RU2374473C1

RU2374473C1 - Method to control gas turbine engine with free turbine

Info

Publication number: RU2374473C1
Application number: RU2008118259/06A
Authority: RU
Inventors: Валерий Владимирович Бурдин (RU); Валерий Владимирович Бурдин; Виктор Александрович Гладких (RU); Виктор Александрович Гладких; Роальд Симонович Динабург (RU); Роальд Симонович Динабург
Original assignee: Закрытое акционерное общество научно-производственная фирма ЗАО НПФ "ГАЗ-система-сервис"
Priority date: 2008-05-07
Filing date: 2008-05-07
Publication date: 2009-11-27

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention relates to gas turbine production and can be used in automatic control systems (ACS) of gas turbine engines (GTE) with free turbines incorporated with gas turbine units (GTU) to drive electric generators (EG) of gas turbine electric stations (GTES). Invention differs from known methods in that, on connecting GTES into unlimited-power circuit, preset RPM (setting) of GTU free turbine is additionally increased by not over 4% via increase in fuel consumption. GTU operating conditions are set whereat measured RPM of free turbine equals aforesaid setting. GTU available output is calculated in delay time determined experimentally and sufficient for GTU reach preset operating conditions. Obtained output is compared with that preset of GTES in operation with unlimited power circuit and preset RPM of free turbine is decreased to initial RPM at the rate proportional to departure of available output from preset magnitude but not exceeding preset limit for this type of GTES defined experimentally and refined in acceptance tests of GTES.

EFFECT: higher reliability.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения и может быть использовано в электронных системах автоматического управления (САУ) газотурбинными двигателями (ГТД) со свободной турбиной, применяемыми в составе газотурбинных установок (ГТУ) для привода электрогенераторов (ЭГ) газотурбинных электростанций (ГТЭС).The invention relates to the field of gas turbine engine building and can be used in electronic automatic control systems (ACS) of gas turbine engines (GTE) with a free turbine used in gas turbine units (GTU) for driving electric generators (EG) of gas turbine power plants (GTES).

Известен способ управления ГТД со свободной турбиной путем измерения косвенного параметра, характеризующего мощность двигателя, и изменения расхода топлива в камеру сгорания по величине отклонения измеренного параметра от заданного значения [1].A known method of controlling a gas turbine engine with a free turbine by measuring an indirect parameter characterizing engine power and changing the fuel consumption in the combustion chamber by the deviation of the measured parameter from the set value [1].

Однако известный способ не позволяет без существенного усложнения процесса регулирования и ужесточения требований к точности датчиков внутридвигательных параметров обеспечить необходимое качество регулирования.However, the known method does not allow, without significantly complicating the regulation process and tightening the requirements for the accuracy of the sensors of the internal motor parameters, to provide the necessary quality of regulation.

Известен также способ управления ГТД со свободной турбиной путем измерения частоты вращения свободной турбины и изменения расхода топлива в камеру сгорания в зависимости от рассогласования между заданным и измеренным значениями частоты вращения свободной турбины [2].There is also a method of controlling a gas turbine engine with a free turbine by measuring the frequency of rotation of a free turbine and changing the fuel consumption in the combustion chamber depending on the mismatch between the set and measured values of the frequency of rotation of a free turbine [2].

При использовании ГТД со свободной турбиной в качестве ГТУ для привода ЭГ ГТЭС, питающей внешнюю энергосистему неограниченной мощности, такой способ управления ГТД имеет следующий недостаток: большой разброс первоначально набранной мощности при включении в энергосистему, связанный с погрешностью выполнения синхронизации. Так, допустимая погрешность автоматической синхронизации составляет 0,2 Гц от заданной, что при статизме 4% вызовет разброс активной мощности 10% от номинальной и может привести к отключению ГТЭС защитой от обратной мощности.When using a gas turbine engine with a free turbine as a gas turbine engine to drive the gas turbine power plant EG, which feeds an external power system of unlimited power, this gas turbine engine control method has the following disadvantage: a large spread in the initially acquired power when it is included in the power system due to the timing error. So, the permissible error of automatic synchronization is 0.2 Hz from the set, which with a statism of 4% will cause a spread in active power of 10% of the nominal and can lead to shutdown of the gas turbine power plant by protection from reverse power.

Это снижает надежность работы ГТУ и ГТЭС.This reduces the reliability of GTU and GTES.

Целью изобретения является повышение надежности работы ГТУ и ГТЭС за счет повышения качества управления ГТУ и ГТЭС, обеспечивающего уменьшение разброса первоначально набираемой мощности при включении ГТЭС на параллельную работу с внешней энергосистемой.The aim of the invention is to increase the reliability of gas turbines and gas turbines by improving the quality of control of gas turbines and gas turbines, ensuring a decrease in the dispersion of the initially recruited power when switching on gas turbines for parallel operation with an external power system.

