНОГО ЭНЕРГОБЛОКА |
|---|---|
| Разработчик (Авторы) | Тверской Юрий Семенович, Муравьев Игорь Константинович |
| Вид объекта патентного права | Полезная модель |
| Регистрационный номер | 156580 |
| Дата регистрации | 10.11.2015 |
| Правообладатель | Тверской Юрий Семенович |
| Область применения (класс МПК) | F01K 13/02 (2006.01) |
| Медаль имени А.Нобеля |  |
Описание изобретения
Устройство регулирования расхода воздуха в компрессор газотурбинных установок бинарного энергоблока, содержащее регулятор положения входного направляющего аппарата компрессора, выходом подключенный к исполнительному механизму управления углом открытия входного направляющего аппарата компрессора, датчик положения исполнительного механизма входного направляющего аппарата компрессора, подключенный к 1-му входу регулятора положения входного направляющего аппарата компрессора, блок задания угла открытия входного направляющего аппарата компрессора, выходом подключенный ко 2-му входу регулятора положения входного направляющего аппарата компрессора, датчик температуры и датчик давления наружного воздуха, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено блоком формирования комплексированного сигнала с ограничителем скорости изменения комплексированного сигнала, блоком вычисления текущего значения проточного сечения входного направляющего аппарата компрессора, корректирующим регулятором с задатчиком и блоком формирования задания от системы более высокого уровня, при этом датчики температуры и давления наружного воздуха подключены соответственно к 2-му, 3-му входам блока формирования комплексированного сигнала, к 1-му входу которого подключен датчик положения исполнительного механизма входного направляющего аппарата компрессора посредством блока вычисления текущего значения проточного сечения входного направляющего аппарата компрессора, блок формирования комплексированного сигнала выходом подключен к 1-му входу корректирующего регулятора посредством ограничителя скорости изменения комплексированного сигнала, ко 2-му и 3-му входам корректирующего регулятора соответственно подключены задатчик корректирующего регулятора и блок формирования задания от системы управления более высокого уровня, а выход корректирующего регулятора подключен к 3-му входу регулятора положения входного направляющего аппарата компрессора.
Полезная модель относится к устройству регулирования расхода воздуха в компрессор газотурбинных установок бинарных энергоблоков (ПГУ), имеющих в своем составе газотурбинную установку и паровую утилизационную часть, и может быть использована для оптимизации режима работы энергоблока при изменении параметров наружного воздуха, как фактора влияющего на процесс сгорания топлива и теплообмен в газотурбинной установке.
В состав основного оборудования ПГУ входят обычно одна или две газотурбинные установки (ГТУ), каждая со своей газовой турбиной (ГТ), которая служит приводом компрессора и электрического генератора (ЭГ), а также паровая утилизационная часть, соответственно, один или два котла-утилизатора (КУ) и одна паротурбинная установка (ПТУ) с паровой турбиной (ПТ), питаемой паром от КУ и служащей приводом еще одного ЭГ ПТ. В состав ГТУ входят осевой компрессор, камера сгорания (КС), газовая турбина и электрический генератор (ЭГ).
Известно, что эффективность использования топлива на блоках ПГУ с ГТУ весьма чувствительна к вариациям параметров наружного воздуха, в частности, - к изменениям температуры наружного воздуха. Естественные отклонения температуры наружного воздуха от расчетной (+15°C) ведут к существенному снижению эффективности использования топлива и к неоправданным потерям до 5-6% коэффициента полезного действия КПД (см. Ольховский Г.Г. «Энергетические газотурбинные установки», М., «Энергоатомиздат», 1985, с. 165-166).
Известна система управления газотурбинным двигателем (см. Боднер В.А., Рязанов Ю.А., Шаймарданов Ф.А. «Системы автоматического управления двигателями летательных аппаратов», М., «Машиностроение», 1973, с. 181, рис. 4.6), содержащая датчик частоты вращения ротора двигателя и датчик температуры воздуха на входе в двигатель, формирователь приведенной частоты вращения ротора двигателя. Регулятор расхода топлива посредством соответствующих блоков селекторов выходом подключен к исполнительному механизму управления расходом топлива (на дозирующую иглу).
