способ и устройство пуска газотурбинного агрегата

Формула изобретения

1. Способ пуска газотурбинного агрегата преимущественно с валоповоротным устройством с электродвигателем и обгонной муфтой, в котором в качестве разгонного двигателя используют синхронный турбогенератор, связанный механически с валом газовой турбины, в статорную обмотку разгонного двигателя подают ток от пускового преобразователя частоты, причем в начале пуска напряжение изменяют пропорционально частоте, при выходе газовой турбины на режим самоходности отключают ток пускового преобразователя частоты, отличающийся тем, что пуск начинают в асинхронном режиме названного турбогенератора, на протяжении пуска определяют вращающий момент турбогенератора по величинам выходной мощности и напряжения пускового преобразователя частоты, в цепь возбуждения бесщеточного синхронного возбудителя, установленного на валу турбогенератора, подают ток, пропорциональный вращающему моменту турбогенератора с постоянной величиной смещения, начальный темп подъема частоты выбирают так, чтобы выход названного возбудителя на режим выдачи тока произошел после расцепления обгонной муфты, после расцепления обгонной муфты повышают темп подъема частоты, обеспечивая условия самосинхронизации турбогенератора, а после самосинхронизации пуск продолжают в синхронном режиме турбогенератора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что настройку тока возбуждения выполняют однократно во время выдержки в режиме постоянной частоты перед зажиганием топлива, при этом подбирают коэффициент положительной обратной связи тока возбуждения бесщеточного синхронного возбудителя по определенному вращающему моменту по условию нулевой реактивной мощности, а постоянную величину смещения подбирают такой, при которой обеспечивается требуемый запас статической устойчивости турбогенератора.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в цепь возбуждения бесщеточного синхронного возбудителя подают ток после расцепления обгонной муфты.

4. Устройство пуска газотурбинного агрегата, включающее пусковой преобразователь частоты, выход которого подключен к выводам статорной обмотки синхронного турбогенератора, вал которого связан с валом газовой турбины, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит бесщеточный синхронный возбудитель, вал которого связан с валом названного турбогенератора, задатчик тока возбуждения и измеритель вращающего момента привода, причем обмотка возбуждения упомянутого возбудителя соединена с выходом задатчика тока возбуждения для создания положительной обратной связи, первый вход задатчика тока возбуждения включен на информационный выход измерителя вращающего момента привода, а второй вход задатчика тока возбуждения подключен к источнику постоянного тока смещения.

Описание изобретения к патенту

Заявляемая группа изобретений предназначена преимущественно для пуска стационарных одновальных газотурбинных агрегатов, имеющих валоповоротное устройство с электродвигателем и обгонной муфтой и состоящих из газовой турбины и синхронного турбогенератора, валы которых механически связаны.

В заявляемом способе решается задача разгона ротора газотурбинного агрегата разгонным электродвигателем, от момента трогания ротора до момента отключения пускового преобразователя частоты. В качестве разгонного электродвигателя используется синхронный турбогенератор (далее по тексту турбогенератор), снабженный бесщеточным синхронным возбудителем (далее по тексту возбудитель). На указанном отрезке времени необходимо последовательно выполнить:

- трогание ротора - плавно преодолеть момент сухого трения в подшипниках,

- разгон ротора до частоты вращения, соответствующей расцеплению кулачков обгонной муфты валоповоротного устройства,

- разгон ротора до частоты вращения, заданной для вентиляции проточного тракта газовой турбины,

- выдержку времени (для вентиляции проточного тракта газовой турбины) при поддержании постоянной частоты вращения,

- сопровождение пусковым преобразователем частоты розжига камеры сгорания от момента зажигания топлива до выхода турбины на режим самоходности, по достижении которого отключить ток пускового преобразователя частоты.

В процессе пуска газотурбинного агрегата требуется соблюдать заданные ограничения вращающего момента разгонного двигателя. В частности, валоповоротное устройство с червячной передачей и с обгонной муфтой может передавать мощность только в одном направлении. Поэтому на первых двух участках графика пуска агрегата разгонный двигатель не должен изменять знак вращающего момента. С другой стороны, разгонный двигатель на двух последних участках графика пуска должен иметь достаточный максимальный вращающий момент, обеспечивающий требуемую величину запаса статической устойчивости двигателя.

