автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Повышение качества управления газотурбинной энергетической установкой на базе авиадвигателя при работе в локальной сети

На правах рукописи

ЛИСОВИН ИГОРЬ ГЕОРГИЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ НА БАЗЕ АВИАДВИГАТЕЛЯ ПРИ РАБОТЕ В ЛОКАЛЬНОЙ СЕТИ

05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных

аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь-2011

005008695

Работа выполнена в ОАО «Авиадвигатель»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ИНОЗЕМЦЕВ Александр Александрович Официальные оппоненты: доктор технических наук

ЯКУШИН Сергей Михайлович кандидат технических наук ЛИПАТОВ Алексей Александрович

Ведущая организация: ОАО «СТАР» (г. Пермь)

Защита состоится 10 февраля 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.212.188.06 при Пермском национальном исследовательском политехническом университете по адресу: 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского национального исследовательского политехнического университета.

Автореферат разослан 26 декабря 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ■ '-

д. т. н., профессор ( Свирщёв В. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационного исследования.

Перспективное направление развития мировой энергетики связано с внедрением газотурбинных энергетических установок (ГТУ), как на уже существующие электроэнергетические объекты, так и на вновь создаваемые. Подобные установки используются в составе газотурбинных электростанций (ГТЭС).

Газотурбинные установки, первоначально применявшиеся благодаря своим высоким удельным характеристикам преимущественно в авиации, получили широкое распространение в качестве силового привода в газотурбинных электростанциях. Создание специальных ГТУ для наземного применения требует значительных затрат при их проектировании и производстве, поэтому предприятия авиационного двигателестроения используют возможность изготовления наземных ГТУ конвертированием авиационных. Для этого газотурбинные авиационные двигатели претерпевают значительные модификации при их применении в качестве привода для электрогенераторов. Кроме того, существенно изменяются условия их функционирования, связанные с тем, что наземные двигатели работают в режимах, отличающихся от полетных. Таким образом, при использовании авиационных двигателей в наземных условиях требуется решение задачи разработки и настройки новых систем автоматического управления (САУ) ГТУ применительно к требованиям обеспечения показателей качества вырабатываемой электроэнергии.

Газотурбинная электростанция является многосвязной системой, что делает задачу поддержания качества электрического тока нетривиальной и требует для своего решения обширных исследований объекта в целом. Для реализации этой задачи необходимо разработать мероприятия по управлению газотурбинной энергетической установкой с учетом влияния электрогенератора. В настоящее время разработка и настройка САУ ГТУ с учетом электрогенератора проводится только лишь на этапе пусконаладочных работ, в условиях ограниченного времени.

В связи с вышеизложенным, разработку и доводку САУ ГТУ применительно к показателям качества вырабатываемой электроэнергии, целесообразно проводить с применением математической модели, в которой бы учитывались газотурбинная установка, электрогенератор и электрическая сеть на ранних стадиях проектирования САУ. Такая математическая модель, позволит разработчику решать задачи по настройке САУ в режимах, недоступных на натурных стендах с учетом специфики объекта управления.

Цель диссертационной работы - разработка методики проектирования САУ энергетической ГТУ на основе математической модели, учитывающей взаимодействие двухвальной ГТУ, электрогенератора и электрической сети.

Для достижения сформулированной цели ставятся и решаются следующие задачи: 1

1. Разработать комплексную многоэлементную математическую модель, позволяющую выполнять совместное моделирование двухвальной

газотурбинной установки со свободной турбиной, электрогенератора, САУ ГТУ, САУ электрогенератора, электрической сети при работе одной и более ГТЭС в локальной и централизованной энергосети.

2. Разработать способ регулирования ГТУ, осуществить его программную реализацию в математической модели, провести исследования.

3. Разработать методику проектирования САУ ГТУ, с учетом построенной математической модели.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана и идентифицирована комплексная многоэлементная математическая модель, включающая нелинейную модель ГТУ, нелинейную многоконтурную САУ ГТУ, модель электрогенератора, САУ электрогенератора и модель электроэнергетической системы. Математическая модель позволяет моделировать статические и динамические процессы энергетической ГТУ с учетом взаимодействия с электрической системой (электрогенератор, электрическая нагрузка, электрическая сеть), в автономном, параллельном режимах работы, а также при работе газотурбинных электростанций на централизованную сеть.

2. Проведенные комплексные исследования на модели, с учетом впервые разработанного способа регулирования для повышения качества управления газотурбинной энергетической установкой обосновали применимость подобных газотурбинных установок со свободной турбиной в локальных сетях.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

Комплексная многоэлементная математическая модель, реализованная в виде программно-моделирующего комплекса, позволяющая выполнять моделирование динамических и статических процессов при совместной работе ГТУ, электрогенератора, САУ ГТУ, САУ электрогенератора, электрической сети при работе одной и более ГТЭС в локальной и централизованной энергосети. В программно-моделирующем комплексе могут быть реализованы модели различных российских и зарубежных газотурбинных электростанций, а также разные САУ ГТУ и САУ электрогенератора.

Программно-моделирующий комплекс упрощает задачу настройки САУ ГТУ, предоставляя разработчику инструмент, который позволяет задавать различные воздействия с учетом электрической части и настраивать САУ по отклику модели ГТУ.

Применение разработанной методики проектирования САУ ГТУ на основе программно-моделирующего комплекса позволяет повысить эффективность и точность проектирования САУ за счет сокращения времени на этапах разработки, пусконаладки и эксплуатации ГТЭС.

Достоверность результатов подтверждена удовлетворительным согласованием результатов математического моделирования и экспериментальных данных различных статических и динамических процессов для газотурбинных энергетических установок со свободной турбиной разработки ОАО «Авиадвигатель», а также при помощи статистического критерия Пирсона.

