RU2389892C1

RU2389892C1 - Control device of fuel supply to combustion chamber of gas turbine plant

Info

Publication number: RU2389892C1
Application number: RU2008145118/06A
Authority: RU
Inventors: Ярослав Андреевич Евдокимов (RU); Ярослав Андреевич Евдокимов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная компания "ЛЕНПРОМАВТОМАТИКА"
Priority date: 2008-11-18
Filing date: 2008-11-18
Publication date: 2010-05-20

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: in control device of fuel supply to gas turbine engine there additionally introduced is automatic device of conditions, as well as operating feedback circuit controlling combustion products temperature after free turbine, software setting device and setting device of remote manual control of fuel supply, the outputs of corrective signals of which are connected to inputs of minimum-maximum selection unit, and outputs of increment signals to common generator are connected to inputs of switching units; at that, each feedback circuit and each setting device is equipped with activation unit the input of which is connected to output of automatic device of conditions, and output - to control input of the key switching the circuits of output signals, and automatic device of conditions is made with possibility of activation and deactivation of feedback circuits and setting devices depending on operating mode of gas turbine plant.

EFFECT: increasing control efficiency of fuel supply to combustion chamber of gas turbine plant.

5 dwg

Description

Изобретение 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.The invention relates to the field of control of complex objects of technology, operating in a wide range of modes and loads and using one control action to control several parameters, and can be used in control systems for gas turbine engines, turbines of power plants, water heaters and other objects.

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.A known method of regulating the parameters of a gas turbine engine [1], for example, the temperature of the gases behind the turbine, by using closed and corrective circuits. A signal of a parameter functionally related to an adjustable parameter, for example, a differential pressure of gases on a turbine, is supplied to a closed loop, and a mismatch signal between the set and actual value of the parameter is fed to the correction loop to change the closed loop setting.

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.The disadvantage of this method is the difficulty of adjusting the interconnected main and corrective circuits, the lack of the ability to separate the control signals of these circuits and, as a result, the ability of the parameters of the control object to exceed acceptable values with inaccurate settings.

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.A known method of regulating a gas turbine engine [2], according to which the temperature of the gases behind the turbine and the rotor speed are measured, they are compared with the given signals and the signals of deviation and changes in the fuel supply to the engine are generated in proportion to the larger deviation signal. In order to improve the quality of transients, the signal of the measured rotor speed is passed through the inertial link with a time constant greater than or equal to the turbine warm-up time, the signal of the measured rotor speed is subtracted from the received signal, the correction signal is generated by amplification of the error signal, and the first specified signal is reduced by value of the correction signal.

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.The disadvantage of this method is that it takes into account only one limiting variable, namely the temperature of the gases behind the turbine, and for safe automatic control of the gas turbine installation, it is necessary, at a minimum, to limit the air pressure behind the gas generator compressor.

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.A known method of controlling a multidimensional object [3], according to which using the regulators for each controlled parameter, correcting signals are generated, the values of these signals are compared, the signal with the lowest value is selected and the position of the actuator is adjusted with this signal, at least one of the controlled parameters is formed by summing the output signal of the regulator of this parameter and the converted output signal corresponding to this parameter.

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).The disadvantage of this method is that it uses only the choice of the minimum value of the control signal, i.e. this method can only provide a limitation of the maximum control action. At the same time, in some cases, it is necessary to limit both the maximum and minimum control actions, for example, when controlling a gas turbine installation, it is necessary to limit the minimum rotation speed of the gas generator turbine in the operating mode (limiting the stability of the gas generator compressor) or when controlling a water heater in winter limitation of the minimum temperature of the coolant (limitation on the freezing of water in the circuit).

