Система автоматического управления газотурбинными мини-электростанциями

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Краткая характеристика и обоснование решений по технологии производства

В мини-энергосистемах газотурбинные установки выполняют функцию энергопривода для привода электрогенераторов. Анализ ситуации в этой области позволил сделать некоторые выводы.

Первоначально ГТУ для привода генераторов выполнялись на базе турбовинтовых двигателей: АИ-24, АИ-20. На этой основе были выполнены передвижные электростанции с выходной мощностью соответственно в 1250 кВт и 2500 кВт.

В течение последнего десятилетия широкое распространение в странах Западной Европы и США получило использование газотурбинных технологий для комбинированного производства энергии и тепла. Такие газотурбинные электростанции с утилизацией тепла уходящих газов называются когенерационными и известны во всем мире как наиболее эффективные в техническом и коммерческом аспектах. Решающим преимуществом этих ГТУ-ТЭЦ является то, что природный газ в них используется с топливной экономичностью до 75-90% по сравнению с 35-40% при производстве теплоэнергии традиционными способами. В качестве примера можно привести: электростанции ГТЭС-4000 (НПО «Искра» совместно с «Пратт энд Уитни», США), двухагрегатную ТЭС 4000 «Янус» с утилизацией продуктов сгорания (АО «Авиадвигатель»).

Из выше изложенного следует, что турбовинтовые двигатели вытесняются турбореактивными, причем использование для этих целей все более современных двигателей позволяет значительно улучшать характеристики ГТУ. Преимуществом данных установок является также их двухвальная конструкция, что дает повышение экономичности и позволяет свободно выбирать частоту вращения.

В настоящее время для привода генераторов все шире применяются конвертированные двухвальные турбореактивные двигатели со свободной турбиной (на базе авиационных Д-30, ПС-90).

Компрессор здесь выделяется в особый агрегат, который служит газогенератором для свободной турбины, вращающий синхронный генератор. Обычно турбины низкого давления используются для привода нагрузки (генератора). На рис. 1.1 представлен наиболее распространенный вариант двухвальной ГТУ со свободной турбиной низкого давления.

В качестве примера можно рассмотреть двухвальную ГТУ-2.5П для привода электрогенераторов, построенную на основе двигателя Д-30.

Необходимо отметить, что по мере усложнения схем ГТУ предъявляются все более высокие требования к их системам автоматического регулирования и защиты.

Высокая сложность задач, которые решает САУ мини-электростанции, вызывает необходимость использования методов математического моделирования при ее создании и настройке [36,83], а также связанную с этим необходимость моделирования различных режимов работы электростанции на широкий диапазон нагрузок.

При разработке новых алгоритмов управления необходимо изучать поведение ГТУ при коммутации различных нагрузок и их сочетаний, учитывать переходные процессы в электрических нагрузках.

1.1 Краткая характеристика теплоэлектростанции

Теплоэлектростанция ТЭС-4000*2 «Янус» включает в себя сооружения: технологическое основное и дополнительное оборудование и электрооборудование, предназначенные для производства и распределения тепловой и электрической энергии путем сжигания природного газа, а также для потребления ее на нужды предприятия и для проведения испытательных работ на ГТУ. ГТУ обеспечивает привод ротора синхронного генератора. Одновременно с производством электроэнергии выхлопные газы ГТУ являются источником тепловой энергии для производства пара в котле - утилизатора.

Газотурбинные электростанции малой мощности, созданные на базе авиационных двигателей, могут быть выделены в отдельный класс - мини-электростанции.

В принципе САУ газотурбинной мини-электростанции аналогична САУ стационарной электростанции. CАУ электростанции, как и САУ ГТУ, должна реагировать на изменение атмосферных условий. Расчетные данные и опыт эксплуатации показывают, что при равномерной частоте вращения, но при различных параметрах атмосферного воздуха характеристики одного и того же двигателя сильно меняются. Мощность двигателя изменяется пропорционально давлению воздуха, а удельный расход топлива остается неизменным, уменьшение же только температуры приводит к увеличению мощности и уменьшению удельного расхода топлива.