Недостаток такой системы управления газотурбинным двигателем заключается в том, что при управлении энергоблоком влияние изменений температуры и давления воздуха на входе в компрессор связывается с частотой вращения ротора двигателя и подачей топлива в камеру сгорания, т.е. его нагрузкой. При этом фактическое значение КПД энергоблока, имеющее «плавающий» характер, может изменяться в достаточно широком диапазоне при изменении внешних параметров среды.
В качестве прототипа принято устройство регулирования ГТУ содержащее регуляторы мощности газовых турбин и регулирующие органы газотурбинной установки и паровой турбины. Устройство реализовано в системе «Автоматическое регулирование мощности парогазовой установки с воздействием на регулирующие органы газотурбинной установки и паровой турбины» (см. патент РФ №2361092, МПК F01K 13/02, 2009). При этом мощность ГТУ изменяется путем формирования задания по мощности ГТ, текущих мощностей ГТ и ПТ и воздействия на клапан расхода топлива.
Недостаток прототипа заключается в том, что изменяющиеся факторы внешней среды, которые приводят к неконтролируемым вариациям режимных параметров энергоблока (температуры уходящих газов за КС и ГТУ, параметров КУ, активной мощности ГТ и др.) и его эффективности не учитываются.
Технический результат полезной модели - повышение точности регулирования расхода воздуха, изменяющегося при естественных колебаниях температуры и давления наружного воздуха на входе компрессора, и соответствующая оптимизация режима работы ГТУ и энергоблока.
Технический результат достигается тем, что устройство регулирования расхода воздуха в компрессор газотурбинных установок бинарного энергоблока содержит регулятор положения входного направляющего аппарата компрессора, выходом подключенный к исполнительному механизму управления углом открытия входного направляющего аппарата компрессора, датчик положения исполнительного механизма входного направляющего аппарата компрессора, подключенный к 1-ому входу регулятора положения входного направляющего аппарата компрессора, блок задания угла открытия входного направляющего аппарата компрессора, выходом подключенный ко 2-му входу регулятора положения входного направляющего аппарата компрессора, датчик температуры и датчик давления наружного воздуха, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено блоком формирования комплексированного сигнала с ограничителем скорости изменения комплексированного сигнала, блоком вычисления текущего значения проточного сечения входного направляющего аппарата компрессора, корректирующим регулятором с задатчиком и блоком формирования задания от системы более высокого уровня, при этом датчики температуры и давления наружного воздуха подключены соответственно к 2-му, 3-му входам блока формирования комплексированного сигнала, к 1-му входу которого подключен датчик положения исполнительного механизма входного направляющего аппарата компрессора посредством блока вычисления текущего значения проточного сечения входного направляющего аппарата компрессора, блок формирования комплексированного сигнала выходом подключен к 1-му входу корректирующего регулятора посредством ограничителя скорости изменения комплексированного сигнала, ко 2-му и 3-му входам корректирующего регулятора соответственно подключены задатчик корректирующего регулятора и блок формирования задания от системы управления более высокого уровня, а выход корректирующего регулятора подключен к 3-му входу регулятора положения входного направляющего аппарата компрессора.
Проведенные поисковые исследования (авторов предполагаемой полезной модели) показали, что определяющим в нарушении расчетного режима фактором является неконтролируемое при естественных колебаниях температуры и давления наружного воздуха «плавающее» изменение массового расхода воздуха, подаваемого в компрессор ГТУ.
Например, при изменении температуры наружного воздуха (от -5 до +25°C) при заданном постоянном расходе топлива 6,63 кг/с и воздуха 352 кг/с (что соответствует нагрузке ГТУ 110 МВт), технологические параметры блока (температура уходящих газов за ГТУ, температура перегретого пара контура высокого давления и др.) отклоняются от расчетных и выходят за допустимые пределы. Соответственно: температура уходящих газов за ГТУ отклоняется на 45°C, а температура перегретого пара контура высокого давления - на 40°C.
При этом известный регулятор положения направляющего аппарата компрессора, выполненный по схеме с жесткой обратной связью, «не замечает» колебаний температуры и давления наружного воздуха и соответственно изменение массового расхода воздуха, подаваемого в компрессор ГТУ, и не устраняет возникающий дисбаланс между заданным расходом топлива и необходимым массовым расходом воздуха.
