книги / Математическое моделирование газотурбинных мини-электростанций и мини-энергосистем
..pdf1. АВТОНОМНЫЕ ГАЗОТУРБИННЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
1.1.Газотурбинные установки
вназемных условиях
Газотурбинные авиационные двигатели (ГТД) обладают целым комплексом свойств, которые обеспечивают их широ кое применение в наземных установках: низкая стоимость, малая удельная масса и небольшие габариты, высокая прие мистость, широкий диапазон климатических условий исполь зования, практически полная автоматизация управления ра ботой двигателя, возможность работы на разнообразном топ ливе: керосине, дизельном топливе и природном газе.
Газотурбинные установки (ГТУ), выполняемые на базе авиационных ГТД, в зависимости от целевого назначения ис
пользуются как: 1) энергоприводы; |
2) генераторы сжатого |
|||
воздуха; 3) генераторы горячего газа [3]. |
|
|||
|
ГТУ используются в качестве энергопривода: |
|||
1) |
электрогенераторов; |
2) нефтеперекачивающих |
агрегатов; |
|
3) |
газоперекачивающих |
агрегатов; |
4) буровых |
установок; |
5) транспортных установок; 6) дождевальных и |
распыли |
|||
тельных установок. |
|
|
|
|
|
В мини-элекгростанциях газотурбинные установки вы |
полняют функцию энергопривода и вырабатывают механиче скую мощность для электрогенераторов.
По оценке институтов отечественной промышленности и заказчиков потребность России в экологически чистых, экономичных, надежных газотурбинных установках мощно стью от 1 до 25 МВт для нужд энергетики значительно пре вышает потребность в ГТД для гражданской авиации [150]. В то же время в области создания ГТУ отечественная про мышленность пока отстает от мирового уровня. В нашей стране разрабатывается и эксплуатируется примерно 20 ти поразмеров малых ГТУ мощностью от 1 до 25 МВт. Первая
в России муниципальная ГТУ «Шигили» полностью на рос сийском оборудовании была построена лишь в 2000 г. (элек трическая мощность 4 МВт, тепловая - 7,6 Гкал/ч). Наи большее количество мини-электростанций на базе энергети ческих ГТУ создано НПО «Искра» и НПО «Сатурн» [156].
Первоначально ГТУ для привода электрогенераторов выполнялись на базе турбовинтовых двигателей: ЛИ-24, АИ-20 [170]. На этой основе были выполнены передвижные электростанции с выходной мощностью соответственно 1250 и 2500 кВт. Пример - автоматизированная передвижная электростанция ПАЭС-2500 с двигателем АИ-20 и генерато ром СГС14-100-6 (мощность 2500 кВт, частота вращения
п= 1000 об/мин [123]).
Внастоящее время для привода генераторов все шире применяются и намечаются к применению конвертирован ные двухвальные турбореактивные двигатели со свободной турбиной (Д-30, ПС-90 и др.).
Втечение последних десятилетий широкое распростра нение в странах Западной Европы и США получило исполь зование газотурбинных технологий для комбинированного производства энергии и тепла. Такие газотурбинные электро станции с утилизацией тепла уходящих газов называются когенерационными и известны во всем мире как наиболее эф фективные в техническом и коммерческом аспектах. Ре шающим преимуществом этих ГТУ-ТЭЦ является то, что природный газ в них используется с топливной экономично стью до 75-90 % по сравнению с 35-40 % при производстве теплоэнергии традиционными способами [186].
Таким образом, турбовинтовые двигатели постепенно вытесняются турбореактивными также и в наземных версиях применения, причем использование для этих целей все более современных двигателей позволяет значительно улучшать характеристики ГТУ. Для иллюстрации в табл. 1.1 приводят ся основные данные газотурбинных установок, выполненных
на основе двигателей Д-30 и ПС-90 (ОАО «Авиадвигатель»). Преимуществом данных установок является также их двухвальная конструкция, что в сравнении с турбовинтовыми одновальными АИ-20, АИ-24 дает повышение экономичности и позволяет свободно выбирать частоту вращения отдельных блоков [3,94].
