Система регулирования для регулирования частоты вращения турбины, а также способ регулирования частоты вращения турбины при сбросе нагрузки

 

Система и способ предназначены для регулирования частоты вращения турбины при сбросе нагрузки. Изобретение относится к системе регулирования для регулирования частоты вращения турбины для производства электрического тока с первой структурой регулирования. Первая структура регулирования является соединяемой со служащим для регулирования частоты вращения исполнительным звеном и служит в режиме холостого хода и/или в автономном режиме турбины для регулирования ее частоты вращения. Далее к первой структуре регулирования является подводимым сигнал отклонения (Х), который зависит от разницы из заданного значения (W2) и фактического значения (W1) частоты вращения. При сбросе нагрузки первая структура регулирования в зависимости от сигнала отклонения (Х) подводит к исполнительному звену сигнал закрывания. Таким образом первая структура регулирования комбинирует функцию регулирования частоты вращения в режиме холостого хода и/или в автономном режиме турбины с функцией предотвращения аварийного останова турбины при появлении сброса нагрузки. Данные система и способ позволяют при сбросе нагрузки предотвратить аварийный останов турбины. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к системе регулирования для регулирования частоты вращения турбины для производства электрического тока с первой структурой регулирования, которая в режиме холостого хода и/или в автономном режиме турбины служит для регулирования частоты вращения, а также к способу для регулирования частоты вращения турбины при сбросе нагрузки.

В турбинах, в частности в турбоагрегатах для производства электрической энергии, по производственно-техническим причинам часто требуется при сбросе нагрузки, то есть при снижении отдаваемой электрической мощности, предотвращать аварийный останов. Аварийный останов турбины происходит, например, тогда, когда после сброса нагрузки частота вращения турбины превышает критическое значение, например 10% номинальной частоты вращения. Необходимые для предотвращения производственно-технические особые меры могут быть реализованы за счет использования дополнительных так называемых приборов скачков нагрузки. Эти приборы скачков нагрузки при сбросе нагрузки вызывают мгновенное закрывание регулирующего частоту вращения регулирующего клапана, причем длительность удерживания закрытым регулирующего клапана зависит от величины сброса нагрузки, то есть от уменьшения производимой турбиной и соответствующим генератором электрической мощности. После истечения этой длительности регулирование частоты вращения принимает на себя регулятор частоты вращения турбины. Он регулирует частоту вращения во время режима холостого хода, а также в автономном режиме турбины, то есть в случае, когда в сеть электроснабжения не отдается никакая электрическая мощность. Во время режима работы на электросеть, в котором электрическая мощность отдается в сеть электроснабжения, турбина соединена с генератором так, что частота вращения турбины установлена за счет номинальной частоты вращения (синхронная частота вращения) и регулятор частоты вращения служит для управления, например, подачей топлива, в случае газовой турбины или подачей пара в случае паровой турбины.

В немецкой выложенной заявке DE-AS 1296657 описан электрогидравлический регулятор для клапана свежего пара паровой турбины. Клапан свежего пара регулируется регулятором открытия в зависимости от его положения. В качестве заданного значения регулирования служит величина, зависящая или от частоты вращения, или от мощности. При сбросе нагрузки, то есть при внезапном отделении синхронного генератора от объединенной электросети, производится чистое регулирование частоты вращения. Для этого используется не обозначенное более подробно реле скачка нагрузки.

В GB 2011126 A описана система регулирования газовой турбины, в которой клапан подачи топлива регулируется (пропорционально-интегральным) ПИ-регулятором. При этом речь идет о системе регулирования, которая является ведущей в чистом режиме работы на электросеть газотурбинной установки и выполнена таким образом, что обеспечивает при изменениях нагрузки дополнительную подстройку. Такие системы регулирования скрывают в себе конфликт, что интегральная часть для хорошего качества регулирования требует большой постоянной времени, а для возможно быстрой реакции на изменение нагрузки газовой турбины, наоборот, требуется малая постоянная времени. Даже при расположении дополнительного топливного обратного клапана, через который при изменении нагрузки топливо возвращается и тем самым уменьшается количество втекающего в камеру сгорания топлива, выбранная постоянная времени интегральной части вызывает нежелательные колебания частоты вращения турбины. Быстрое согласование количества топлива с требующейся после изменения нагрузки частотой вращения, то есть возможно быстрая подстройка частоты вращения на требующуюся постоянную частоту вращения, происходит за счет наложения разностного сигнала частоты вращения на постоянный сигнал. За счет этого ускоряется ответ интегратора на разностный сигнал. Для отработки рассогласования частоты вращения к генератору функций постоянно приложен разностный сигнал частоты вращения. Генератор функций таким образом реагирует на изменение частоты вращения в соответствии с отличным от нуля разностным сигналом частоты вращения так, что подведенное через клапан подачи топлива количество топлива является уменьшенным.

