Способ управления подачей топлива на запуске газотурбинных двигателей

Изобретение относится к области управления запуском газотурбинных двигателей, используемых в качестве силовых агрегатов в газовой и энергетической отраслях. Способ управления подачей топлива на запуске газотурбинного двигателя, заключающийся в том, что на этапе запуска до момента замыкания обратной связи по частоте измеряется частота вращения ротора газогенератора, температура продуктов сгорания и формируется управляющее воздействие на исполнительный орган - клапан, дозирующий подачу топлива в камеру сгорания, величина управляющего воздействия определяется по программной зависимости с последующей ее коррекцией, коррекция осуществляется по температуре продуктов сгорания, при этом по мере приближения к предельной температуре продуктов сгорания коэффициент коррекции плавно изменяется от единицы при температуре ниже, чем ограничительная уставка за вычетом зоны торможения, до порогового ненулевого значения при температуре выше ограничительной уставки в соответствии с определенной зависимостью. Данный способ обеспечивает повышение надежности запуска газотурбинного двигателя путем снижения температуры продуктов сгорания, уменьшения времени нахождения двигателя в зоне резонансных частот вращения, уменьшения времени запуска, увеличения ресурса двигателя. 3 з.п.ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области управления запуском газотурбинных двигателей, используемых в качестве силовых агрегатов в газовой и энергетических отраслях.

Известен способ дозирования топлива в процессе разгона газотурбинного двигателя путем измерения давления воздуха за компрессором и частоты вращения ротора двигателя, формирования программы регулирования расхода топлива в соответствии с измеренными параметрами и перемещения дозирующего элемента пропорционально величине отклонения текущего расхода топлива от заданного по программе [Любомудров Ю.В. Применение теории подобия при проектировании систем управления газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1971, с.96].

Указанный способ не обеспечивает приемлемое время разгона, не исключает проблемы зависания на разгоне, допускает превышение предельной температуры в процессе разгона.

Известен способ запуска (Двигатель НК-12СТ (Серия 02). Инструкция по эксплуатации и техническому обслуживанию. Куйбышев, 1984, стр.95, 312), где подача топлива осуществляется по заданной заранее зависимости, а при достижении предельной температуры на запуске осуществляется фиксация достигнутого на момент превышения предельной температуры расхода топлива. В программе топливного регулирования для достижения этого просто фиксируется переменная t_ign в функции f(t_ign). В силу того что двигатель при этом находится в режиме разгона, несмотря на фиксацию расхода топлива, происходит дальнейшее увеличение частоты вращения двигателя, в результате возрастает расход воздуха через двигатель и уменьшаются значения температуры продуктов сгорания, после чего запуск возобновляется в прежнем режиме.

Недостатком данного способа является низкая надежность запуска получающих в последнее время все большее распространение газотурбинных двигателей с так называемыми «низкоэмиссионными» камерами сгорания, характеризующимися низким содержанием вредных выбросов и высокой степенью сгорания топлива.

Известен способ дозирования топлива на запуске газотурбинного двигателя (патент RU №2316664 C1, F02 С9/26, 2008 г.), заключающийся в измерении частоты вращения ротора газогенератора n_вд, определение величины ускорения , дозирование топлива для поддержания величины , соответствующей данной зависимости , и ограничение дозирования топлива по программной зависимости G_t=f(n_ВД, Т_ВХ), где дополнительно формируют пороговое и программное значение величины ускорения и , фактическую величину сравнивают с при < формируют разрешающий сигнал на коррекцию программной зависимости G₁=f(n_ВД, Т_ВХ) с заданной скоростью изменения коэффициента коррекции K(^dK/_dt), сравнивают фактическую величину с , и при ≥ разрешающий сигнал снимают и продолжают ограничение дозирования топлива по откорректированной программной зависимости G^, _t=f(n_ВД, Т_ВХ)·K, а повторные запуски осуществляют с учетом измененной величины коэффициента К.

Недостатком данного способа помимо трудности определения численного значения зависимости =f(n_ВД) является отсутствие механизма обратной коррекции ограничивающей зависимости G^' _t=f(n_ВД, Т_ВХ)·К, так как точная зависимость между оптимальным темпом запуска и Т_ВХ неизвестна и, кроме того, она может изменяться по мере износа двигателя. Таким образом, значение коэффициента К, определенное для одного Т_ВХ, может оказаться необоснованно заниженным для других значений Т_ВХ и привести к увеличению времени запуска и времени нахождения двигателя в опасной зоне резонансных частот вращения.

