способ и регулирующее устройство для регулирования газотурбинного агрегата, в частности, газо- и паротурбинных электростанций

Формула изобретения

1. Способ для регулирования газотурбинного агрегата, в частности, газо- и паротурбинных электростанций, причем используют множество исполнительных элементов, отличающийся тем, что по меньшей мере к двум исполнительным элементам (14, 15, 16) газотурбинного агрегата (3) подводят составленное из множества частичных регулирующих воздействий (T_ki), регулирующее воздействие, в частности регулирующее воздействие (h_so11) для настройки потока втекающей в турбину газотурбинного агрегата рабочей среды, регулирующее воздействие (_ls) для настройки направляющих лопаток компрессора газотурбинного агрегата, регулирующее воздействие (u_f) для выработки тока возбуждения для обмотки возбуждения генератора газотурбинного агрегата, причем частичные регулирующие воздействия (Т_ki) для отдельных регулирующих воздействий (h_{so11, ls}, u_f) образуют из рассогласований ( n, Р, , U) посредством индивидуальных передаточных функций (F_ki).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что к каждому отдельному исполнительному элементу (14, 15, 16) газотурбинного агрегата (3) подводят регулирующее воздействие (h_{soll, ls}, u_f), составленное из одинакового числа частичных регулирующих воздействий (Т_ki).

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что число частичных регулирующих воздействий выбирают в соответствии с числом рассогласований ( n, Р, , U).

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одно из частичных регулирующих воздействий (Т_ki) образуют из одного регулирующего воздействия (h_{so11, ls}, u_f).

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одно частичное регулирующее воздействие (Т_ki) образуют посредством меньшей мере одной передаточной функции (F_ki) из регулирующего воздействия (h_{so11, ls}, u_f).

6. Способ по одному или нескольким из пп.1-5, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одно регулирующее воздействие из группы регулирующих воздействий (h_{so11, ls}, u_f), дополнительно составляют из по меньшей мере одного другого регулирующего воздействия из группы регулирующих воздействий (h_{so11, ls}, u_f).

7. Способ по одному или нескольким из пп.1-6, отличающийся тем, что в качестве рассогласования применяют разницу ( Р) из заданного значения (P_so11) и действительного значения (P_ist) мощности генератора (Р).

8. Способ по одному или нескольким из пп.1-7, отличающийся тем, что в качестве рассогласования применяют разницу ( U) из заданного значения (U_so11) и действительного значения напряжения генератора (U).

9. Способ по одному или нескольким из пп.1-8, отличающийся тем, что в качестве рассогласования применяют разницу ( n) из заданного значения (P_so11) и действительного значения (n_ist) частоты генератора и/или частоты вращения турбины (n).

10. Способ по одному или нескольким из пп.1-9, отличающийся тем, что в качестве рассогласования применяют разницу ( ) из заданного значения ( _so11) и действительного значения ( _ist) температуры турбины ( ).

11. Способ по одному или нескольким из пп.1-10, отличающийся тем, что для газотурбинного агрегата (3) применяют, по меньшей мере, один исполнительный элемент (14) для настройки потока рабочей среды (m), втекающей в камеру сгорания (9) турбины (4) газотурбинного агрегата (3).

12. Способ по одному или нескольким из пп.1-11, отличающийся тем, что для газотурбинного агрегата (3) применяют, по меньшей мере, один исполнительный элемент (16) для получения тока возбуждения (g ) для обмотки возбуждения(13) генератора (6) газотурбинного агрегата (3).

13. Способ по одному или нескольким из пп.1-12, отличающийся тем, что для газотурбинного агрегата (3) применяют, по меньшей мере, один исполнительный элемент (15) для настройки направляющих лопаток компрессора (5) газотурбинного агрегата (3).

14. Регулирующее устройство для осуществления способа по одному или нескольким из пп.1-13, отличающееся тем, что имеются средства для получения частичных регулирующих воздействий (T_ki) из рассогласований ( n, Р, , U) и средства для связи множества частичных регулирующих воздействий (T_ki) для образования соответственно по меньшей мере одного регулирующего воздействия (h_{so11, ls}, u_f).

