RU224778U1 - Тиристорный преобразователь частоты системы управления одновальной газотурбинной установки - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится устройствам (элементам) системы управления газотурбинными одновальными установками, используемыми для производства тепловой и электрической энергии, и может быть использована при изготовлении, установке и эксплуатации одновальных газотурбинных установок, используемых стационарно для выработки тепловой или электрической энергии. Тиристорный преобразователь частоты системы управления одновальной газотурбинной установкой, содержащий силовые и функциональные узлы, электрически связанные и взаимодействующие с элементами газотурбинной установки, по меньшей мере, газовой турбиной, компрессором, камерой сгорания, синхронным генератором, системой управления, содержащий силовые и функциональные узлы, в котором силовой узел содержит выпрямитель, сглаживающий реактор, инвертор и пусковое устройство, а функциональный - цифровую систему управления, цепи защиты от перенапряжений тиристоров выпрямителя и инвертора, датчики состояния элементов схемы и релейно-контактную часть, а также элементы управления, при этом в силовую часть на вход тиристорного преобразователя частоты введен, по меньшей мере, один транзисторный синхронный переключатель таким образом, что объединяет в себе одновременно транзисторы, обеспечивающие управляемость и тиристоры в таблеточных корпусах, обеспечивающие надежность работы в аварийных режимах. Кроме того, тиристорный преобразователь электрически связан и взаимодействует с элементами одновальной газотурбинной установки для обеспечения ее работы, например, в диапазоне мощностей от 7 МВт до 12 МВт, при обеспечении скорости вращения вала установки в диапазоне от 5850 об/мин до 6250 об/мин и обеспечения преобразования напряжения статорной обмотки генератора в диапазоне частот от 101 Гц до 102 Гц в напряжение промышленной частоты 50 Гц. Реализацией полезной модели устраняются недостатки представленных в описании аналогичных устройств за счет конструктивного изменения ТПЧ одновальных ГТУ и создании технического решения - ТПЧ, специализированного на работе одновальной ГТУ с присущей ее работе особенностями - более высокого технического уровня с более высокими техническими эксплуатационными характеристиками. Также достигается повышение КПД ТПЧ одновальных газотурбинных установок мощностного ряда от 7 МВт до 12 МВт - до 97.5-98.5%, используемых стационарно для выработки тепловой или электрической энергии, повышение управляемости работой ГТУ, надежности ее работы и, как следствие, что также сопровождается уменьшением «габаритности» (геометрических размеров) ТПЧ.

Description

Полезная модель относится устройствам (элементам) системы управления газотурбинными о дневальными установками, используемыми для производства тепловой и электрической энергии, и может быть использована при изготовлении, установке и эксплуатации одновальных газотурбинных установок, используемых стационарно для выработки тепловой или электрической энергии.

Из уровня техники хорошо известны тиристорные преобразователи частоты (ТПЧ), предназначенные, в частности, для преобразования трехфазного тока промышленной частоты в переменный многофазовый ток с заданной частотой. Кроме того, ТПЧ используется, например, для пуска газотурбинной установки, при котором синхронный турбогенератор используется в качестве разгонного синхронного двигателя, и пр.

Так, известно, устройство пуска одновального газотурбинного агрегата (Е.А. Крутяков, П.А. Павлов, М.В. Пронин, Алгоритмы работы тиристорных пусковых устройств для турбогенераторов и синхронных двигателей производства АО "Электросила", Сборник "Электросила", №40, 2001 г., стр. 53-59) (см. RU 2251625, F02C 7/26, 10.05.2005 г.).

В указанном выше решении пуск ГТУ осуществляется с использованием ТПЧ, один из выходов которого подключен к статорной обмотке турбогенератора, связанного механически с валом газовой турбины. Однако, этому ТПЧ присущ ряд недостатков: требуется мощный пусковой источник тока возбуждения, изменение знака вращающего момента разгонного двигателя может вызвать заклинивание червячной пары валоповоротного механизма и повреждение червяка, а также - щеточный аппарат при большом по величине токе возбуждения, передаваемом через контактные кольца, требует сравнительно частого периодического обслуживания и снижает надежность агрегата.

