RU2599079C1

RU2599079C1 - Method of air flow rate control in a compressor of gas-turbine plants of a binary power unit and device for implementation thereof

Info

Publication number: RU2599079C1
Application number: RU2015117328/06A
Authority: RU
Inventors: Юрий Семенович Тверской; Игорь Константинович Муравьев
Original assignee: Юрий Семенович Тверской
Priority date: 2015-05-06
Filing date: 2015-05-06
Publication date: 2016-10-10

Abstract

FIELD: energy.

SUBSTANCE: invention relates to power engineering. Method of air flow rate control in a compressor of gas-turbine plants of a binary power unit, which is performed by changing the opening angle of the inlet guiding device of the compressor, measuring mass air flow rate supplied to the compressor, which is stabilized at the preset level, rate of change the opening angle of the inlet guiding device of the compressor is limited by maximum allowable loading rate of the gas turbine. Device for air flow rate control in the compressor of gas-turbine plants of a binary power unit is also disclosed.

EFFECT: invention enables higher accuracy of air flow rate control, as well as optimization of operating mode of a gas turbine plant and power unit by eliminating imbalance between preset air flow rate and uncontrolled "floating" mass air flow rate at natural vibrations of ambient air temperature and pressure.

4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к способам регулирования расхода воздуха в компрессор газотурбинных установок бинарных энергоблоков (ПГУ), имеющих в своем составе газотурбинную установку и паровую утилизационную часть, и может быть использовано для оптимизации режима работы энергоблока при изменении параметров наружного воздуха, как фактора влияющего на процесс сгорания топлива и теплообмен в газотурбинной установке.The invention relates to methods for regulating the air flow into the compressor of gas turbine units of binary power units (CCGT), incorporating a gas turbine unit and a steam utilization part, and can be used to optimize the operation mode of the power unit when changing the parameters of the outdoor air as a factor affecting the fuel combustion process and heat transfer in a gas turbine installation.

В состав основного оборудования ПГУ входят обычно одна или две ГТУ, каждая со своей газовой турбиной (ГТ), которая служит приводом компрессора и электрического генератора (ЭГ), а также паровая утилизационная часть, соответственно, один или два котла-утилизатора (КУ) и одна паротурбинная установка (ПТУ) с паровой турбиной (ПТ), питаемой паром от КУ и служащей приводом еще одного ЭГ ПТ. В состав ГТУ входят осевой компрессор, камера сгорания (КС), газовая турбина и электрический генератор (ЭГ).The basic equipment of a CCGT unit usually includes one or two gas turbines, each with its own gas turbine (gas turbine), which serves as a drive for the compressor and electric generator (EG), as well as a steam recovery part, respectively, one or two heat recovery boilers (KU) and one steam turbine unit (PTU) with a steam turbine (PT) fed by steam from the KU and serving as a drive for another EG PT. The composition of the gas turbine includes an axial compressor, a combustion chamber (KS), a gas turbine and an electric generator (EG).

Известно, что эффективность использования топлива на блоках ПГУ с ГТУ весьма чувствительна к вариациям параметров наружного воздуха, в частности - температуры наружного воздуха. Естественные отклонения температуры наружного воздуха от расчетной (+15°C) ведут к существенному снижению эффективности использования топлива и к неоправданным потерям до 5-6% коэффициента полезного действия КПД (см. Ольховский Г.Г. «Энергетические газотурбинные установки», М., «Энергоатомиздат», 1985, с. 165-166).It is known that the fuel efficiency on CCGT units with gas turbines is very sensitive to variations in the parameters of the outside air, in particular, the temperature of the outside air. Natural deviations of the outside air temperature from the calculated one (+ 15 ° C) lead to a significant decrease in fuel efficiency and to unjustified losses of up to 5-6% efficiency coefficient of efficiency (see Olkhovsky G.G. “Energy gas turbine plants”, M., "Energoatomizdat", 1985, p. 165-166).

Известен способ управления газотурбинным двигателем (см. Боднер В.А., Рязанов Ю.А., Шаймарданов Ф.А. «Системы автоматического управления двигателями летательных аппаратов», М., «Машиностроение», 1973, с. 181, рис. 4.6) путем измерения частоты вращения ротора двигателя и температуры воздуха на входе в двигатель, по измеренной частоте вращения ротора двигателя и температуре воздуха на входе в двигатель формируют значение приведенной частоты вращения ротора двигателя, по которой формируют новый заданный расход топлива, сравнивают его с измеренным текущим расходом, по величине рассогласования между заданным и измеренным значениями формируют управляющее воздействие на исполнительный механизм управления расходом топлива.A known method of controlling a gas turbine engine (see Bodner V.A., Ryazanov Yu.A., Shaimardanov F.A. "Automatic control systems for aircraft engines", M., "Mechanical Engineering", 1973, p. 181, Fig. 4.6 ) by measuring the frequency of rotation of the engine rotor and the temperature of the air at the engine inlet, the value of the reduced frequency of rotation of the engine rotor is formed from the measured frequency of the engine rotor and the temperature of the air at the engine inlet, and it is compared with the measured fuel consumption Live flow, the magnitude of the error between the setpoint and the measured values form the control action on the actuating fuel flow control mechanism.

Недостаток способа обусловлен тем, что при управлении энергоблоком влияние изменений температуры и давления воздуха на входе в компрессор связывается с частотой вращения ротора двигателя и подачей топлива в камеру сгорания, т.е. его нагрузкой, а не решает проблемы оптимизации режима ГТУ и парогазового блока в целом. При этом фактическое значение КПД энергоблока имеет «плавающий» характер и может изменяться в достаточно широком диапазоне при изменении внешних параметров среды.The disadvantage of this method is that when controlling a power unit, the influence of changes in temperature and air pressure at the compressor inlet is associated with the rotational speed of the engine rotor and the fuel supply to the combustion chamber, i.e. its load, but does not solve the problem of optimizing the regime of gas turbines and the combined cycle gas turbine unit as a whole. In this case, the actual value of the efficiency of the power unit is “floating” in nature and can vary over a fairly wide range when changing the external parameters of the environment.