15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что имеются средства для образования рассогласований ( n, Р, , U) из заданных и действительных значений (n_so11, Р_so11, U_so11; n_ist, Р_ist, _ist, U_ist).

16. Устройство по п.14 или 15, отличающееся тем, что средствами для получения частичных регулирующих воздействий (T_ki) являются компьютеризованные алгоритмы.

17. Устройство по одному или нескольким из пп.14-16, отличающееся тем, что средства для получения частичных регулирующих воздействий (T_ki) имеют ограничение от выбега за пределы.

18. Устройство по одному или нескольким из пп.14-17, отличающееся тем, что ограничение от выбега за пределы образовано алгоритмом регулирования типа Anti-Wind-Up.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к способу для регулирования газотурбинного агрегата, в частности, газо- и паротурбинных электростанций, причем используют множество исполнительных элементов. Наряду с этим изобретение относится также к работающему по этому способу регулирующему устройству.

Газотурбинный агрегат является газовой турбиной с приводимым в действие генератором и в случае необходимости передаточным механизмом. Исходя из простого механического регулятора частоты вращения для турбины и электромеханического регулятора напряжения для генератора, регулирующие устройства, используемые на электростанциях, например, в газо- и паротурбинных установках с течением времени постоянно улучшались и приспосабливались к уровню развития техники.

Известен способ регулирования, при котором управляют количеством втекающей в турбину рабочей среды через исполнительный элемент турбины, регулирующее воздействие которого образуют из отклонения действительной мощности генератора от заданной мощности. Мощность и тем самым частоту вращения генератора можно регулировать через количество топлива, например, положением клапанов. В другом контуре регулирования из отклонения действительного напряжения генератора от заданного напряжения образуют другое регулирующее воздействие, которое подводят к исполнительному элементу возбуждения, регулирующему ток возбуждения или напряжение возбуждения генератора. Для этого можно использовать, например, регулятор напряжения, который устанавливает напряжение на зажимах генератора за счет возбуждения генератора. Известный способ регулирования, таким образом, исходит из разделенных друг от друга контуров регулирования.

Предположение раздельных контуров регулирования с развязанными объектами регулирования является допустимым в случае паротурбинных агрегатов с большими тепловыми накопителями, коль скоро клапаны не являются дросселированными. Через объект регулирования, выполненный из турбины, генератора и питаемой от генератора сети, контуры регулирования оказывают влияние друг на друга. Это может привести к тому, что при процессах компенсации при ухудшении общей характеристики регулирования контуры регулирования работают против друг друга. Чтобы скомпенсировать это влияние, в известном способе к исполнительному элементу возбуждения в качестве частичного регулирующего воздействия подводят величину коррекции, выведенную из мощности генератора. Таким образом компенсируют колебания сети или изменения частоты скольжения и демпфируют качания мощности. Подобные качания мощности возникают, в частности, в энергетических установках, которые связаны по длинным линиям с объединенной энергосетью. Схема для демпфирования качаний мощности в сетях известна, например, из DE 2851871 С2.

При применении паровой турбины упрощающее предположение динамической развязки контуров регулирования является еще достаточным для описания общей системы, коль скоро клапаны не дросселированы. В противоположность этому при применении газовой турбины вследствие сравнительно меньших в противоположность паровой турбине задержек или, соответственно, времен реакции газовой турбины возникают нежелательные связи, которые могут приводить к устранению демпфирования раздельных регулирований. Так, например, в случае газовых турбин ширина полосы реакций на изменения расхода топлива входит в граничную область генераторной динамики так, что упрощающее предположение динамической развязки больше не допустимо. Подобные проблемы связи появляются также в случае установок с множеством газотурбинных агрегатов, в частности в случае газо- и паротурбинных установок. Упомянутой схемой для демпфирования качаний мощности в соответствии с DE 2851871 С2, которая реализована в так называемом приборе демпфирования качаний, достигается известное влияние контура регулирования турбины на контур регулирования генератора. Однако оба контура регулирования работают отдельно друг от друга.

