RU2457347C1

RU2457347C1 - Method of control over gas turbine electric power station

Info

Publication number: RU2457347C1
Application number: RU2011123004/07A
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 "Газ-Система-Сервис"
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2012-07-27

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention may be used in gas turbine engine ACS electronic circuitry. Said gas turbine engines have free turbine and are operated integrated with gas turbine units to drive electric generators of gas turbine electric power stations. In response to signal of high-voltage switch actuation free turbine rpm is increased to 105% as well as fuel flow rate controlled by acceleration control unit unless measured free turbine rpm reaches 105%. Then, signal is generated to actuate said switch to reduce fuel flow rate unless free turbine measured rpm decreases to 100% and to keep up said rpm by appropriate fuel flow rate variation.

EFFECT: higher efficiency of electric power station thanks to higher quality of ACS operation.

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) for gas turbine engines (GTE) with a free turbine used as part of gas turbine units (GTU) to drive electric generators (EG) of gas turbine power plants (GTES).

Известен способ ручного управления ГТЭС, Константинов В.Н. Системы судовых электроэнергетических систем., Л.: Судостроение, 1972 г., с.33-34.A known method of manual control of GTES, Konstantinov V.N. Systems of ship electric power systems., L .: Shipbuilding, 1972, p. 33-34.

Недостатком известного способа является его низкая эффективность. Наиболее близким к данному изобретению по технической сущности является способ управления ГТЭС, заключающийся в том, что измеряют частоту вращения свободной турбины, сравнивают заданное и измеренное значения частоты вращения свободной турбины, в зависимости от рассогласования между заданным и измеренным значениями частоты вращения свободной турбины управляют расходом топлива в камеру сгорания ГТУ, Шевяков А.А. «Силовые установки ракетных двигателей и энергетических установок. Системы управления энергетических установок», М., «Машиностроение», 1985 г., с. 111-113.The disadvantage of this method is its low efficiency. Closest to the present invention, the technical essence is the method of controlling a gas turbine power plant, which consists in measuring the speed of a free turbine, comparing the set and measured values of the speed of a free turbine, depending on the mismatch between the set and measured values of the speed of a free turbine, controlling fuel consumption into the combustion chamber of a gas turbine, Shevyakov A.A. “Power plants of rocket engines and power plants. Control systems of power plants ", M.," Mechanical Engineering ", 1985, p. 111-113.

Недостатком известного способа управления ГТЭС является следующее. Включение любой электростанции, в том числе газотурбинной со свободной турбиной, на автономную нагрузку выполняется подачей команды на привод высоковольтного выключателя генератора. Для газотурбинной электростанции со свободной турбиной такое включение, уже при наличии нагрузки величиной 10% от номинальной, приводит к глубоким провалам частоты вращения свободной турбины и, следовательно, частоты напряжения генератора. Причина этого состоит в том, что турбокомпрессор, подающий газовый поток на свободную турбину, на режиме холостого хода не может сразу увеличить его до нужной величины. Это снижает надежность работы ГТУ и ГТЭС в целом. Целью изобретения является повышение надежности работы ГТЭС за счет повышения качества управления ГТУ, обеспечивающего уменьшение провалов частоты генерируемого напряжения при включении газотурбинной электростанции со свободной турбины на автономную нагрузку.The disadvantage of this method of controlling a gas turbine power plant is as follows. The inclusion of any power plant, including a gas turbine with a free turbine, for an autonomous load is performed by issuing a command to drive a high-voltage generator circuit breaker. For a gas turbine power plant with a free turbine, such an inclusion, even when there is a load of 10% of the nominal, leads to deep dips in the speed of rotation of the free turbine and, therefore, the voltage frequency of the generator. The reason for this is that a turbocompressor supplying gas flow to a free turbine at idle cannot immediately increase it to the desired value. This reduces the reliability of GTU and GTES as a whole. The aim of the invention is to increase the reliability of gas turbine power plants by improving the quality of control of gas turbines, which reduces the frequency dips of the generated voltage when you turn on the gas turbine power station from a free turbine to an autonomous load.