В качестве прототипа принят способ «Управления положением направляющих аппаратов компрессора газотурбинного двигателя» (см. патент №2432501, МПК F04D 27/00, 2011), согласно которому в процессе работы двигателя измеряют параметры потока воздуха, поступающего в компрессор, а именно температуру и давление воздуха на входе, а также частоту вращения ротора компрессора и отслеживают положение направляющих аппаратов компрессора, сравнивают его с программным значением, по результатам сравнения формируют управляющий сигнал, который подают на исполнительный механизм привода управления направляющими аппаратами компрессора, при этом дополнительно измеряют давление воздуха на выходе из компрессора, по значениям температуры воздуха на входе в двигатель и частоты вращения ротора компрессора формируют управляющий сигнал приведенной частоты вращения ротора компрессора, причем дополнительно формируют заданное значение отношения степени сжатия к приведенному расходу воздуха компрессора и заданное значение отношения степени сжатия к приведенному расходу воздуха компрессора, зависящее от температуры воздуха на входе в двигатель, которые суммируют и подают управляющий сигнал на второй вход элемента сравнения, на первый вход которого подают сигнал текущего значения отношения степени сжатия воздуха в компрессоре к приведенному расходу воздуха, формируют сигнал разности программного и текущего значений отношения степени сжатия воздуха в компрессоре к приведенному расходу воздуха и полученный управляющий сигнал подают на исполнительный механизм привода управления направляющими аппаратами компрессора.As a prototype, the method "Control the position of the guide vanes of the compressor of a gas turbine engine" was adopted (see patent No. 2432501, IPC F04D 27/00, 2011), according to which during the operation of the engine the parameters of the air flow entering the compressor are measured, namely temperature and pressure of air at the inlet, as well as the rotor speed of the compressor rotor, and monitor the position of the compressor guide vanes, compare it with the program value, and, using the results of the comparison, form a control signal that is fed to a drive mechanism for controlling the compressor guide vanes, in addition, the air pressure at the compressor outlet is additionally measured, the control signal of the reduced compressor rotor speed is generated from the air temperature at the engine inlet and the compressor rotor speed, and a predetermined value of the compression ratio to reduced compressor airflow and a predetermined ratio of the compression ratio to the reduced compressor airflow, depending on tons of air temperature at the engine inlet, which summarize and feed a control signal to the second input of the comparison element, the first input of which supplies a signal of the current value of the ratio of the air compression ratio in the compressor to the reduced air flow rate, form a signal of the difference between the program and current values of the ratio of air compression ratio in the compressor to the reduced air flow and the received control signal is fed to the actuator of the control drive of the compressor guide vanes.

Недостаток прототипа обусловлен невысокой точностью регулирования подачи воздуха, отклонением параметров ГТУ и блока от расчетных и дисбалансом сложной системы, который возникает при изменениях параметров наружного воздуха.The disadvantage of the prototype is due to the low accuracy of regulation of the air supply, the deviation of the parameters of the gas turbine unit and the unit from the calculated ones and the imbalance of the complex system that occurs when the parameters of the outdoor air change.

Недостаток прототипа обусловлен также тем, что при изменениях температуры и давления воздуха на входе в компрессор командное управление направлено на восстановление приведенной частоты вращения ротора двигателя, при этом исполнительный механизм привода управления направляющими аппаратами компрессора перемещают по соотношению косвенных показателей.The disadvantage of the prototype is also due to the fact that with changes in temperature and air pressure at the inlet to the compressor, command control is aimed at restoring the reduced rotational speed of the engine rotor, while the actuator of the control drive of the compressor guide vanes is moved by the ratio of indirect indicators.

При заданной мощности энергоблока известный способ не позволяет получить технически безопасные (расчетные) выходные параметры ГТУ, расчетную техническую эффективность ГТУ и парогазового блока в целом, поскольку непосредственная причина возникновения дисбаланса, связанная, как показали исследования авторов, с неконтролируемыми «плавающими» изменениями массового расхода воздуха, не устраняется.For a given power unit power, the known method does not allow obtaining technically safe (calculated) output parameters of gas turbine units, the estimated technical efficiency of gas turbine units and a gas-vapor unit as a whole, since the immediate cause of the imbalance is associated, as the authors showed, with uncontrolled “floating” changes in air mass flow not resolved.

Известно устройство регулирования ГТУ, содержащее регуляторы мощности газовых турбин и регулирующие органы газотурбинной установки и паровой турбины. Устройство реализовано в системе «Автоматическое регулирование мощности парогазовой установки с воздействием на регулирующие органы газотурбинной установки и паровой турбины» (см. патент РФ №2361092, МПК F01K 13/02, 2009). При этом мощность ГТУ изменяется путем формирования задания по мощности ГТ, текущих мощностей ГТ и ПТ и воздействия на клапан расхода топлива.A control device for gas turbines is known, containing gas turbine power regulators and regulating organs of a gas turbine installation and a steam turbine. The device is implemented in the system "Automatic power control of a combined cycle plant with exposure to the regulatory bodies of a gas turbine unit and a steam turbine" (see RF patent No. 2361092, IPC F01K 13/02, 2009). In this case, the capacity of a gas turbine is changed by forming a task for the power of a gas turbine, the current capacity of a gas turbine and a gas turbine, and exposure to the fuel consumption valve.