Так как каждый физический исполнительный элемент, например клапан или исполнительный орган возбуждения, имеет ограниченный диапазон регулирования, отдельные исполнительные элементы, например, в случае реакций регуляторов, вызванных неисправностями или процессами переключении в сети, попадают в ограничение, что всегда связано с ухудшением регулировочной характеристики. Проблема, данная ограничением диапазона регулирования исполнительных элементов, является еще более серьезной в случае регуляторов по нескольким параметрам, так как через связи в объекте регулирования и регуляторе ограничения в одном исполнительном элементе могут действовать также на другие регулирующие воздействия.

Из ЕР 0642707 В1 известен способ и регулирующее устройство для регулирования системы турбина-генератор, которые относятся к объединению отдельных регуляторов для частоты вращения, мощности и напряжения в регулировании по нескольким параметрам. Изменения в объектах регулирования учитывают в способе и регулирующем устройстве согласно ЕР 0642707 В1 за счет стратегии адаптации для параметров регулятора.

Особенно отрицательно сказывается то, что изменения объекта регулирования во время эксплуатации электростанции не всегда однозначно распознаются и тем самым могут приводить к проблемам стабильности. По этой причине, например, Инструкции Германского общества объединенной электроэнергетической системы не предусматривают никаких переключений параметров регулятора в текущем режиме.

Кроме того, вследствие прогрессивного развития газотурбинной технологии частично существует потребность в дополнительных регуляторах, например в регуляторах предельного значения, которые заменяют все регуляторы, если регулирующее воздействие попадает в ограничение или превышены физические границы при эксплуатации газовой турбины. С этими регуляторами получаются повышенные затраты, которые влекут за собой также дорогие изменения в структуре регуляторов, которые могут в свою очередь иметь следствием снижение качества регулирования.

В основе изобретения лежит задача предоставить в распоряжение способ для регулирования газотурбинного агрегата, в частности, газо- и паротурбинных электростанций, которым учитываются связи в объектах регулирования и, кроме того, ограничения регулирующих воздействий и делается возможным надежное регулирование газотурбинного агрегата. Наряду с этим должно быть предоставлено в распоряжение соответствующее регулирующее устройство.

Для технического решения этих задач предлагается способ для регулирования газотурбинного агрегата, в частности, газо- и паротурбинных электростанций, который отличается тем, что по меньшей мере к двум исполнительным элементам газотурбинного агрегата подводят регулирующее воздействие, составленное из множества частичных регулирующих воздействий, причем частичные регулирующие воздействия для каждого отдельного регулирующего воздействия образуют из рассогласований посредством индивидуальных передаточных функций.

В предпочтительной форме выполнения изобретения регулирующие воздействия всех исполнительных элементов газотурбинного агрегата могут быть составлены из одинакового числа частичных регулирующих воздействий. Число частичных регулирующих воздействий соответствует числу рассогласований, причем каждое отдельное регулирующие воздействие образуют из рассогласований посредством индивидуальных передаточных функций. Таким образом, имеет место связь в объектах регулирования и одновременно надежное регулирование газотурбинного агрегата. Таким образом, согласно изобретению предоставлено в распоряжение регулирование по нескольким параметрам, учитывающее связи в объекте регулирования за счет соответствующих передаточных функций, которое определяет все существенные для регулирования характеристики объекта и таким образом стабилизирует каждое рабочее состояние газотурбинного агрегата.

Согласно предпочтительной форме выполнения изобретения по меньшей мере одно из регулирующих воздействий дополнительно составляют из по меньшей мере одного из других регулирующих воздействий. Согласно дальнейшей предпочтительной форме выполнения изобретения по меньшей мере одно частичное регулирующие воздействие образуют из регулирующего воздействия. За счет этого для регулирования применяют также действительные, возможно ограниченные регулирующие воздействия. При этом действительное регулирующее воздействие может быть измерено или ограничение может быть смоделировано в регуляторе так, что измерения не требуется. Частичным регулирующим воздействием стоит в распоряжении предпочтительным образом информация ограничения регулирующего воздействия. Способом согласно изобретению таким образом можно сэкономить применяемые до сих пор, как правило, регуляторы предельного значения.