При всех изменениях мощности двигателя САУ электростанции должна обеспечивать поддержание напряжения и частоты на выводах генератора неизменными, а при набросах-сбросах нагрузки обеспечивать требуемое качество переходных процессов восстановления этих параметров.

Основные технические данные газотурбинной электростанции ТЭС 4000.

Мощность номинальная, кВт/кВ*А 4000/5000

Род тока переменный, трехфазный изолированной нейтралью

Частота, Гц 50

Номинальное напряжение, В 6300

Номинальный ток, А 458

Коэффициент мощности 0,8

Двигатель газотурбинный (Д-30 ЭУ2)

Генератор ТК-4-2 р УХЛ3

Частота вращения генератора, об/мин 3000

Напряжение питания собственных нужд, в ~380

Перегрузка по мощности в течение 1 часа, % 10

Точность поддержания напряжения при изменении нагрузки в пределах 0…100% при cos в пределах 0,8…1,0

1 Максимальное отклонение по напряжению и частоте при сбросе и набросе 50 нагрузки, 7

Время регулирования по напряжению генератора при сбросах и набросах 50% нагрузки, не более, сек 5

1.2 Состав теплоэлектростанции

Анализ структурной организации мини-электростанций на базе ГТУ позволил выделить основные составные части газотурбинной электростанции: 1) газотурбинный двигатель; 2) редуктор; 3) синхронный генератор с системой возбуждения; 4) САУ ГТД; 5) САУ генератора; 6) система управления, контроля, защиты и сигнализации; 7) распределительное устройство; 8) вспомогательные системы (маслообеспечения, топливопитания, пожаротушения, кондиционирования и вентилирования).

На рис. 1.4 представлена функциональная схема газотурбинной электростанции ГТЭС-4000 на базе ГТД Д-30ЭУ-1 и турбогенератора ТК-4-УЗ (НПО «Искра»). На рисунке обозначено: СМО - система маслообеспечения, СТП - система топливопитания, СПТ - система пожаротушения, СКиВ - система кондиционирования и вентиляции, ИМ - исполнительные механизмы, КА - командный агрегат, ТА - топливная автоматика, БК - блок коммутации, СДДиР - система датчиков двигателя и редуктора.

В состав ТЭС входят рис. 1,4

- два энергоблока в составе газотурбинной установки ГТУ-4П на базе авиадвигателя Д-30 ЭУ2 и турбогенератора ТК-4-2 р УХЛ3;

- котельная с котлом-утилизатором К-10/0,9-80-440 (модель ТКУ-5) и системой водоподготовки;

- загрузочное устройство с трансформатором ТМП-6300/10 6/0,7 кВ и загрузочными сопротивлениями для проведения испытательных и доводочных работ на ГТУ;

- вспомогательные системы подготовки газа, распределения энергии, маслосистемы и т.д.

Энергоблок, состоящий из синхронного генератора и ГТУ, предназначен для преобразования энергии сжигания топлива (природного газа) в электрическую и тепловую энергию.

Примерно такую же структуру имеет двухагрегатная газотурбинная электростанция ТЭС 40002 «Янус», с двигателем Д-30ЭУ-2, редуктором Р-45, генератором ТК-4-2УХЛ, с тиристорной системой возбуждения БВУГ-12УЗ, с распределительным устройством РУ-6 кВ, с котлом-утилизатором. Основное отличие заключается в том, что здесь электростанция состоит из двух параллельных агрегатов с приводом от ГТУ-4П по 4 МВт, агрегаты могут работать автономно или параллельно на общую сеть (см. риc. 1.5), данная электростанция имеет стационарное исполнение. Обозначения: ТСН - трансформатор собственных нужд, Q - масляный выключатель, ТП - трансформаторная подстанция.

Данные о производственной программе для одного энергоблока.

Номинальная активная (полная) мощность кВт (кВА) 4000 (5000)

Род тока переменный, трехфазный, с изолированной нейтралью

Частота тока, Гц 50

Номинальное напряжение, кВ 6300

Коэффициент мощности 0,8

Пиковая мощность в течение 1 часа, кВт 4400

Максимальная мощность в течение 6 мин, кВт 4800

Годовая выработка электроэнергии активной мощности, мВт х час 30240 реактивной мощности, мВар х час 22680

Напряжение питания собственных нужд, кВ 0.4; 6

1.3 Описание электрооборудования газотурбинной электростанции

Основное электрооборудование.