Недостаток устройства регулирования ГТУ, примененный в упомянутой выше системе автоматического регулирования, заключается в том, что при управляющих воздействиях на регулирующие органы ГТУ и ПТУ не учитываются изменяющиеся факторы внешней среды, которые приводят к неконтролируемым вариациям режимных параметров энергоблока (температуры уходящих газов за КС и ГТУ, активной мощности ГТ и др.), неэффективной работе ГТУ, утилизационной части ПГУ и энергоблока в целом.The disadvantage of the gas turbine control device used in the automatic control system mentioned above is that when controlling actions on the gas turbine and gas turbine control bodies, the changing environmental factors, which lead to uncontrolled variations in the operating parameters of the power unit (flue gas temperature behind the compressor station and gas turbine, are not taken into account) , active power of gas turbines, etc.), inefficient operation of gas turbines, utilization part of combined cycle power plants and the power unit as a whole.

Технический результат изобретения - повышение точности регулирования расхода воздуха и оптимизация режима работы ГТУ и энергоблока путем устранения возникающего дисбаланса между заданным расходом топлива и неконтролируемым «плавающим» массовым расходом воздуха при естественных колебаниях температуры и давления наружного воздуха.The technical result of the invention is improving the accuracy of regulating air flow and optimizing the operating mode of a gas turbine and power unit by eliminating the imbalance between a given fuel consumption and uncontrolled "floating" mass air flow during natural fluctuations in the temperature and pressure of the outdoor air.

Технический результат достигается тем, что в способе регулирования расхода воздуха в компрессор газотурбинных установок бинарного энергоблока изменяют угол открытия входного направляющего аппарата компрессора, измеряют поступающий в компрессор массовый расход воздуха, который стабилизируют на заданном уровне, при этом скорость изменения угла открытия входного направляющего аппарата компрессора ограничивают максимально допустимой скоростью нагружения газовой турбины. Массовый расход воздуха измеряют путем измерения объемного расхода, температуры и давления наружного воздуха, поступающего в компрессор, фильтрации случайных помех по каждому из измеряемых параметров и их последующего комплексирования.The technical result is achieved by the fact that in the method of controlling the air flow into the compressor of a gas turbine unit of a binary power unit, the opening angle of the compressor inlet guide apparatus is changed, the mass air flow entering the compressor is measured, which is stabilized at a predetermined level, while the rate of change of the opening angle of the compressor inlet guide apparatus is limited the maximum permissible loading speed of a gas turbine. Mass air flow rate is measured by measuring the volumetric flow rate, temperature and pressure of the external air entering the compressor, filtering out random noise for each of the measured parameters and their subsequent integration.

Технический результат достигается тем, что устройство регулирования расхода воздуха в компрессор газотурбинных установок бинарного энергоблока содержит регулятор положения входного направляющего аппарата компрессора, выходом подключенный к исполнительному механизму управления углом открытия входного направляющего аппарата компрессора, датчик положения исполнительного механизма входного направляющего аппарата компрессора, подключенный к 1-му входу регулятора положения входного направляющего аппарата компрессора, блок задания угла открытия входного направляющего аппарата компрессора, выходом подключенный ко 2-му входу регулятора положения входного направляющего аппарата компрессора, датчик температуры и датчик давления наружного воздуха, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено датчиком объемного расхода наружного воздуха, блоком фильтрации сигнала по объемному расходу наружного воздуха, блоком фильтрации сигнала по температуре наружного воздуха, блоком фильтрации сигнала по давлению наружного воздуха, блоком формирования комплексированного сигнала по массовому расходу воздуха с ограничителем скорости изменения комплексированного сигнала, корректирующим регулятором с задатчиком и блоком формирования задания от системы более высокого уровня, при этом датчики объемного расхода, температуры и давления наружного воздуха подключены посредством блоков фильтрации сигналов по объемному расходу, температуре и давлению наружного воздуха к соответственно к 1-му, 2-му, 3-му входам блока формирования комплексированного сигнала по массовому расходу воздуха, блок формирования комплексированного сигнала выходом подключен к 1-му входу корректирующего регулятора посредством ограничителя скорости изменения комплексированного сигнала, ко 2-му и 3-му входам корректирующего регулятора соответственно подключены задатчик корректирующего регулятора и блок формирования задания от системы управления более высокого уровня, а выход корректирующего регулятора подключен к 3-му входу регулятора положения входного направляющего аппарата компрессора. При этом датчики температуры, давления и объемного расхода наружного воздуха предпочтительно устанавливать на отметке забора наружного воздуха, подаваемого на всас компрессора газотурбинных установок бинарного энергоблока.The technical result is achieved by the fact that the device for controlling the flow of air into the compressor of the gas turbine units of the binary power unit contains a position controller for the compressor input guide vane, the output is connected to an actuator for controlling the opening angle of the compressor input vane, an actuator position sensor for the compressor inlet vane is connected to 1- mu input of the regulator of the position of the input guide vane of the compressor, reference unit the opening of the compressor inlet guide vane, connected to the 2nd input of the compressor inlet vane position controller, with a temperature sensor and an outdoor air pressure sensor, characterized in that the device is additionally equipped with an outdoor air volumetric flow sensor, a signal filtering unit for outdoor air volumetric flow , a signal filtering unit according to the outdoor temperature, a signal filtering unit according to the outdoor air pressure, the formation unit is integrated a signal for mass air flow with a speed limiter for changing the complex signal, a correcting regulator with a setpoint and a unit for generating a task from a higher level system, while the sensors of volumetric flow, temperature and pressure of the outdoor air are connected via filtering blocks of signals for volumetric flow, temperature and pressure outdoor air to, respectively, to the 1st, 2nd, 3rd inputs of the integrated signal generation unit for mass air flow, the com a plexed signal with an output connected to the 1st input of the correction controller by means of a speed limiter for changing the integrated signal, to the 2nd and 3rd inputs of the correction controller, respectively, the controller of the correction controller and the unit for generating a task from a higher-level control system are connected, and the output of the correction controller is connected to the 3rd input of the compressor input guide vane position controller. In this case, it is preferable to install the temperature, pressure and volumetric flow sensors of the outdoor air at the mark of the intake of external air supplied to the compressor inlet of the gas turbine units of the binary power unit.