Также известен тиристорный преобразователь чистоты (ТПЧ), используемый в способе управления одновальной газотурбинной установкой, применяемой, в том числе на электростанции, включающий формирование по каждому управляемому параметру при помощи регулятора параметра управляющих сигналов, сравнение значений этих сигналов, выбор сигнала с наименьшим значением и осуществление этим выходным сигналом управления исполнительным механизмом подачи топлива. Номинальное значение частоты вращения вала турбогенератора в способе поддерживается регулятором частоты вращения, который сравнивает заданное и фактическое значение частоты вращения и формирует управляющее воздействие на исполнительный механизмом подачи топлива. В формировании упомянутого управляющего воздействия участвуют также ограничители температуры газов за турбиной, давления за компрессором и т.п. (RU 2172419, F02C 9/26 (2000.01), G05D 7/00 (2000.01), 20.08.2001 г.).

Одним из главных недостатков ТПЧ из данной системы управления ГТД является сравнительно невысокий КПД и конструктивная сложность (громоздкость) ТПЧ.

Вместе с тем - из уровня техники известен ТПЧ системы управления одновальной ГТУ (газотурбинной установки в целом) со статическим преобразователем частоты, в котором по каждому управляемому параметру формируют при помощи регулятора параметра управляющие сигналы, сравнивают значения этих сигналов, выбирают сигнал с наименьшим значением, осуществляют этим выходным сигналом регулирование исполнительного органа объекта, формируют дополнительный управляющий сигнал на основе близости к предельно допустимым значениям, по крайней мере, одного параметра, используемого при формировании выходного сигнала управления подачей топлива, и, по крайней мере, одного параметра, не используемого при формировании выходного сигнала управления подачей топлива, упомянутый дополнительный управляющий сигнал подают на регулятор активной мощности и систему управления статическим преобразователем частоты для снижения по заданному закону мощности, выдаваемой статическим преобразователем в электрическую сеть, и вывода параметров из зоны близости к предельно допустимым значениям.

Техническим результатом указанного выше решения является возможность стабильной продолжительной работы в общей или параллельной электрической сети с выдачей мощности через ТПЧ на режимах, близких к предельным для одновального газотурбинного привода. При работе одновальной турбогенераторной установки в автономном режиме дополнительный управляющий сигнал используют для уменьшения нагрузки путем управления выключателями нагрузки низких приоритетов и вывода параметров из зоны близости к предельно допустимым значениям (RU 2314635, Н02Р 9/04, F02С 9/28, 10.01.2008 г.) (ближайший аналог). ТПЧ данной конструкции состоит из

Также из уровня техники известен ТПЧ (см. RU 2251625, F02С 7/26, 10.05.2005 г.), используемый в системе одновальной ГТУ (газотурбинной установкой), выход которого подключен к статорной обмотке синхронного турбогенератора, вал которого связан с валом газовой турбины, при этом дополнительно содержит бесщеточный синхронный возбудитель, вал которого связан с валом синхронного турбогенератора, задатчик тока возбуждения и измеритель вращающего момента привода, причем обмотка возбуждения упомянутого возбудителя соединена с выходом задатчика тока возбуждения для создания положительной обратной связи, первый вход задатчика тока возбуждения включен на информационный выход измерителя вращающего момента привода, а второй вход задатчика тока возбуждения подключен к источнику постоянного тока смещения.

Данный вид ТПЧ, как видно, содержит, следующие силовые: выпрямитель, сглаживающий реактор, инвертор и пусковое устройство и функциональные узлы: цифровая система управления, цепи защиты от перенапряжений тиристоров выпрямителя и инвертора, датчики состояния элементов схемы и релейно-контактная часть, элементы, в т.ч., ручного управления, а также ТПЧ оснащен рядом блокировок, например, исчезновения питания. Выпрямитель ТПЧ подключен своим входом к питающей сети, а выходом к конденсаторам звена постоянного тока. Конденсаторы через независимый (автономный) инвертор подключены к выходу преобразователя частоты. Инвертор должен обеспечивать плавное широтно-импульсное регулирование частоты и амплитуды выходного напряжения.