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип предлагаемого изобретения, 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 входами переключателя контуров.The closest analogue adopted for the prototype of the invention is a device that implements a method of controlling the supply of fuel for gas turbine engines [4]. The device contains feedback feedback loops that regulate the speed of the gas generator turbine and the speed of the free turbine, upper and lower feedback feedback loops that keep the rotation speed of the gas generator in a given range, and upper feedback loops that keep the rotation speed of the free turbine, temperature of the combustion products behind a free turbine and pressure at the compressor outlet, a minimum-maximum selection unit and a common integrator, the output of which a control signal is generated on the fuel valve dosing the fuel supply, while each of the above feedback loops is configured to generate at one of its outputs a correction signal reduced to fuel consumption, and on the other, an increment signal to the common integrator, the first the input of which is connected to the output of the minimum-maximum selection block, and the second is connected to the output of the circuit switch, whose inputs are connected to the outputs of the increment signals to the total integration All of the above feedback loops, the outputs of the correction signals of which are connected to the inputs of the minimum-maximum selection block, and the outputs of the minimum-maximum selection block, on which the loop identification signals with the minimum correction signal and the circuit with the maximum correction signal are generated, are connected to the control inputs of the switch contours.

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.The disadvantage of the prototype device is that only negative feedback loops are integrated in the control circuit, while other elements are used to control a multidimensional object, such as, for example, programmed adjusters that implement a change in fuel supply according to a given program when starting a gas turbine engine a valve positioner for manually controlling the valve and the like. During the operation of such adjusters, there is no target regulator; nevertheless, restrictive control is necessary. For example, with a programmatic increase in fuel supply at the start of a gas turbine installation, it is necessary to limit the temperature in the combustion chamber from above. The absence of such adjusters in the control circuit of the prototype does not allow combining manual or software control with restrictive feedback loops, which impairs the quality of object control in some modes.

Решаемой задачей является повышение эффективности управления подачей топлива в камеру сгорания газотурбинной установки.The problem to be solved is to increase the efficiency of controlling the supply of fuel to the combustion chamber of a gas turbine installation.

Сущность изобретения 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.The essence of the invention lies in the fact that the device for controlling the supply of fuel to the combustion chamber of a gas turbine installation containing feedback loops that control the speed of the gas generator turbine and the speed of the free turbine, upper and lower restrictive feedback loops that keep the turbine speed within the specified limits gas generator, upper feedback limiting circuits that hold the upper limits of the frequency of rotation of a free turbine, the temperature of the combustion products I am behind a free turbine and pressure behind the compressor, a minimum-maximum selection unit and a common integrator, at the output of which a control signal is generated on the actuator dosing the fuel supply, while each of the above feedback loops is configured to form at one of its outputs a correction signal reduced to fuel consumption, and on the other, an increment signal to a common integrator, the first input of which is connected to the output of the minimum-maximum selection block, and the second nen with the output of the switching unit, the inputs of which are connected to the outputs of the increment signals to the common integrator of all the above feedback loops, the outputs of the correcting signals of which are connected to the inputs of the minimum-maximum selection block, and the output of the minimum-maximum selection block, on which the identification signal of the selected source is generated control action, connected to the control input of the switching unit, an automatic state machine, as well as a feedback working loop that controls the temperature combustion products behind a free turbine, a program controller and a remote controller for manual manual fuel supply, the outputs of the correction signals of which are connected to the inputs of the minimum-maximum selection unit, and the outputs of the increment signals to the common integrator are connected to the inputs of the switching unit, each of the feedback loops and setters is equipped with an activation unit, the input of which is connected to the output of the state machine, and the output is with the control input of the key, the switching circuit of the output signals, and the state machine full with the ability to activate and deactivate feedback loops and setpoints, depending on the operating mode of the gas turbine unit.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:The invention is illustrated by drawings, on which:

Фиг.1 - структурная схема устройства управления подачей топлива в камеру сгорания газотурбинной установки,Figure 1 - structural diagram of a device for controlling the supply of fuel to the combustion chamber of a gas turbine installation,

Фиг.2 - структурная схема рабочего и ограничительного контуров обратной связи,Figure 2 - structural diagram of the working and restrictive feedback loops,

Фиг.3 - структурная схема программного задатчика,Figure 3 is a structural diagram of a software master,

Фиг.4 - структурная схема задатчика дистанционного управления топливным клапаном,Figure 4 is a structural diagram of a remote control valve fuel valve,

Фиг.5 - пример реализации графа состояний и переходов автомата состояний.5 is an example implementation of a state graph and state machine transitions.