Известен способ пуска газотурбинного агрегата с использованием турбогенератора в качестве разгонного двигателя (Е.А.Крутяков, П.А.Павлов, М.В.Пронин, Алгоритмы работы тиристорных пусковых устройств для турбогенераторов и синхронных двигателей производства АО Электросила, Сборник Электросила, №40, 2001 г., стр.53-59), принятый нами за прототип. В этом способе разгонный двигатель используют только в синхронном режиме, выполняя следующую последовательность операций. Для определения начального положения неподвижного ротора разгонного двигателя подают импульсы тока в различные пары фаз машины. Положение ротора относительно оси поля статора определяют по величине амплитуды импульсов напряжения на обмотке ротора. Соотношение амплитуд импульсов позволяет определить положение ротора. Затем в цепь ротора подают ток от пускового источника тока возбуждения и начинают пуск подачей в цепь статора напряжения от преобразователя частоты, установив предварительно требуемую начальную фазу (в соответствии с положением ротора). Таким образом проводят синхронизацию разгонного двигателя с источником питания (пусковым преобразователем частоты). В начале пуска напряжение изменяют пропорционально частоте. Общим с прототипом является факт использования турбогенератора, связанного механически с валом газовой турбины, в качестве разгонного двигателя. В статорную обмотку турбогенератора подают ток от пускового преобразователя частоты, причем в начале пуска напряжение изменяют пропорционально частоте, а при выходе турбины на режим самоходности отключают ток пускового преобразователя частоты.

Этот способ пуска газотурбинного агрегата имеет следующие недостатки:

- пуск с любой (произвольной) начальной фазой поля статора невозможен как из-за неустойчивости синхронного двигателя на малой частоте, так и большой вероятности поломки валоповоротного механизма,

- требуется формирователь импульсов и устройство для подачи пробных импульсов в обмотку статора,

- требуется устройство для измерения величины импульсов напряжения, наводимых в обмотке ротора,

- для обеспечения плавного трогания ротора и последующего плавного разгона необходимо задавать фазу напряжений, подаваемых в цепь статора, в зависимости от текущего углового положения ротора, тогда как возможно определить только начальное положение ротора.

Разгонный двигатель, работающий в синхронном режиме, при низкой частоте питающего напряжения работает неустойчиво и может создавать знакопеременный вращающий момент. Качания ротора разгонного двигателя при старте, сопровождающиеся изменением знака вращающего момента, могут вызвать заклинивание червячной пары валоповоротного механизма.

В начале пуска агрегата кулачки обгонной муфты валоповоротного устройства не отведены центробежной силой в полностью расцепленное состояние и при положительном вращающем моменте разгонного двигателя работают в режиме проскальзывания. При изменении знака вращающего момента кулачки разгонной муфты после выбора люфта начинают работать на упор.

В этих условиях даже кратковременное изменение знака вращающего момента разгонного двигателя может вызвать заклинивание червячной пары валоповоротного механизма и повреждение червяка.

Возможен также более благоприятный исход, когда во избежание повреждения червяка допускают срез штифтов обгонной муфты. В любом случае заклинивание валоповоротного механизма переводит газотурбинный агрегат из рабочего состояния в состояние ремонта.

Известно устройство пуска одновального газотурбинного агрегата (Е.А.Крутяков, П.А.Павлов, М.В.Пронин, Алгоритмы работы тиристорных пусковых устройств для турбогенераторов и синхронных двигателей производства АО Электросила, Сборник Электросила, №40, 2001 г., стр.53-59), принятое как прототип. Устройство содержит турбогенератор, связанный механически с валом газовой турбины, пусковой преобразователь частоты, выход которого присоединен к выводам статорной обмотки турбогенератора. Турбогенератор используется в режиме синхронного электродвигателя при питании цепи ротора от статического источника тока возбуждения.

Прототип имеет следующие элементы, общие с заявляемым устройством:

- пусковой преобразователь частоты, выход которого подключен к статорной обмотке турбогенератора, связанного механически с валом газовой турбины.

Устройство по прототипу имеет следующие недостатки:

- требуется мощный пусковой источник тока возбуждения,

- изменение знака вращающего момента разгонного двигателя может вызвать заклинивание червячной пары валоповоротного механизма и повреждение червяка.

- щеточный аппарат при большом по величине токе возбуждения, передаваемом через контактные кольца, требует периодического обслуживания и снижает надежность агрегата.