Степень достоверности разработанного способа регулирования, подтверждена при помощи математического моделирования, стендовых

испытаний, а также наработкой в эксплуатации, которая составляет более 100 ООО часов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на XI, XII Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации» (Пермь, 2008, 2009), на ЬУ1 научно-технической сессии по проблемам газовых турбин (Пермь, 2009 г.), на Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Новые решения и технологии в газотурбостроении» (Москва, ЦИАМ-2010), на III Международной научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века» (Москва, ЦИАМ-2010), на научно-техническом конгрессе по двигателестроению «Двигатели-2010» (Москва, 2010), на научно-технических семинарах ОАО "Авиадвигатель" 2008-2010 г.

Получено свидетельство о государственной регистрации программы на ЭВМ № 2011611839 в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам Российской Федерации.

Запатентован способ управления газотурбинным двигателем на режимах разгона и дросселирования ГШ 2 403 419 С1,2010.

Внедрение результатов работы. Программно-моделирующий комплекс принят в эксплуатацию на предприятии ОАО «Авиадвигатель» (Пермь) и применяется для исследования особенностей динамических режимов на эксплуатируемых газотурбинных электростанциях, а также при разработке вновь создаваемых САУ ГТУ. Суммарный экономический эффект от внедрения программно-моделирующего комплекса составил приблизительно 985 тыс. р.

Разработанный способ управления ГТУ для повышения качества управления энергетической установкой внедрен в состав САУ ГТЭС Урал-2500, Урал-4000 и Урал-6000, разработанных ОАО «Авиадвигатель».

Публикации: основное содержание работы изложено в 10-ти публикациях, в том числе 2 статьи в российских периодических рецензируемых изданиях,

рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит: из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Изложена на 122 страницах, включая 42 рисунка и список использованной литературы из 56 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводятся понятие газотурбинной электростанции, и основные направления развития рынка «малой энергетики» с применением ГТЭС на базе авиационных двигателей, адаптированных для наземного использования. Формализуется проблема исследования. Обосновывается актуальность работы, раскрывается научная новизна, формулируются задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели работы. Описывается объект исследования, обобщаются научные результаты и положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится обзор технического уровня конвертированных газотурбинных энергетических установок. Рассматривается классификация данных газотурбинных установок, с описанием составных элементов, принципом работы.

Обсуждаются общие принципы конвертации авиационных газотурбинных двигателей в энергетические ГТУ, перечисляются основные преимущества подобных газотурбинных установок. Приводятся реализованные принципы конвертации авиационных двигателей Д-30 и ПС-90А, а также технические характеристики полученных газотурбинных энергетических установок мощностью от 2,5 до 25 МВт разработки ОАО «Авиадвигатель».

Представлен обзор зарубежных конвертированных газотурбинных установок с описанием двигателей фирм General Electric, Pratt&Whitney и RollsRoyce.

Рассматриваются составные части САУ ГТУ и управляющие воздействия для повышения точности поддержания частоты вращения свободной турбины, частоты и напряжения локальной сети.

Формулируется определение электромеханических переходных процессов при работе ГТУ в локальной и централизованной энергосети. Математически формализуется определение переходного процесса при работе ГТУ в энергосети.

Во второй главе приводится анализ существующих математических моделей взаимодействия ГТУ и энергетической системы, обсуждаются их преимущества и недостатки. Рассмотрена математическая модель ГТУ и нагрузки разработки ОАО «СТАР». Подчеркивается актуальность разработки модели, максимально учитывающей свойства моделируемых объектов.

Разрабатывается комплексная многоэлементная математическая модель взаимодействия ГТУ, электрогенератора и электросети. Формулируется понятие электроэнергетической системы (ЭС) и при помощи структурной и функциональной декомпозиции разрабатывается структурная схема энергосистемы (рис. 1).

Рисунок 1 - Структурная схема декомпозиции энергосистемы

На рисунке 1 использованы следующие обозначения: АД - асинхронный двигатель, СМ - синхронная машина, ЛЭП - линия электропередач, ВВ -высоковольтный выключатель. Энергосистему можно разделить на следующие подсистемы и их модели:

- подсистема ГТУ (модель подсистемы ГТУ);

- электроэнергетическая система (модель ЭС);

- подсистема САУ ГТЭС (модель САУ ГТЭС).

В подсистему ГТУ выделены модели элементов, осуществляющих функции силового привода. Основным фактором, выделяющим элементы подсистемы ГТУ, является наличие механического взаимодействия структурных элементов в рамках подсистемы. Модель электроэнергетической системы представляет собой совокупность моделей структурных элементов (генератор с возбудителем, трансформатор, активно-индуктивная нагрузка, асинхронный и синхронный двигатель, вспомогательные элементы - реактор, ВВ, короткозамыкатель и т.д.), представленных в форме обобщенных уравнений, описывающих электрические или электромеханические процессы в отдельных электрически связанных элементах, а также модели взаимодействия структурных элементов в рамках подсистемы. Подсистема САУ ГТЭС характеризуется наличием только информационных связей и каналов управления с другими подсистемами. Структурные элементы (САУ ГТУ, САУ электрогенератора и центральный регулятор активной и реактивной мощности) САУ ГТЭС, как правило, представляют собой цифровые или микропроцессорные устройства, работающие по определенному запрограммированному алгоритму.

Математическая модель ГТУ

При разработке модели применялся принцип поэлементного описания характеристик ГТУ. Каждый узел ГТУ представляется независимой группой алгебраических или дифференциальных уравнений 1 - ого порядка, отражающих физические процессы, протекающие в ней. В модели применено сквозное интегрирование параметров ГТУ, которое достигается введением «объемов» между элементами ГТУ. Модель редуктора представляет собой модуль с заданными коэффициентами передачи по каналу частоты без учета потерь мощности. Решение всей системы уравнений сводится к последовательному решению каждого из дифференциальных уравнений.

