книги / Математическое моделирование газотурбинных мини-электростанций и мини-энергосистем

1. 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

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

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

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.