Для улучшения регулирования относительно динамики общей системы в качестве рассогласований применяют разницу из заданного значения и действительного значения мощности генератора, напряжения генератора, температуры турбины и частоты вращения турбины или, соответственно, при связи газотурбинного агрегата с объединенной электроэнергетической системой частоты генератора. Для этого измеряют соответствующие действительные значения, то есть отдаваемую мощность генератора, напряжение генератора, температуру турбины, частоту вращения турбины и/или при связи газотурбинного агрегата с объединенной электроэнергетической системой частоту генератора и образуют отклонение от требуемых заданных значений.

Согласно дальнейшему предпочтительному предложению изобретения для газотурбинного агрегата применяют по меньшей мере один исполнительный элемент для настройки потока втекающей в турбину рабочей среды, по меньшей мере один исполнительный элемент для получения тока возбуждения или напряжения возбуждения для обмотки возбуждения генератора и по меньшей мере один исполнительный элемент для установки направляющих лопаток компрессора.

Задача предоставления в распоряжение работающего по способу согласно изобретению регулирующего устройства для регулирования газотурбинного агрегата, в частности, газо- и паротурбинных электростанций решается за счет регулирующего устройства, к которому подводят в качестве входных величин действительные и заданные значения газотурбинного агрегата и которое выдает на исполнительные элементы газотурбинного агрегата регулирующие воздействия, образованные из множества частичных регулирующих воздействий, причем регулирующее устройство содержит средства для образования рассогласований из заданных и действительных значений, средства для получения частичных регулирующих воздействий из рассогласований и средства для сопряжения множества частичных регулирующих воздействий для образования регулирующего воздействия.

Согласно предпочтительной форме выполнения соответствующего изобретению регулирующего устройства средства для получения частичных регулирующих воздействий из рассогласований являются алгоритмом регулирования, который, например, может быть отложен в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) или в другой подходящей форме. Для каждого отдельного регулирующего воздействия, таким образом, можно образовывать индивидуальные передаточные функции, которые в зависимости от рассогласований генерируют частичные регулирующие воздействия. Таким образом, является возможным уже во время расчета регулирующего устройства заранее учитывать все характеристики подлежащего регулированию объекта регулирования. Тем самым создано регулирующее устройство, которое также без программно-технических стратегий адаптации для настройки параметров регулятора может регулировать всеми положенными в основу проекта объектами регулирования.

Дальнейшие подробности и преимущества изобретения более подробно поясняются в последующем с помощью описания представленных на чертежах примеров выполнения. При этом показывают:

Фиг.1 - первый пример для соответствующего изобретению регулирования в представлении пространства состояний,

Фиг.2 - дальнейший пример для соответствующего изобретению регулирования в представлении пространства состояний,

Фиг.3 - пример выполнения в виде блок-схемы для соответствующего изобретению регулирующего устройства и

Фиг.4 - видоизменение Фиг.3 с двумя связанными исполнительными элементами.

Фиг.1 показывает пример выполнения соответствующего изобретению регулирования в представлении пространства состояний. Для регулирования не показанного здесь газотурбинного агрегата к регулированию в качестве входных величин подводят рассогласования, здесь частоты вращения турбины n, мощности генератора Р, температуры турбины и напряжения генератора U, объединенных за счет вектора . В качестве выходных величин регулирование поставляет здесь объединенные в вектор регулирующие воздействия для газотурбинного агрегата, здесь для настройки потока втекающей в турбину газотурбинного агрегата рабочей среды через клапан или несколько клапанов _soll, для установки направляющих лопаток компрессора газотурбинного агрегата _LS и для получения тока возбуждения или напряжения возбуждения для обмотки возбуждения генератора газотурбинного агрегата u_f. Регулирующие воздействия u_с составляют из по меньшей мере четырех частичных регулирующих воздействий, которые образуют из рассогласований посредством индивидуальных передаточных функций, которые представлены здесь четырьмя матрицами , , и . В настоящем случае четырьмя матрицами , , и представлены двенадцать отдельных передаточных функций, которые отображают четыре рассогласования вектора на три регулирующих воздействия вектора u_с. Как видно из Фиг.1, полученные для регулирования из вектора рассогласований посредством различных матриц частичные воздействия подводят к элементу регулирования 1. Через различные матрицы , , и можно заранее определить все объекты регулирования. Как для машинной реализации, так и для программной реализации регулирования является удобным показанное на Фиг.1 общее векторное представление формы состояний. Таким образом, за счет отдельных коэффициентов матриц , , и можно учитывать уже при проектировании все характеристики объекта или через соответствующие функции в отдельных положениях коэффициентов матриц соответствующие модели объекта. Экономичная с точки зрения расходов интеграция всех функций регулирования является просто реализуемой в одном приборе. Элемент регулирования 1 реализован при этом предпочтительным образом за счет алгоритма регулирования и, кроме того, может изменяться простым образом.