Основные дифференциальные уравнения математической модели ГТУ, описывающие динамику поведения роторов и изменение параметров: ,

. АЬа-Ли-ААГ-я ^ (2)

"СТ~ 30>2

Ртк = ТК + (Ук-тк + У1-ТК У* - ТНД )

ъ квт<° <п +3:__п ч + Р — * ■ (4)

° 3600

т (5)

где NTBfl - мощность турбины высокого давления (ТВД), NK - мощность компрессора, Not61 - отборы мощности, 1квд+твд - момент инерции компрессора высокого давления и ТВД, п2 - частота вращения высокого давления, п, -частота вращения свободной турбины, 427 - коэффициент перевода единиц измерения (ккал) в (кгс*м/с), N-гнд - мощность турбины низкого давления (ТНД), Narp - мощность нагрузки, Gz Tli - расход газа на входе в ТВД, Gz тнд - расход газа на входе в ТНД, vK.TKj 5.тк - коэффициенты отборов и утечек на выходе из ТВД, Gr - расход газа на выходе из газотурбинного диффузора, RB - газовая постоянная воздуха, Тса - температура соплового аппарата, vKC - коэффициент отборов и утечек камеры сгорания, Рк - давление за компрессором, QKC - тепловой поток камеры сгорания, Cv - удельная теплоемкость воздуха.

В математической модели приняты следующие допущения:

1) не учитывается изменение характеристик компрессора и турбины с изменением радиальных зазоров;

2) не учитывается отклонение угла поворота ВНА от программных значений.

Рассмотрим методику расчета основных параметров для ГТУ-4П, которую

можно разделить на несколько этапов:

- Вычисляются значения атмосферного давления (Рн) и температуры (Тн), задается значение входного коэффициента восстановления полного давления (от), затем вычисляются значения Рвх и Твх.

- По входным параметрам полному давлению и температуре за компрессором и на входе, а также по величине отборов воздуха из-за КВД и из-за середины компрессора на охлаждение турбин, утечки и другим параметрам, составляется система уравнений, моделирующая процессы в компрессоре.

- По значениям параметров воздуха на входе в камеру сгорания, по значению расхода газа через турбину и величине расхода топлива, определяются производные скорости изменения величин давления и температуры на выходе из камеры сгорания. Величины теплосодержаний топлива и воздуха вычисляются по аппроксимирующим полиномам.

- По значению полного давления и температуры за турбинами (турбина высокого давления (ТВД) и свободная турбина (CT)), по значению величины оборотов вращения роторов nj и п2 (для вычисления 7^), а также по значению величины полных давлений и температуры на входе в ТВД, величины расходов воздуха, поступающих на охлаждение турбин и по значению коэффициентов гидравлических потерь (или по самим этим величинам о) между турбинами и в затурбинном диффузоре, определяется система уравнений для расчета турбин.

- Подобным образом, составляются уравнения для моделирования процессов в сопле, которое рассматривается как участок газовоздушного тракта.

- Расчет показателей адиабат производится по средним температурам процесса по аппроксимирующей зависимости.

- Вычисляются производные по параметрам газодинамического тракта и составляются уравнения, описывающие динамику роторов.

- Проводится интегрирование методом Эйлера. Вычисляются значения интегрируемых параметров по значениям параметров предыдущего шага и значениям производных.

В представленной методике расчета основных параметров для ГТУ-4П отражен принцип построения математических моделей для различных газотурбинных установок.

Математическая модель электроэнергетической системы (ЭС) Математическая модель ЭС состоит из математических моделей структурных элементов входящих в ЭС (генератор с возбудителем, трансформатор, активно-индуктивная нагрузка, асинхронный и синхронный двигатель, вспомогательные элементы - реактор, ВВ, короткозамыкатель и т.д.). Математические модели всех элементов представляются в единой универсальной форме записи. Для этого задается система координат с1, ц, которая обычно применяется для описания электромеханических процессов, представляющая собой две взаимно перпендикулярные оси и жестко скрепленные с ротором электрической машины.

Система уравнений структурного элемента относительно внешних переменных описывается следующим обобщенным дифференциальным векторно-матричным уравнением:

Р1 = Ь'э(-Вэ1-и-Нэ) (6)

где, I, р1 - вектор токов и вектор производных токов элемента; V - вектор напряжений, приложенных между внешними зажимами элемента; Ь, В -матрицы, размерность которых зависит от системы координат, в которых моделируется структурный элемент, а также от того полные это уравнения или упрощенные; Я - вектор, определяющий воздействие на элемент со стороны средств регулирования электрических параметров. Уравнения (6) решаются на каждом шаге расчета методом численного интегрирования относительно внешних токов структурного элемента.

В качестве примера рассмотрим построение математической модели в обобщенной форме записи для синхронного генератора.

Система дифференциальных и алгебраических уравнений синхронного генератора, записанная в осях Парка-Горева, имеет вид:

иЛ =-(?¥„/А-¡„г, и, =Ч>-<№,/</*-/,»•;

и{ = сН,//А + г/г/; О = с№0/Ж + 10г0; 0 = сН>д/Ж + 1агв-, ау/Л = са; йЫ А - ю-ш0;

у,.

*Л 0 0 1с1

хас1 0 0 1П

ХЫ X, 0 0 X V =

0 0 0 ** ч

0 0 0 ха 1е

(?)

Выражение <1ш1& = \и{МТ-М) для вычисления частоты вращения ротора генератора намеренно исключено из системы уравнений (7), т.к. частота вращения определяется в модели ГТУ, уравнением с учетом приведенного момента со стороны генератора и приведенного момента инерции генератора.

