Регулятор газотурбинной установки и способ ее регулирования

Регулятор газотурбинной установки и способ ее регулирования

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу работы газотурбинной установки и к модели газотурбинной установки с регулятором, предназначенной для осуществления этого способа.

Уровень техники

Современные газотурбинные установки обычно работают с пламенем предварительно перемешанной обедненной смеси в целях соблюдения требований к выбросам вредных веществ в атмосферу. Для обеспечения процесса стабильного горения при всех рабочих режимах были разработаны сложные способы работы газотурбинной установки, известные, к примеру, из патентного документа ЕР 0718470.

Помимо требований низкого содержания вредных выбросов, все более строгими становятся требования рынка в отношении способности функционирования газотурбинной установки в переходном режиме при экономически выгодном ее использовании. Помимо обеспечения возможности поддерживания частоты тока в нормальных условиях, газотурбинные установки часто необходимы в локальных электрических сетях для поддерживания частоты в сети в различных условиях, включая чрезвычайные ситуации, такие как потеря общенациональной энергосистемы или аварийное отключение энергоемкого потребителя. Газотурбинные установки должны быть способны к очень быстрому изменению выходных мощностей для того, чтобы поддерживать баланс между вырабатываемой мощностью и мощность, потребляемой в локальной сети.

Одно из необходимых условий для удовлетворения приведенных выше требований заключается в стабильности процесса горения во время быстрых переходных (нестационарных) режимов. Следует отметить, что сжигание предварительно перемешанной обедненной смеси, что является предпочтительным методом снижения вредных выбросов, содержащих осушенный NOx, как правило, характеризуется относительно узкой областью воспламеняемости. Границы воспламеняемости пламени предварительно перемешанной обедненной смеси, являются, например, много более узкими, чем границы для диффузионного пламени. Обычно они приблизительно на один порядок величины меньше. Границы воспламеняемости определяют стабильность пламени. Кроме того, широко используемыми методами повышения мощности газотурбинной установки и «мокрого» снижения содержания NOx являются инжектирование воды и водяного пара, которое влияет также и на стабильность процесса горения.

Во время быстро протекающего переходного режима пределы воспламеняемости могут быть легко превышены, если известные способы работы осуществляются на основе измеренных величин и с помощью непосредственных команд, поступающих к приводам и регулирующим клапанам.

Фиг.1 иллюстрирует пример известной системы 30 регулирования газотурбинной установки, приводы 41-49, подводящие каналы 21, …, 29 к камере 3 сгорания. Сама система 30 регулирования содержит регулятор 10 и линии передачи сигналов управления (импульсные линии) 11-19. Исходя из измеренных рабочих параметров и поставленных задач по управлению, регулятор 10 выдает управляющие команды - командные массовые расходы m f u e l , i C M D для i расходов топлива, m w / s , j C M D для j массовых расходов воды/пара и m a i r , k C M D для k массовых расходов воздуха. На основе этих командных массовых расходов приводы 41, …,43 для подачи топлива, приводы 44, …, 47 для подачи воды/пара и приводы 47, … 49 для подачи воздуха изменяют свое положение, в результате чего величина i массовых расходов на приводах для топлива составляет m f u e l , i A C T U R , величина j массовых расходов на приводах для воды/пара составляет m w / s , j A C T U R , и на приводе для подачи воздуха, т.е. на VIGV, величина k массового расхода составляет m a i r , k A C T U R .

В идеале массовые расходы потоков, поступающих в камеру сгорания 3, строго следуют командным сигналам для массовых расходов. Однако в реальном двигателе это не происходит, поскольку каналы подачи топлива, воды/пара и воздуха имеют различные формы и объемы и, следовательно, обладают различной динамикой.

Благодаря различной динамике приводов и, в особенности, каналов 21, …, 23 подачи топлива, каналов 24, …, 26 подачи воды/пара и каналов 27, …, 29 подачи воздуха, изменения фактических i массовых расходов m f u e l , i C M B S T топлива, фактических j массовых расходов m w / s , j C M B S T воды/пара, поступающих на вход камеры сгорания, и фактических k массовых расходов m a i r , k C M B S T воздуха не являются синхронизированными, даже если командные сигналы синхронизированы, и, следовательно, приводят к нестабильностям процесса горения.