Стабилизация массового расхода воздуха возвращает параметры в расчетные диапазоны эффективного управления. В частности, температура уходящих газов за ГТ при этом практически остается в рабочем (расчетном) диапазоне от 455 до 530°C, температура перегретого пара контура высокого давления также остается на расчетном уровне 510°C, КПД КУ при этом на уровне расчетного - 85%, КПД ПТ - 32,5%, а КПД ПГУ на расчетном уровне (51-52%).
Схема устройства регулирования расхода воздуха в компрессор газотурбинных установок бинарного энергоблока согласно полезной модели приведена на фиг. 1.
На фиг. 1 обозначено: 1 - регулятор положения входного направляющего аппарата компрессора; 2 - исполнительный механизм управления углом открытия входного направляющего аппарата компрессора; 3 - датчик положения исполнительного механизма входного направляющего аппарата компрессора; 4 - блок задания угла открытия входного направляющего аппарата компрессора; 5 - датчик температуры наружного воздуха; 6 - датчик давления наружного воздуха; 7 - блок формирования комплексированного сигнала; 8 - ограничитель скорости изменения комплексированного сигнала; 9 - корректирующий регулятор; 10 - задатчик корректирующего регулятора; 11 - блок формирования задания от системы более высокого уровня; 12 - блок вычисления текущего значения проточного сечения входного направляющего аппарата компрессора.
Устройство регулирования расхода воздуха в компрессор газотурбинных установок бинарного энергоблока (фиг. 1), содержит регулятор 1 положения входного направляющего аппарата компрессора, выходом подключенный к исполнительному механизму 2 управления углом открытия входного направляющего аппарата компрессора, датчик 3 положения исполнительного механизма входного направляющего аппарата компрессора, подключенный к 1-ому входу регулятора 1 положения входного направляющего аппарата компрессора, блок 4 задания угла открытия входного направляющего аппарата компрессора, выходом подключенный ко 2-му входу регулятора 1 положения входного направляющего аппарата компрессора, датчик температуры 5 и датчик давления 6 наружного воздуха. Устройство дополнительно снабжено блоком 7 формирования комплексированного сигнала с ограничителем 8 скорости изменения комплексированного сигнала, блоком 12 вычисления текущего значения проточного сечения входного направляющего аппарата компрессора, корректирующим регулятором 9 с задатчиком 10 и блоком 11 формирования задания от системы более высокого уровня, при этом датчики температуры 5 и давления 6 наружного воздуха подключены соответственно к 2-му, 3-му входам блока 7 формирования комплексированного сигнала, к 1-му входу которого подключен датчик 3 положения исполнительного механизма входного направляющего аппарата компрессора посредством блока 12 вычисления текущего значения проточного сечения входного направляющего аппарата компрессора, блок 7 формирования комплексированного сигнала выходом подключен к 1-му входу корректирующего регулятора 9 посредством ограничителя 8 скорости изменения комплексированного сигнала, ко 2-му и 3-му входам корректирующего регулятора 9 соответственно подключены задатчик 10 корректирующего регулятора 9 и блок 11 формирования задания от системы управления более высокого уровня, а выход корректирующего регулятора 9 подключен к 3-му входу регулятора 1 положения входного направляющего аппарата компрессора.
Устройство регулирования расхода воздуха в компрессор газотурбинных установок бинарного энергоблока работает следующим образом (фиг. 1).
Регулятор 1 поддерживает заданное 4 положение исполнительного механизма 2 входного направляющего аппарата компрессора ГТУ по сигналу жесткой обратной связи от датчика 3 положения исполнительного механизма.
Корректирующий регулятор 9 с задатчиком 10 и блоком 11 задания нагрузки компрессора от подсистемы более высокого уровня, при изменении параметров внешней среды воспринимает отклонение комплексированного сигнала от заданного, формирует сигнал небаланса и соответствующее корректирующее воздействие на регулятор 1, который изменяет положение направляющего аппарата ВНА, восстанавливая изменившийся при изменении температуры и/или давления расход воздуха.