Модель электрогенератора составлена для идеализированной явнополюсной синхронной машины с учетом общепринятых допущений. Математическое описание модели генератора в обобщенной векторно-матричной форме (6) принимает вид:

Р1=Ьс;(-Всг1-и-Нсг), (8)

где:

вектор токов, М={иаи, )г - вектор

напряжении,

X Х-

..2 Л

Нст =

^сг -

ХуХр х.

и, - матрица управляющих воздействий,

ЧJ

лаЛ 0

0

<П

Щ)

*/ ** 1/ хы (Г

хы хо 0 хы 0

0 0 0 Ч Х«Ч/

- матрица

индуктивных сопротивлении, /

всг =

СОХ,

-Г,

ХРХЫ ХаЛ

Х/Х0 ~ Ха,/

-г,

Х{ХаЛ Ха

(ИХ„,

Х^Хр X,

■ы

-Гп

- матрица при

токах генератора.

Аналогично в единой обобщенной векторно-матричной форме (6) получены математические модели всех электрически взаимодействующих структурных элементов.

Взаимодействие элементов в процессе функционирования ЭС, рассматривается как результат совокупности воздействий каждого элемента на другие элементы.

Модель САУГГУ

Модель системы автоматического управления ГТУ является отдельным модулем в многоэлементной математической модели взаимодействия ГТУ, электрогенератора и электросети. При помощи САУ осуществляется управление газотурбинной установкой на режимах от холостого хода и выше.

Входными параметрами САУ ГТУ являются: пвд, пст, Рк, Тт, Тст, Т8Х, От. Выходным параметром САУ ГТУ является вт.

Модель САУ ГТУ является многоконтурной и описывается несколькими программными модулями.

Модель САУ электрогенератора (СГ)

Система автоматического управления синхронного генератора является отдельным модулем в многоэлементной математической модели взаимодействия ГТУ, электрогенератора и электросети. САУ обеспечивает поддержание заданного напряжения и регулирование мощности генератора при работе с сетью бесконечной мощности.

В модели реализована типовая САУ электрогенератора (регулятор возбуждения АРВ), которая осуществляет:

- регулирование напряжения статора генератора Ur по ПИД закону с поддержанием напряжения на шинах электростанции в соответствии с заданными значениями и статизмом при изменении реактивной мощности генератора;

- регулирование реактивной мощности Qr или коэффициента мощности cos Ф генератора;

- регулирование тока возбуждения по отклонению напряжения;

- ограничение перегрузок тока возбуждения по величине и длительности;

- ограничение минимального возбуждения;

- форсировку возбуждения при понижении напряжения статора генератора более 90% его номинального значения.

Регулятор напряжения статора Ur является основным, и режим работы с этим регулятором устанавливается автоматически по умолчанию. Переход на другие режимы регулирования осуществляется по командам или автоматически.

В третьей главе разрабатывается методика проектирования САУ ГТУ и способ регулирования для повышения качества управления энергетической установкой, при её работе в локальной сети, а также проверяется адекватность комплексной многоэлементной математической модели взаимодействия ГТУ, электрогенератора и электросети.

Проверка адекватности модели разделяется на две стадии. Тестирование моделей отдельных структурных элементов и проверка всей математической модели.

Приведем применение критерия Пирсона для оценки адекватности отдельного структурного элемента - математической модели ГТУ-12ПГ-2. Рассмотрим результаты расчета переходного процесса (резкое снижение нагрузки с 6 МВт до 0 МВт) на математической модели ГТУ-12ПГ-2 без учета электрической системы, и сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными.

свободной турбины от времени двигателя от времени

Максимальное отличие экспериментальных и расчетных значений по параметру «частота вращения двигателя» (рис. 3) составляет не более 3%. Значение критерия Пирсона 62. Критическая точка ¿^=15,5. %\«<х\г,

следовательно, экспериментальная и расчетная зависимости сопоставимы, а это подтверждает адекватность математической модели.

Экспериментальные данные и модельный расчет по параметру «частота вращения свободной турбины» (рис.2), отличны не более чем на 2 % в некоторых точках расчета. Значение критерия Пирсона^2,* =2,98. Критическая точка =15,5. следовательно, это подтверждает адекватность математической

модели.

Рассмотрим результаты расчета переходного процесса на математической модели с учетом взаимодействии всех структурных элементов. Резкое увеличение нагрузки от 2 до 4 МВт. Материалы для верификации модели с испытательного стенда «Протон», двигатель ГТУ-6П для электростанции «Урал-6000»._-

—п ст-эксперимент п ст - расчет 7000 -

6600 - ' 1,1 Ш 1 ' ■ ' -

6500 -I-1-i-1-1-1-1-1-1-1-1

О 2 А 6 8 10 12 14 16 18 20

Рисунок 4 - Изменение частоты вращения Рисунок 5 - Изменение напряжения

свободной турбины при переходном генератора при переходном процессе

процессе

Экспериментальные и расчетные данные по параметру «частота вращения свободной турбины» (рис.4), отличны не более чем на 3 % в некоторых точках расчета. Критерий Пирсона: ^=6,7; ^ (0,05 ;20)=31,41; %\.:<хг«р- Это подтверждает адекватность математической модели.

Экспериментальные и расчетные данные по параметру «Напряжение генератора», отличны на не более чем 5 %. Критерий Пирсона: /\„=29,17; х2«р (0,05;20)=31,41; Следовательно, экспериментальная и расчетная

зависимости сопоставимы, что подтверждает адекватность математической модели по параметру «напряжение генератора».

Наличие только газовой связи между турбинами в двухвальной ГТУ ухудшает динамику, осложняя поддержание частоты при резких изменениях нагрузки (сброс-наброс). Согласно экспертным оценкам - достичь удовлетворительного поддержания частоты и напряжения при сохранении экономичности и высокого КПД ГТУ при работе на частичных нагрузках возможно в первую очередь за счет совершенствования алгоритмического обеспечения САУ ГТУ. Для этого, необходимо применять методы математического моделирования с учетом электрической и механической части системы на ранних этапах проектирования САУ ГТУ.