Наиболее близким к предлагаемому является способ дозирования топлива на запуске газотурбинного двигателя (патент RU 2316663 C1, F02C 9/26, 2008 г.), включающий измерение частоты вращения ротора газогенератора n_ВД, определение величины ускорения , дозирование топлива для поддержания величины , соответствующей данной зависимости =f(n_ВД), где дополнительно измеряют температуру воздуха на входе в двигатель Т_ВХ и температуру продуктов сгорания топлива Т_ПР, формируют пороговое значение по зависимости =f(Т_ВХ), сравнивают Т_ПР с , и при Т_ПР> изменяют дозирование топлива для снижения величины до величины =·К_кор, где К_кор - коэффициент коррекции, определяемый зависимостью К_кор=f(Т_ВХ), а при Т_ПР< восстанавливают величину в соответствии с заданной зависимостью =f(n_ВД).

Недостатком данного способа является сложность определения зависимости =f(n_ВД). Для обеспечения надежного запуска в различных условиях окружающей среды необходимы обширные знания о статических характеристиках двигателя, а также об изменении статических зависимостей двигателя по мере его износа. При некорректно определенной зависимости =f(n_ВД) возможно либо «зависание» двигателя на запуске (при заниженных значениях =f(n_ВД)), либо помпаж компрессора двигателя (при завышенных значениях =f(n_ВД)).

Технический результат, полученный при осуществлении или использовании средства, воплощающего изобретение, выражается в повышении надежности запуска газотурбинного двигателя путем снижения температуры продуктов сгорания, уменьшения времени нахождения двигателя в зоне резонансных частот вращения, уменьшения времени запуска, увеличения ресурса двигателя. Решение всех вышеперечисленных задач достигается за счет оптимизации подачи топлива в камеру сгорания в процессе запуска газотурбинного двигателя. Сущность изобретения заключается в установлении зависимости между темпом увеличения расхода топлива на запуске и температурой продуктов сгорания и/или скоростью ее нарастания, при которой снижается вероятность погасания камеры сгорания на запуске и минимизируется время нахождения двигателя в зоне резонансных частот вращения во время запуска.

Это достигается тем, что в способе управления подачей топлива на запуске газотурбинных двигателей, заключающемся в том, что на этапе запуска до момента замыкания обратной связи по частоте измеряется частота вращения ротора газогенератора, температура продуктов сгорания и формируется управляющее воздействие на исполнительный орган - клапан, дозирующий подачу топлива в камеру сгорания, величина управляющего воздействия определяется по программной зависимости с последующей ее коррекцией, коррекция осуществляется по температуре продуктов сгорания, при этом по мере приближения к предельной температуре продуктов сгорания коэффициент коррекции плавно изменяется от единицы при температуре ниже, чем ограничительная уставка за вычетом зоны торможения, до порогового ненулевого значения при температуре выше ограничительной уставки в соответствии с:

где:

- откорректированная скорость нарастания расхода топлива;

- скорость нарастания программной зависимости расхода топлива;

t_ign - время включения от момента розжига;

Tt - температура продуктов сгорания;

K_кор__T(Tt) - коэффициент коррекции по температуре продуктов сгорания;

k - коэффициент замедления запуска при превышении ограничения Tt(<l);

T_lim - ограничение температуры продуктов сгорания на запуске;

T_bound - зона торможения.

Для определения коэффициента коррекции по температуре продуктов сгорания может использоваться прогноз температуры продуктов сгорания и скорость роста температуры продуктов сгорания . В этом случае в качестве коэффициента коррекции выбирается либо один из рассчитанных коэффициентов К_{кор_T}(Tt), K_{кор_T}

() и K_{кор_T}(), либо минимальное из рассчитанных значений К_{кор_T}.(Tt, , )=min(K_{кор_T}(Tt); К_{кор_T}(); К_{кор_T}()), либо комбинация описанных выше способов.

На фиг.1 показана функциональная схема осуществления предлагаемого способа.