Сущность изобретения

Одним аспектом настоящего изобретения является способ работы газотурбинной установки, который обеспечивает быстро протекающий переходный режим с синхронизированными изменениями расходов топлива, воды/пара и воздуха, поступающих в камеру сгорания газотурбинной установки. В результате скорость изменений в переходном режиме может быть повышена, и во время этих быстрых переходных процессов стабильность пламени может сохраняться. Объектами настоящего изобретения являются также система регулирования, предназначенная для осуществления динамической компенсации, и газотурбинная установка, содержащая такую систему регулирования. Дополнительные варианты воплощения изобретения следуют из зависимых пунктов формулы.

Соотношение между массовым расходом m f u e l , i A C T U R канала i для топлива на приводе и массовым расходом m f u e l , i C M B S T топлива на входе в камеру сгорания обычно может быть представлено с помощью передаточной функции в следующем виде:

L ( m f u e l , i C M B S T ) = G f u e l , i ( s ) ⋅ L ( m f u e l , i A T U R )                                             ( 1 )

где L() обозначает преобразование Лапласа. G_fuel,i(s) - передаточная функция, которая характеризует динамику системы из i каналов для топлива. Их корреляция зависит от формы и объема i топливных каналов. Соответствующие корреляции также существуют для каналов подачи вода/пара и воздуха

L ( m w / s , j C M B S T ) = G w / s , j ( s ) ⋅ L ( m w / s , j A C T U R )                                            ( 2 )

L ( m a i r , k C M B S T ) = G a i r , k ( s ) ⋅ L ( m a i r , k A C T U R )                                            ( 3 )

где m w / s , j A C T U R и m w / s , j C M B S T массовые расходы в канале j для воды/пара на приводе, и на входе в камеру сгорания соответственно, m a i r , k A C T U R и m a i r , k C M B S T - массовые расходы канала k для воздуха на приводе и на входе в камеру сгорания соответственно. G_w/s,j(s) и G_air,k(s) - функции, описывающие динамику систем каналов.

Настоящее изобретение основано на понимании того, что могут быть достигнуты существенные преимущества, если, по меньшей мере, один из командных массовых расходов компенсирует различия динамических характеристик систем подачи.

Для компенсации различий динамических характеристик предложен способ работы газотурбинной установки во время переходного режима. Способ предложен для газотурбинных установок, которые содержат компрессор с регулируемыми входными направляющими лопатками, камеру сгорания, турбину, регулятор, измерительные устройства, приводы и подающие каналы для входящего воздуха, и, по меньшей мере, для одного из газообразного топлива, жидкого топлива, воды и водяного пара.

Помимо граничных условий, включающих давление и температуру, стабильность пламени определяется, главным образом, массовыми расходами, которые поступают в камеру сгорания. В соответствии с предложенным способом регулятор определяет значение управляющей команды (командный сигнал) для массового расхода входящего потока воздуха, и, по меньшей мере, для одного из: массового расхода газообразного топлива, массового расхода жидкого топлива, массового расхода воды и массового расхода пара. Для синхронизации результирующих изменений в подаче топлива, воды, пара и/или воздуха горения, которые поступают в камеру сгорания, по меньшей мере, одно значение управляющей команды динамически компенсируют. За счет компенсации динамики систем приводов и/или подающих каналов состав топливовоздушной смеси остается в пределах воспламеняемости. Для краткости, подающие каналы, приводы и/или элементы системы управления (регулирующие элементы) в нижеследующем описании называются системой подачи.

Динамика различных систем подачи отличается по быстродействию. Обычно быстродействие ограничено быстродействием самой медленно действующей системы. Быстродействие в переходном режиме зависит среди прочего от отношения объема системы распределения топлива и объемного расхода газообразного топлива. Система подачи газообразного топлива, которая содержит каналы для газообразного топлива, имеющие большой объем, ниже по потоку от регулирующего клапана, имеет медленную динамику, поскольку изменения положения клапана не влияют тот час же на расход газообразного топлива, поступающего в камеру сгорания. Например, после открытия регулирующего клапана большой объем системы распределения газообразного топлива должен быть подвергнут дополнительному сжатию, прежде чем расход топлива, поступающего в камеру сгорания, увеличивается до желаемой величины. Однако переходные изменения могут быть ускорены путем ускорения управляемого сигнала. Например, регулирующий клапан может быть открыт больше, чем это необходимо, для достижения нового рабочего положения, в течение короткого периода времени, после чего степень открытия клапана уменьшают с возвращением клапана к заданному устойчивому положению и производят точную настройку.