Проведенные поисковые исследования (авторов предлагаемого изобретения) показали, что определяющим в нарушении расчетного режима фактором является неконтролируемое при естественных колебаниях температуры и давления наружного воздуха «плавающее» изменение массового расхода воздуха, подаваемого в компрессор ГТУ.Conducted exploratory studies (by the authors of the present invention) showed that the “floating” change in the mass flow rate of air supplied to the gas turbine compressor is uncontrolled under natural fluctuations in the temperature and pressure of the outdoor air.

Например, при изменении температуры наружного воздуха (от -5 до +25°C) при заданном постоянном расходе топлива 6,63 кг/с и воздуха 352 кг/с (что соответствует нагрузке ГТУ 110 МВт), технологические параметры блока (температура уходящих газов за ГТУ, температура перегретого пара контура высокого давления и др.) отклоняются от расчетных и выходят за допустимые пределы. Соответственно: температура уходящих газов за ГТУ отклоняется на 45°C, а температура перегретого пара контура высокого давления - на 40°C.For example, when changing the temperature of the outdoor air (from -5 to + 25 ° C) at a given constant fuel consumption of 6.63 kg / s and air 352 kg / s (which corresponds to a load of gas turbine 110 MW), the technological parameters of the unit (flue gas temperature for GTU, the temperature of the superheated steam of the high pressure circuit, etc.) deviate from the calculated ones and go beyond the permissible limits. Accordingly: the temperature of the exhaust gases behind the gas turbine deviates by 45 ° C, and the temperature of the superheated steam of the high pressure circuit by 40 ° C.

При этом известный регулятор положения входного направляющего аппарата компрессора, выполненный по схеме с жесткой обратной связью, «не замечает» колебаний температуры и давления наружного воздуха и соответственно изменение массового расхода воздуха, подаваемого в компрессор ГТУ, и не устраняет возникающий дисбаланс между заданным расходом топлива и необходимым массовым расходом воздуха.At the same time, the well-known position regulator of the compressor inlet guide apparatus, made according to a rigid feedback circuit, does not “notice” fluctuations in the temperature and pressure of the outdoor air and, accordingly, changes in the mass flow rate of air supplied to the gas turbine compressor, and does not eliminate the imbalance between the given fuel consumption and necessary mass air flow.

Стабилизация массового расхода воздуха возвращает параметры в расчетные диапазоны эффективного управления. В частности, температура уходящих газов за ГТ при этом практически остается в рабочем (расчетном) диапазоне от 455 до 530°C, температура перегретого пара контура ВД также остается на расчетном уровне 510°C, КПД КУ при этом на уровне расчетного - 85%, КПД ПТ - 32,5%, а КПД ПГУ на расчетном уровне (51-52%).The stabilization of the mass air flow returns the parameters to the calculated ranges of effective control. In particular, the temperature of the exhaust gases behind the gas turbine practically remains in the working (calculated) range from 455 to 530 ° C, the temperature of the superheated steam of the VD circuit also remains at the calculated level of 510 ° C, and the efficiency of the boiler at the calculated level is 85%, The efficiency of the PT is 32.5%, and the efficiency of the CCGT is at the calculated level (51-52%).

Способ регулирования расхода воздуха в компрессор газотурбинных установок бинарного энергоблока согласно изобретению показан на фиг. 1; способ комплексирования параметров объемного расхода, температуры и давления наружного воздуха согласно изобретению показан на фиг. 2; схема устройства регулирования расхода воздуха в компрессор газотурбинных установок бинарного энергоблока согласно изобретению приведена на фиг. 3; результаты исследований эффективности управления согласно изобретению показаны на фиг. 4.A method for controlling the air flow into the compressor of a gas turbine unit of a binary power unit according to the invention is shown in FIG. one; a method for combining the parameters of the volumetric flow rate, temperature and pressure of the outdoor air according to the invention is shown in FIG. 2; a diagram of a device for controlling the flow of air into a compressor of a gas turbine unit of a binary power unit according to the invention is shown in FIG. 3; the results of studies of the control efficiency according to the invention are shown in FIG. four.

На фиг. 1-3 обозначено: 1 - регулирование расхода воздуха; 2 - изменение угла открытия входного направляющего аппарата компрессора; 3 - измерение массового расхода воздуха; 4 - заданный уровень стабилизации; 5 - ограничение скорости изменения угла открытия входного направляющего аппарата компрессора; 6 - измерение объемного расхода воздуха; 7 - измерение температуры наружного воздуха; 8 - измерение давления наружного воздуха; 9 - фильтрация случайной помехи по объемному расходу воздуха; 10 - фильтрация случайной помехи по температуре наружного воздуха; 11 - фильтрация случайной помехи по давлению наружного воздуха; 12 - комплексирование; 13 - регулятор положения входного направляющего аппарата компрессора; 14 - исполнительный механизм управления углом открытия входного направляющего аппарата компрессора; 15 - датчик положения исполнительного механизма входного направляющего аппарата компрессора; 16 - блок задания угла открытия входного направляющего аппарата компрессора; 17 - датчик температуры наружного воздуха; 18 - датчик давления наружного воздуха; 19 - датчик объемного расхода наружного воздуха; 20 - блок фильтрации сигнала по объемному расходу наружного воздуха; 21 - блок фильтрации сигнала по температуре наружного воздуха; 22 - блок фильтрации сигнала по давлению наружного воздуха; 23 - блок формирования комплексированного сигнала по массовому расходу воздуха; 24 - ограничитель скорости изменения комплексированного сигнала; 25 - корректирующий регулятор; 26 - задатчик корректирующего регулятора; 27 - блок формирования задания от системы более высокого уровня; T_н.в - температура наружного воздуха, °C; P_н.в - давление наружного воздуха, Па; r₀ - плотность забираемого воздуха, кг/м³; α_вна - положение ВНА компрессора, град.; F_в - площадь проточной части на входе в компрессор, м²; G_m - массовый расход воздуха, кг/с; G_v - объемный расход воздуха, м³/с; $T_{г}^{"}$