Синхронный турбогенератор ТК 4-2 р УХЛЗ с возбудительным устройством.

Двухполюсный синхронный турбогенератор трехфазного тока частотой 50 Гц с бесщеточной системой возбуждения типа ТК-4-2 р УХЛЗ, предназначен для продолжительного режима работы в условиях умеренного и холодного климата, в составе электрических агрегатов с приводом от газотурбинной установки, на базе авиационного двигателя Д-30ЭУ-2 со свободной турбиной, работающего на природном газе.

Синхронный генератор преобразует механическую энергию на валу ротора в электрическую, снимаемую со статорных обмоток генератора и распределяемую через высоковольтное распределительное устройство РУ-6 кВ.

Возбуждение синхронного генератора выполнено от бесщеточной системы возбуждения с трехфазным электромашинным возбудителем, вращающимся диодным выпрямителем и тиристорной станцией управления возбуждением, обеспечивающей регулирование тока возбуждения генератора с целью поддержания в заданных пределах и регулирования ЭДС генератора при изменении нагрузки, регулирование вырабатываемой реактивной энергии и форсировку тока возбуждения при аварийных или переходных режимах (к. з. в сети, изменение нагрузки и т.д.).

Исполнение генератора закрытое. Со стороны турбины подшипниковая опора имеет опорно-упорный вкладыш, рассчитанный на осевое усилие, не более 750 кг. Вкладыш подшипниковой опоры со стороны возбудителя электрически изолирован от корпуса подшипника. Сопротивление должно быть не менее 1мОм. Конструкция подшипника позволяет контролировать изоляцию без остановки турбогенератора.

смазка подшипников циркуляционная под давлением от мослосистемы турбины. При останове агрегата, а также в аварийных ситуациях маслосмазка осуществляется от маслосистемы с циркуляционным насосом с элктроприводом от асинхронного электродвигателя с к. з. ротором.

Вентиляция турбогенератора выполнена по разомкнутому циклу от вентиляторов, установленных на валу ротора. Воздух забирается из помещения и через циклонный воздухоочиститель поступает в корпус турбогенератора. Часть охлаждающего воздуха из турбогенератора направляется в бесщеточный возбудитель. Ориентировочный расход воздуха 3,5 м куб/с. Перегрев воздуха в турбогенераторе при номинальной нагрузке не должен превышать 30С.

Перед пуском температуры обмоток и сердечников турбогенератора, системы возбуждения, также окружающего воздуха в помещении не должны быть ниже +5C.

Подогрев обмоток и сердечников турбогенератора и системы возбуждения перед пуском до температуры +5C осуществляется от встроенных в турбогенератор и систему возбуждения электронагревателей.

Во время длительных остановов турбогенератор и система возбуждения также нагреваются от электрических нагревателей.

Тепловой контроль турбогенератора осуществляется следующими установленными на нем термопреобразователями сопротивления:

температура активной стали сердечника и обмотки статора - тсм 50 м-6 шт.;

температура окружающего воздуха на входе и выходе - тсмо 50 м - 5 шт.;

температура масла на сливе подшипников-тсм1388 50 м - 2 шт.;

температура вкладышей подшипников - тсм1388 50 м - 2 шт.

допустимая температура нагрева:

сердечника и обмоток статора +130єC

обмотки ротора +145єC

вкладышей подшипников +80єC

масло в подшипниках +65єC

Температура окружающей среды должна быть в пределах от +5C до +40C.

Влажность воздуха при 25C, не более 80%.

Технические данные турбогенератора ТК-4-2 р УХЛ3.