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.The fuel supply control device can be implemented both by means of digital circuitry, and on the basis of a programmable logic controller that provides software implementation of the structural diagram of the device below.

На фиг.1 структурной схемы устройства управления подачей топлива обозначены:In Fig.1 a structural diagram of a fuel control device indicated:

1 - рабочий контур обратной связи (КОС), регулирующий частоту вращения турбины газогенератора (далее по тексту - рабочий КОС по частоте вращения ТГ),1 - working feedback loop (CBS), which regulates the rotational speed of the gas generator turbine (hereinafter referred to as the working CBS in terms of TG rotation speed),

2 - рабочий КОС, регулирующий частоту вращения свободной турбины (далее по тексту - рабочий КОС по частоте вращения СТ),2 - working CBS, regulating the frequency of rotation of a free turbine (hereinafter referred to as the working CBS on the speed of rotation CT),

3 - рабочий КОС, регулирующий температуру продуктов сгорания за свободной турбиной (далее по тексту - рабочий КОС по температуре за СТ),3 - working WWTP, regulating the temperature of the combustion products behind a free turbine (hereinafter referred to as the working WWTF at a temperature per CT),

4 - контур обратной связи, ограничивающий верхний предел частоты вращения турбины газогенератора (далее по тексту - верхний ограничительный КОС по частоте вращения ТГ),4 - feedback loop, limiting the upper limit of the rotational speed of the gas generator turbine (hereinafter referred to as the upper limiting KOS in terms of rotational speed TG),

5 - контур обратной связи, ограничивающий верхний предел частоты вращения свободной турбины (далее по тексту - верхний ограничительный КОС по частоте вращения СТ),5 - feedback loop, limiting the upper limit of the frequency of rotation of a free turbine (hereinafter referred to as the upper limit CBS on the speed of rotation CT),

6 - контур обратной связи, ограничивающий верхний предел давления за компрессором (далее по тексту - верхний ограничительный КОС по давлению за компрессором),6 - feedback loop, limiting the upper limit of pressure behind the compressor (hereinafter referred to as the upper limiting pressure limiter for pressure behind the compressor),

7 - контур обратной связи, ограничивающий верхний предел температуры продуктов сгорания за свободной турбиной (далее по тексту - верхний ограничительный КОС по температуре за СТ),7 - feedback loop, limiting the upper limit of the temperature of the products of combustion behind a free turbine (hereinafter referred to as the upper limit CBS temperature for ST),

8 - программный задатчик,8 - software setpoint,

9 - задатчик дистанционного ручного управления подачей топлива,9 - dial manual remote fuel control,

10 - контур обратной связи, ограничивающий нижний предел частоты вращения турбины газогенератора (далее по тексту - нижний ограничительный КОС по частоте вращения ТГ),10 - feedback loop, limiting the lower limit of the rotational speed of the turbine of the gas generator (hereinafter referred to as the lower limiting CBS on the speed of rotation of the TG),

11 - автомат состояний,11 - state machine,

12 - блок селекции минимума-максимума,12 - block selection of the minimum-maximum,

13 - блок определения минимального корректирующего сигнала (далее по тексту - блок определения минимума),13 is a block for determining the minimum correction signal (hereinafter referred to as the block for determining the minimum),

14 - блок определения максимального корректирующего сигнала (далее по тексту - блок определения максимума),14 - unit for determining the maximum correction signal (hereinafter referred to as the unit for determining the maximum),