На фиг.2 показан алгоритм функционирования в случае коррекции по температуре продуктов сгорания.

На фиг.3 показано графическое отображение метода расчета коэффициента коррекции по температуре продуктов сгорания К_{кор_T}(Tt).

На фиг.4 представлен процесс разгона газотурбинного двигателя при осуществлении предлагаемого способа.

На фиг.5 показан вид стандартной программной зависимости разгона и вид зависимости, измененной для предлагаемого способа.

Низкоэмиссионные камеры сгорания современных газотурбинных двигателей, характеризующиеся низким содержанием вредных выбросов и высокой степенью сгорания топлива, работают с так называемой «бедной смесью», то есть соотношение подаваемого в камеру сгорания топлива и воздуха существенно меньше идеального стехиометрического соотношения топливо-окислитель. При прекращении увеличения расхода топлива в процессе разгона (что часто используется в существующих способах управления запуском газотурбинных двигателей при достижении предельной температуры продуктов сгорания) двигателей с такими камерами сгорания часто происходит погасание камеры сгорания и аварийный останов двигателя, что в ряде случаев (например, при высокой температуре окружающего воздуха) делает запуск двигателя с низкоэмиссионной камерой сгорания невозможным.

Для обеспечения устойчивого запуска газотурбинных двигателей с низкоэмиссионными камерами сгорания применяется способ, в котором при достижении предельной температуры сгорания происходит не прекращение увеличения расхода топлива, а замедление роста расхода, то есть функция K_{кор_T}(Tt) имеет следующий вид:

где k - коэффициент замедления запуска при превышении ограничения Tt(<1), а T_lim - ограничение температуры продуктов сгорания на запуске.

Это позволяет, с одной стороны, не допустить погасания камеры сгорания, с другой, не допустить роста температуры продуктов сгорания на запуске выше предельного значения.

В случае если ограничивается не значение температуры, а скорость ее роста, формула (1) приобретает следующий вид:

где - предельная скорость изменения температуры продуктов сгорания, а - текущая скорость ее изменения. Это помогает резко снизить вероятность погасания камеры сгорания на запуске, но не исключает его полностью. В связи с тем что вероятность погасания камеры сгорания на запуске тем выше, чем резче снижается темп нарастания расхода топлива, целесообразно учитывать Tt (и/или , ) не доходя до ограничивающего значения Т_lim() - в некоторой зоне T_bound (и/или ), называемой зоной торможения, при таком подходе в ряде случаев удается вообще не допустить достижения T_lim(). При введении линейного участка перехода от значения 1 до k при значениях Tt в пределах [T_lim-Т_bound; Т_lim] формула (1) приобретает следующий вид:

Алгоритм функционирования в режиме коррекции по температуре продуктов сгорания, реализующий данное выражение, представлен на фиг.2.

Увеличения плавности изменения темпа расхода топлива можно достичь с помощью применения его расчета не кусочно-линейным способом, а с помощью сплайн-кривой на участке T_lim-Т_bound≤Tt≤Т_lim.

Графически зависимость, описанная в формуле (3), отображена на фиг.3, где представлены результаты расчета зависимости К_{кор_T}(Tt) от температуры продуктов сгорания; а - применяемая линейная зависимость коррекции темпа расхода топлива, б - возможный вариант коррекции при помощи сплайн-кривой.

При ограничении не самой температуры продуктов сгорания, а скорости ее изменения, формула (3) приобретает следующий вид:

При работе по прогнозу температуры продуктов сгорания формула (3) приобретает следующий вид:

При ограничении одновременно самой температуры продуктов сгорания, ее прогноза и скорости ее изменения из результатов, полученных по формулам (3), (4) и (5), выбирается минимальное значение k, то есть:

Вид процесса разгона при вступлении в действие ограничения температуры продуктов сгорания представлен на фиг.4, где приведены результаты работы способа управления подачей топлива на запуске при следующих исходных данных: T_lim=660°С, T_bound=80°С и k=0.2

Сравнительный вид стандартной кривой разгона и получающейся в результате применения предлагаемого способа разгона показаны на фиг.5, где графически представлены программные зависимости расхода топливного газа на запуске пуске.