Тип синхронного двухполюсного турбогенератора ТК-4-2 р УХЛ3

Номинальная мощность, кВт/кВА 4000/5000

Номинальное напряжение, В 6300

Номинальный ток, А 458

Род тока переменный, трехфазный, c изолированной нейтралью

Частота, Гц 50

Частота вращения ротора, Об/мин 3000

Коэффициент мощности 0,8

К. п. д. 0,97

Система возбуждения бесщеточная с трехфазным электромашинным возбудителем, диодным выпрямителем и тиристорной станцией управления

Перегрузка по мощности в течение 2 мин, 50

Перегрузка по мощности в течение 1 часа, 10

Перегрузка по мощности длительно, 5

Точность поддержания напряжения при изменении нагрузки

в пределах 0…100 и при cos в пределах 0,8…1,0, 1

Максимальное отклонение по напряжению и частоте

при сбросах и набросах 50 нагрузки, 7

Время регулирование по напряжению генератора

при сбросах и набросах 50 нагрузки, не более, сек 5

Ток возбуждения генератора, А 289

Ток возбуждения бесщеточного возбудителя, А 6

Напряжения возбуждения бесщеточного возбудителя, В 120

Температура окружающей среды для станции возбуж-

дения должна быть в пределах от +5с до +40с

Относительная влажность воздуха при 20с, не более 80

Степень защиты бесщеточного возбудителя IP44

Степень защиты станции тиристорного возбудителя IP21

Комплектное распределительное устройство РУ-6 кВ

Комплектное распределительное устройство РУ-6 кВ серии КСО-292 предназначено для приема электроэнергии от синхронного генератора, распределения ее потребителю (в заводскую питающую сеть 6 кВ) или передачи на нагрузочное сопротивление (для проведения испытательных работ на ГТУ) и включает в свой состав оборудование и приборы, обеспечивающие работу и защиту генератора, распределение и учет вырабатываемой электроэнергии.

Температура окружающей среды должна быть в пределах от +1C до +35C.

Относительная влажность воздуха при 20С не более 80.

Устройство и работа РУ-6кВ

Внутри камеры размещены масляный выключатель, трансформатор напряжения, предохранитель, также кабельные присоединения и силовой трансформатор. Все приборы и аппараты подлежащие заземлению заземлены.

Распределительное устройство позволяет реализовать следующие режимы работы станции:

- работу генератора стенда 7 на нагрузочное сопротивление;

- работу генератора стенда 7 на энергосистему, на разные вводы энергосистемы;

- работу совместную с генератором стенда 8 на энергосистему.

Аппаратура дифференциальной защиты генератора установлена на панели защиты.

Устройство точной синхронизации

Для исключения бросков уравнительных токов и толчка активной нагрузки на валу генератора при включении на параллельную с энергосистемой работу используется устройство точной синхронизации, обеспечивающего подстройку величины напряжения, частоты и фазы напряжений генератора и энергосистемы перед включением на параллельную работу.

В функции устройства входят:

- сравнение амплитуд, частот и фаз генератора и энергосистемы;

- выдача управляющего сигнала на регулятор скорости двигателя (РЭД) для выравнивания частот и напряжений энергосистемы и генератора;

- выдача управляющего сигнала на регулятор напряжения возбуждения для выравнивания напряжений энергосистемы и генератора;

- выбор момента для подачи управляющего сигнала на включение масляного выключателя генератора.

При включении генератора способом точной синхронизации выполняются следующие условия:

- разница абсолютных значений напряжений генератора и энергосистемы должна находиться в пределах от 2 до 10;

- допустимое значение разности частот f должно быть не более 0,2 Гц;

- время опережения Т подачи импульса на включение масляного выключателя генератора определяется временем включения масляного выключателя и задается для конкретного выключателя в диапазоне от 0,1 до 1,0 с.

Технические данные устройства точной синхронизации

Устройство предназначено для работы в следующих условиях:

Температура окружающего воздуха от 10C до 35C

Относительная влажность воздуха при +25C 80

Верхнее значение температуры окружающего воздуха +40C

Нижнее значение температуры окружающего воздуха +1C

Охлаждение воздушное естественное

Номинальное значение напряжения измерительного трансформатора, В 100

Допустимое отклонение напряжения энергосистемы, -15; +10

Регулируемый диапазон разности напряжений энергосистемы

И генератора для включения на параллельную работу, от 2 до 10

Допустимая разность частот энергосистемы и генератора

Для включения на параллельную работу, Гц не более 0,2

Диапазон установок времени опережения, с 0,1…1.0

Устройство точной синхронизации установлено на открытой панели защиты РУ-6кВ.