В DE 2627591 B2 указано устройство регулирования для турбин с регулятором частоты вращения и с регулятором мощности. Оба регулятора соединены со структурой выбора минимума и во время работы на электросеть турбины следят друг за другом. За счет структуры выбора минимума выбирается соответственно меньшее значение регулятора частоты вращения или регулятора мощности и подводятся к пропорциональному звену, которое создает управляющее воздействие клапана. Регулятор частоты вращения выполнен таким образом, что получающееся при появлении внезапного отключения нагрузки повышение частоты вращения турбины удерживается малым, что дает, в частности, повышение только порядка 1% по сравнению с рабочей частотой вращения. В качестве единственной конкретно описанной формы выполнения указан регулятор частоты вращения, который имеет пропорциональную, интегральную и разностную (дифференциальную) части. При выпадении нагрузки турбины за счет генератора через разностную часть выход регулятора частоты вращения сразу же управляется вниз и турбина регулируется до заданного числа оборотов. Возросшее при сбросе нагрузки число оборотов, таким образом, за счет разностной части сразу же снова уменьшается. Для этого к разностной части в качестве сигнала подводится непосредственно частота сети и только к пропорциональной и интегральной частям разница из заданной частоты и частоты сети.

Задачей изобретения является указание унифицированной и простой системы регулирования без дополнительного прибора скачка нагрузки для турбины, которая при сбросе нагрузки предотвращает аварийный останов турбины. Другая задача изобретения заключается в указании способа регулирования частоты вращения при сбросе нагрузки турбины.

Первая названная задача решается согласно изобретению за счет системы регулирования для регулирования частоты вращения турбины для производства электрического тока с первой структурой регулирования с ПИ-регулятором, который является соединяемым со служащим для регулирования частоты вращения исполнительным звеном и служит в режиме холостого хода и/или в автономном режиме турбины для регулирования частоты вращения, а также при сбросе нагрузки подводит к исполнительному звену сигнал закрывания, причем к первой структуре регулирования является подводимым сигнал отклонения, который зависит от разности из заданного значений и фактического значения частоты вращения. П-регулятор первой структуры регулирования имеет предпочтительно такую константу пропорциональности, что при приложении сигнала отклонения с задаваемой минимальной величиной выходной сигнал И-регулятора принимает значение нуль.

За счет системы регулирования с первой структурой регулирования обеспечивается то, что без дополнительных приборов или электрических схем происходит незамедлительное управление исполнительным эвеном. За счет этого возникающее в случае сброса нагрузки повышение частоты вращения ограничивается допустимым значением, не вызывающим аварийного останова.

ПИ-регулятор является пригодным как для регулирования частоты вращения турбины в режиме холостого хода и/или в автономном режиме, так и для регулирования исполнительного звена так, что оно после сброса нагрузки непосредственно за счет сигнала закрывания приводится в задаваемое положение. Исполнительное звено остается в этом положении в течение определенной высотой сброса нагрузки продолжительности времени и после этой продолжительности времени подстраивается путем роста выходного сигнала первой структуры регулирования в требующееся для режима холостого хода и/или автономного режима положение.