В этой связи в другом воплощении предложено ускорять, по меньшей мере, одно значение управляющей команды. В частности, для того чтобы справиться с медленной динамикой в системах подачи воздуха, газообразного топлива, жидкого топлива, воды/пара ускоряют изменения, по меньшей мере, в одном значении управляющей команды. Значение управляющей команды может быть ускорено до или после того как это значение будет динамически компенсировано, с тем чтобы обеспечить при функционировании более быстрые изменения в переходном процессе. Ускорение и компенсация могут быть скомбинированы.

В соответствии с изобретением, по меньшей мере, один управляющий сигнал от регулятора компенсируют перед его направлением в соответствующий привод. Компенсация может быть осуществлена в самой системе регулирования. Для этого регулятор может быть по существу разделен на один регулятор и один динамический компенсатор. В качестве альтернативы система регулирования содержит регулятор и отдельный динамический компенсатор.

Динамическая компенсация может быть основана другом алгоритме. Например, может быть использована эмпирическая компенсация на основе моделирования или экспериментов. Необходимая компенсация может быть определена для конкретных изменений. Необходимые компенсации могут быть накоплены в таблицах соответствия или аппроксимированы полиномиальными функциями.

Быстрая и простая численная компенсация может быть произведена в частотном интервале, полученном в результате преобразования Лапласа. В соответствии с одним воплощением предложенного способа динамика, по меньшей мере, одного из каналов подачи воздуха, газообразного топлива, жидкого топлива, воды, пара, приводов, элементов управления характеризуется с помощью передаточной функции. В этом воплощении динамическая компенсация и/или ускорение, по меньшей мере, одного командного сигнала для системы подачи газообразного топлива, жидкого топлива, воды и/или пара аппроксимирована передаточными функциями.

Например, команду m f u e l , i C M D для топлива компенсируют до динамически компенсированной команды m f u e l , i C O M P для топлива следующим образом

L ( m f u e l , i C O M P ) = G f u e l , i C O M P ( s ) ⋅ L ( m f u e l , i C M D )                                          ( 4 )

где G f u e l , i C O M P - компенсатор для i топливных каналов.

Подобным образом

L ( m w / s , j C O M P ) = G W / S , J C O M P ( s ) ⋅ L ( m w / s , j C M D )                                          ( 5 )

L ( m a i r , k C O M P ) = G a i r , k C O M P ( s ) ⋅ L ( m a i r , k C M D )                                          ( 6 )

где G W / S , J C O M P и G a i r , k C O M P представляют собой передаточные функции,

характеризующие компенсаторы j каналов для воды/пара и компенсаторы k воздушных каналов.

По сравнению с динамикой каналов для топлива приводы должны быть быстродействующими и, как можно считать, они тщательно калиброваны. Следовательно, для упрощения может быть использовано следующее приближение:

m f u e l , i C O M P = m f u e l , i A C T U R                                          ( 7 )

m w / s , j C O M P = m w / s , j A C T U R                                        ( 8 )

m a i r , k C O M P = m a i r , k A C T U R                                         ( 9 )

Заменяя в уравнениях 4-6 компенсированное значение управляющей команды на значение массового расхода на приводе в соответствии с уравнениями 7-9 и применяя полученные уравнения для значения расхода на приводе к соотношениям, представляющим систему подачи в камеру сгорания (уравнения 1-3), получают следующие соотношения:

L ( m f u e l , i C M B S T ) = G f u e l , i ( s ) ⋅ G f u e l , i C O M P ( s ) ⋅ ( m f u e l , i C M D )          ( 10 )

L ( m w / s , j C M B S T ) = G w / s , j ( s ) ⋅ G w / s , j C O M P ( s ) ⋅ ( m w / s , j C M D )          ( 11 )

L ( m a i r , k C M B S T ) = G a i r , k ( s ) ⋅ G a i r , k C O M P ( s ) ⋅ ( m a i r , k C M D )          ( 12 )

Из уравнений 10-12 следует, что для получения синхронизированных изменений различных массовых расходов произведения передаточных функций, характеризующих систему подачи, и компенсационных функций должны быть идентичными:

G f u e l , i ( s ) ⋅ G f u e l , i C O M P ( s ) = G w / s , j ( s ) ⋅   G w / s , j C O M P ( s ) = G air ,k ( s ) ⋅ G a i r , k C O M P         ( 13 )

Это означает, что передаточные функции команд для массовых расходов и массовые расходы на входе в камеру сгорания являются одинаковыми для всех каналов. В результате получают синхронизированные расходы топлива, воды/пара и воздуха на входе в камеру сгорания во время переходных режимов:

L ( m f u e l , c h . i C M B S T ) / L ( m f u e l , c h . i C M D ) = L ( m w / s , c h . j C M B S T ) / L ( m w / s , c h . j C M D ) = L ( m a i r , c h . k C M B S T ) / L ( m a i r , c h . k C M D )          ( 14 )

Передаточные функции могут быть синхронизированы в соответствии с этим порядком действий только для двух массовых расходах, например для массового расхода воздуха и топлива или аналогичным образом для любых других массовых расходов.