Рассмотрим модифицированную методику проектирования САУ ГТУ с учетом разработанной математической модели взаимодействия электрической и механической части системы.

-U-эксперимент

-U-расчет

Результаты натурных

f Результаты натурных \ /ТГ ---ч

I экспериментов ) Из технической документации )

( Идентификация полной \ fZ. ~-—-ч

^нелинейной модели двигателя ) (Разработка алгоритмов САУ ГПМ

Г

f Идантнфикащм »шмриаманмой ""Ч / вычисление передаточных "Л V прострем «ХГГО*н»А ) фуадщнЙ ЫОД»ЛИД9ИГ8Т8ЯЯ )

I I

мзтемэтичестой С Расчет контуров управления" )

модели в машинных косая ) ' j

/Кодирование алгоритмов САУ «Л

^Отладка ПО САУ ПУ на ПЭШ)

Математическое модеяироеанивЧ совместной работы ГТУ, генератора, САУ ГТУ. САУ ч.. генератора и электросети v

( Отпадна ПО САУ ГТУ из \ м безмоторном стенде J

Испытания ПО САУ ГТУ на двигателе_

)

f Испытания ПО САУ ГТУ не N V двигателэ с учетов САУ ГТЭС у

Рисунок б - Этапы разработки ПО САУ ГТУ с учетом математической модели взаимодействия

ГТУ, генератора и электросети Использование предложенной методики при разработке САУ ГТУ, значительно упрощает первичную точную настройку коэффициентов контуров управления, а также сокращает время в два и более раз за счет учета электрической системы,

Для повышения качества управления газотурбинной установкой и, соответственно, качества электрического тока при работе газотурбинной электростанции в автономном режиме (в локальной сети) в случае динамических режимов работы, разработан способ управления ГТУ основанный на изменении программы ускорения ротора турбокомпрессора в зависимости от частоты вращения двигателя.

Способ включает измерение частоты вращения птк и ускорения п°тк ротора турбокомпрессора, измерение температуры воздуха Твх* на входе в турбокомпрессор, вычисление приведенной по температуре воздуха на входе в турбокомпрессор частоты вращения ротора турбокомпрессора пткпр, формирование величины ускорения по двум заранее установленным

о bid г , « юд .

зависимостям пк = f^(nTK пр) и пк - /2{пп: пг) для режима разгона и режима

дросселирования соответственно. Дополнительно учитывается сигнал включения нагрузки генератора. При отсутствии сигнала включения нагрузки генератора и при наличии сигнала разгона 1=1 формируем величину ускорения п'тк"* по заранее установленной зависимости = /г(птПР). Изменение расхода топлива

в камеру сгорания осуществляют из условия выполнения трех указанных зависимостей. Путем снижения вероятности возникновения неустойчивой

работы компрессора и перегрева турбины за счет регулирования величины заданного ускорения частоты вращения турбокомпрессора с учетом наличия или отсутствия нагрузки генератора, приводимого от газотурбинного двигателя, улучшается качество регулирования двигателя при динамических режимах (рис.7).

2 Параметр нагрузки 4 3

Рисунок 7 - Структурная схема для реализации способа управления газотурбинной Способ управления запатентован и внедрен в состав САУ Урал-2500, Урал-4000 и Урал-6000 разработки ОАО «Авиадвигатель».

Математическая модель взаимодействия ГТУ, генератора и электросети реализована на двух языках программирования. Модель ГТУ была программно реализована на языке Fortran и эксплуатировалась на предприятии ОАО «Авиадвигатель». Интерфейс и программные модули электрической системы программного обеспечения моделирующего комплекса разработаны в среде Borland Delphi на языке программирования Object Pascal.

Основные принципы формирования и исполнения математической модели, а также взаимодействия программно-моделирующего комплекса с оператором проиллюстрировано на структурной схеме (рис, 8).

Г© ""

Сожран»«*« рмультато* модоъированмя • баз* домны к проекта

Предетааявни» результатов - моделирования в удобном для дивлин вид»

Расчет переходным процессов

Рисунок 8 - Структурная схема программно-моделирующего комплекса Программно-моделирующий комплекс зарегистрирован в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам Российской Федерации.

В заключении изложены основные результаты и выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана комплексная многоэлементная математическая модель, позволяющая выполнять моделирование динамических и статических процессов при совместной работе двухвальной ГТУ со свободной турбиной, электрогенератора, САУ ГТУ, САУ электрогенератора, электрической сети при работе одной и более ГТЭС в локальной и централизованной энергосети.

2. Выполнена программная реализация разработанной математической модели, в виде программно-моделирующего комплекса.

3. Проведены численное моделирование и натурное исследование комплексной многоэлементной математической модели взаимодействия ГТУ, электрогенератора и электросети на примере расчета динамических режимов для ГТУ-12-ПГ-2 и ГТУ-6П. Максимальная погрешность при сравнении экспериментальных и расчетных данных не превысила 4 %. Критерий согласия ~¿ - Пирсона подтвердил адекватность математической модели во всех рассматриваемых случаях. Повышена точность моделирования статических и динамических процессов на 2 %.

4. Разработана методика проектирования САУ ГТУ на основе комплексной многоэлементной математической модели взаимодействия ГТУ, электрогенератора и электросети, которая за счет учета электрической системы, позволит сократить время для первичной настройки коэффициентов усиления контуров управления в два и более раз.

