Контур регулирования оборотов силового вала топливным регулятором газотурбинной установки

 

Михайлов Дмитрий Яковлевич,

аспирант Сургутского государственного университета ХМАО – ЮГРА,

инженер Вынгапуровского ЛПУ МГ ООО «Газпром Трансгаз Сургут».

 

Топливный регулятор предназначен для регулирования расхода топлива в многовальных газовых турбинах. Основная задача топливного регулятора газотурбинной установки (ГТУ) состоит в таком варьировании расхода топлива, которое обеспечивает непрерывность вращения силового вала (турбины) с заданной скоростью (Vст), независимо от колебаний нагрузки приводимых турбиной машин.

Как известно, газотурбинная установка состоит из двух основных машин: газогенератора и силовой турбины. Газогенератор создаёт поток горячих газов высокого давления, который используется для приведения в действие силовой турбины, путём сжигания смеси из топлива и сжатого воздуха. Силовая турбина (СТ) преобразует потенциальную энергию газов в кинетическую, используемую для приведения в действие различных внешних машин (в частности, нагнетателя). Рассмотрим многовальную газотурбинную установку (рисунок 1):

 

Рис. 1. Многовальная газотурбинная установка (ГТУ).

 

На рисунке представлена трёхвальная установка, широко используемая на компрессорных станциях ОАО «Газпром». Её особенностью является наличие двух ступеней компрессора и турбины, которые образуют газогенератор – компрессора низкого давления (КНД), компрессора высокого давления (КВД), турбины низкого давления (ТНД), турбины высокого давления (ТВД). Через входное устройство воздух поступает в КНД, частично сжимается в нём, затем поступает в КВД, где сжимается уже до требуемых параметров. Из КВД воздух поступает в камеру сгорания, в которой сжигается топливо, подводимое через форсунки. В ней воздух частично участвует в процессе горения, частично смешивается с продуктами горения топлива. Образовавшаяся газовоздушная смесь поступает в турбину двигателя, где её энергия преобразуется в механическую работу ТВД, ТНД, СТ, которые развивают мощность, необходимую для привода нагнетателя.

Отметим, что ступень низкого давления компрессора приводится в движение последней ступенью турбины, а скорость вращения вала, соединяющего их, называется скоростью вращения ротора ступени низкого давления (Vкнд). Аналогично скорость вращения вала, соединяющего вторую ступень компрессора, т.е. ступень высокого давления, с первой ступенью турбины, называется скоростью вращения ротора ступени высокого вращения (Vквд). Важным параметром для регулирования является давление воздуха за осевым компрессором (Рок), используемое для создания необходимого соотношения топливо/воздух в камере сгорания. Температура продуктов сгорания (Тпс) также поддерживается в определённом диапазоне для поддержания работоспособности системы.

При любом заданном давлении на стороне нагнетания компрессора расход в компрессоре является функцией скорости его вращения. Для поддержания постоянного давления на нагнетании с учётом различных потребностей процесса в топливе обычно используется схема каскадного управления, связывающего давление со скоростью вращения. Контур регулирования давления должен изменять уставку контура регулирования скорости, который в свою очередь регулирует расход топлива. Конечный результат заключается в том, что турбина генерирует ровно столько энергии, сколько необходимо для достижения заданной степени сжатия газа.

Таким образом, топливный регулятор должен выполнять следующие функции:

1. Поддержание скорости вращения силовой турбины (Vст) в соответствии с местной или дистанционной уставкой – основная функция.

2. Ограничивающее регулирование по нижнему (недостаточная скорость вращения) и верхнему (завышенная скорость вращения) пределам скорости вращения ротора ступени высокого давления (Vквд).

3. Ограничивающее регулирование по верхнему (завышенная скорость вращения) пределу скорости вращения ротора ступени низкого давления (Vкнд).

4. Ограничивающее регулирование по верхнему (завышенная температура) пределу температуры выхлопных газов (Тпс).

5. Предотвращение помпажа с использованием входных направляющих лопаток, регулируемых лопаток статора или регулируемых сливных клапанов.

6. Ограничения приёмистости и скорости снижения расхода топлива с целью защиты от завышенной и заниженной топливоподачи.

7. Введение ограничений по коррекции расхода, смещению зоны нечувствительности, инвертированию сигнала и скорости изменения положения исполнительного механизма регулирующего топливного клапана.

8. Автоматическое регулирование скорости вращения в периоды пуска и останова.[1]

Рассмотрим контур регулирования скорости вращения силовой турбины. Он является основным для турбины. Помимо реализации последовательностей пуска и останова или поддержки любого из контуров ограничивающего регулирования, он определяет положение исполнительного механизма регулирующего топливного клапана турбины. Закон регулирования скорости вращения можно представить ПИД-алгоритмом, который, в общем виде, имеет вид:

,                                                                        (1)

где e = n_o – n;

n_o – задание по частоте вращения;

n – фактическая частота вращения;

K_p, K_i, K_d – коэффициенты усиления пропорционального, интегрального и дифференциального воздействий соответственно.