15 - блок идентификации, выполненный на основе регистра, в котором записаны номера блоков-источников управляющего воздействия,15 - identification block, made on the basis of a register in which the numbers of control source blocks are recorded,

16 - блок коммутации,16 - switching unit,

17 - общий интегратор,17 - general integrator,

18 - ограничитель положения,18 - position limiter,

19 - исполнительный орган, выполненный в виде позиционера дозирующего клапана,19 - the Executive body, made in the form of a positioner metering valve,

20 - блок задания частоты вращения турбины газогенератора,20 - unit for setting the frequency of rotation of the turbine of the gas generator,

21 - блок задания частоты вращения свободной турбины,21 - unit for setting the frequency of rotation of a free turbine,

22 - блок задания температуры продуктов сгорания за свободной турбиной (далее по тексту - блок задания температуры),22 - unit for setting the temperature of the combustion products behind a free turbine (hereinafter referred to as the unit for setting the temperature),

23 - датчик частоты вращения турбины газогенератора,23 - a sensor for the rotation speed of the turbine of the gas generator,

24 - датчик частоты вращения свободной турбины,24 - speed sensor of a free turbine,

25 - датчик температуры продуктов сгорания за свободной турбиной (далее по тексту - датчик температуры),25 - temperature sensor of the combustion products behind a free turbine (hereinafter referred to as the temperature sensor),

26 - датчик давления за компрессором,26 - pressure sensor behind the compressor,

27, 28 - блоки задания максимальной и минимальной частоты вращения турбины газогенератора, соответственно,27, 28 - blocks setting the maximum and minimum rotational speed of the turbine of the gas generator, respectively,

29 - блок задания максимальной частоты вращения свободной турбины,29 - block setting the maximum speed of a free turbine,

30 - блок задания максимального давления за компрессором,30 - block setting the maximum pressure behind the compressor,

31 - блок задания максимальной температуры продуктов сгорания за свободной турбиной (далее по тексту - блок задания максимальной температуры за СТ),31 - unit for setting the maximum temperature of the combustion products behind a free turbine (hereinafter referred to as the unit for setting the maximum temperature for ST),

32,…,39 - блоки формирования сигналов рассогласования, выполненные в виде вычитателей.32, ..., 39 - blocks the formation of the error signals, made in the form of subtractors.

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.According to Fig. 1, the inputs of the mismatch signal generating unit 32 are connected to the outputs of the gas generator turbine rotational speed setting unit 20 and the gas generator turbine rotation speed sensor 23, and its output is connected to the mismatch signal input (e) of the operating CBS 1 according to the gas generator turbine speed.

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.The inputs of the mismatch signal generating unit 33 are connected to the outputs of the free turbine speed setting unit 21 and the free turbine rotation speed sensor 24, and its output is connected to the mismatch signal input (e) of the operating CBS 2 according to the speed of rotation of the free turbine.

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 (б) рабочего КОС 3 по температуре за свободной турбиной.The inputs of the mismatch signal generating unit 34 are connected to the outputs of the temperature setting unit 22 and the temperature sensor 25, and its output is connected to the input of the mismatch signal (b) of the operating CBS 3 in temperature behind a free turbine.

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.The inputs of the mismatch signal generating unit 35 are connected to the outputs of the maximum generator rotation speed setting unit 27 of the gas generator turbine and the gas generator turbine speed sensor 23, and its output is connected to the mismatch signal input (e) of the upper limiting CBS 4 in terms of the gas generator turbine speed.

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.The inputs of the mismatch signal generating unit 36 are connected to the outputs of the maximum turbine rotation speed setting unit 29 and the free turbine rotation speed sensor 24, and its output is connected to the mismatch signal input (e) of the upper limiting CBS 5 for the free turbine speed.

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.The inputs of the mismatch signal generating unit 37 are connected to the outputs of the maximum pressure setting unit 30 behind the compressor and the pressure sensor 26 behind the compressor, and its output is connected to the mismatch signal input (e) of the upper pressure limiting CBS 6 for the compressor.