Загрузочное устройство

Загрузочное устройство предназначено для создания электрической активной нагрузки на генератор при проведении испытательных и доводочных работ на ГТУ и состоит из понижающего трансформатора, нагрузочных сопротивлений, тиристорных коммутаторов и системы управления и защит. Загрузочное устройство позволяет создавать нагрузку на генераторе от 0 до 4500 кВт с регулированием нагрузки ступенями по 250 кВт.

Узел контроля изоляции цепей возбуждения

Узел контроля изоляции цепей возбуждения генератора предназначен для сигнализации о снижении сопротивления изоляции или замыкания на землю цепей возбуждения.

Узел содержит трансформатор ТР, конденсатор С, резисторы R1…R3, реле RH и предохранитель FU.

Работа узла заключается в следующем: при включении автоматического выключателя FS 9, на первичную обмотку трансформатора ТР подается напряжение ~220 В. Напряжение ~60 В со вторичной обмотки прикладывается к цепи: предохранитель FU конденсатор С - движок среднего резистора R2-резисторы R1, R3-обмотка возбуждения генератора ОВ - сопротивление изоляции - катушка реле PH. При нормальном значении сопротивления изоляции напряжение на катушке PH практически равно нулю.

При снижении изоляции цепей возбуждения напряжение на катушке PH существенно возрастает, реле срабатывает, замыкая свой н.р. контакт, подключенный к входу контроллера AH, обеспечивая предупреждающую сигнализацию о снижении уровня сигнализации цепей возбуждения.

Щит управления низковольтных комплектных устройств АСЗ

Щит низковольтных комплектных устройств АСЗ предназначен для ввода и распределения напряжения ~380 В от двух независимых источников, формирование напряжения собственных нужд: ~380 В; ~220 В, а также питания и управления вспомогательными электроприводами и нагрузками.

Контроль напряжения питания осуществляется с помощью реле напряжения и вольтметра с переключателем.

Кроме того в щите установлены элементы узла контроля изоляции (UE1) возбуждения генератора.

Программируемый контроллер AH

Для управления и контроля работой электростанции запроектирован программируемый контроллер типа ПКЭМ-3, представляющий собой быстродействующее много функциональное микропроцессорное устройство, архитектура которого оптимизирована для решения задач автоматического управления технологическими процессами.

Программируемый контроллер принимает на модули ввода входные сигналы от ключей и кнопок управления, различных датчиков параметров и обрабатывает их по программе, которая включает в себя логические и арифметические операции, сравнение с установками, запоминание, счет, обработку выдержек времени, формирование по форме и длительности выходных сигналов и формирует на выходных модулях выходные сигналы.

Технические данные программируемого контроллера

Температура окружающей среды, C +1…55

Относительная влажность при 25C, не более

Процессор МС 6802

Объём памяти пользователя, к байт 512/102+

Время выполнения команд пользователя

объёмом 1000 инструкций, мс не более 0,8

Энергонезависимая память команд… …sram

ОЗУ 16-ти разрядных инструкций, к байт 512/…/1024

Точность преобразования входных аналоговых

сигналов в цифровой код, 0,2

Точность преобразования аналоговых сигналов от

термопреобразователей сопротивлений в цифровой код, 0,1

Точность преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал 0,2

Последовательный интерфейс rs232, rs-485-profibus

Связь по последовательному интерфейсу с ЭВМ

со скоростью 93750 к бод на расстоянии, м 1200

Потребляемая мощность одного блока, ВА от 25 до 60

Количество кассет в шкафу, шт. 3

Устройство телемеханики

Устройство телемеханики предназначено для измерения основных электрических параметров генератора и энергосистемы, и согласования их с входными параметрами входных аналоговых модулей программируемого контроллера и системы `ГАММА'.

Конструктивно устройство состоит из преобразовательных устройств, установленных на панели телемеханики в РУ-6кВ и преобразующих измеряемые параметры в унифицированый сигнал 4…20 мА.