Комплексированный сигнал формируется блоком 7 и является показателем изменений, связанных с вариацией температуры и давления наружного воздуха, и текущего значения проточного сечения входного направляющего аппарата компрессора, вычисляемого блоком 12 вычисления текущего значения проточного сечения входного направляющего аппарата компрессора. При этом комплексирование исходных параметров выполняется согласно выражению (см. Нечаев Ю.Н., Федоров P.M. «Теория авиационных газотурбинных двигателей. Ч. 1», М., «Машиностроение», 1977, с. 19):
где Gm - оценка массового расхода воздуха, кг/с; m=0,0404 (кг·К/Дж)0,5 - размерный коэффициент, зависящий от показателя адиабаты и газовой постоянной воздуха; Fв - площадь проточной части на входе в двигатель, которая изменяется при изменении положения направляющего аппарата, м2; q(λв) - относительная плотность потока; 
- полная температура воздуха (
), °К; Тн.в - температура наружного воздуха, °C; 
- полное давление воздуха (
), Па; Рн.в - давление наружного воздуха, Па; 
- избыточное над атмосферным полное давление на входе в компрессор, мм.вод.ст.
Значение текущего проходного сечения определяется по конструктивным данным компрессора и угла открытия ВНА по регрессионной зависимости:
где Fв - площадь проточной части на входе в двигатель, м2; αвна - угол открытия ВНА, град.
Эффективность работы устройства регулирования расхода воздуха в компрессор газотурбинных установок бинарного энергоблока при изменениях температуры внешней среды подтверждают результаты выполненных исследований.
Результаты исследования показывают, что при изменении температуры наружного воздуха, например, в сторону ее увеличения, угол открытия ВНА не изменяется (расход топлива задан постоянным). Однако плотность забираемого воздуха при этом снижается. Изменение плотности воздуха вызывает изменение его объемного и массового расходов на входе в компрессор, при этом объемный расход растет, а массовый снижается. Изменение массового расхода приводит к изменению температур и за компрессором, и за ГТ в сторону роста. При этом имеет место превышение технически безопасных значений параметров. Температура перегретого пара контура высокого давления растет вслед за температурой уходящих газов за ГТ. На практике это ведет к тому, что требуется разгрузка блока, изменение его режима, чтобы ввести технологические параметры в расчетные диапазоны, что приводит к снижению эффективности работы ПГУ.
Использование предложенного устройства регулирования расхода воздуха в компрессор газотурбинных установок бинарного энергоблока позволяет удерживать технологические параметры энергоблока в расчетных диапазонах эффективного управления.
В результате имеет место повышение точности регулирования расхода воздуха и оптимизация режима работы ГТУ и энергоблока путем устранения возникающего дисбаланса между заданным расходом топлива и необходимым расходом воздуха при естественных колебаниях температуры и давления наружного воздуха.
Формула полезной модели
Устройство регулирования расхода воздуха в компрессор газотурбинных установок бинарного энергоблока, содержащее регулятор положения входного направляющего аппарата компрессора, выходом подключенный к исполнительному механизму управления углом открытия входного направляющего аппарата компрессора, датчик положения исполнительного механизма входного направляющего аппарата компрессора, подключенный к 1-му входу регулятора положения входного направляющего аппарата компрессора, блок задания угла открытия входного направляющего аппарата компрессора, выходом подключенный ко 2-му входу регулятора положения входного направляющего аппарата компрессора, датчик температуры и датчик давления наружного воздуха, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено блоком формирования комплексированного сигнала с ограничителем скорости изменения комплексированного сигнала, блоком вычисления текущего значения проточного сечения входного направляющего аппарата компрессора, корректирующим регулятором с задатчиком и блоком формирования задания от системы более высокого уровня, при этом датчики температуры и давления наружного воздуха подключены соответственно к 2-му, 3-му входам блока формирования комплексированного сигнала, к 1-му входу которого подключен датчик положения исполнительного механизма входного направляющего аппарата компрессора посредством блока вычисления текущего значения проточного сечения входного направляющего аппарата компрессора, блок формирования комплексированного сигнала выходом подключен к 1-му входу корректирующего регулятора посредством ограничителя скорости изменения комплексированного сигнала, ко 2-му и 3-му входам корректирующего регулятора соответственно подключены задатчик корректирующего регулятора и блок формирования задания от системы управления более высокого уровня, а выход корректирующего регулятора подключен к 3-му входу регулятора положения входного направляющего аппарата компрессора.
Медаль Альфреда Нобеля