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.The inputs of the mismatch signal generating unit 38 are connected to the outputs of the maximum temperature setting unit 31 behind the CT and the temperature sensor 25 behind the CT, and its output is connected to the input of the mismatch signal (e) of the upper limit CBS 7 in temperature per CT.

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.The inputs of the mismatch signal generating unit 39 are connected to the outputs of the minimum rotational speed of the gas generator turbine and the sensor 23 of the gas generator turbine rotational speed sensor 23, and its output is connected to the input of the mismatch signal (e) of the lower limit speed factor 10 on the TG rotation speed.

Входы активации (work) и входы настройки (selMin) рабочих КОС 1, 2, 3, верхних ограничительных КОС 4, 5, 6, 7, нижнего КОС 10, программного задатчика 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.Activation inputs (work) and tuning inputs (selMin) of working CBS 1, 2, 3, upper limit CBS 4, 5, 6, 7, lower CBS 10, program setter 8 and setter 9 of remote manual control are connected to the state machine 11, and their outputs, on which the increment signals to the common integrator are generated, are connected to the corresponding inputs of the switching unit 16, the output of which is connected to the second input of the common integrator 17, based on two adders and a delay line.

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.The outputs of the working WWTP 1, 2, 3, the upper limiting WWTP 4, 5, 6, 7, the program setter 8 and the setter 9 remote manual control, on which the correcting signals are generated, reduced to fuel consumption, are connected to the corresponding inputs of the block 13 determine the minimum which is part of the minimum-maximum selection block 12, which also contains a maximum determination block 14 and an identification block 15. The signal output of the minimum determining unit 13 and the output of the correction signal of the lower limit CBS 10 are connected to the corresponding inputs of the maximum determining unit 14, the signal output of which is connected to the first input of the common integrator 17. The control outputs of the blocks 13, 14 are connected to the identification unit 15, at the output of which connected to the control input of the switching unit 16, an identification signal of the selected control source is generated.

Выход общего интегратора 17 через ограничитель 18 положения исполнительного органа соединен с исполнительным органом 19.The output of the common integrator 17 through the limiter 18 of the position of the executive body is connected to the executive body 19.

На фиг.2 структурно-функциональной схемы контура обратной связи обозначены:In Fig.2 structural and functional diagrams of the feedback loop indicated:

40 - вычислительный блок, реализованный на основе сумматоров, вычитателя, умножителей и линии задержки,40 - computing unit, implemented on the basis of adders, subtractor, multipliers and delay lines,

41 - блок активации,41 - activation unit,

42 - ключ.42 is the key.

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:The blocks of the working CBS 1, 2, 3, the upper limiting CBS 4, 5, 6, 7 and the lower limiting CBS 10 are made in the form of proportional-integral-differential regulators, the basis of which is a computing unit 40, which generates the output correction signal out and the increment signal dInteg to the general integrator in accordance with the known dependencies:

,

где d - дифференциальная компонента, определяемая зависимостьюwhere d is the differential component determined by the dependence

,

e_k, e_k-1 - значение входного сигнала рассогласования на текущем и предыдущем шаге вычисления,e _{_k,} e _{_k-1} - error signal input to the current and previous calculation step,

K_рег - коэффициент усиления контура,K _reg - gain loop,

τ_рег1, τ_рег2 - коэффициенты динамической коррекции, τ _reg1 , τ _reg2 - dynamic correction factors,

step - шаг (период) вычисления.step - step (period) of the calculation.

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 «О» (сигнал selMin) размыкает ключ 42, и данные на выходе регулятора не обновляются.Block 41 activation is made on the basis of the logical element AND with the inversion of one input. With a logical signal “1” at this input (signal -work), the output signal of the unit closes the key 42, switching the output signals of the computing unit 40 to the output of the controller, and with the input signal, the logical “O” (signal selMin) opens the key 42, and the data regulator output is not updated.