- температура уходящих газов за ГТ, °C; Т_ппвд - температура перегретого пара контура высокого давления, °C.In FIG. 1-3 indicated: 1 - regulation of air flow; 2 - change the opening angle of the input guide vane of the compressor; 3 - measurement of mass air flow; 4 - a given level of stabilization; 5 - limiting the rate of change of the opening angle of the input guide vane of the compressor; 6 - measurement of volumetric air flow; 7 - measurement of outdoor temperature; 8 - measurement of outdoor air pressure; 9 - filtering random interference by air volumetric flow rate; 10 - filtering random noise by the temperature of the outdoor air; 11 - filtering random noise by the pressure of the outdoor air; 12 - integration; 13 - position controller of the input guide vane of the compressor; 14 - actuator controls the opening angle of the input guide vane of the compressor; 15 - position sensor actuator input guide apparatus of the compressor; 16 - block sets the opening angle of the input guide vane of the compressor; 17 - outdoor temperature sensor; 18 - outdoor air pressure sensor; 19 - sensor volumetric flow rate of outdoor air; 20 - signal filtering unit according to the volumetric flow rate of outdoor air; 21 - block filtering the signal according to the outside temperature; 22 - block filtering the signal by the pressure of the outdoor air; 23 - block forming a complex signal for mass air flow; 24 - speed limiter changes the complex signal; 25 - corrective regulator; 26 - adjusting controller adjuster; 27 - block forming tasks from a higher level system; T _nv - outdoor temperature, ° C; P _nv - outdoor air pressure, Pa; r ₀ is the density of the taken air, kg / m ³ ; α _vna - VNA position of the compressor, deg .; F _in - the area of the flowing part at the inlet to the compressor, m ² ; G _m - mass air flow, kg / s; G _v - air volumetric flow rate, m ³ / s;

T_{g}^{"}

- flue gas temperature behind GT, ° C; T _ppvd - temperature of superheated steam of the high pressure circuit, ° C.

Способ регулирования расхода воздуха в компрессор ГТУ бинарного энергоблока осуществляется следующим образом (фиг. 1, фиг. 2).The method of controlling the air flow to the compressor GTU binary power unit is as follows (Fig. 1, Fig. 2).

При изменении параметров (температуры и давления) наружного воздуха, поступающего в компрессор, происходит неконтролируемое изменение его плотности и, соответственно, отклонение массового расхода воздуха от расчетного (необходимого), что ведет к изменению режимных параметров ГТУ и блока, вследствие дисбаланса технологических процессов сжатия воздуха в компрессоре, горения топливовоздушной смеси в камере сгорания, расширения продуктов сгорания в газовой турбине, охлаждения лопаток газотурбинного двигателя, конвективного теплообмена и тепловосприятия поверхностей нагрева котла-утилизатора, расширения пара в паровой турбине.When changing the parameters (temperature and pressure) of the outdoor air entering the compressor, there is an uncontrolled change in its density and, accordingly, the deviation of the mass air flow from the calculated (necessary), which leads to a change in the operating parameters of the gas turbine and the unit, due to the imbalance of the technological processes of air compression in the compressor, burning the air-fuel mixture in the combustion chamber, expanding the combustion products in the gas turbine, cooling the blades of the gas turbine engine, convective heat transfer and heat sensing of the heating surfaces of the recovery boiler, expansion of steam in a steam turbine.

Для устранения возникающего дисбаланса измеряют массовый расход воздуха 3, и его стабилизируют на заданном уровне 4, путем коррекции (изменении) угла открытия направляющего аппарата компрессора 2, при этом скорость изменения угла открытия входного направляющего аппарата компрессора ограничивают максимально допустимой скоростью нагружения газовой турбины 5 (фиг. 1). Иными словами, корректируя угол открытия направляющего аппарата компрессора 2 по измеряемому текущему массовому расходу воздуха 3 устраняем отклонения массового расхода воздуха, вызванных изменениями параметров внешней среды, и таким образом повышаем точность регулирования расхода воздуха и оптимизируем режим работы ГТУ.To eliminate the resulting imbalance, the mass air flow rate 3 is measured and stabilized at a predetermined level 4 by correcting (changing) the opening angle of the compressor guide vanes 2, while the rate of change of the opening angle of the compressor inlet guide vanes is limited by the maximum allowable loading speed of the gas turbine 5 (Fig. . one). In other words, by adjusting the opening angle of the compressor guide device 2 by the measured current mass air flow 3, we eliminate the deviations of the mass air flow caused by changes in the parameters of the external environment, and thus increase the accuracy of air flow control and optimize the operation mode of the gas turbine.