Поставленная цель достигается тем, что в способе управления газотурбинной электростанцией, заключающемся в том, что измеряют частоту вращения свободной турбины, сравнивают заданное и измеренное значения частоты вращения свободной турбины, в зависимости от рассогласования между заданным и измеренным значениями частоты вращения свободной турбины управляют расходом топлива в камеру сгорания ГТУ, дополнительно при получении команды на включение высоковольтного выключателя увеличивают заданное значение частоты вращения свободной турбины до 105% и увеличивают расход топлива под управлением автомата приемистости до тех пор, пока измеренное значение частоты вращения свободной турбины не достигнет 105%, после этого выдают команду на привод высоковольтного выключателя и через наперед заданное время, достаточное для срабатывания привода, уменьшают расход топлива до тех пор, пока измеренная частота вращения свободной турбины не снизится обратно до 100% и далее поддерживают эту частоту вращения соответствующим изменением расхода топлива.This goal is achieved by the fact that in the method of controlling a gas turbine power plant, which consists in measuring the rotational speed of a free turbine, comparing the set and measured values of the rotational speed of a free turbine, depending on the mismatch between the set and measured values of the rotational speed of a free turbine, control the fuel consumption in the gas turbine combustion chamber, in addition, upon receipt of a command to turn on the high-voltage circuit breaker, the set value of the free turbine speed is increased they are up to 105% and increase fuel consumption under the control of the pick-up machine until the measured value of the speed of a free turbine reaches 105%, after which a command is issued to drive the high-voltage switch and after a predetermined time sufficient for the drive to operate, reduce fuel consumption until the measured speed of the free turbine decreases back to 100% and then maintain this speed with a corresponding change in fuel consumption.

На чертеже приведена схема устройства для реализации данного способа.The drawing shows a diagram of a device for implementing this method.

Устройство содержит последовательно соединенные блок 1 датчиков (БД), электронный блок 2 управления ГТУ (БУД), блок 3 управления дозатором (БУШДГ), дозатор 4, причем дозатор 4 подключен к БД 1, пульт 5 оператора (ПУ), подключенный к БУД 2.The device contains a series-connected sensor unit 1 (DB), an electronic control unit 2 of the gas turbine control unit (ECU), a dispenser control unit 3 (BUSHDG), a dispenser 4, and the dispenser 4 is connected to the OBD 1, the operator console 5 (PU) connected to the ECU 2 .

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Оператор, управляющий ГТУ, с помощью ПУ 5 задает режим работы ГТУ: запуск, номинал, максимальный и т.д.The operator controlling the gas turbine, using the control unit 5, sets the operation mode of the gas turbine: start, nominal, maximum, etc.

Команда оператора от ПУ 5 по цифровому каналу связи (например, RS 485 или Ethernet) передается в БУД 2.The operator's command from the PU 5 via a digital communication channel (for example, RS 485 or Ethernet) is transmitted to the ECU 2.

БУД 2 представляет собой специализированную ПЭВМ с устройствами ввода/вывода и вычислителем, в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) которого записано специальное программное обеспечение (СПО), реализующее алгоритмы управления ГТУ.The ECU 2 is a specialized PC with input / output devices and a computer, in the read-only memory (ROM) of which special software (SPO) is written that implements GTU control algorithms.

БУД 2 в соответствии с полученной от ПУ 5 командой по сигналам датчиков из БД 1 по известным зависимостям (см., например, книгу Шевяков А.А. «Силовые установки ракетных двигателей и энергетических установок. Системы управления энергетических установок», М., «Машиностроение», 1985 г., с.36-38) вычисляет потребный расход топлива в КС ГТУ.BUD 2 in accordance with the command received from PU 5 for the signals of sensors from DB 1 according to known dependencies (see, for example, A. Shevyakov’s book “Power plants of rocket engines and power plants. Power plant control systems”, M., “ Mechanical Engineering ”, 1985, p. 36-38) calculates the required fuel consumption in the gas turbine compressor station.

Практически на всех рабочих режимах работы ГТУ в БУД 2 работает регулятор частоты п ст вращения силовой турбины (контур управления п ст). С помощью БД 1 измеряют частоту вращения свободной турбины, сравнивают заданное (100%) и измеренное значения частоты вращения свободной турбины, в зависимости от рассогласования между заданным и измеренным значениями частоты вращения свободной турбины формируют потребный расход топлива в КС.In almost all operating modes of GTU operation in the ECU 2, the speed regulator p st of the power turbine rotates (control loop p st). Using DB 1, the speed of the free turbine is measured, the set (100%) and measured values of the speed of the free turbine are compared, depending on the mismatch between the set and measured values of the speed of the free turbine, the required fuel consumption in the compressor station is formed.

По расходной характеристике дозатора 4, которая записывается в энергонезависимую память вычислителя БУД 2 в процессе приемо-сдаточных испытаний ГТУ, формируют заданное положение дозатора 4, сравнивают его с измеренным в БД 1 положением дозатора, по величине рассогласования формируют управляющее воздействие и выдают его в БУШДГ 3.According to the flow characteristic of the dispenser 4, which is recorded in the non-volatile memory of the BUD 2 calculator during the acceptance tests of the gas turbine, the set position of the dispenser 4 is formed, it is compared with the position of the dispenser measured in the DB 1, the control action is formed by the value of the mismatch, and it is output to the BUSHDG 3 .