Таблица 1.1
Конвертированные газотурбинные установки
Основные данные |
ГТУ-2.5П ГТУ-4П |
ГТУ-12П |
||
(Д-30) |
(Д-30) |
(ПС-90) |
||
|
||||
Мощность силовой турбины, |
2,5 |
4 |
12 |
|
МВт |
|
|
|
|
Эффективный КПД |
0,218 |
0,247 |
0,345 |
|
Температура газа перед турби |
921 |
1026 |
1366 |
|
ной, К |
|
|
|
|
Удельный расход газа, ВТ/кВт-ч |
15653 |
13815 |
9891 |
|
Масса установки с силовой |
3,0 |
3,0 |
2,5 |
|
турбиной,т |
|
|
|
|
Общетехнический ресурс, ч |
40000 |
40000 |
50000 |
Анализ особенностей устройства ГТД позволяет вы явить следующее.
ГТД, на базе которых строятся энергетические ГТУ, мо гут быть: 1) турбовинтовыми (ТВД) (АИ-20, АИ-24 и др.); 2) турбовальными (к ним относятся, например, двигатели вертолетов Ми-2, Ми-8); 3) турбореактивными одноконтур ными (ТРД) (РД-ЗМ-500 и др.); 4) турбореактивными двух контурными (ТРДД) (Д-30, АИ-25 и др.).
ГТУ отличаются числом валов: 1) одновальные (АИ-20, АИ-24); 2) двухвальные (АИ-25, Д-30, ПС-90); 3) многоагре гатные (Д-36) [3, 117].
При использовании двухвальной конструкции компрес сор выделяется в особый агрегат, который служит газогене
ратором для свободной турбины, вращающий синхронный генератор [33]. Обычно турбины низкого давления исполь зуются для привода нагрузки (генератора). На рис. 1.1 пред ставлен наиболее распространенный вариант двухвальной ГТУ со свободной турбиной низкого давления [117].
В качестве примера можно привести серийновыпускаемую двухвальную ГТУ-2.5П для привода электро генераторов, построенную на основе двигателя Д-30 (ОАО «Авиадвигатель»).
Установка газотурбинная ГТУ-2.5П представляет собой газотурбинный двигатель Д-ЗОЭУ-1 и редуктор, смонтиро ванные на подмоторной раме, с трансмиссией, системой за пуска, системой маслообеспечения и системой автоматиче ского управления (САУ). Газотурбинный двигатель Д-30ЭУ1 разработан на базе серийного авиационного двигателя Д-30-3. Понижающий двухступенчатый трехпоточный ре дуктор Р-25 монтируется на подмоторной раме ГТУ спереди от двигателя и предназначен для передачи мощности с вала ротора СТ двигателя, вращающегося с частотой (5510+/-55) об/мин, на вал генератора, вращающийся с час тотой (1000+/-10) об/мин.
Рис. 1.1. Двухвальная ГТУ: К - компрессор; Г - ка мера сгорания; Т\ - турбина высокого давления; Т2- турбина низкого давления
Необходимо отметить, что по мере усложнения схем ГТУ предъявляются все более высокие требования к их сис темам автоматического регулирования и защиты.
Анализируя особенности управления режимами ГТУ в наземных условиях, можно сделать следующие выводы.
Выделяется три основных режима работы: 1) запуск (при этом используются различные типы стартеров) [3, 117]; 2) переходный (неустановившийся); 3) установившийся (рав новесный).
Из установившихся режимов обычно выделяют один расчетный, для которого определяются термогазодинамиче ские параметры узлов и установки в целом. Установившиеся режимы работы могут отличаться от расчетного параметрами рабочего тела (температурой и давлением по тракту), часто той вращения роторов, площадью проходных сечений узлов, внешними условиями (температурой, давлением, влажностью и скоростью движения воздуха относительно двигателя). Их принято называть нерасчетными или переменными.
Для энергетических ГТУ изменения режима возникают часто, при этом возможно значительное отклонение мощно сти от расчетной, такие ГТУ большую часть времени рабо тают на режимах частичной мощности [117].