При формировании сигнала (1) учитываются ограничения по давлению за осевым компрессором:

,                                                                                           (2)

где f₁(P_c), f₂(P_c) – заранее заданные функции давления за осевым компрессором Р_с.

Также накладываются следующие ограничения:

,                                                                                           (3)

,                                                                           (4)

Ограничения (2), (3), (4) имеют целью:

• предотвращение помпажа осевого компрессора;

• предотвращение срыва факела в камере сгорания;

• предотвращение недопустимых термических напряжений в деталях турбин при прогреве и захолаживании;

• предотвращение длительной работы на критических частотах вращения.

Алгоритм ПИД-регулирования, встроенный в топливный регулятор, может обеспечивать один, два, три варианта регулирования скорости вращения силовой турбины при помощи соответствующего алгоритма, реализующего итерационный метод формирования регулирующего воздействия. Он определяется следующим уравнениями:

,                                                                                            (5)

,                                                                                           (6)

,                                                                                                          (7)

,                                                                                   (8)

,                                                                               (9)

где С·V – значение выхода регулируемой переменной для данной итерации алгоритма;

C·V_n-1 – значение выхода регулируемой переменной для предыдущей итерации алгоритма;

ΔС·V – изменение значения регулируемой переменной;

ΔD – изменение дифференциальной составляющей алгоритма;

ΔI – изменение интегральной составляющей алгоритма;

ΔP – изменение пропорциональной составляющей алгоритма;

e’_n – модифицированная ошибка данной итерации алгоритма;

e’_n-1 – модифицированная ошибка предыдущей итерации алгоритма;

e'_n-2 – модифицированная ошибка второй предыдущей итерации алгоритма;

K_d – коэффициент усиления дифференциальной составляющей;

K_i – коэффициент усиления интегральной составляющей;

K_p – коэффициент усиления пропорциональной составляющей;

T_c – постоянная времени (скорость реализации алгоритма).

Параметры ΔD, ΔI, ΔP, T_c являются настраиваемыми для каждого контура регулирования в отдельности. Например, контуры регулирования скорости вращения КВД, КНД, давления за осевым компрессором, температуры продуктов сгорания могут использовать ПИД-алгоритм в дополнение к контуру регулирования скорости вращения силовой турбины, однако значения ΔD, ΔI, ΔP, T_c устанавливаются независимо для каждого контура регулирования.

Отметим, что для удовлетворения заданной скорости и точности регулирования достаточно использовать пропорциональный и интегральный законы ПИД-алгоритма за исключением превышения скорости изменения оборотов силовой турбины определённого значения, дополнительно сконфигурированного системой автоматического управления и регулирования ().

Во избежание непрерывного изменения выхода регулятора по причине незначительных возмущений процесса и шума в сигнальных линиях можно установить зону нечувствительности вблизи значения ошибки регулируемой переменной процесса. В результате ПИД-алгоритм будет игнорировать небольшие изменения регулируемой величины.

При вводе в действие функции зоны нечувствительности ПИД-алгоритм обеспечивает расчёт модифицированной ошибки, обозначаемой e’, которая и входит в расчёт регулирующего воздействия (таблица 1):

 

Таблица 1.

Расчёт модифицированной ошибки.

Ошибка регулирования (е)	Модифицированная ошибка регулирования (е’)
e < -зона нечувствительности	е + зона нечувствительности
-зона нечувствительности ≤ е ≤ зона нечувствительности	0
е > зона нечувствительности	е – зона нечувствительности

 

Концепция зоны нечувствительности показана на рисунке 2:

 

Рис. 2. Модифицированная ошибка зоны нечувствительности (e’).

 

Коэффициенты K_d, K_i, K_p, T_c контура регулирования силовой турбины, а также ширина зоны нечувствительности вблизи значения ошибки регулируемой переменной процесса могут быть скорректированы в зависимости от Vквд, Vкнд или Vст.

 

Литература

 

1. Зайцев Л.А. Регулирование режимов магистральных нефтепроводов. – М.: Недра, 1982. – 240 с.

2. Система автоматического регулирования режимов работы компрессорной станции магистрального газопровода, выполненная на базе программно-технических средств Series 4 (общее описание). – Des Moines: Compressor Controls Corporation, 1995. – 44 c.

3. Функциональный модуль управления расходом топлива Series 4. – Des Moines: Compressor Controls Corporation, 1996. – 262 c.

4. Функциональный модуль распределения нагрузки Series 4. – Des Moines: Compressor Controls Corporation, 1995. – 220 c.

 

Поступила в редакцию 26.02.2009 г.