БУШДГ 3 является по своей сути электро-механическим преобразователем, выполненным, например, в виде шагового двигателя.BUSHDG 3 is essentially an electro-mechanical converter made, for example, in the form of a stepper motor.

В зависимости от величины управляющего воздействия, полученного от БУД 2, БУШДГ 3 изменяет положение дозатора 4, а соответственно, и расход топлива в КС ГТУ.Depending on the magnitude of the control action received from the ECU 2, the BUSHDG 3 changes the position of the dispenser 4, and, accordingly, the fuel consumption in the compressor station of the gas turbine.

Дополнительно в БУД 2 рассчитывают и контролируют приведенную частоту вращения турбокомпрессора, а также фиксируют команды, получаемые от оператора ГТЭС через ПУ 5.Additionally, in the ECU 2, the reduced frequency of rotation of the turbocompressor is calculated and controlled, as well as the commands received from the GTES operator through the control unit 5 are recorded.

При получении в БУД 2 команды от ПУ 5 на включение высоковольтного выключателя (ВВ, на чертеже не показан) увеличивают заданное значение частоты вращения свободной турбины до 105% и изменяют расход топлива по программе приемистости, напримерUpon receipt in the ECU 2 of the command from PU 5 to turn on the high-voltage switch (EXPLOSIVES, not shown in the drawing), increase the set value of the rotational speed of the free turbine to 105% and change the fuel consumption according to the acceleration program, for example

гдеWhere

nтк - частота вращения турбокомпрессора;ntk - turbocharger speed;

nтк пр. - приведенная частота вращения турбокомпрессора.ntk ave - reduced speed of a turbocompressor.

Расход топлива изменяют по команде БУД 2 с помощью БУШДГ 3 и дозатора 4 до тех пор, пока измеренное значение частоты вращения свободной турбины не достигнет 105%.Fuel consumption is changed at the command of the ECU 2 using BUSHDG 3 and dispenser 4 until the measured value of the speed of the free turbine reaches 105%.

После этого из БУД 2 выдают команду на привод ВВ (включить ВВ). Включение нагрузки (ВВ) останавливает рост частоты вращения свободной турбины, и так как мощность газового потока увеличилась, то снижения частоты вращения свободной турбины с глубоким провалом ниже номинального значения не происходит.After that, from the ECU 2 issue a command to drive BB (turn on BB). Turning on the load (BB) stops the speed of rotation of the free turbine, and since the power of the gas flow has increased, the speed of rotation of the free turbine with a deep dip below the nominal value does not occur.

Через наперед заданное время, достаточное для срабатывания привода (в зависимости от конкретного привода это время может меняться в диапазоне от 1,5 до 2,5 с), уменьшают расход топлива до тех пор, пока измеренная частота вращения свободной турбины не снизится обратно до 100%, и далее поддерживают эту частоту вращения соответствующим изменением расхода топлива.After a predetermined time, sufficient for the drive to operate (depending on the particular drive, this time can vary in the range from 1.5 to 2.5 s), reduce fuel consumption until the measured speed of a free turbine decreases back to 100 %, and then maintain this speed with a corresponding change in fuel consumption.

Таким образом, за счет повышения качества управления ГТУ обеспечивается уменьшение провалов частоты генерируемого напряжения при включении газотурбинной электростанции со свободной турбины на автономную нагрузку, а следовательно, надежность работы ГТЭС.Thus, by improving the quality of GTU control, a decrease in the frequency dips of the generated voltage when a gas turbine power plant is switched on from a free turbine to an autonomous load, and therefore, the reliability of the GTES operation, is ensured.

Claims

The method of controlling a gas turbine power plant (GTES), which consists in measuring the speed of a free turbine, comparing the set and measured values of the speed of a free turbine, depending on the mismatch between the set and measured values of the speed of a free turbine, controlling the fuel consumption in the combustion chamber (KS) ) gas turbine installation (GTU), characterized in that in addition, upon receipt of a command to turn on the high-voltage switch, increase the set value of the rotational speed a free turbine up to 105% and increase fuel consumption under the control of a pick-up automaton until the measured value of the rotational speed of a free turbine reaches 105%, after which a command is issued to drive the high-voltage switch and after a predetermined time sufficient to operate the drive, reduce consumption fuel until the measured speed of a free turbine decreases back to 100% and then maintain this speed by a corresponding change in fuel consumption.