Для ускорения процесса регулирования компенсаторы должны быть спроектированы так, чтобы было опережение по фазе для уменьшения запаздываний по времени, обусловленных каналами подачи топлива, воды/пара и воздуха.

В одном воплощении для упрощения компенсации командных сигналов в группе команд предлагается использовать командный сигнал системы, обладающей самой медленной динамикой и не имеющей какой-либо компенсации, для компенсации только более быстродействующих систем, чтобы согласовать их с системами медленного действия.

Так, например, если самой медленно действующей системой является топливная система, уравнение 10 при отсутствии компенсации принимает вид:

L ( m f u e l , i C M B S T ) = G f u e l , i ( s ) ⋅ L ( m f u e l , i C M D )                                   ( 15 )

G f u e l , i ( s ) = L ( m f u e l , i C M B S T ) / L ( m f u e l , i C M D )                                  ( 16 )

Для получения компенсационной функции, например, для воздуха можно включить уравнение 16 в уравнение 14 и как результат:

G f u e l , i ( s ) = L ( m a i r , k C M B S T ) / L ( m a i r , k C M D )                                  ( 17 )

и при объединении с уравнением 12 получаем:

G f u e l , i ( s ) = G a i r , k ( s ) ⋅ G a i r , k COMP ( s )                                      ( 18 )

и, в конечном итоге:

G a i r , k COMP ( s ) = G f u e l , i ( s ) / G a i r , k ( s )                                      ( 19 )

Аналогично может быть получена компенсационная функция для воды/пара или любой другой команды для массового расхода в системе. Очевидно, что для получения компенсационных функций может быть использована и другая самая медленно действующая система.

В общем случае компенсационная функция G f a s t , k COMP ( s ) канала с быстрой динамикой может быть записана в виде функции передаточных функций самого медленного канала G_slow,i(s) и быстрого канала G_fast,k(s) в соответствии с уравнением 20:

G f a s t , k COMP ( s ) = G s l o w , i ( s ) / G f a s k , k ( s )                     ( 20 )

Таким образом, в соответствии с одним воплощением динамика самой медленной из систем подачи воздуха, газообразного топлива, жидкого топлива, воды и водяного пара остается динамически некомпенсированной и описывается с помощью передаточной функции. Динамика, по меньшей мере, одной из систем подачи жидкого топлива, воды и водяного пара с более быстрой динамикой характеризуется передаточной функцией, а динамическая компенсация, по меньшей мере, одного командного сигнала для системы подачи воздуха, газообразного топлива, жидкого топлива, воды и/или водяного пара осуществляется с использованием передаточных функций.

В соответствии с одним воплощением в системе, содержащей один или большее число каналов для подачи газообразного топлива с одинаковой динамикой, каналы для газообразного топлива остаются динамически некомпенсированными и характеризуются с помощью передаточной функции. Динамика систем подачи воздуха описывается с помощью передаточных функций и динамически компенсирована. Динамическую компенсацию и/или ускорение командного сигнала для подачи воздуха рассчитывают с использованием передаточных функций.

В другом воплощении в системе, включающей в себя несколько систем подачи газообразного топлива с различной динамикой, динамика самой медленной системы для подачи газообразного топлива остается динамически некомпенсированной. Динамика системы подачи воздуха и более быстрых систем подачи газообразного топлива и/или жидкого топлива описывается с помощью передаточных функций. Командные сигналы для каналов подачи воздуха и более быстродействующих каналов подачи газообразного топлива и/или жидкого топлива динамически компенсированы, при этом динамическую компенсацию и/или ускорение получают из передаточных функций.

Помимо способа, объектом изобретения является система регулирования газотурбинной установки, которая предназначена для осуществления этого способа.

Система регулирования предназначена для регулирования газотурбинной установки, содержащей компрессор с регулируемыми входными направляющими лопатками, камеру сгорания, турбину, регулятор, измерительные устройства, приводы, каналы для подачи входящего воздуха и каналы для подачи газообразного топлива и/или жидкого топлива, и/или воды, и/или водяного пара.