Технический результат заявляемого способа пуска газотурбинного агрегата заключается в том, что:

- обеспечивается плавное начало движения ротора при пуске агрегата,

- асинхронный режим работы разгонного двигателя в начальной части графика пуска обеспечивает плавный разгон ротора до частоты вращения, соответствующей расцеплению кулачков обгонной муфты (при этом до расцепления обгонной муфты кулачки проскальзывают, не вызывая поломки, а после расцепления - кулачки отводятся в безопасное положение).

- самосинхронизация разгонного двигателя, выполняемая после расцепления кулачков обгонной муфты, обеспечивает возможность дальнейшего разгона ротора в более выгодном (на этом этапе) синхронном режиме разгонного двигателя,

- после самосинхронизации разгонного двигателя обеспечивается возможность поддерживать высокий коэффициент мощности, в частности Cos=1.

- существенно снижается вероятность неуспешного пуска ГТУ.

Технический результат заявляемого устройства частотного пуска газотурбинного агрегата заключается в том, что:

- существенно снижается величина тока управления возбуждением по сравнению с прототипом,

- бесщеточный синхронный возбудитель, конструктивно объединенный с разгонным синхронным электродвигателем, обеспечивает плавный переход из асинхронного в синхронный режим работы разгонного электродвигателя, при этом нет необходимости в мощном (и используемом только при пуске агрегата) источнике тока возбуждения разгонного двигателя.

Заявляемое решение позволяет также уменьшить затраты на оборудование пуска газотурбинного агрегата.

Для достижения указанного результата в способе пуска газотурбинного агрегата, преимущественно для агрегатов с валоповоротным устройством с электродвигателем и обгонной муфтой, в качестве разгонного двигателя используют синхронный турбогенератор, связанный механически с валом турбины, в статорную обмотку разгонного двигателя подают ток от пускового преобразователя частоты, причем в начале пуска напряжение изменяют пропорционально частоте, при выходе турбины на режим самоходности отключают ток пускового преобразователя частоты, согласно изобретению пуск начинают в асинхронном режиме названного турбогенератора, на протяжении пуска определяют вращающий момент турбогенератора по величинам выходной мощности и напряжения пускового преобразователя частоты, в цепь возбуждения бесщеточного синхронного возбудителя, установленного на валу турбогенератора, подают ток, пропорциональный вращающему моменту турбогенератора с постоянной величиной смещения, начальный темп подъема частоты выбирают так, чтобы выход бесщеточного синхронного возбудителя на режим выдачи тока произошел после расцепления обгонной муфты, после расцепления обгонной муфты повышают темп подъема частоты, обеспечивая условия самосинхронизации турбогенератора, а после самосинхронизации пуск продолжают в синхронном режиме турбогенератора.

Для оптимизации режима преобразователя частоты по току и оптимизации режима разгонного двигателя по запасу устойчивости в заявляемом способе (пункт 2 формулы) настройку тока возбуждения выполняют однократно во время выдержки в режиме постоянной частоты перед зажиганием топлива, при этом подбирают коэффициент положительной обратной связи тока возбуждения возбудителя по вычисленному вращающему моменту по условию нулевой реактивной мощности, а постоянную величину смещения подбирают такой, при которой обеспечивается требуемый запас статической устойчивости разгонного двигателя.

Для исключения влияния тока возбуждения на вращающий момент разгонного двигателя, работающего в асинхронном режиме, в заявляемом способе (пункт 3 формулы) ток возбуждения возбудителя включают после расцепления обгонной муфты.

Заявляемое устройство предназначено для реализации предложенного нами способа пуска газотурбинного агрегата. Для достижения указанного результата в устройстве пуска газотурбинного агрегата, включающем пусковой преобразователь частоты, выход которого подключен к статорной обмотке синхронного турбогенератора, вал которого связан с валом газовой турбины, согласно изобретению устройство дополнительно содержит бесщеточный синхронный возбудитель, вал которого связан с валом синхронного турбогенератора, задатчик тока возбуждения и измеритель вращающего момента привода, причем обмотка возбуждения упомянутого возбудителя соединена с выходом задатчика тока возбуждения для создания положительной обратной связи, первый вход задатчика тока возбуждения включен на информационный выход измерителя вращающего момента привода, а второй вход задатчика тока возбуждения подключен к источнику постоянного тока смещения.

Пусковой преобразователь частоты предпочтительно содержит выпрямитель, подключенный своим входом к питающей сети, а выходом к конденсаторам звена постоянного тока. Указанные конденсаторы через независимый (автономный) инвертор подключены к выходу преобразователя частоты. Автономный инвертор обеспечивает плавное широтно-импульсное регулирование частоты и амплитуды выходного напряжения.