На фиг.3 структурно-функциональной схемы программного задатчика 8 обозначены:In Fig.3 structural and functional diagrams of the program master 8 are indicated:

43 - формирователь табличной зависимости,43 - shaper tabular dependence,

44 - сумматор,44 - adder

45 - линия задержки,45 - delay line

46 - вычитатель,46 is a subtractor

47 - линия задержки,47 - delay line

48 - коммутатор,48 - switch

49 - блок активации.49 - activation block.

Блок программного задатчика 8 реализует изменение величины выходного корректирующего сигнала в соответствии с заданной программой (табличной зависимостью).The block of the program setter 8 implements a change in the value of the output correction signal in accordance with a given program (tabular dependence).

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.The input of the tabular dependence generator 43 is connected to the output of the adder 44, the first input of which forms the input of the setpoint synchronization (step pulses), and the second one is connected to the output of the delay line 45 connected to the output of the adder 44. The output of the tabulated dependence generator 43 directly and via the delay line 47 connected to the corresponding inputs of the subtractor 46, the outputs of which are out (correction signal) and dinteg (increment to the common integrator signal) connected to the inputs of the switch 48. The control input of the switch 48 s connected to the output of the activation unit 49, which is similar to the feedback loop activation units 41.

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.The remote manual control unit 10, the structural and functional diagram of which is shown in Fig. 4, is made on the basis of the subtractor 50 of the current and delayed by a calculation step through the input signal delay line 51, as well as the output signal switch 53 (out and dInteg) and the activation unit 52 managing the switch 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.The state machine 11 is a device that can be implemented both by means of digital circuitry and based on a programmable logic controller, the algorithm of which can vary depending on the type of gas turbine installation.

На фиг.5 примера реализации графа состояний и переходов автомата 11 состояний обозначены:Figure 5 of an example implementation of the state graph and transitions of the state machine 11 indicated:

54 - команда оператора «Пуск»,54 - command operator "Start",

55 - достижение частоты,55 - achieving frequency,

56 - окончание времени прогрева,56 - the end of the warm-up time,

57 - команда оператора «Работа по СТ»,57 - a team of the operator "Work on ST",

58 - команда оператора «Работа по ТГ»,58 - a team of the operator "Work on TG",

59 - команда оператора «Работа по t° за СТ»,59 - a team of the operator "Work on t ° for ST",

60 - команда оператора «Нормальный останов»,60 - operator command "Normal stop",

61 - окончание времени охлаждения,61 - the end of the cooling time,

62 - команда оператора «Аварийный останов» или срабатывание аварийной защиты,62 - operator command "Emergency Stop" or emergency protection,

63 - команда оператора «Деблокировка аварии»,63 - the command of the operator "Release accident",

64 - команда оператора «Включить ручное управление»,64 - operator command "Enable manual control",

65 - команда оператора «Выключить ручное управление».65 - operator command "Turn off manual control."

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

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.At the command of the “Start” operator (position 54 in FIG. 5), the program acceleration of the turbine of the gas generator of the gas turbine engine begins, for which the signal “work” of the state machine 11 activates the program master 8 and the upper limiting temperature feedback loop 7 behind the free turbine.

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.In this case, at each step of the calculations, an out signal is generated at the output of the program setter 8, which is an increment to the value obtained at the previous step of the calculations, which is fed to the corresponding input of the minimum determination unit 13. At the same time, at each step of the calculation, the upper limiting CBS 7, to which the mismatch signal between the maximum value of the temperature of the products of combustion behind the free turbine set by the unit 31 and the current temperature measured by the sensor 25, generates a correction signal “out”, which also goes to the corresponding input of the block 13 definitions of a minimum.