За счет соответствующего сигнала отклонения может быть достигнуто, что интегратор интегрирует вниз вплоть до значения нуль и остается при этом значении во время режима работы турбины на электросеть. Это достигается, например, за счет того, что во время нормального режима работы на электросеть первая структура регулирования хотя не управляет исполнительным звеном, однако постоянно получает сигнал отклонения, отличный от нуля, за счет чего первая структура регулирования находится в перерегулированном состоянии. Выходной сигнал первой структуры регулирования ограничивается за счет задаваемого максимального значения выходного сигнала. Это максимальное значение выходного сигнала доминируется выходным сигналом П-регулятора. Если константа пропорциональности K1 П-регулятора при этом выбрана так, что произведение из константы пропорциональности и сигнала отклонения больше или равна максимальному выходному сигналу первой структуры регулирования, то выходной сигнал И-регулятора автоматически ограничен до нуля. За счет этого обеспечивается, что при появлении сброса нагрузки интегральная часть первой структуры регулирования имеет значение нуль. За счет обратной установки сигнала отклонения также на значение нуль первая структура регулирования непосредственно после появления сброса нагрузки поставляет выходной сигнал, который также имеет значение нуль. Этот выходной сигнал "нуль" таким образом непосредственно после сброса нагрузки приложен также к исполнительному звену, которое за счет этого принимает свое заданное положение, в частности положение закрывания. Сигнал отклонения приводят к нулю, например, за счет того, что заданное значение частоты вращения устанавливают как раз на значение синхронной частоты вращения, которое во время режима работы на электросеть и при появлении сброса нагрузки совпадает с фактическим значением частоты вращения.

После сброса нагрузки, то есть после отделения от генератора с переключением турбины в режим холостого хода и/или автономный режим, регулирование частоты вращения происходит через первую структуру регулирования. Продолжительность времени, в течение которого исполнительное звено остается в задаваемом положении, в частности в положении закрывания, зависит от высоты сброса нагрузки, в частности, пропорционально к ней. Первая структура регулирования выполняет регулирование частоты вращения таким образом, что достигается задаваемое заданное значение, в частности синхронная частота вращения турбины. После сброса нагрузки частота вращения турбины увеличивается выше синхронной частоты вращения и после достижения максимального значения снова падает. Как только частота вращения упала ниже синхронной частоты вращения, через первую структуру регулирования происходит управление исполнительного звена, например, повторное открывание регулирующего клапана так, что частота вращения в зависимости от параметров и от алгоритма регулирования (ПИ-алгоритм) первой структуры регулирования приравнивается к синхронной частоте вращения.

Чтобы обеспечить постоянную частоту вращения от переключения из режима холостого хода и/или автономного режима работы на режим работы на электросеть, система регулирования содержит предпочтительно вторую структуру регулирования и структуру значения коррекции. Структура значения коррекции связана с первой структурой регулирования, а также со второй структурой регулирования так, что в режиме холостого хода и/или автономном режиме происходит слежение выходного сигнала второй структуры регулирования за значением выходного сигнала первой структуры регулирования. За счет этого в любое время работы в режиме холостого хода и/или автономной работы выходные сигналы первой и второй структуры регулирования являются идентичными, так что при переключении на режим работы на электросеть к исполнительному звену, которое соединено в режиме работы на электросеть со второй структурой регулирования, а при автономной работе с первой структурой регулирования, подводится одинаковый выходной сигнал.

Названная второй задача решается за счет способа для регулирования частоты вращения турбины при сбросе нагрузки за счет того, что к первой структуре регулирования, которая служит для регулирования частоты вращения в режиме холостого хода и/или в автономном режиме турбины и которая содержит ПИ-регулятор, во время работы на электросеть подводят сигнал отклонения так, что выходной сигнал И-регулятора принимает значение нуль, а при появлении сброса нагрузки сигнал отклонения устанавливают на значение нуль, а также выходной сигнал ПИ-регулятора подводят к исполнительному звену для регулирования частоты вращения.

Способ имеет то преимущество, что в одной-единственной структуре регулирования частоту вращения используют для исключения аварийного останова турбины как в режиме холостого хода и/или в автономном режиме, так и при сбросе нагрузки. За счет подходящего выбора параметров ПИ-регулятора обеспечивается, что во время работы на электросеть за счет сигнала отклонения, приложенного к первой структуре регулирования, первая структура регулирования перерегулирована таким образом, что часть И-регулягора в выходном сигнале составляет нуль. При появлении сброса нагрузки, при котором, например, генератор отделен от турбины, и регулирование исполнительного звена турбины переключено на первую структуру регулирования, а сигнал отклонения также устанавливается на нуль, выходной сигнал первой структуры регулирования дается за счет П-регулятора. Он поставляет при приложении сигнала отклонения "нуль" также выходной сигнал со значением нуль так, что управляемое выходным сигналом исполнительное звено незамедлительно переходит в задаваемое положение. Исполнительное звено может быть выполнено, например, в виде регулирующего клапана, который при приложении входного сигнала со значением нуль переходит в минимальное положение открытия, так что частота вращения турбины ограничивается значением, которое лежит ниже максимально допустимого значения. За счет этого эффективно предотвращается аварийный останов турбины при сбросе нагрузки.