Сущность изобретений и возможность их технической реализации поясняется чертежом, где обозначены:

1 -компрессор,

2 - газовая турбина,

3 - редуктор,

4 - валоповоротное устройство,

5 - разгонный двигатель (турбогенератор),

6 - бесщеточный возбудитель,

7 - цепь тока возбуждения бесщеточного возбудителя,

8 - задатчик тока возбуждения,

9 - цепь питания разгонного двигателя,

10 - пусковой преобразователь частоты,

11 - питание преобразователя частоты,

12 – смещение тока возбуждения,

13 - выход вычислителя вращающего момента.

Заявляемый способ частотного пуска газотурбинного агрегата осуществляют следующим образом.

Пуск начинают при асинхронном режиме разгонного двигателя. В статорную обмотку разгонного двигателя подают ток от пускового преобразователя частоты, причем в начале пуска напряжение изменяют пропорционально частоте.

В начальной стадии пуска магнитный поток, создаваемый током статора (на очень низкой частоте), проникает глубоко в массив бочки ротора, и ток в обмотке ротора относительно тока, наведенного в бочке ротора, невелик. По этой причине ротор движется равномерно, и на протяжении одного оборота ротора (относительно поля статора) скольжение меняется мало. В этих условиях вращающий момент разгонного двигателя в первом приближении пропорционален скольжению.

На протяжении пуска вычисляют вращающий момент по величинам мощности и частоты напряжения питания, при этом в цепь возбуждения возбудителя, находящегося на валу разгонного двигателя, подают ток пропорционально вычисленному вращающему моменту разгонного двигателя с постоянной величиной смещения.

При малой частоте вращения вала бесщеточный синхронный возбудитель не выдает ток, требуемый для перехода разгонного двигателя в синхронный режим.

Начальный темп подъема частоты выбирают так, чтобы расцепление обгонной муфты произошло до выхода названного возбудителя на режим выдачи тока. Кулачки обгонной муфты выходят из зацепления под действием центробежной силы, и происходит расцепление обгонной муфты. Бесщеточный синхронный возбудитель начинает плавно увеличивать ток ротора разгонного двигателя и после самосинхронизации разгонного двигателя обеспечиваются условия работы его в синхронном режиме. При этом вращающий момент разгонного двигателя увеличивают в соответствии с намеченным графиком разгона.

Перед зажиганием топлива выполняют выдержку времени на постоянной частоте вращения, используемую для вентиляции рабочего тракта турбины перед подачей топлива.

Пусковой преобразователь частоты отключают после зажигания топлива и выхода турбины на режим самоходности.

Вторым пунктом формулы изобретения предусмотрен способ, в котором настройку тока возбуждения выполняют однократно во время выдержки в режиме постоянной частоты перед зажиганием топлива.

При этом подбирают коэффициент положительной обратной связи тока возбуждения возбудителя по вычисленному вращающему моменту по условию нулевой реактивной мощности. Таким образом, при нулевом смещении обеспечивается чисто активная мощность разгонного двигателя, а постоянная величина смещения увеличивает ток возбуждения так, чтобы обеспечить некоторое перевозбуждение разгонного двигателя. Таким образом подбирается требуемый запас статической устойчивости разгонного двигателя.

Для повышения надежности при переходе двигателя в асинхронный режим ток в цепь возбуждения возбудителя подают после расцепления обгонной муфты (третий пункт формулы).

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Обмотка возбуждения бесщеточного возбудителя соединена с выходом задатчика тока возбуждения для создания положительной обратной связи по вращающему моменту разгонного двигателя. Дополнительный постоянный ток смещения в цепи возбуждения возбудителя повышает ток возбуждения и, тем самым, коэффициент запаса статической устойчивости разгонного двигателя.

Первый вход задатчика тока возбуждения включен на информационный выход вращающего момента привода. Таким образом обеспечивается ток возбуждения бесщеточного возбудителя, линейно зависимый от вращающего момента привода. Второй вход задатчика тока возбуждения подключен к источнику постоянного тока смещения. Величина смещения обеспечивает некоторое перевозбуждение разгонного двигателя, желательное для создания запаса статической устойчивости.

Параметры системы выбирают так, чтобы расцепление обгонной муфты происходило при частоте вращения меньшей, чем требуется для самосинхронизации разгонного двигателя.

С этой целью третий пункт формулы изобретения предусматривает дополнительную возможность включения тока возбуждения возбудителя после расцепления обгонной муфты.