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.The selected minimum signal from the output of block 13 through the maximum determination block 14 is transmitted to the first input of the common integrator 17, where it is summed up with the value of the increment signal to the general integrator delayed by the calculation step from the selected control source, the current value of which is “dinteg” from the corresponding source ( 7 or 8) control action through the block 16 switching. The corresponding circuit is switched by a control signal from the output of the identification unit 15, which determines the number of the source with the minimum output signal. The output signal of the common integrator 17 passes through the position limiter 18 and enters as a control action on the metering valve positioner 19, which supplies fuel to the combustion chamber of the gas turbine installation.

В случае развития какой-либо нештатной ситуации система аварийной защиты (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.In the event of a contingency, an emergency protection system (not shown) or the operator stops the engine using the “Emergency Stop” command (position 62 in FIG. 5), by which the state machine disables KOS 7 and the program master 8 is set to zero . After a fault has been detected and rectified, the “Alarm release” command (key 63) will restart the engine.

При нормальном достижении заданной частоты вращения холостого хода турбины газогенератора программный задатчик 8 отключается, и газотурбинная установка переводится в режим прогрева.When the specified idle speed of the gas generator turbine is normally reached, the program controller 8 is turned off, and the gas turbine installation is switched to the heating mode.

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.In the warm-up mode, the gas generator turbine rotational speed is set and maintained equal to the idle speed, for which the working KOS 1 in terms of TG rotation speed, the upper and lower feedback circuits 4 and 10 for feedback on TG speed, and the upper limit KOS 5 in frequency are activated rotation of a free turbine, the upper restrictive KOS 7 in temperature behind the ST and the upper restrictive KOS 6 in pressure behind the compressor. The source of control action is selected using the minimum-maximum selector 12, while the minimum of the out correction signals generated by the working CBS 1 and the upper limiting CBS 4, 5, 6 is compared in block 14 for determining the maximum with the correction signal “out” of the lower restrictive CBS 10, and the maximum of these signals is fed to the input of the common integrator 17, where it is summed with the increment signal to the common integrator coming from the control circuit through the switching unit 16.

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.In the event that the rotational speed of the turbine of the gas generator or a free turbine is outside the specified range of permissible values, as well as in cases of exceeding the specified maximum values of temperature and pressure, an emergency engine shutdown and restarting after the elimination of the malfunction are performed.

По окончании времени прогрева (позиция 56 на фиг.5) оператор задает с помощью автомата состояний один из трех основных режимов: «Работа по СТ», «Работа по ТГ», «Работа по t за СТ».At the end of the warm-up time (position 56 in FIG. 5), the operator sets one of the three main modes using the state machine: “Work on ST”, “Work on TG”, “Work on t for ST”.

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.In the “Work on ST” mode, control is carried out using a working CBS 2 in terms of the rotation speed of a free turbine, an upper restrictive CBS 5 in terms of rotation speed of a free turbine, an upper and lower restrictive CBS 4, 10 in terms of rotation speed of a gas generator turbine, and also upper bounding CBS 6 , 7 on the pressure behind the compressor and the temperature of the combustion products behind the free turbine. Based on the mismatch signals "e" between the set and actual values of the monitored parameters generated by blocks 33, 35-39, each of the indicated CBS calculates the "diteg" signals of the increment to the common integrator and the correction signals "out", reduced to fuel consumption. After selecting the source circuit of the control action using the selector 12 minimum-maximum common integrator 17 generates an output signal to the positioner of the metering valve.

В режимах «Работа по ТГ» и «Работа по t за СТ» управление осуществляют 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.In the “Work on TG” and “Work on t for ST” modes, the control is carried out similarly using the target variables of the working CBS 1 in terms of the speed of rotation of the TG or working CBS 3 in terms of the temperature of the combustion products behind a free turbine as regulators.

При выходе контролируемых параметров за границы заданных предельных величин производится аварийный останов установки.When controlled parameters go beyond the limits of the set limit values, an emergency shutdown of the installation is performed.