В случае регулирования, представленного на Фиг.2 также в форме пространства состояний, в дополнение к представленным на Фиг.1 регулированиям в качестве входных величин подводят также действительные, объединенные как вектор , возможно ограниченные регулирующие воздействия в качестве входных величин наряду с объединенными в вектор рассогласованиями. При этом является не существенным, измеряют ли действительные регулирующие воздействия или моделируют ограничение в реализации регулятора. Таким образом, в распоряжении всех частичных функций регулирования стоят также информации ограничения регулирующего воздействия. По сравнению с Фиг.1 регулирование в соответствии с Фиг.2 дополнено двумя дальнейшими матрицами: входной матрицей и выходной матрицей для действительных регулирующих воздействий. Индивидуальные передаточные функции из образующих входные величины шести матриц относительно их коэффициентов или, соответственно, функций должны определяться так, что в неограниченном случае, то есть если ни одно из регулирующих воздействий газотурбинного агрегата относительно его диапазона регулирования не находится в ограничении, сохраняется функция представленного на Фиг.1 регулирования.

Представленным на Фиг.2 регулированием дан регулятор состояния, который имеет наблюдатель, оценивающий поведение объекта регулирования, и содержит обратную связь по состоянию. Для подобного регулирования являются пригодными способы ограничения выбега, так называемые способы типа Anti-Wind-Up, которые, например, модифицируют алгоритм регулирования элемента регулирования 1 так, что ошибка наблюдения избегается, несмотря на представленное здесь ограничительным элементом 2 ограничение регулирующего воздействия. Таким образом можно экономить регуляторы предельного значения. Так, например, регулятор температуры отходящего газа при использовании диапазона регулирования направляющих лопаток компрессора может сменить регулятор мощности, в то время как, например, регулятор направляющих лопаток остается в своем ограничении. Таким образом может быть достигнуто лучшее использование рабочего диапазона газовой турбины газотурбинного агрегата.

Фиг.3 показывает блок-схему соответствующего изобретению регулирующего устройства газотурбинного агрегата 3, охватывающего турбину 4, компрессор 5 и генератор 6. Турбина 4 приводит в действие через вал 7 генератор 6. При этом компрессором 5 засасывают воздух из атмосферы и подводят к обозначенной позицией 9 камере сгорания. Там втекающая под давлением рабочая среда а реагирует с содержащимся в воздухе кислородом. Эта газовая смесь расширяется затем в газовой турбине 4 с произведением работы. Генератор 6 питает, коль скоро он подключен к обозначенной позицией 8 сети питания, эту сеть, например, через не представленный здесь замкнутый блокировочный выключатель и также не представленный здесь блокировочный трансформатор.

Для настройки потока втекающей в газовую турбину 4 рабочей среды а предусмотрен исполнительный элемент в виде одного клапана 10 или множества клапанов.

Для настройки направляющих лопаток компрессора 5 в качестве исполнительного элемента предусмотрен двигатель 11 или множество двигателей, которые изменяют угловое положение направляющих лопаток компрессора 5.

Вращающаяся часть возбуждения 12 генератора 6 возбуждается расположенной в статоре обмоткой возбуждения 13. Не представленный здесь вспомогательный возбудитель питает через исполнительный элемент возбуждения, например, в виде блока тиристоров, обмотку возбуждения 13. При этом исполнительный элемент возбуждения образует необходимый для возбуждения изменяемый постоянный ток или ток возбуждения g. Генератор при этом возбуждается от обмотки возбуждения в роторе, которая непосредственно питается током от блока тиристоров через контактные кольца. Альтернативно блок тиристоров может быть совместно вращающимся главным возбудителем, который через выпрямитель питает обмотку возбуждения генератора током.