Поставленная цель достигается тем, что в способе управления ГТД со свободной турбиной путем измерения частоты вращения свободной турбины и изменения расхода топлива в камеру сгорания в зависимости от рассогласования между заданным и измеренным значениями частоты вращения свободной турбины, дополнительно при включении ГТЭС в сеть неограниченной мощности заданное значение частоты вращения свободной турбины ГТУ (уставку) увеличивают на величину не более 4%, увеличивая расход топлива, устанавливают режим работы ГТУ, при котором измеренное значение частоты вращения свободной турбины равно уставке, через выдержку времени, определяемую расчетно-экспериментальным путем и достаточную для выхода ГТУ по мощности на заданный режим, рассчитывают располагаемую мощность ГТУ, сравнивают с заданной для ГТЭС на режиме работы с сетью неограниченной мощности и начинают уменьшать заданное значение частоты вращения свободной турбины ГТУ до исходного с темпом, пропорциональным отклонению располагаемой мощности от заданного значения, но не превосходящим наперед заданным для данного типа ГТУ ограничения, определяемым расчетно-экспериментальным путем и уточняемым в процессе приемосдаточных испытаний ГТУ.This goal is achieved by the fact that in the method of controlling a gas turbine engine with a free turbine by measuring the frequency of rotation of a free turbine and changing the fuel consumption in the combustion chamber depending on the mismatch between the set and measured values of the frequency of rotation of a free turbine, additionally, when a gas turbine power plant is connected to an unlimited power network, the specified value the rotational speed of a GTU free turbine (setpoint) is increased by no more than 4%, increasing fuel consumption, the operation mode of a gas turbine is established, at which the value of the rotational speed of a free turbine is equal to the set point, after a time delay determined by calculation and experimentally and sufficient for the gas turbine to reach the specified mode, the available gas turbine power is calculated, compared with the set for the gas turbine in operation with an unlimited power network and begin to reduce the set the value of the rotational speed of a free turbine GTU to the initial one with a rate proportional to the deviation of the available power from a given value, but not exceeding a predetermined one for a given t GTP pas limit determined by computational and experimental and refined during acceptance testing GTP.

На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующая заявляемый способ регулирования газотурбинного двигателя со свободной турбиной.The drawing shows a structural diagram of a device that implements the inventive method of regulating a gas turbine engine with a free turbine.

Устройство содержит регулятор 1 частоты (п ст) вращения свободной турбины и датчик 2 п ст, подключенные к первому и второму входам сумматора 3, выход сумматора 3 через электрогидропреобразователь (ЭГП) 4 подключен к дозатору 5 топлива, датчик 6 крутящего момента (Мкр) на валу свободной турбины, подключенный к блоку 7 умножения (БУ), второй вход БУ 7 подключен к датчику 2, сумматор 8 сигналов заданной и фактической мощностей, первый вход которого подключен к выходу БУ 7, второй вход - к выходу задатчика 9 мощности, а выход - ко входу анализатора 10, анализатор 10 и задатчик 9 подключены к регулятору 1.The device contains a speed controller 1 (p st) of rotation of a free turbine and a sensor 2 p st connected to the first and second inputs of the adder 3, the output of the adder 3 through an electrohydraulic converter (EHP) 4 is connected to the fuel dispenser 5, the torque sensor 6 (MKR) on a free turbine shaft connected to the multiplication unit 7 (BU), the second input of the BU 7 is connected to the sensor 2, the adder 8 signals of a given and actual power, the first input of which is connected to the output of the BU 7, the second input to the output of the power setter 9, and the output - to the input of the analyzer 10, analysis Torr dial 9 and 10 are connected to the controller 1.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

До момента включения ГТЭС в сеть неограниченной мощности в зависимости от полученного в сумматоре 3 рассогласования между заданным регулятором 1 и измеренным датчиком 2 значениями частоты вращения свободной турбины с помощью ЭГП 4 и дозатора 5 обеспечивается требуемое изменение расхода топлива в камеру сгорания.Until the GTES is connected to an unlimited power network, depending on the discrepancy obtained in the adder 3 between the given controller 1 and the sensor 2 measured by the rotation frequency of a free turbine using EHP 4 and batcher 5, the required change in fuel consumption to the combustion chamber is provided.

При включении ГТЭС в сеть неограниченной мощности в задатчик 9 поступает внешняя команда (от оператора ГГТЭС или АСУ ТП) «Включение в сеть».When a gas turbine power station is connected to a network of unlimited power, an external command (from the operator of the gas turbine power station or automated process control system) “Inclusion in the network” is sent to the control unit 9.