Функциональная схема возможной системы управления, реализующая предлагаемый способ, представлена на фиг.1, где блок 1, исходя из температуры продуктов сгорания и/или скорости ее нарастания, определяет предельно допустимый коэффициент коррекции темпа нарастания расхода топлива k_lim, на основании определенного k_lim и заданного изначально номинального темпа нарастания расхода топлива в блоке 2 определяется темп нарастания расхода топлива , в блоке 3, учитывая определенный ранее темп , рассчитывается требуемый расход топлива Gt в данный момент времени, в блоке 4, на основании расходной характеристики дозатора газа, а также давления и температуры топливного газа на входе дозатора газа, рассчитывается задание на дозатор газа, то есть осуществляется перевод из требуемого расхода (кг/час) в % (mА) задания на дозатор газа, поскольку во время запуска давление в камере сгорания значительно меньше давления топливного газа (так как в этот момент еще открыты клапана перепуска воздуха) - истечение топлива через дозатор является сверхкритическим и давление воздуха в камере сгорания (за дозатором) не учитывается.

Данный способ реализован в составе серийных систем автоматического управления газоперекачивающими агрегатами с газотурбинными двигателями ДГ-90, ДН-80, ДУ-80 (ГП НКПГ «Заря-Машпроект») на 19 газокомпрессорных станциях ОАО «Газпром» и показал свою высокую надежность.

Средствами реализации данной схемы управления могут быть выбраны системы комплексного управления мультипроцессорные МСКУ 5000-01, МСКУ-СС 4510 производства ЗАО «НПФ «Система-Сервис» (Санкт-Петербург). МСКУ-5000 построена на базе программно-технических средств фирмы Siemens Simatic S7. В этой системе вычислительное ядро реализовано на базе процессора CPU 416-2DP. Ввод-вывод осуществляется через распределенную периферию на базе модулей семейства ET-200S. Для обработки быстрых сигналов (с циклом от 0.1 мс) используется модуль FM-458DP с расширителем ЕХМ-438. Программно способ реализован на языке Simatic S7-SCL (язык стандарта МЭК 61131-3). МСКУ-СС 4510 построена на базе технических средств Octagon и Fastwel и программного обеспечения собственной разработки ЗАО «НПФ «Система-Сервис». Вычислительное ядро системы реализовано на базе процессорного модуля Octagon 5066, ввод-вывод осуществляется через модули аналогового и дискретного ввода-вывода производства фирм Octagon, Fastwel и собственной разработки и производства ЗАО «НПФ «Система-Сервис».

Предлагаемый способ обеспечивает повышение надежности запуска газотурбинного двигателя путем снижения температуры продуктов сгорания, уменьшения времени нахождения двигателя в зоне резонансных частот вращения, уменьшения времени запуска, увеличения ресурса двигателя.

1. Способ управления подачей топлива на запуске газотурбинного двигателя, заключающийся в том, что на этапе запуска до момента замыкания обратной связи по частоте измеряются частота вращения ротора газогенератора, температура продуктов сгорания и формируется управляющее воздействие на исполнительный орган - клапан, дозирующий подачу топлива в камеру сгорания, величина управляющего воздействия определяется по программной зависимости с последующей ее коррекцией, отличающийся тем, что коррекцию осуществляют по температуре продуктов сгорания, при этом по мере приближения к предельной температуре продуктов сгорания коэффициент коррекции плавно изменяют от единицы при температуре ниже, чем ограничительная уставка за вычетом зоны торможения, до порогового ненулевого значения при температуре выше ограничительной уставки в соответствии с:


где
- откорректированная скорость нарастания расхода топлива;
- скорость нарастания программной зависимость расхода топлива;
t_ign - время включения от момента розжига;
Tt - температура продуктов сгорания;
K_кор__T(Tt) - коэффициент коррекции по температуре продуктов сгорания;
k - коэффициент замедления запуска при превышении ограничения Tt(<l);
T_lim - ограничение температуры продуктов сгорания на запуске;
T_bound - зона торможения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для коррекции используют прогноз температуры продуктов сгорания K_{кор_T}

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для коррекции используют скорость роста температуры продуктов сгорания К_{кор_T}

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для коррекции используют минимальный из рассчитанных способами по пп.1-3 корректирующих коэффициентов
К_{кор_T}. =min(K_{кор_T}(Tt); К_{кор_T} К_{кор_T}