В дополнение к перечисленным недостаткам, общим для всех решений является недостаточно высокий для настоящего уровня развития техники КПД ТПЧ для эксплуатации одновальных газотурбинных установок мощностного ряда, например, от 7 до 12 МВт, используемых стационарно для выработки тепловой или электрической энергии.

Задача данной полезной состоит в устранении перечисленных выше недостатков за счет конструктивного изменения ТПЧ одновальных ГТУ и создании технического решения - ТПЧ, специализированного на работе одновальной ГТУ с присущей ее работе особенностями, работающей в диапазоне мощностей от 7 МВт до 12 МВт - более высокого технического уровня с более высокими техническими эксплуатационными характеристиками и повышающейся надежностью работы ГТУ.

Технический результат данной полезной модели заключается в повышении КПД ТПЧ одновальных газотурбинных установок мощностного ряда от 7 МВт до 12 МВт, используемых стационарно для выработки тепловой или электрической энергии, достигаемого за счет улучшения управляемости ТПЧ, надежности его работы, что также сопровождается уменьшением т.н. «габаритности» (геометрических размеров) ТПЧ.

Указанная задача решается следующим образом.

Тиристорный преобразователь частоты системы управления одновальной газотурбинной установкой, согласно заявленному решению содержит силовые и функциональные узлы, электрически связанные и взаимодействующие с элементами газотурбинной установки, по меньшей мере, газовой турбиной, компрессором, камерой сгорания, синхронным генератором, системой управления, также содержит силовые и функциональные узлы, при этом силовой узел содержит выпрямитель, сглаживающий реактор, инвертор и пусковое устройство, а функциональный - цифровую систему управления, цепи защиты от перенапряжений тиристоров выпрямителя и инвертора, датчики состояния элементов схемы и релейно-контактную часть, а также элементы управления, при этом в силовую часть на вход тиристорного преобразователя чистоты введен, по меньшей мере, один транзисторный синхронный переключатель, таким образом, что объединяет в себе одновременно транзисторы, обеспечивающие управляемость и тиристоры, обеспечивающие надежность работы в аварийных режимах, при этом тиристоры используются в модульном и таблеточном корпусах. Кроме того, тиристорный преобразователь электрически связан и взаимодействует с элементами одновальной газотурбинной установки для обеспечения ее работы в диапазоне мощностей от 7 МВт до 12 МВт, при обеспечении скорости вращения вала установки в диапазоне от 5 850 об/мин до 6250 об/мин и обеспечения преобразования напряжения статорной обмотки генератора в диапазоне частот от 101 Гц до 102 Гц в напряжение промышленной частоты 50 Гц.

Как видно, модифицированный согласно заявленной полезной модели тиристорный преобразователь частоты системы управления используется в работе одновальной газотурбинной установкой, предназначенной для эксплуатации достаточно продолжительное время на заданных рабочих режимах нагрузки. При таких условиях обеспечению стабильности работы ГТУ предъявляются повышенные требования. Кроме того, как известно, преимущества одновальных установок - конструктивная простота, минимальное число турбомашин и подшипников, и, что очень важно - при регенеративном цикле они сохраняют постоянный КПД при уменьшении нагрузки до 70% и ниже.

ГТУ согласно заявленному решению содержит силовые и функциональные узлы, электрически связанные и взаимодействующие с элементами газотурбинной установки, по меньшей мере, газовой турбиной, компрессором, камерой сгорания, синхронным генератором, системой управления. Наличие перечисленных элементов и их электрическая взаимосвязь обусловлены необходимостью согласованного взаимодействия элементов ГТУ для работы, а также решения поставленной задачи полезной модели и достигаемого при ее осуществлении технического результата.