К регулирующему устройству подводят рассогласования частоты вращения турбины n, мощности генератора P, температуры турбины и напряжения генератора U, соответственно образованные из заданных значений и измеренных действительных значений путем образования разницы. Дополнительно или альтернативно к частоте вращения турбины n можно использовать также частоту генератора f. Точно так же в качестве входных величин можно использовать другие величины, например другие рассогласования, регулирующие воздействия, регулирующие воздействия ограничения, команды с пункта управления электростанции и тому подобное.

Из рассогласований n, P, и U посредством индивидуальных передаточных функций F_n1, F_n2, F_n3, F_P1, F_P2, F_P3, F ₁, F ₂, Р ₃, F_U1, F_U2, и F_U3 образуют частичные регулирующие воздействия T_n1, T_n2, Т_n3, T_P1, T_P2, Т_P3, T ₁, Т _2, Т _3, T_U1, T_U2 и Т_U3. Затем посредством элементов связи 17, 18, 19 соответственно из четырех частичных регулирующих воздействий образуют регулирующее воздействие h_{soll, LS,} u_f для исполнительных элементов 10, 11 и 13 газотурбинного агрегата 3. Регулирующее воздействие h_soll, _LS, u_f подводят к позиционному регулятору клапана 14 для клапана 10, регулятору положения 15 для двигателя 11 для настройки направляющих лопаток компрессора 5, а также к регулятору возбуждения 16, например тиристорному исполнительному органу, для получения тока возбуждения для обмотки возбуждения 13 генератора 6. Вследствие сложности связей регулирующего устройства, в частности вследствие двенадцати индивидуальных передаточных функций F_ki, рекомендуется использовать для регулирования компьютеризованные алгоритмы. При этом алгоритм регулирования учитывает также случай, когда регулируемая величина достигает граничное значение, или что, например, во время процесса ввода в действие энергетической установки активным является только регулятор 14, регулирующий клапан 10. Переключение на комбинированное регулирование, которое срабатывает при питании части возбуждения 12 через обмотку возбуждения 13 и тем самым при установлении напряжения генератора U, полностью учтено за счет передаточных функций и тем самым возможно в любое время. За счет индивидуальных передаточных функций F_ki имеет место связь между исполнительными элементaми газотурбинного агрегата, то есть между клапаном 10, двигателем 11 и обмоткой возбуждения 13.

Так как через передаточные функции F_ki учтены все существенные характеристики объекта регулирования через соответствующие модели объекта, регулирующее устройство является нечувствительным относительно изменений в объекте регулирования и вообще надежным. Во время эксплуатации изменения в объекте регулирования, имеющие место, например, за счет износа или загрязнения конструктивных деталей, сдвигов рабочей точки и переключений сети являются учитываемыми уже в проекте регулятора так, что все возможные случаи эксплуатации уже заранее могут стабилизироваться регулирующим устройством. Так, параметры регулирующего устройства уже с самого начала можно задавать таким образом, что, например, заданное качество регулирования выдерживается или, соответственно, достигается без всяких проблем.

На Фиг.4 пример выполнения согласно Фиг.3 видоизменен так, что только два исполнительных элемента 14 и 15 связаны друг с другом относительно их регулирующих воздействий. Здесь из рассогласований n, Р и соответственно за счет передаточных функций F_ki формируют частичные регулирующие воздействия T_ki с k=n, Р, и i=1 или, соответственно, 2 и преобразуют за счет подходящих средств соответственно Ф.3 в регулирующие воздействия h_soll и _LS. Рассогласование U для регулирования напряжения в этом случае с передаточной функцией F_u подают непосредственно в качестве регулирующего воздействия u_f на исполнительный элемент 16 для напряжения генератора.

Для случая, что в соответствии с Фиг.3 частичные регулирующие воздействия подводят к каждому исполнительному элементу регулирующего устройства, число частичных регулирующих воздействий получается предпочтительно из числа имеющихся на входах рассогласований. Например, на Фиг.3 в случае четырех рассогласований n, Р, и U для каждого из трех исполнительных элементов 14, 15 и 16 получаются по четыре частичных регулирующих воздействия. Тем самым в общем справедливо для частичных регулирующих воздействий T_ki, где k = вид рассогласования и i = нумерация отдельного исполнительного элемента.