В свою очередь работа двухвального ГТД на частичных нагрузках обеспечивается, в отличие от одновального, умень шением как температуры газов перед турбиной, так и сниже нием расхода воздуха через компрессор (так называемое ре гулирование 2-го рода). В силу этого температура газов перед турбиной двухвального ГТД снижается медленнее. Это по вышает внутренний КПД ГТД на частичных нагрузках [117, 162]. Именно по этой причине, с целью повышения эконо мичности, и перспективен переход на двухвальные газотур бинные установки в электроэнергетике (пример: замена одновального АИ-20 на двухвальный Д-30 в мини-электро станции ПАЭС-2500). Но, с другой стороны, у таких устано-
вок сложнее обеспечить динамические характеристики из-за отсутствия механической связи между валами. Выделение турбокомпрессорной группы с относительно большим момен том инерции в отдельный агрегат вызывает сильное его от ставание по частоте вращения от силовой турбины. В резуль тате процесс регулирования затягивается, и возможно значи тельное перерегулирование, сопровождаемое резким повы шением температуры газов перед турбиной [162]. Все это определяет повышенные требования к САУ такой установки.
В силу того, что САУ современных наземных установок во многом наследуют структуру и алгоритмический аппарат САУ авиационных ГТД, проанализируем основные особен ности последних.
Система автоматического управления ГТД предназначе на для всережимного управления подачей топлива в основ ную камеру сгорания; управления геометрией проточной части двигателя; управления электроавтоматикой двигателя на запуске, в установившемся и переходном режимах; само контроля регулятора, оперативного диагностирования отка зов САУ и защиты двигателя от аварийных режимов. Для обеспечения необходимой надежности современные САУ ГТД имеют электронную и гидромеханическую часть. На пример, современный авиационный двигатель ПС-90А обо рудован основной двухканальной электронно-гидромехани ческой системой автоматического регулирования и резервной гидромеханической САР.
Гидромеханическая часть системы осуществляет функ ции исполнительных устройств при работе электронного ре гулятора, при отказе электронного регулятора гидромехани ческая часть САУ выполняет в уменьшенном объеме задачи управления двигателем с целью завершения полета.
Структура САУ ГТД состоит из совокупности контуров управления и селекторов. Каждый из контуров решает авто номные, только на него возложенные функции. Выходом
каждого из контуров является исполнительный механизм, ко торый переводит сигналы управления в управляющие двига телем воздействия. Большая часть контуров «замыкается» на дозирующую иглу. При этом селекторы на основании опре деленной логики осуществляют соединение выбранного в ка честве управляющего контура с выходом следующего селек тора или с контуром дозирующей иглы.
САУ ГТД осуществляет непрерывное управление двига телем посредством воздействия на дозирующую иглу и вход ной направляющий аппарат (ВНА) компрессора, дискретное управление типа «включено-выключено», «да-нет» и подачу их в двоичном коде в кабину пилотов.
Непосредственное воздействие на режим работы двига теля осуществляется в основном через перемещение дози рующей иглы. Установлена дозирующая игла в специальном агрегате - насосе-регуляторе, который осуществляет подачу топлива в камеру сгорания и содержит элементы гидромеха нической автоматики. При перемещении иглы меняется ве личина проходного сечения дозатора и частота вращения ро торов двигателя.
Непрерывное управление воздействует на двигатель с помощью: 1) подачи горючего; 2) автоматического осуще ствления разовых команд [97].
Контуры непрерывного управления можно разделить на контуры управления установившимися и переходными ре жимами и контур управления запуском двигателя. К первому типу контуров можно отнести контур управления частотой вращения компрессора высокого давления («вд), и контуры ограничения; ко второму типу - контуры автоматов приеми стости и сброса и контур входного направляющего аппарата (ВНА). Дискретные регуляторы, как правило, срабатывают на переходных режимах. Управляющий сигнал формируется по отклонению действительной величины параметра, изме ренной на двигателе, от уставочной (заданной). При этом ус
тавочное значение управляемого параметра формируется программно в вычислителе (электронном регуляторе двига теля) на основе положения угла поворота рукоятки управле ния двигателем и некоторых внешних параметров, таких как температура и давление на входе. Сигнал рассогласования поступает, как правило, в схему динамической компенсации погрешностей, а затем нормируется коэффициентом про порциональности и подается на вход соответствующего се лектора.