Пульт контроля и управления ПКУ

Пульт контроля и управления ПКУ предназначен для управления, контроля и сигнализации работы электростанции. ПКУ состоит из двух пультов: ПКУ 4 и ПКУ 5.

На лицевой крышке пульта ПКУ 4 расположены две панели: пульт питания и управления, панель управления двигателем. На лицевой крышке пульта ПКУ 5 расположены две панели: панель управления генератором, панель управления РУ-6 кВ, загрузкой, клапанами.

Панель управления РУ-6 кВ, загрузкой, клапанами состоит из: панели управления масляными выключателями: системным Q2 и нагрузочным Q3; панели управления загрузкой генератора, на которой установлены приборы контроля тока нагрузки генератора и аппараты включения нагрузки; панели управления клапанами газовой обвязки газодожимного устройства и газотурбинной установки.

Вспомогательное электрооборудование

К вспомогательному электрооборудованию электростанции относится электрооборудование системы маслосмазки двигателя, редуктора и генератора, обдува двигателя, нагрузочного устройства, котла-утилизатора и газодожимного устройства (ГДУ).

Описание газотурбинной установки

Привод синхронного генератора осуществляется от энергетической ГТУ, преобразующей энергию сжигания топлива в камере сгорания (КС) в механическую энергию на выходном валу редуктора, связанного через муфту с валом ротора генератора.

Необходимый для работы воздух поступает в компрессор двигателя через входную камеру из воздухоочистительного устройства ГТЭС. Уходящие выхлопные газы выводятся через соответствующие части выхлопного устройства и могут быть использованы для утилизации тепла.

Конструкция газотурбинной установки позволяет производить в процессе эксплуатации замену двигателя, всех составных частей, а также отдельных узлов и агрегатов систем двигателя и редуктора.

Состав и краткая характеристика основных частей ГТУ-4П:

- газотурбинный двигатель Д-30ЭУ-2;

- понижающий редуктор Р-45;

- комплекс трансмиссии «редуктор - генератор»;

- фрикционная муфта;

- входная камера и переходник;

- выходное устройство;

- рамы двигателя и редуктора;

- узлы крепления и регулировки ГТУ;

- трубопроводные коммуникации и электропроводка.

Газотурбинный двигатель Д-30ЭУ-2 разработан на основе авиационного двухвального двигателя Д-30 3 серии и по кинематической схеме состоит из турбокомпрессора (ТК) и свободной турбины (СТ).

Выбрана двухвальная система валов установки, где:

- первый вал - ротора турбокомпрессора (ТК) с центральным приводом и агрегатами на верхней и нижней коробках приводов двигателя;

- второй вал - ротора силовой свободной турбины (СТ) двигателя с выносным редуктором и трансмиссией для привода синхронного генератора.

Двигатель Д-30ЭУ-2 обеспечивает необходимую мощность путем сжигания газообразного топлива в камере сгорания и использования полученной энергии выхлопных газов для привода роторов ТК и СТ.

Мощность ТК расходуется на привод компрессора, верхней и нижней коробок приводов с агрегатами, обслуживающими двигатель и редуктор.

Мощность СТ полностью расходуется на привод генератора станции через трансмиссию, пластинчатые муфты и редуктор.

Роторы ТК и СТ имеют левое вращение - против часовой стрелки при направлении взгляда со стороны выхлопного устройства ГТУ. Частота вращения ротора СТ постоянная (Nст = 5520 об/мин). Передаточное отношение редуктора i = 1,84, частота вращения на выходе из редуктора равна Nвых = 3000 об/мин.

Рама двигателя является силовым элементом и служит для крепления на ней двигателя Д-30ЭУ-2 и крепления двигателя на фундаменте электростанции, обеспечения соосности двигателя, редуктора и генератора, крепления трубопроводных магистралей воздушных и масляных систем ГТУ.

Части трансмиссий «двигатель-редуктор» и «редуктор-генератор» служат для передачи мощности от СТ двигателя к редуктору и от редуктора к синхронному генератору, соответственно. Вал трансмиссии между двигателем и редуктором в составе ГТУ-4П удлинен с учетом габаритов входной камеры.