5. Разработан и внедрен способ управления ГТУ, для повышения качества управления энергетической установкой. Внедренный метод наработал в составе САУ ГТЭС «Урал-2500», «Урал-4000» и «Урал-6000» более 100 ООО часов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Лисовин И.Г., Полулях А.И. Расчет предельно-допустимых ускорений при переходных процессах на электростанциях малой мощности// Материалы XI Всероссийской научно-технической конференции - Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации-2008, Пермь: Пермский государственный технический университет, - 2008, С. 208-211

2. Лисовин И.Г., Полулях А.И. Управление свободной турбиной электростанцией малой мощности в режиме автономной работы// Материалы XII Всероссийской научно-технической конференции -Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации-2009, Пермь: Пермский государственный технический университет, - 2009, С. 335

3. Шигапов A.A., Лисовин И.Г. Разработка программно-моделирующего комплекса для настройки и оптимизации алгоритмов управления газотурбинной электростанцией// Тезисы докладов LVI" научно-технической конференции «Применение газотурбинных установок в энергетике и промышленности»: Российская академия наук, Комиссия по

газовым турбинам РАН, Пермь: ОАО «Всероссийский теплотехнический институт», ОАО «Авиадвигатель», - 2009, С. 74-77.

4. Лисовин И.Г., Полулях А.И. Моделирование переходных процессов газотурбинных электростанций малой мощности// Научно-технический конгресс по двигателестроению, М.: АССАД, - 2010, С. 291-292

5. Кавалеров Б.В., Полулях А.И., Шигапов A.A., Лисовин И.Г. Программный моделирующий комплекс для испытания и настройки систем автоматического управления газотурбинными установками наземных электростанций// Вестник Московского авиационного института 2010, т. 17, №5 - С. 200-211 (из перечня ВАК)

6. Лисовин И.Г., Полулях А.И., Шигапов A.A. Моделирование САУ ГТУ электростанций малой мощности// Сборник тезисов докладов Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Новые решения и технологии в газотурбостроении», М.: ЦИАМ, - 2010, С.45-46

7. Способ управления газотурбинным двигателем на режимах разгона и дросселирования: пат. 2403419 С1 Рос. Федерация/ Трубников Ю.А., Саженков А.Н., Кучевасов К.П., Тимкин Ю.И., Лисовин И.Г. № 2122745/98; заявл. 30.06.2009; опубл. 10.11.2010 Бюл. № 31 - 7 с.

8. Лисовин И.Г., Полулях А.И. Опыт разработки программного обеспечения САУ ГТЭС в ОАО «Авиадвигатель»// Сборник тезисов докладов Ш-й международной научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века», М.: ЦИАМ, - 2010, С. 754-756

9. Программный комплекс «Комплекс математических моделей электрогенератора и электросети» («КМЭС»): Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011611839/ Петроченков А.Б., Кавалеров Б.В., Шигапов A.A., Один К.А., Полулях А.И., Ситников A.C., Лисовин И.Г., Ширинкина E.H. № 2010618413; заявл. 30.12,2010; зарегистрировано 28.02.2011.

10. Полулях А.И., Лисовин И.Г., Кавалеров Б.В., Шигапов A.A. Автоматизация настройки регуляторов газотурбинных мини-электростанций при компьютерных испытаниях// Автоматизация в промышленности. - 2011, №6, С. 14-17. (из перечня ВАК)

Подписано в печать 23.12.2011. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 49/2011

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к.113 тел. (342) 219-80-33

61 12-5/1537

ОАО «АВИАДВИГАТЕЛЬ»

ЛИСОВИН ИГОРЬ ГЕОРГИЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ НА БАЗЕ АВИАДВИГАТЕЛЯ ПРИ

РАБОТЕ В ЛОКАЛЬНОЙ СЕТИ

05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки

летательных аппаратов

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: ИНОЗЕМЦЕВ Александр Александрович, доктор технических наук, профессор

Пермь-2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................4

ГЛАВА 1. ОБЗОР ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ КОНВЕРТИРОВАННЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

1.1 Обзор ГТД для привода электрогенераторов.......................................12

1.2 Принципы конвертации авиационных ГТД в энергетические ГТУ............19

1.3 Обзор зарубежных конвертированных газотурбинных двигателей...........25

1.4 Электрические генераторы для энергетических ГТУ.............................29

1.5 Управляющие воздействия САУ для повышения точности поддержания частоты вращения свободной турбины, частоты и напряжения локальной сети............................................................................................30

1.6 Электромеханические переходные процессы в локальных энергетических сетях..........................................................................................33

1.7 Выводы по главе...........................................................................37

ГЛАВА 2.КОМПЛЕКСНАЯ МНОГОЭЛЕМЕНТАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГТУ, ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА И ЭЛЕКТРОСЕТИ

2.1 Анализ существующих математических моделей..................................39

2.2 Структура модели взаимодействия ГТУ, электрогенератора и электросети .43

2.3 Математическая модель ГТУ...........................................................49

2.4 Математическая модель генератора с возбудителем..............................60

2.5 Математическая модель синхронного двигателя...................................70

2.6 Математическая модель асинхронного двигателя.................................71

2.7 Математическая модель активно-индуктивной нагрузки.........................75

2.8 Математическая модель трансформатора, линии электропередач, сети бесконечной мощности........................................................................77

2.9 Математическая модель взаимодействия структурных элементов электрической системы.......................................................................80

2.10 Модель САУ ГТУ........................................................................81

2.11 Модель САУ электрогенератора..................................................... 83

2.12 Методы решения дифференциальных уравнений.................................85

2.13 Выбор шага численного решения дифференциальных уравнений............87

2.14 Выводы по главе.........................................................................88

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ САУ ГТУ И СПОСОБА РЕГУЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ ПРИ ЕЁ РАБОТЕ В ЛОКАЛЬНОЙ СЕТИ

3.1 Проверка адекватности комплексной многоэлементной математической модели взаимодействия ГТУ, электрогенератора и электросети....................90

3.2 Разработка методики проектирования САУ ГТУ на основе математической модели взаимодействия ГТУ и ЭС для повышения качества управления энергетической установкой при её работе в локальной сети.........................96

3.3 Совершенствование алгоритмов управления ГТУ при динамических режимах работы................................................................................101

3.4 Проблемы взаимодействия системы автоматического управления ГТУ и системы управления возбуждением генератора...................................... 110

3.5 Программная реализация математической модели...............................112

3.6 Выводы по главе.........................................................................119

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................120

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ............................................................123

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................126

Справка о внедрении результатов диссертационной работы........................131

ВВЕДЕНИЕ

Перспективное направление развития мировой энергетики связано с внедрением газотурбинных энергетических установок, как на уже существующие электроэнергетические объекты (например, модернизация тепловой электростанции), так и на вновь создаваемые. Подобные установки используются в составе газотурбинных электростанций разной мощности [31, 48].