ТПЧ содержит т.н. силовые и функциональные узлы. Силовой узел содержит выпрямитель, сглаживающий реактор, инвертор и пусковое устройство, а функциональный - цифровую систему управления, цепи защиты от перенапряжений тиристоров выпрямителя и инвертора, датчики состояния элементов схемы и релейно-контактную часть, а также элементы управления в т.ч. ручного. Наличие перечисленных элементов ТПЧ необходимо для функционирования ТПЧ ГТУ и осуществления настоящей полезной модели.

В силовую часть на вход тиристорного преобразователя чистоты введен, по меньшей мере, один транзисторный синхронный переключатель, таким образом, что объединяет в себе одновременно транзисторы, обеспечивающие управляемость и тиристоры, обеспечивающие надежность работы в аварийных режимах. Транзисторы, как известно, электронный компонент из полупроводникового материала, способный небольшим входным сигналом управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет использовать его для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов. Тиристоры, при этом, имеют малую массу, малые габариты, большой срок службы, высокий КПД, малую чувствительность к вибрации и механическим перегрузкам, способность работать при низких (прямых) и высоких (обратных) напряжениях.

Как известно, транзисторные переключатели позволяют производить переключение очень быстро, время переключения измеряется обычно долями микросекунд. С их помощью можно переключать несколько схем одним управляющим сигналом. Еще одно достоинство транзисторных переключателей состоит в том, что они дают возможность производить дистанционное «холодное» переключение, при котором на переключатели поступают только управляющие сигналы постоянного тока.

В схемном отношении транзисторный переключатель тока представляет собой дифференциальный усилитель, работающий в режиме большого входного сигнала. База транзистора подключена к источнику постоянного опорного напряжения. На базу транзистора подается входной управляющий сигнал. В общей эмиттерной цепи транзисторов и включен источник стабильного тока, выполненный на транзисторе. Резисторы, а также диод служат для задания и стабилизации тока коллектора.

Таким образом, перечисленные технические усовершенствования существенным образом влияют на достигаемый при осуществлении настоящей полезной модели технический результат. При этом выполнение тиристоров в модульном и/или таблеточном корпусах дополнительное техническое усовершенствование, направленное на снижение массогабаритных показателей этих элементов, так как указанные синхронные переключатели (СПП) имеют меньшую массу и габариты, симметричность конструкции позволяет сократить габариты преобразовательных установок.

К достоинствам таблеточных СПП с точки зрения обеспечения нормального температурного режима также относят - возможность двухстороннего теплоотвода и обеспечение за счет этого высокой плотности теплового потока в кремниевом диске, а также повышенная нагревоциклостойкость, обеспечиваемая путем применения прижимных контактов.

Модульные тиристоры за счет использования современных конструктивных материалов и технологий обработки (получения) элементов тиристора имеют также незначительные размеры, корпус - преимущественно прямоугольной формы и обладают повышенными эксплуатационными характеристиками, при этом достаточно компактны.

Для обеспечения полноценной работы и достижения заявленных технических результатов тиристорный преобразователь электрически связан и взаимодействует с элементами одновальной газотурбинной установки для обеспечения ее работы в диапазоне мощностей от 7 МВт до 12 МВт, при обеспечении скорости вращения вала установки в диапазоне от 5 850 об/мин до 6250 об/мини обеспечения преобразования напряжения статорной обмотки генератора в диапазоне частот от 101 Гц до 102 Гц в напряжение промышленной частоты 50 Гц.

Кроме того, в систему управления ГТУ, работающую с ТПЧ можно ввести систему Интернет-Диагностики ТПЧ. В состав системы управления, основными задачами которой являются поддержание частоты вращения и предотвращение перегрузки газотурбинного привода, входят инструменты считывания и сохранения рабочих и аварийных осциллограмм в постоянной памяти Черного Ящика, а также средства связи с Интернетом на базе GSM модема. При необходимости осциллограммы работы ГТУ автоматически могут посылаться на сайт эксплуатации. Достаточно простой в использовании сайт диагностики ТПЧ служит, с одной стороны, «инструментом быстрого реагирования» при ремонте, с другой стороны, - «базой коллективных знаний» для изучения типовых аварийных процессов и для обучения персонала навыкам эксплуатации.