Способ является пригодным как для газовых, так и для паровых турбин, причем в газовой турбине управляемое первой структурой регулирования исполнительное звено является регулирующим клапаном, который служит для регулирования подачи топлива. В паровой турбине исполнительное звено является регулирующим клапаном, который служит для регулирования подачи пара.

Примеры выполнения для системы регулирования, а также для способа регулирования частоты вращения турбины описываются более подробно с помощью чертежей. При этом на фигурах показано: фиг. 1 - схематическая конструкция системы регулирования и фиг. 2 - временная зависимость заданного значения частоты вращения, фактического значения частоты вращения, а также хода регулирующего клапана, служащего для регулирования частоты вращения.

На фиг. 1 схематически представлена система регулирования 1 для регулирования базовой турбины в режиме работы на электросеть, а также при сбросе нагрузки и режиме холостого хода и/или в автономном режиме. Система регулирования 1 содержит первую структуру регулирования 2, которая содержит (пропорционально-интегральный) ПИ-регулятор и состоит из (пропорционального) П-регулятора 5 (константа пропорциональности K1) и (интегрального) И-регулятора 6. Далее система регулирования 1 содержит вторую структуру регулирования 7, которая содержит (пропорциональный) П-регулятор (константа пропорциональности K2). Первая структура регулирования 2 и вторая структура регулирования 7 соединены с силовым выключателем 9 генератора, который через устройство выбора минимума 11 соединен с исполнительным звеном 3 для регулирования частоты вращения турбины. Со стороны выхода первая структура регулирования 2 соединена кроме того со структурой значения коррекции 8. К устройству выбора минимума 11 приложен кроме того сигнал ограничения Y_aMIN, который ограничивает управление исполнительного звена 3.

Во время работы газовой турбины на электросеть управление мощности происходит через вторую структуру регулирования 7. Силовой выключатель 9 при этом подключает вторую структуру регулирования 7 через устройство 11 к исполнительному звену 3. Частота вращения газовой турбины, таким образом, лежит при ее синхронном значении. Управление мощности при этом происходит таким образом, что ко второй структуре регулирования 7 подводится разница X из заданного значения W2 частоты вращения и из фактического значения W1, синхронного значения. Это разностное значение X представляет собой сигнал отклонения. Он наряду со второй структурой регулирования 7 подводится также к первой структуре регулирования 2, а именно к обоим регуляторам 5, 6. Этот сигнал отклонения приводит к перерегулированию первой структуры регулирования 2, которое ограничено ее значением ограничения Y1_max. Выходные сигналы Y_p, Y_i, П-регулятора 5 или соответственно И-регулятора 6 суммируются. Сумма образует выходной сигнал Y1 первой структуры регулирования 2. Путем подходящего выбора константы пропорциональности K1 П-регулятора 5 выходной сигнал Y_p П-регулятора 5 соответствует как раз значению ограничения Y1_max первой структуры регулирования 2. Путем перерегулирования и/или выбора константы пропорциональности K1 И-регулятор 6 интегрирует к нулю так, что его выходное значение Y_i становится равным нулю. Выходное значение Y1 = Y_p + Y_i первой структуры регулирования 2 составляет как раз Y1_max. При работе на электросеть заданное значение W2 в соответствии с желаемой отдачей мощности турбины имеет жестко устанавливаемое или регулируемое системой регулирования мощности значение. Разница из этого заданного значения W2 и фактического значения W1 усиливается П-регулятором 7 и подводится к исполнительному звену 3. Заданное значение W2 при сбросе нагрузки является задаваемым через выключатель заданного значения 12 на синхронную частоту вращения турбины.

При появлении сброса нагрузки производят следующие мероприятия.