Газотурбинная электростанция (ГТЭС) является сложным объектом, состоящим из одного или более энергоблока. Каждый энергоблок, в общем случае, состоит из силовой установки - газотурбинного двигателя, и электрогенератора с системой возбуждения. Газотурбинная установка обладает множеством преимуществ: имеет большой КПД и меньшие габариты по сравнению с котлотурбинными установками такой же мощности, что очень удобно при транспортировке на новые объекты эксплуатации. За счет высокого КПД газотурбинная установка позволяет использовать энергию топлива с высокой эффективностью. Особенно, это касается газотурбинных двигателей, первоначально применявшихся благодаря своим высоким удельным характеристикам в авиации, а после получившие широкое распространение в качестве силового привода в газотурбинных электростанциях.

Создание специальных двигателей для наземного применения требует длительного времени и больших затрат на освоение его в производстве, поэтому у предприятий, производящих авиационные двигатели есть возможность изготавливать наземные двигатели доработкой авиационных, что позволяет:

- сократить время на разработку и промышленное освоение в серийном производстве;

- использовать узлы авиационных двигателей, бывших в эксплуатации, так как они имеют достаточный остаточный ресурс, а повреждаемость двигателей

наземного применения от эксплуатационных режимов в десятки раз меньше, чем в авиации;

- получить двигатели наземного применения с достаточно малой массой и габаритами [17].

Для достижения требуемых статических и динамических характеристик газотурбинные авиационные двигатели претерпевают значительные модификации при их применении в качестве привода для электрогенераторов. Кроме того, существенно изменяются условия их функционирования, связанные с тем, что наземные двигатели работают в режимах, отличающихся от полетных. Таким образом, при использовании авиационных двигателей в наземных условиях требуется решение задачи разработки и настройки новых эффективных и надежных систем автоматического управления (САУ) ГТУ, обеспечивающих автоматическое управление и регулирование основных параметров двигателя в рабочих и аварийных режимах, применительно к требованиям обеспечения показателей качества вырабатываемой электроэнергии, при работе ГТЭС в локальной и централизованной энергосети.

Обычно, газотурбинные электростанции полученные конвертацией из авиационных двигателей в основном применяются в нефтегазовой добывающей отрасли, а также на крупных предприятиях различного промышленного назначения с высоким уровнем энергопотребления, в системе жилищно-коммунального хозяйства[48].

Одной из главных проблем дальнейшего развития добывающей отрасли является то, что очень часто новые месторождения оказываются в тех местах, где раньше развитие энергетики даже не намечалось. Поэтому, как правило, из-за территориальной удаленности таких месторождений от населенных пунктов, сооружаемые газотурбинные электростанции не имеют связи с централизованной энергосетью страны. Добыча газа - довольно энергоемкое производство, и перебои в электропитании приводят к экономическим потерям для добывающей компании, также как и перерывы в электроснабжении, при

добыче нефти, приводят к тому, что основные механизмы останавливаются, и добыча нефти возобновляется только через полтора-два часа. В связи с этим, большинство предприятий добывающей промышленности рассматривают целесообразность сооружения собственных электростанций, непосредственно вблизи месторождений нефти или газа. Кроме того, из-за высоких тарифов региональных и федеральных компаний по производству электроэнергией, неуклонное и неизбежное повышение цен на энергоносители вынуждают предприятия самых разных отраслей промышленности сооружать собственные энергосистемы с использованием ГТЭС сравнительно невысокой мощности. Подобные энергосистемы могут обеспечивать электропитание технологического оборудования предприятия, повысить его надежность, выступая в качестве основного или дополнительного источника электроэнергии [11].

Именно такие электроэнергетические системы, применяемые в добывающей отрасли и на промышленных предприятиях, подходят под понятие «малая» энергетика (от Г до 25МВт).

Несмотря на относительную небольшую долю «малой» энергетики в общем энергобалансе страны по сравнению с «большой» энергетикой, которой уделяется большое внимание со стороны и науки, и промышленности, значимость «малой» энергетики трудно переоценить. По разным оценкам от 50% до 70% территории России не охвачены централизованным электроснабжением. На этой территории проживает более 20 миллионов человек. Именно на этой территории жизнедеятельность обеспечивается главным образом, средствами автономной энергетики [31].

При работе газотурбинной электростанции на централизованную энергосеть, ГТЭС в этом случае выступает как резервная подстанция для этой сети, мощность которой считается бесконечно большой по сравнению с мощностью электрогенератора ГТЭС. Поэтому частота вращения ротора электрогенератора, а, следовательно, и свободной турбины (СТ), зависит только

от электрической частоты внешней централизованной сети и отпадает необходимость в управлении частотой вращения свободной турбины. В данном случае необходимо подавать требуемую газодинамическую мощность на свободную турбину, за счет регулирования частоты вращения ротора высокого давления ГТУ. Таким образом, при работе ГТЭС в централизованной энергосети, невозможно влиять на точность поддержания напряжения и частоты этой сети, регулируя газотурбинной энергетической установкой.