Массовый расход воздуха является сложной функцией физических параметров G_m=f(G_v, Т_н.в., P_н.в.). Измерение массового расхода воздуха 3 осуществляется путем измерения объемного расхода 6, температуры 7 и давления 8 наружного воздуха, поступающего в компрессор, фильтрации 9, 10, 11 случайных помех по каждому из измеряемых параметров и их последующего комплексирования 12 (фиг. 2) по формуле:Mass air flow is a complex function of the physical parameters G _m = f (G _v , T _nv , P _nv ). The measurement of mass air flow 3 is carried out by measuring the volume flow 6, temperature 7 and pressure 8 of the external air entering the compressor, filtering 9, 10, 11 random noise for each of the measured parameters and their subsequent combination 12 (Fig. 2) by the formula:

где G_m - оценка массового расхода воздуха (G_m=r₀·G_v), кг/с; r₀ - плотность воздуха при заданных условиях (определяется из уравнения Менделеева-Клапейрона: $r_{0} = \frac{m}{V} = \frac{M \cdot P_{н . в .}}{R \cdot T_{в}^{*}}$

), кг/м³; G_v - объемный расход воздуха, м³/с;

T_{в}^{*}

- полная температура воздуха

(T_{в}^{*} = T_{н . в .} + 273)

, °К; T_н.в - температура наружного воздуха, °C; P_н.в - давление наружного воздуха, Па; m - масса воздуха, кг; V - объем воздуха, м³; M - молярная масса воздуха (M=0,029), кг/моль; R - универсальная газовая постоянная (R=8,31), Дж/(моль·К).where G _m is the estimate of the mass air flow rate (G _m = r ₀ · G _v ), kg / s; r ₀ is the air density under given conditions (determined from the Mendeleev-Clapeyron equation:

r_{0} = \frac{m}{V} = \frac{M \cdot P_{n . at .}}{R \cdot T_{at}^{*}}

), kg / m ³ ; G _v - air volumetric flow rate, m ³ / s;

T_{at}^{*}

- full air temperature

(T_{at}^{*} = T_{n . at .} + 273)

, ° K; T _nv - outdoor temperature, ° C; P _nv - outdoor air pressure, Pa; m is the mass of air, kg; V is the volume of air, m ³ ; M is the molar mass of air (M = 0.029), kg / mol; R is the universal gas constant (R = 8.31), J / (mol · K).

Устройство регулирования расхода воздуха в компрессор газотурбинных установок бинарного энергоблока (фиг. 3) содержит регулятор 13 положения входного направляющего аппарата компрессора, выходом подключенный к исполнительному механизму 14 управления углом открытия входного направляющего аппарата компрессора, датчик 15 положения исполнительного механизма входного направляющего аппарата компрессора, подключенный к 1-му входу регулятора 13 положения входного направляющего аппарата компрессора, блок 16 задания угла открытия входного направляющего аппарата компрессора, выходом подключенный ко 2-му входу регулятора 13 положения входного направляющего аппарата компрессора, датчик температуры 17 и датчик давления 18 наружного воздуха. Устройство дополнительно снабжено датчиком 19 объемного расхода наружного воздуха, блоком 20 фильтрации сигнала по объемному расходу наружного воздуха, блоком 21 фильтрации сигнала по температуре наружного воздуха, блоком 22 фильтрации сигнала по давлению наружного воздуха, блоком 23 формирования комплексированного сигнала по массовому расходу воздуха с ограничителем 24 скорости изменения комплексированного сигнала, корректирующим регулятором 25 с задатчиком 26 и блоком 27 формирования задания от системы более высокого уровня, при этом датчики объемного расхода 19, температуры 17 и давления 18 наружного воздуха подключены посредством блоков 20, 21, 22 фильтрации сигналов по объемному расходу 20, температуре 21 и давлению 22 наружного воздуха к соответственно к 1-му, 2-му, 3-му входам блока 23 формирования комплексированного сигнала по массовому расходу воздуха, блок 23 формирования комплексированного сигнала выходом подключен к 1-му входу корректирующего регулятора 25 посредством ограничителя 24 скорости изменения комплексированного сигнала, ко 2-му и 3-му входам корректирующего регулятора 25 соответственно подключены задатчик 26 корректирующего регулятора 25 и блок 27 формирования задания от системы управления более высокого уровня, а выход корректирующего регулятора 25 подключен к 3-му входу регулятора 13 положения входного направляющего аппарата компрессора. Места установки датчиков температуры 17, давления 18 и объемного расхода 19 наружного воздуха устанавливают на отметке забора наружного воздуха, подаваемого на всас компрессора газотурбинных установок бинарного энергоблока.The device for controlling the air flow into the compressor of gas turbine units of a binary power unit (Fig. 3) contains a regulator 13 for the position of the compressor input guide vane, connected to an actuator 14 for controlling the opening angle of the compressor inlet vane, an actuator 15 for positioning the compressor inlet vane for the compressor The 1st input of the regulator 13 of the position of the input guide vane of the compressor, block 16 sets the angle of opening of the input compressor-governing apparatus output is connected to the 2nd input of controller 13 positions the compressor inlet guide apparatus, a temperature sensor 17 and pressure sensor 18 is outside air. The device is additionally equipped with a sensor 19 for the volumetric flow rate of the outdoor air, a unit 20 for filtering the signal for the volumetric flow rate of the outdoor air, a unit 21 for filtering the signal for the temperature of the outdoor air, a unit 22 for filtering the signal for the pressure of the outdoor air, and a unit 23 for generating a complex signal for the mass flow rate of the air with a limiter 24 the rate of change of the complex signal, the adjusting regulator 25 with the setter 26 and the unit 27 of the formation of the task from the system of a higher level, while The volume flow rate 19, temperature 17, and outdoor air pressure 18 are connected via signal filtering units 20, 21, 22 according to volumetric flow rate 20, temperature 21, and outdoor air pressure 22 to the 1st, 2nd, 3rd inputs of the block, respectively 23 generating a complex signal by mass air flow, block 23 generating a complex signal with an output connected to the 1st input of the correcting controller 25 by means of a limiter 24 for the rate of change of the complex signal, to the 2nd and 3rd inputs of the correcting controller and 25, respectively, the control unit 26 of the correcting controller 25 and the unit 27 of forming the task from the higher-level control system are connected, and the output of the correcting controller 25 is connected to the 3rd input of the controller 13 of the position of the compressor input guide apparatus. The installation location of the temperature sensors 17, pressure 18 and the volumetric flow rate 19 of the outdoor air is set at the mark of the intake of external air supplied to the compressor inlet of the gas turbine units of the binary power unit.