Заданное значение W2 частоты вращения устанавливают на синхронное значение, за счет чего фактическое значение W1 и заданное значение W2 совпадают, так что разница Х их обоих значений, то есть сигнал отклонения, как раз составляет нуль. Силовой выключатель 9 переключают, так что первая структура регулирования 2 соединяется с исполнительным звеном 3.

Находящаяся в постоянной готовности первая структура регулирования 2 берет на себя тем самым регулирование частоты вращения газовой турбины. Так как непосредственно после распознавания сброса нагрузки сигнал отклонения X имеет значение нуль как на П-регуляторе 5, так и на И-регуляторе 6 приложен входной сигнал со значением нуль. Выходной сигнал Y_p П-регулятора 5 имеет, таким образом, также значение нуль; выходной сигнал Y_i И-регулятора 6 имеет вследствие ранее сказанного также значение нуль. Тем самым выходной сигнал Y1 первой структуры регулирования 2 также имеет значение нуль. Это значение нуль подводится к исполнительному звену 3 в качестве входного сигнала. Это исполнительное звено 3 представляет собой регулирующий клапан, который управляет подачей топлива газовой турбины. При приложении выходного сигнала "нуль" первой структуры регулирования 2 он переходит в заранее задаваемое минимальное положение открытия. За счет этого подача топлива резко ограничивается до необходимого для поддержания работы газовой турбины минимального расхода. За счет резкого ограничения подачи топлива достигается, что частота вращения турбины только кратковременно возрастает до более высокого значения, однако затем снова падает ниже синхронного значения. Это схематично представлено на фиг. 2 без соблюдения масштаба.

Фиг. 2 показывает без соблюдения масштаба изображенные друг под другом временные зависимости заданного значения частоты вращения W2, фактического значения частоты вращения W1, а также ход Z регулирующего клапана 3. Вплоть до времени t₁ все три значения являются постоянными, причем заданное значение W2 частоты вращения является больше, чем фактическое значение (синхронное значение). При достижении времени t₁, то есть при появлении сброса нагрузки, заданное значение W2 резко снижается до синхронного значения (соответствует к этому времени фактическому значению). Для этого выключатель заданного значения закрывается. За счет этого ход Z регулирующего клапана 3, как описано выше, также почти мгновенно возвращается к задаваемому значению. После времени t₁ частота вращения W1 кратковременно увеличивается и быстро снова падает, причем ко времени t₂ частота вращения W1 становится снова ниже синхронного значения. Вплоть до этого времени t₂ ход Z регулирующего клапана 3, управляемый через первую структуру регулирования 2, остается ограниченным до заданного минимального значения. После того как фактическое значение W1 частоты вращения уменьшается ниже синхронного значения, то есть заданного значения W2, сигнал отклонения X становится положительным и первая структура регулирования 2 начинает изменять ход Z регулирующего клапана 3 так, что частота вращения подстраивается до синхронного значения.

Выходной сигнал Y1 первой структуры регулирования 2 подводят к структуре заданного значения коррекции 8, причем образованное в ней заданное значение коррекции dW подводят аддитивно к сигналу отклонения X второй структуры регулирования 7. Сигнал отклонения X при достижении синхронной частоты вращения (W1 = W2) является равным нулю. Структура 8 содержит П-регулятор 13, константа пропорциональности 1/k2 которого имеет значение, обратное константе пропорциональности K2 П-регулятора второй структуры регулирования 7. Выходное значение П-регулятора 13 подводят к фиксирующему звену 14, которое удерживает выходное значение, если (не показанный) выключатель сети и силовой выключатель 9 генератора включены одновременно для работы турбины на электросеть. Выдаваемый на фиксирующее звено 14 сигнал удержания создается через логическое звено "И" 15, к которому подводится управляющий сигнал 16, 17 в соответствии с положением выключателя сети и силового выключателя 9 генератора. За счет этого достигается то, что выходной сигнал второй структуры регулирования 7 во время работы в режиме холостого хода и/или автономной работы газовой турбины постоянно удерживают на значении выходного сигнала Y1 первой структуры регулирования 2. При переключении силового выключателя 9 на режим работы на электросеть таким образом обеспечивается, что частота вращение за счет переключения не изменяется, в частности не происходит никакого скачка частоты вращения.