При работе ГТЭС в автономном режиме работы требуется управлять выходными параметрами электрогенератора - напряжением и электрической частотой, причем, поскольку электрическая частота прямо пропорциональна частоте вращения ротора генератора (свободной турбины), то можно канал управления электрической частотой заменить на канал управления частотой вращения свободной турбины. Таким образом, от качества регулирования частоты вращения СТ, зависит точность поддержания напряжения и частоты в локальной энергосети. Выполнение задачи качественного регулирования ГТУ, а, следовательно, и СТ необходимо во всем диапазоне потребляемой мощности, не исключая режимов её значительного изменения. В реальных условиях эксплуатации газотурбинных электростанций в локальной сети возникают случаи большой потребной мощности, а также незапланированные ситуации, например, короткое замыкание. Вследствие этого система автоматического управления должна парировать большие возмущения с учетом ограничений по управляющему воздействию для сохранения устойчивой работы самой газотурбинной энергетической установки.

Регулирование энергетической установкой осуществляется в соответствии с правилами и нормами, определенными несколькими документами [5, 6, 7, 39, 43]. Согласно этим документам, отклонение частоты напряжения переменного тока в электрических сетях характеризуется показателем отклонения частоты, для которого установлены следующие нормы: нормально-допустимое и предельно-допустимое значение отклонения частоты равны ± 0,2 и ± 0,4 Гц

соответственно. Нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения на выводах приемников электрической энергии равны соответственно ±5и±10%от номинального напряжения электрической сети. Для газотурбинной энергетической установки, переходные отклонения частоты вращения ротора свободной турбины, при увеличении или уменьшении симметричной нагрузки величиной до 50 % от номинальной мощности, %: не более ± 5 Гц - время стабилизации частоты вращения ротора свободной турбины при этом 5 с.

Газотурбинная электростанция является многосвязной системой, что делает задачу поддержания качества электрического тока нетривиальной и требует для своего решения обширных исследований объекта в целом. Для реализации этой задачи необходимо разработать мероприятия по управлению газотурбинной энергетической установкой с учетом влияния электрогенератора.

Высокая сложность задач, которые решает САУ ГТУ, а также связанная с этим необходимость учета влияния различных режимов работы электростанций на широкий диапазон нагрузок, обуславливают необходимость использования методов математического моделирования для разработки САУ ГТУ. При создании и испытаниях систем автоматического управления авиационных ГТД и её элементов широко применяют математические модели авиационного двигателя, САУ и её элементов. Это позволяет ускорить процессы разработки и доводки САУ газотурбинного двигателя [10]. Однако существующие математические модели (п.2.1 главы 2) электроэнергетических систем и входящих в её состав ГТУ и электрогенератор являются структурно и функционально упрощенными, а также ограниченными для модификаций, что затрудняет моделирование процессов параллельной работы энергоблоков ГТЭС в автономном режиме и при работе на централизованную энергосеть.

На сегодняшний день разработка и настройка САУ ГТУ с учетом электрогенератора проводится на этапе пусконаладочных работ, в условиях

ограниченного времени, в таком случае, как правило, принимается не лучшее, а найденное допустимое решение. Как результат, снижаются эксплуатационные характеристики газотурбинных электростанций.

В связи с вышеизложенным, разработку и доводку САУ ГТУ, применительно к показателям качества вырабатываемой электроэнергии, целесообразно проводить с применением математической модели, в которой бы учитывались газотурбинная установка, электрогенератор и электрическая сеть. Такая математическая модель, позволяет разработчику решать задачи по настройке САУ в режимах, недоступных на натурных стендах с учетом специфики объекта управления.

Математическая модель, реализованная в виде программно-вычислительного комплекса, обеспечивает выполнение функций анализа и настройки САУ в режимах, недоступных испытаниям на физических стендах. Программно-вычислительный комплекс упрощает задачу настройки САУ ГТУ, предоставляя разработчику инструмент, который позволяет задавать различные воздействия с учетом электрической части и настраивать САУ по отклику модели ГТУ.

Анализ литературы [4, 19, 22, 28, 29] показал, что почти все существующие методы расчета переходных процессов в электроэнергетических системах, сводятся к какому-либо частному случаю расчета переходных процессов в одном элементе при определенных начальных условиях. Так, например, рассчитывают переходные процессы на газотурбинной установке, которая является приводом электрогенератора, учитывая только момент инерции электрогенератора и редуктора, пренебрегая другими электрическими параметрами. С развитием микропроцессорной техники можно перейти от исследования поведения отдельного элемента энергосистемы в динамике, к рассмотрению всей энергосистемы в целом, с применением методов математического моделирования, реализуемых в виде программно-моделирующих комплексов.

Поэтому актуальной задачей является разработка математической модели, позволяющей выполнять совместное моделирование газотурбинной установки, электрогенератора и электрической сети и использование этой модели на ранних этапах проектирования САУ ГТУ.

Цель диссертационной работы - разработка методики проектирования САУ энергетической ГТУ на основе математической модели, учитывающей взаимодействие двухвальной ГТУ, электрогенератора и электрической сети.

Для достижения сформулированной цели ставятся и решаются следующие задачи:

1. Разработать комплексную многоэлементную математическую модель, позволяющую выполнять совместное моделирование двухвальной газотурбинной установки со свободной турбиной, электрогенератора, САУ ГТУ, САУ электрогенератора, электрической сети при работе одной и более ГТЭС в локальной и централизованной энергосети.

2. Разработать способ регулирования ГТУ, осуществить его программную реализацию в математической модели, провести исследования динамических процессов.

3. Разработать методику построения САУ ГТУ, с учетом разработанной математической модели.

Цель и задачи работы обусловили выбор следующих теорий и методов исследования: теории газотурбинных двигателей, теории автоматического управления, электрических машин, математического моделирования, дифференциального исчисления, аналитического и имитационного моделирования, математического программирования.

Теоретической и методологической основой ис