На каждый из контуров ГТД действуют достаточно сильные внешние (давление, температура) и внутренние (не собственные управляющие воздействия) возмущения, кото рые могут приводить к существенному ухудшению качества процессов регулирования. В связи с этим возникает задача обеспечения полной или частичной инвариантности (авто номности) контуров управления к внешним и внутренним воздействиям. В работе [137] представлен подробный срав нительный анализ методов проектирования многомерных систем автоматического регулирования.
САУ для ГТУ, работающих в наземных условиях в каче стве энергопривода электрогенераторов, имеют свою специ фику. Новые программы управления механизацией компрес сора и необходимость обеспечения режима холостого хода генератора, при котором минимальный режим турбокомпрес сора значительно ниже, чем у обычного двигателя, потребо вали расчета новых статических характеристик с определе нием располагаемой мощности свободной турбины для раз личных состояний механизации компрессора. САУ ГТУ для привода генераторов должна обеспечивать: а) поддержание частоты генератора / = 50 Гц на установившихся режимах; для обеспечения распределения нагрузки при параллельной работе допускается небольшой статизм (увеличение частоты при снижении нагрузки от номинала до холостого хода); б) ограничение допустимого ускорения ротора турбоком
прессора и минимального расхода топлива при сбросе режи ма; в) ограничение максимальной частоты вращения турбо компрессора (аварийное отключение).
Таким образом, задачи, возлагаемые на САУ ГТУ, пре терпевают существенные изменения. Главной управляемой переменной вместо частоты вращения компрессора высокого давления становится частота вращения свободной турбины. Кроме того, для энергетических ГТУ основным топливом яв ляется природный газ, что также вызывает значительные из менения при построении системы топливопитания. В то же время САУ энергетической установки и, прежде всего, ее электронная часть строятся, как правило, на основе элек тронного регулятора базового двигателя.
Рассмотрим общие принципы организации и функцио нирования САУ наземных энергетических ГТУ.
Задачей САУ ГТУ является поддержание оптимальных регулируемых параметров на всех режимах работы двигателя [162]. Электронно-гидромеханическая система автоматиче ского управления двигателем в версии для электростанции состоит из электронной части и взаимодействующих с ней гидро- и пневмомеханических агрегатов и выполняет функ ции управления двигателем по заданным программам в за данных условиях эксплуатации.
Состав электронно-гидромеханической системы автома тического управления (на примере САУ-30ЭУ1): ^регу лятор электронный РЭД-90Э; 2) дозатор газа ДГ-ЗОГ;
3)командный агрегат КА-ЗОГ; 4) блок коммутации БК-90Э,
5)стопорный клапан; 6) датчики параметров двигателя, по ложения элементов САУ; 7) электрические исполнительные механизмы и электромагнитные клапаны управления. Струк турная схема САУ приведена на рис. 1.2.
Электронный регулятор РЭД-90Э предназначен для вы полнения логических, управляющих и контролирующих про грамм, обеспечивающих управление двигателем на всех ре
жимах его работы при заданных условиях эксплуатации, а также для выдачи информационных сигналов на пульт управления и в системы регистрации информации.
Рис. 1.2. Структурная схема САУ
Блок коммутации БК-90Э предназначен для коммутации сильноточных цепей электроагрегатов САУ и двигателя по сигналам от регулятора и для осуществления останова двига теля при отказе регулятора.
Дозатор газа ДГ-ЗОГ предназначен для дозирования топ ливного газа, подаваемого в камеру сгорания двигателя, за счет изменения проходного сечения дозирующей иглы.
Командный агрегат КА-ЗОГ предназначен для выработ ки давления рабочей жидкости и подачи его по командам от РЭД-90Э к гидроцилиндру дозирующей иглы дозатора газа ДГ-ЗОГ и к гидроцилиндрам механизации компрессора дви гателя.