Ниже приводится один из способов осуществления полезной модели, никоим образом не ограничивающий все возможны варианты ее практического воплощения.

Перед началом пуска одновальной ГТУ с использованием описанного модифицированного ТПЧ проводится профилактический осмотр ГТУ - необходимо убедиться в том, что она готова к работе. Также осуществления непосредственно подготовка к пуску одновальной ГТУ.

Осуществляется подготовка магнитных подшипников к пуску, что очень удобно делать на одновальной машине (ГТУ), а также переход в режим работы «валоповорот» с использованием пускового экрана монитора рабочей станции. Частота вращения ротора турбины в этом режиме составляет около 360 об/мин. Работа в данном режиме может проходить до 30 мин.

Далее, после проведения тестовых мероприятий, осуществляется переход в режим работы «холодная прокрутка» - для вентиляции газовоздушного тракта ГТЭ, для проверки работоспособности оборудования на пониженных оборотах без розжига камеры сгорания и других технологических операций. Ротор раскручивается до частоты вращения - около 2 300 об/мин за время около 100 с. Частота разгона и время вращения регулируются системой управления с использованием возможностей ТПЧ.

После работы в этом режиме частота вращения ротора повышается до уровня частоты вращения ротора - «частота розжига» также с использованием плавной и устойчивой работы модифицированного, согласно настоящему решению, ТПЧ.

Далее - осуществляется розжиг топлива в ГТУ. После непродолжительной работы ГТУ в этом режиме - частота вращения ротора доводится до рабочей - в районе 6000 об/мин. В процессе доведения частоты вращения ротора до упомянутого значения работа ТПЧ может приостанавливаться - регулировка режимов его работы осуществляется плавно, без т.н. «зависания», с использованием системы автоматизированного управления ГТУ. В процессе разгона ротора автоматически контролируются параметры розжига и горения во всех секциях камеры сгорания, а также температура газов за турбиной и частота вращения ротора.

После выхода работы ГТУ на холостой ход модифицированный ТПЧ поддерживает данный режим работы за счет электронного взаимодействия со всеми значимыми элементами ГТУ, в частности, газовой турбиной, компрессором, камерой сгорания, синхронным генератором, системой управления.

При достижении работы ротора в районе 6000 об/мин, через определенное время, минуя режим «прогрева ГТУ» ее можно нагружать.

Работа каждого перечисленного и иных режимов одновальной ГТУ от начала и до конца осуществляется с использованием системы управления и ТПЧ, электронно-связанного со всеми элементами ГТУ, включая, в частности, газовой турбиной, компрессором, камерой сгорания, синхронным генератором, системой управления.

За счет введения в силовую часть на вход тиристорного преобразователя чистоты транзисторного синхронного переключателя, объединившего в себе одновременно транзисторы, обеспечивающие управляемость и тиристоры, обеспечивающие надежность работы в аварийных режимах достигнуто ощутимо фикируемое повышение КПД ГТУ, на что также повлияли тиристоры, используемые в модульном и/или таблеточном корпусах.

Наилучших показаний - с точки зрения достижения заявленного технического результата, в частности, достижения КПД ТПЧ ГТУ на уровне 97,5-98,5%, дала работа ТПЧ электрически связанного и взаимодействующего с упомянутыми элементами одновальной газотурбинной установки для обеспечения работы ГТУ в диапазоне мощностей от 7 МВт до 12 МВт - при обеспечении скорости вращения вала установки в диапазоне от 5850 об/мин до 6250 об/мин и фиксирования преобразования напряжения статорной обмотки генератора в диапазоне частот от 101 Гц до 102 Гц в напряжение промышленной частоты 50 Гц.