Устройство регулирования расхода воздуха в компрессор газотурбинных установок бинарного энергоблока работает следующим образом (фиг. 3).A device for controlling the flow of air into the compressor of a gas turbine unit of a binary power unit operates as follows (Fig. 3).

Регулятор 13 поддерживает заданное задатчиком 16 положение исполнительного механизма 14 входного направляющего аппарата компрессора ГТУ по сигналу жесткой обратной связи от датчика 15 положения исполнительного механизма.The controller 13 maintains the position specified by the setter 16 of the actuator 14 of the input guide apparatus of the gas turbine compressor by the signal of hard feedback from the sensor 15 of the position of the actuator.

Корректирующий регулятор 25 с задатчиком 26 и блоком 27 задания нагрузки компрессора от подсистемы более высокого уровня при изменении параметров внешней среды воспринимает отклонение комплексированного сигнала от заданного, формирует сигнал небаланса и соответствующее корректирующее воздействие на регулятор 13, который изменяет положение направляющего аппарата ВНА, восстанавливая изменившийся при изменении температуры и/или давления расход воздуха.Correcting regulator 25 with setpoint 26 and unit 27 for setting the compressor load from a higher level subsystem, when the environmental parameters change, senses the deviation of the complex signal from the set one, generates an unbalance signal and the corresponding corrective effect on the regulator 13, which changes the position of the VNA guide apparatus, restoring the changes in temperature and / or pressure air flow.

Комплексированный сигнал, формируемый блоком 23 согласно (1), характеризует массовый расход поступающего в компрессор воздуха, который в отличие от других показателей чувствителен к изменениям температуры и давления наружного воздуха, что позволяет учитывать эти изменения в регулировании ГТУ.The complex signal generated by block 23 according to (1) characterizes the mass flow rate of the air entering the compressor, which, unlike other indicators, is sensitive to changes in the temperature and pressure of the outdoor air, which allows taking these changes into account in the regulation of gas turbines.

Эффективность работы способа регулирования расхода воздуха в компрессор газотурбинных установок бинарного энергоблока показана на фиг. 4, где приведены результаты исследования эффективности управления энергоблоком ПГУ в зависимости от температуры внешней среды. На фиг. 4 обозначено: 28 - влияние температуры наружного воздуха на изменение основных параметров блока; 29 - то же со стабилизатором массового расхода воздуха; выделены (в прямоугольниках) параметры, значения которых находятся за пределами допустимых требований; вертикальные жирные пунктирные линии - момент нанесения внешнего возмущения; горизонтальные пунктирные линии - верхние границы технологически безопасных значений параметров.The efficiency of the method for controlling the air flow into the compressor of gas turbine units of a binary power unit is shown in FIG. 4, where the results of a study of the effectiveness of control of a CCGT power unit depending on the temperature of the environment are presented. In FIG. 4 marked: 28 - the influence of the outdoor temperature on the change in the basic parameters of the unit; 29 - the same with a mass flow rate stabilizer; highlighted (in rectangles) parameters whose values are outside the acceptable requirements; vertical bold dotted lines - the moment of application of external disturbance; horizontal dashed lines are the upper boundaries of technologically safe parameter values.

Не трудно видеть (см. фиг. 4, графики под номером 28), что при изменении температуры наружного воздуха (фиг. 4-а), например, в сторону ее увеличения, угол открытия ВНА (фиг. 4-б) не изменяется (расход топлива задан постоянным). Однако плотность забираемого воздуха при этом снижается (фиг. 4-г). Изменение плотности воздуха вызывает изменение его объемного (фиг. 4-в) и массового (фиг. 4-д) расходов на входе в компрессор, при этом объемный расход растет, а массовый снижается. Изменение массового расхода приводит к изменению температур и за компрессором, и за ГТ (фиг. 4-е) в сторону роста. Не трудно видеть, что при этом имеет место превышение технически безопасных значений параметров. Температура перегретого пара контура высокого давления (фиг. 4-ж) растет вслед за температурой уходящих газов за ГТ. На практике это ведет к тому, что требуется разгрузка блока, изменение его режима, чтобы ввести технологические параметры в расчетные диапазоны, что приводит к снижению эффективности работы ПГУ.It is not difficult to see (see Fig. 4, graphs at number 28) that when the outdoor temperature changes (Fig. 4-a), for example, in the direction of its increase, the opening angle of the VHA (Fig. 4-b) does not change ( fuel consumption is set constant). However, the density of the intake air is reduced (Fig. 4-g). The change in air density causes a change in its volumetric (Fig. 4-c) and mass (Fig. 4-d) flow rates at the compressor inlet, while the volumetric flow rate increases, and the mass flow rate decreases. The change in mass flow rate leads to a change in temperature both for the compressor and for the gas turbine (Fig. 4f) in the direction of growth. It is not difficult to see that in this case there is an excess of technically safe parameter values. The temperature of the superheated steam of the high pressure circuit (Fig. 4-g) rises after the temperature of the exhaust gases behind the gas turbine. In practice, this leads to the need for unloading the unit, changing its mode in order to introduce technological parameters into the design ranges, which leads to a decrease in the efficiency of CCGT operation.