Само собой разумеется, что система регулирования 1, первая структура регулирования 2, структура значения коррекции 8 и вторая структура регулирования 7 могут быть реализованы в виде электрических или электронных компонентов, как интегральные схемы и/или схемы программного обеспечения.

Изобретение отличается тем, что управление сбросом нагрузки достигается без дополнительного прибора сброса нагрузки. Регулирование после распознавания сброса нагрузки полностью берется на себя первой структурой регулирования. Она служит также для регулирования частоты вращения турбины во время работы в режиме холостого хода и/или в автономном режиме. Структура регулирования содержит ПИ-регулятор, интегральная часть которого во время нормального режима работы на электросеть приводится к значению нуль. Это достигается предпочтительно за счет того, что первая структура регулирования во время работы на электросеть постоянно управляется сигналом отклонения, который соответствует отклонению между задаваемым заданным и фактическим значением частоты вращения. Этот сигнал отклонения при появлении сброса нагрузки устанавливается на значение нуль так, что входной и выходной сигнал первой структуры регулирования также составляет именно нуль. Выходной сигнал первой структуры регулирования передается на исполнительное звено турбины, которое служит для регулирования частоты вращения и при приложении выходного сигнала со значением нуль переходит в задаваемое минимальное положение регулирования. С соответствующей изобретению системой регулирования и соответствующим изобретению способом обеспечивается, что при сбросе нагрузки частота вращения турбины остается надежно ниже критического значения, которое вызвало бы аварийный останов.

Формула изобретения

1. Система регулирования (I) для регулирования частоты вращения турбины для производства электрического тока с первой структурой регулирования (2) с ПИ-регулятором (4), который содержит П-регулятор (5) и И-регулятор (6) и к которому является подводимым сигнал отклонения (Х), который однозначно зависит от разницы из заданного значения (W2) и фактического значения (W1) частоты вращения, причем первая структура регулирования (2) является соединяемой со служащим для регулирования частоты вращения исполнительным звеном (3), служит в режиме холостого хода и/или в автономном режиме турбины для регулирования частоты вращения и при сбросе нагрузки соединяется с исполнительным звеном (3) и подводит к нему сигнал закрывания, отличающаяся тем, что константа пропорциональности (К1) П-регулятора (5) является настолько большой, что при приложении сигнала отклонения (Х) задаваемой минимальной величины выходной сигнал (Y_i) И-регулятора (4) принимает значение нуль.

2. Система регулирования (I) по п.1, в которой при распознавании сброса нагрузки происходит обратная установка сигнала отклонения (Х) на значение нуль.

3. Система регулирования (I) по п.1 или 2, со второй структурой регулирования (7) и структурой значения коррекции (8), причем структура значения коррекции (8) соединена с первой структурой регулирования (2) и второй структурой регулирования (7) так, что в режиме холостого хода или соответственно в автономном режиме турбины происходит слежение выходного сигнала (Y1) второй структуры регулирования (7) за значением выходного сигнала первой структуры регулирования (2).

4. Способ для регулирования частоты вращения турбины при сбросе нагрузки, причем к первой структуре регулирования (2), которая служит для регулирования частоты вращения в режиме холостого хода и/или в автономном режиме турбины и содержит ПИ-регулятор (4), во время работы турбины на электросеть подводят сигнал отклонения (Х) так, что выходной сигнал (Y_i) И-регулятора (6) принимает значение нуль, и при появлении сброса нагрузки устанавливают сигнал отклонения (Х) на значение нуль, а также выходной сигнал (Y1) ПИ-регулятора (4) подводят к исполнительному звену (3), которое при сбросе нагрузки соединяют со структурой регулирования для регулирования частоты вращения.

5. Способ по п.4, причем исполнительное звено (3) является регулирующим клапаном, который непосредственно после появления сброса нагрузки через выходной сигнал ПИ-регулятора (4) приводят в задаваемое положение и удерживают его в нем так долго, пока частота вращения (W1) турбины не упадет ниже значения синхронной частоты вращения.

6. Способ по п.4 или 5, при котором регулируют регулирующий клапан (3) газовой турбины, который служит для регулирования подачи топлива.

7. Способ по п.4 или 5, при котором регулируют регулирующий клапан (3) паровой турбины, который служит для регулирования подачи пара.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2