В упомянутой конструкции выпрямитель ТПЧ подключен своим входом к питающей сети, а выходом к конденсаторам звена постоянного тока. Конденсаторы через независимый (автономный) инвертор подключены к выходу преобразователя частоты, а Инвертор обеспечивал плавное широтно-импульсное регулирование частоты и амплитуды выходного напряжения.

При проведении исследований, в т.ч. расчетных, для данного ТПЧ использовалась конструкция трехстолбового силового блока, безиндуктивная силовая ошиновка, в одном конструктиве совмещены силовые блоки и звено постоянного тока. Благодаря этому удалось достигнуть увеличения надежности изделия, повышение КПД ТПЧ, допустимого значения кратковременного тока, уменьшения габаритных размеров ТПЧ.

Использование модифицированного согласно заявленной полезной модели ТПЧ, показало возможность:

преобразования напряжения статорной обмотки турбогенератора частотой 101,6 Гц в напряжение промышленной частоты 50 Гц,

пуска ГТУ, при котором синхронный турбогенератор используется в качестве разгонного синхронного двигателя,

длительной прокрутки вала ГТУ на пониженных оборотах.

Способ осуществлялся с использованием системы управления ГТУ, работающей с ТПЧ с системой Интернет-Диагностики ТПЧ. В состав системы управления, основными задачами которой являются поддержание частоты вращения и предотвращение перегрузки газотурбинного привода, входили инструменты считывания и сохранения рабочих и аварийных осциллограмм в постоянной памяти т.н. «Черного Ящика» ГТУ, а также средства связи с Интернетом на базе GSM модема. С определенной переоидичностью и/или по заданной программе осциллограммы работы ГТУ автоматически посылались на web-сайт эксплуатации. Достаточно простой в использовании сайт диагностики ТПЧ служит, с одной стороны, «инструментом быстрого реагирования» при ремонте, с другой стороны, - «базой коллективных знаний» для изучения типовых аварийных процессов и для обучения персонала навыкам эксплуатации.

Как видно из описанного выше, реализацией заявленной полезной модели устраняются недостатки представленных в описании аналогичных устройств за счет конструктивного изменения ТПЧ одновальных ГТУ и создании технического решения - ТПЧ, специализированного на работе одновальной ГТУ с присущей ее работе особенностями - более высокого технического уровня с более высокими техническими эксплуатационными характеристиками. Прежде всего, достигается повышение КПД ТПЧ одновальных газотурбинных установок мощностного ряда от 7 МВт до 12 МВт, используемых стационарно для выработки тепловой или электрической энергии - до 97.5-98.5%, достигаемое за счет улучшения управляемости ТПЧ, надежности его работы, что также сопровождается уменьшением т.н. «габаритности» (геометрических размеров) ТПЧ.

Claims (2)

1. Тиристорный преобразователь частоты системы управления одновальной газотурбинной установкой, содержащий силовые и функциональные узлы, электрически связанные и взаимодействующие с элементами газотурбинной установки, по меньшей мере, газовой турбиной, компрессором, камерой сгорания, синхронным генератором, системой управления, содержащий силовые и функциональные узлы, в котором силовой узел содержит выпрямитель, сглаживающий реактор, инвертор и пусковое устройство, а функциональный - цифровую систему управления, цепи защиты от перенапряжений тиристоров выпрямителя и инвертора, датчики состояния элементов схемы и релейно-контактную часть, а также элементы управления, при этом в силовую часть на вход тиристорного преобразователя частоты введен, по меньшей мере, один транзисторный синхронный переключатель таким образом, что объединяет в себе одновременно транзисторы, обеспечивающие управляемость и тиристоры в таблеточных корпусах, обеспечивающие надежность работы в аварийных режимах.

2. Тиристорный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что электрически связан и взаимодействует с элементами одновальной газотурбинной установки для обеспечения ее работы в диапазоне мощностей от 7 МВт до 12 МВт, при обеспечении скорости вращения вала установки в диапазоне от 5850 об/мин до 6250 об/мин и обеспечения преобразования напряжения статорной обмотки генератора в диапазоне частот от 101 Гц до 102 Гц в напряжение промышленной частоты 50 Гц.