Система регулирования предназначена для определения значений управляющих команд для массового расхода входящего воздуха и, по меньшей мере, одного из: массового расхода газообразного топлива, массового расхода жидкого топлива, массового расхода воды, массового расхода пара. В соответствии с изобретением система регулирования, кроме того, содержит динамический компенсатор для регулирования, по меньшей мере, одного из основных массовых расходов, поступающих в камеру сгорания, где основные массовые расходы включают массовые расходы воздуха, газообразного топлива, и/или жидкого топлива, и/или воды и/или водяного пара.

Во время прохождения переходных процессов, по меньшей мере, один командный сигнал корректируют для компенсации различной динамики систем подачи различных массовых расходов, чтобы в переходном режиме синхронизировать изменения в массовых расходах топлива, воды, пара и воздуха горения, поступающих в камеру сгорания. Благодаря синхронизации изменения состава топливовоздушной смеси или изменения соотношения между паром и/или водой и топливом (если используются пар и/или вода), поступающими в камеру сгорания, в переходном режиме остаются в пределах границ воспламеняемости.

В соответствии с одним воплощением система регулирования, кроме того, содержит ускоритель для подавления медленной динамики систем подачи воздуха, газообразного топлива, жидкого топлива, воды и/или водяного пара, до или после того, как указанное значение управляющей команды (командный сигнал) динамически компенсируют для того, чтобы обеспечить более быстрые переходные изменения в процессе функционирования. Ускоритель может быть объединен с динамическим компенсатором для подачи топлива, динамическим компенсатором для подачи воды или водяного пара и/или динамическим компенсатором для подачи воздуха.

Согласно еще одному воплощению динамический компенсатор для системы подачи воздуха включает передаточную функцию, которая описывает динамику, по меньшей мере, одной из систем: подачи воздуха, газообразного топлива, жидкого топлива, воды и пара.

В другом воплощении система регулирования газотурбинной установки не имеет динамического компенсатора командного сигнала для самой медленной системы подачи в камеру сгорания, но динамический компенсатор используют, по меньшей мере, для одной из систем подачи с более быстрой динамикой. Это означает, что командный сигнал используют непосредственно для управления самым медленным сигналом. Точнее говоря, отсутствует динамический компенсатор для самой медленной из числа систем подачи воздуха, газообразного топлива, жидкого топлива, воды и водяного пара и, по меньшей мере, один компенсатор обеспечен, по меньшей мере, для одной из систем подачи газообразного топлива, жидкого топлива, воды и водяного пара с более быстрой динамикой.

В другом, конкретном воплощении системы регулирования отсутствует динамический компенсатор для каналов для газообразного топлива и обеспечен динамический компенсатор для системы подачи воздуха. Помимо системы регулирования, объектом изобретения является газотурбинная установка, содержащая такую систему регулирования.

В пространстве изображений по Лапласу физическая выходная переменная может быть выражена с помощью передаточной функции Лапласа. Параметры этих передаточных функций могут быть установлены путем проведения опытов с реакцией на ступенчатое воздействие. Эти опыты осуществляют или в реальном двигателе, или с помощью детальной хорошо разработанной динамической модели.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение, его сущность, а также преимущества будут описаны более подробно ниже с помощью сопровождающих чертежей.

Фиг.1 - пример известной системы регулирования газотурбинного двигателя, содержащей регулятор, приводы, линии передачи сигналов управления и каналы подачи в камеру сгорания.

Фиг.2 - пример воплощения системы регулирования газотурбинного двигателя в соответствии с настоящим изобретением, содержащей регулятор, динамические компенсаторы, приводы, линии передачи сигналов управления и каналы подачи в камеру сгорания.

Фиг.3 - пример воплощения газотурбинного двигателя с системой регулирования, соответствующей настоящему изобретению, содержащей регулятор, динамические компенсаторы, приводы, линии передачи сигналов управления и каналы подачи в камеру сгорания.

Примеры осуществления изобретения

Одинаковые элементы или элементы, выполняющие одинаковые функции, обозначены ниже одинаковыми ссылочными номерами позиции. Значения управляющих команд и размерные характеристики, указанные ниже, являются только примерами этих значений и не составляют какое-либо ограничение изобретения такими размерами.

На фиг.2 представлен пример воплощения системы 30 регулирования газотурбинной установки в соответствии с настоящим изобретени