Использование способа регулирования расхода воздуха в компрессор газотурбинных установок бинарного энергоблока путем стабилизации необходимого массового расхода воздуха поступающего в компрессор возвращает технологические параметры в диапазоны эффективного управления энергоблоком в целом (см. фиг. 4, графики под номером 29).Using the method of regulating the air flow into the compressor of gas turbine units of a binary power unit by stabilizing the required mass air flow entering the compressor returns the process parameters to the ranges of effective control of the power unit as a whole (see Fig. 4, graphs at number 29).

Сравнение результатов влияния температуры наружного воздуха без стабилизатора (см. на фиг. 4, графики под номером 28) и со стабилизатором (корректором положения направляющего аппарата ВНА) массового расхода воздуха в компрессоре ГТУ (см. на фиг. 4, графики под номером 29) говорит о достаточно высокой эффективности найденного технического решения. При высокой температуре наружного воздуха (фиг. 4-а) и, как следствие, высокой температуре воздуха на входе и на выходе компрессора, ВНА открывается (фиг. 4-б, график под номером 29). Массовый расход воздуха (фиг. 4-д, график под номером 29) стабилизирован, а объемный расход воздуха (фиг. 4-в, график под номером 29) соответственно увеличился. Нетрудно видеть, что температура уходящих газов за ГТ (фиг. 4-е, график под номером 29) при этом практически остается в рабочем (расчетном) диапазоне от 455 до 530°C (определен надежностью работы блока в целом согласно инструкциям). Отклонения других технологических параметров ГТУ, КУ, ПТ и блока ПГУ в целом, вызванные влиянием температуры наружного воздуха, также остаются в пределы расчетных диапазонов. В частности, температура перегретого пара контура высокого давления остается на расчетном уровне 510°C (фиг. 4-ж, график под номером 29).Comparison of the results of the influence of outdoor temperature without a stabilizer (see in Fig. 4, graphs at number 28) and with a stabilizer (corrector of the position of the VNA guide vanes) of the mass air flow in a gas turbine compressor (see in Fig. 4, graphs at number 29) indicates a sufficiently high efficiency of the technical solution found. At high outside air temperature (Fig. 4-a) and, as a consequence, high air temperature at the inlet and outlet of the compressor, the BHA opens (Fig. 4-b, graph number 29). The mass air flow rate (Fig. 4-d, graph number 29) is stabilized, and the volumetric air flow (Fig. 4-c, graph number 29) has accordingly increased. It is easy to see that the temperature of the flue gases behind the gas turbine (Fig. 4, graph number 29) practically remains in the working (calculated) range from 455 to 530 ° C (determined by the reliability of the unit as a whole according to the instructions). Deviations of other technological parameters of gas turbines, gas turbines, gas turbines and gas turbine unit as a whole, caused by the influence of outdoor temperature, also remain within the calculated ranges. In particular, the temperature of the superheated steam of the high pressure circuit remains at the calculated level of 510 ° C (Fig. 4-g, graph number 29).

В результате имеет место повышение точности регулирования расхода воздуха и оптимизация режима работы ГТУ и энергоблока путем устранения возникающего дисбаланса между заданным расходом топлива и необходимым массовым расходом воздуха при естественных колебаниях температуры и давления наружного воздуха.As a result, there is an increase in the accuracy of regulation of air flow and optimization of the operation mode of a gas turbine unit and a power unit by eliminating the imbalance between the given fuel consumption and the necessary mass air flow during natural fluctuations in the temperature and pressure of the outdoor air.

Claims

1. The method of controlling the air flow into the compressor of gas turbine plants of a binary power unit by changing the opening angle of the compressor inlet guide apparatus, characterized in that the mass air flow entering the compressor is measured, which is stabilized at a predetermined level, while the rate of change of the opening angle of the compressor inlet guide apparatus is limited the maximum permissible loading speed of a gas turbine.

2. The method according to p. 1, characterized in that the mass air flow rate is measured by measuring the volumetric flow rate, temperature and pressure of the external air entering the compressor, filtering random noise for each of the measured parameters and their corresponding combination.

3. A device for controlling the air flow into the compressor of a gas turbine unit of a binary power unit, containing a position controller for the compressor input guide vane, connected to an actuator for controlling the opening angle of the compressor input vane, an actuator position sensor for the compressor input vane, connected to the 1st input of the regulator the position of the input guide vane of the compressor, the unit for setting the opening angle of the input compressor compressor, with an output connected to the 2nd input of the position controller of the compressor inlet guide apparatus, a temperature sensor and an outdoor air pressure sensor, characterized in that the device is additionally equipped with an outdoor air volumetric flow sensor, a signal filtering unit for outdoor air volumetric flow, a signal filtering unit by outdoor temperature, signal filtering unit by outdoor air pressure, complex signal generation unit by mass air flow rate xa with a speed limiter for changing the complex signal, a correcting regulator with a setpoint and a unit for generating a task from a higher level system, while the sensors of the volumetric flow rate, temperature and pressure of the outdoor air are connected via signal filtering units for volumetric flow rate, temperature and pressure of the outdoor air to respectively 1st, 2nd, 3rd inputs of the integrated signal generation unit for mass air flow, the integrated signal generation unit for output It is connected to the 1st input of the correcting regulator by means of a speed limiter for changing the complex signal, to the 2nd and 3rd inputs of the correcting regulator, respectively, the adjuster regulator regulator and the task formation unit from the higher level control system are connected, and the output of the corrective regulator is connected to 3- mu input of the position controller of the input guide vane of the compressor.

4. The device for controlling the air flow into the compressor of gas turbine units of a binary power unit according to claim 3, characterized in that the temperature, pressure and volumetric flow rates of outdoor air are installed at the mark of the intake of external air supplied to the compressor inlet of the gas turbine units of the binary power unit.