При получении этой команды задатчик 9 выдает команду в регулятор 1 на увеличение заданного значения частоты вращения свободной турбины ГТУ. При получении этой команды регулятор 1 увеличивает уставку п ст на 4%. В сумматоре 3 возникает рассогласование между заданным регулятором 1 и измеренным датчиком 2 значениями п ст. С помощью ЭГП 4 и дозатора 5 обеспечивается требуемое увеличение расхода топлива в камеру сгорания и перевод ГТУ на режим, при котором измеренное значение частоты вращения свободной турбины равно уставке. Через выдержку времени, определяемую расчетно-экспериментальным путем и достаточную для выхода ГТУ по мощности на заданный режим (например, для двигателя ПС-90ГПЗ, входящего в состав ГТУ-25, являющегося газотурбинным приводом ГТЭС-25, эта выдержка составляет 20 с), в БУ 7 рассчитывают располагаемую мощность ГТУ как произведение значения п ст, измеренного датчиком 2, на величину крутящего момента на валу свободной турбины Мкр, измеренного датчиком 6, и подают ее значение на вход сумматора 8. В сумматоре 8 располагаемая мощность сравнивается с заданной, полученной из задатчика 9. Величина рассогласования между заданной и располагаемой мощностями поступает на вход в анализатор 10. Анализатор 10 формирует в регулятор 1 команду на уменьшение заданного значения частоты вращения свободной турбины ГТУ до исходного с темпом, пропорциональным отклонению располагаемой мощности от заданного значения, но не превосходящим наперед заданным для данного типа ГТУ ограничения, определяемым расчетно-экспериментальным путем и уточняемым в процессе приемосдаточных испытаний ГТУ (для двигателя ПС-90ГПЗ это ограничение составляет 1% за секунду).Upon receipt of this command, the controller 9 issues a command to the controller 1 to increase the set value of the rotational speed of the free turbine GTU. Upon receipt of this command, controller 1 increases the set point pst by 4%. In the adder 3 there is a mismatch between the specified controller 1 and the measured sensor 2 values p Art. Using EGP 4 and dispenser 5, the required increase in fuel consumption in the combustion chamber and the transfer of the gas turbine to a mode in which the measured value of the rotational speed of a free turbine is equal to the setpoint are ensured. After a time delay determined by calculation and experimentally and sufficient for the GTU to reach the specified mode in power (for example, for the PS-90GPZ engine, which is part of the GTU-25, which is the gas turbine drive of GTES-25, this shutter speed is 20 s), BU 7 calculate the available capacity of the gas turbine as a product of the value of p st measured by the sensor 2 by the amount of torque on the shaft of the free turbine Mkr measured by the sensor 6, and its value is fed to the input of the adder 8. In the adder 8, the available power is compared with the reference obtained from the setter 9. The size of the mismatch between the set and available capacities goes to the input of the analyzer 10. The analyzer 10 generates into the controller 1 a command to reduce the set value of the rotational speed of the free turbine to the initial one with a rate proportional to the deviation of the available power from the set value, but not exceeding the limits set in advance for this type of gas turbine engine, determined by the calculation and experimental method and specified during the acceptance test of gas turbine engine (for the PS-90G engine W is the limit of 1% for the second).

Таким образом, обеспечивается повышение надежности работы ГТУ и ГТЭС за счет повышения качества управления ГТУ и ГТЭС, обеспечивающего уменьшение разброса первоначально набираемой мощности при включении ГТЭС на параллельную работу с внешней энергосистемой.Thus, the reliability of the gas turbine and gas turbine power plants is improved by improving the quality of control of the gas and gas turbines and gas turbines, which ensures a decrease in the dispersion of the initially accumulated power when the gas turbine is switched on for parallel operation with an external power system.

Источники информацииInformation sources

1. «Выбор и обоснование рациональных схем электронно-гидравлических САР1. "The selection and justification of rational schemes of electronic-hydraulic ATS

вертолетных и транспортных ГТД», т.о. ЦИАМ № 8533, 1978 г.helicopter and transport gas turbine engine ”, thus TsIAM No. 8533, 1978

2. Патент США № 3283503, кл. 60-39.28, 1964 г.2. US patent No. 3283503, CL. 60-39.28, 1964

Claims

A method of controlling a gas turbine engine with a free turbine by measuring the speed of a free turbine and changing the fuel consumption in the combustion chamber depending on the mismatch between the set and measured values of the speed of a free turbine, characterized in that, additionally, when a gas turbine power plant is connected to an unlimited power network, the set speed value GTU free turbines (set point) are increased by no more than 4%, increasing fuel consumption, the operation mode of the gas turbine is established, at which the speed of a free turbine is equal to the set point, after a time delay determined by calculation and experimental means and sufficient for the gas turbine to reach the specified mode, the available gas turbine power is calculated, compared with the set for the gas turbine in operation with an unlimited power network and begin to reduce the set the value of the rotational speed of the free turbine of a gas turbine to the initial one with a rate proportional to the deviation of the available power from a given value, but not exceeding a predetermined one for a given type of gas turbines limited, determined by calculation and experimental means and specified during the acceptance tests of gas turbines.