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.Turning off the installation is performed by the operator's command “Stop” (position 60 in figure 5), by which the state machine 11 sets the cooling mode of the installation. In this mode, working KOS 1 at the rotational speed of the gas generator turbine is operating (a constant rotational speed equal to the idle speed is set), the upper and lower restrictive KOS 4, 10 at the rotational speed of the TG and the upper limiting KOS 5, 6, 7 at the rotational speed of the free turbine , the pressure behind the compressor and the temperature of the combustion products behind the free turbine.

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.With manual control of the fuel supply, the state machine activates the remote manual control unit 9, disables the operating CBS and activates the restrictive CBS, the input value sensors of which are operational.

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.Thus, the proposed device provides effective control of the object near the boundaries of the permissible operating range, while ensuring safety (preventing going beyond the boundaries of the working range) and efficiency (maximum use of the entire working range) of managing the object.

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.In addition, the ability to control the activity of sources of control action during operation allows you to create control algorithms that provide adaptation to external conditions and various modes of operation of the object, including emergency ones. For example, these may be modes of maintaining operability in the event of a failure of some sensors.

Данное устройство реализовано в составе системы автоматического управления газотурбинным приводом газоперекачивающего агрегата ГТК-10-4.This device is implemented as part of an automatic control system for a gas turbine drive of a gas compressor unit GTK-10-4.

Промышленная применимость изобретения 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.Industrial applicability of the invention is determined by the fact that the proposed device can be manufactured in accordance with the above description and drawings based on the systems of automatic control of component parts known in the field of production and used to control the fuel supply in gas turbine plants.

ЛитератураLiterature

1. Авт. свидетельство СССР № 565553, МПК F02C 9/28, публикация 2005 г.1. Auth. USSR certificate No. 565553, IPC F02C 9/28, publication 2005

2. Авт. свидетельство СССР № 1389354, МПК F02C 9/28, публикация 1987 г.2. Auth. USSR certificate No. 1389354, IPC F02C 9/28, publication of 1987

3. Патент РФ № 2172419, МПК F02C 9/28, публикация 2001 г.3. RF patent No. 2172419, IPC F02C 9/28, publication 2001

4. Патент РФ № 2322601, МПК F02C 9/28, публикация 2008 г., прототип.4. RF patent No. 2322601, IPC F02C 9/28, 2008 publication, prototype.

Claims

A control device for supplying fuel to the combustion chamber of a gas turbine installation, comprising feedback loops that control the speed of the gas generator turbine and the speed of the free turbine, upper and lower feedback limiting circuits that keep the rotation frequency of the gas generator turbine within the specified limits, upper feedback limiting circuits, holding the upper limits of the frequency of rotation of a free turbine, the temperature of the products of combustion behind a free turbine and pressure per compressor orom, a minimum-maximum selection unit and a common integrator, at the output of which a control signal is generated on the actuator dosing the fuel supply, and each of the above feedback loops is configured to form a correction signal reduced to fuel consumption at one of its outputs and on the other, an increment signal to a common integrator, the first input of which is connected to the output of the minimum-maximum selection block, and the second is connected to the output of the switching block, the inputs of which о are connected to the outputs of the increment signals to the common integrator of all the above feedback loops, the outputs of the correcting signals of which are connected to the inputs of the minimum-maximum selection block, and the output of the minimum-maximum selection block, on which the identification signal of the selected control source is generated, is connected to the control input switching unit, characterized in that an automaton of states is additionally introduced into it, as well as a working feedback loop that controls the temperature of the combustion products behind a free turbine, a program controller and a controller for remote manual fuel supply control, the outputs of the correction signals of which are connected to the inputs of the minimum-maximum selection unit, and the outputs of the increment signals to the common integrator are connected to the inputs of the switching unit, with each of the feedback loops and setpoints an activation unit, the input of which is connected to the output of the state machine, and the output to the control input of the key, the switching circuit of the output signals, and the state machine is made with possibly by activating and deactivating feedback loops and setpoints, depending on the operating mode of the gas turbine unit.