В состав трансмиссии «редуктор-генератор» входит предохранительная фрикционная муфта, которая предназначена для передачи крутящего момента от редуктора ГТУ к генератору и предотвращения поломки двигателя, редуктора и генератора электростанции при резком увеличении нагрузки генератора.

Муфта фрикционная выполнена в виде двух, последовательно соединенных муфт - упругой муфты и муфты фрикционной.

Муфта фрикционная соединяет установку ГТУ-4П с валом ротора генератора и служит предохранительным элементом ГТУ от перегрузок, которые могут возникать на валу ротора генератора от резкого повышения нагрузки генератора.

Упругая муфта, помимо передачи крутящего момента, компенсирует осевой перекос между валами редуктора и генератора и уменьшает осевое усилие на ротор генератора при температурном удлинении валов редуктора и генератора.

Редуктор Р-45 служит для снижения частоты вращения ротора СТ до частоты вращения ротора генератора. Редуктор поставлен на индивидуальную раму спереди от двигателя.

Входная камера ГТУ направляет поток заходящего воздуха в проточную часть к компрессору двигателя и закрывает подвижные детали трансмиссии между двигателем и редуктором от прямого доступа персонала.

Выходное устройство предназначено для отвода выхлопных газов из двигателя в выхлопную систему и создания воздушного потока в наружном канале двигателя для охлаждения корпусов турбины, наружных кожухов двигателя и внутренних кожухов выходного устройства.

На ГТУ поставлены:

- система смазки и суфлирования двигателя;

- система смазки и суфлирования редуктора;

- система топливопитания и автоматического управления (САУ);

- система запуска двигателя;

- система отборов воздуха.

Cистема смазки и суфлирования двигателя предназначена для подачи масла в узлы трения двигателя и отвода от них тепла, а также для поддержания избыточного давления в масляных полостях ГТД. Кроме того, масло из системы смазки и суфлирования двигателя применяется в качестве рабочей жидкости для командного агрегата КА-30Г.

Система смазки редуктора предназначена для подачи масла к узлам трения редуктора т отвода от них тепла, а также для суфлирования масляных полостей редуктора на всех режимах ГТУ.

Система топливопитания и САУ ГТУ служат для подачи топлива в камеру сгорания и автоматического управления ГТД Д-30ЭУ-2, а также для взаимодействия с другими системами, обеспечивающими работу ГТУ в составе электростанции на всех режимах эксплуатации.

Здесь должен быть рис 3

В системе запуска двигателя применяется стартер СтВ, обеспечивающий необходимую начальную раскрутку ротора ТК в процессе запуска и вентиляцию проточной части двигателя, автоматический запуск двигателя и вывод ГТУ на режим холостого хода, а также прекращение запуска или холодной прокрутки двигателя (автоматическое или принудительное). Рабочее тело в СтВ - пусковой газ или сжатый воздух, поступающий из заводской магистрали с давлением 5…6 кгс/см². Расчетный расход пускового воздуха - 1,5 кг/с.

В состав системы запуска входят:

- электронно-гидромеханическая система автоматического управления и топливопитания САУ-30ЭУ2, в части обеспечения запуска ГТУ;

- пусковая система;

- система зажигания;

- система управления механизацией компрессора.

Циклограмма запуска выполняется автоматически по сигналам с РЭД-90Э в соответствии с программой, заложенной в агрегат.

В состав пусковой системы входят:

- стартер воздушный СтВ-10Г (номинальная мощность 75 5 п.с.);

- перекрывная заслонка с электромеханизмом МПК-17;

- трубопроводы.

Управление стартером и перекрывной заслонкой на пусковых режимах ГТУ производится по сигналам с РЭД-90Э.

При запуске, по сигналу с РЭД-90Э в БК-90Э срабатывает реле запуска и напряжение питания 27 В подается на агрегат зажигания, в котором преобразуется в высокое напряжение и далее подается к электродам свечей, воспламеняя газовоздушную смесь.

Система отборов воздуха предназначена для отбора сжатого воздуха из канала проточной части компрессора на технологические нужды ГТУ и станции.

Трубопроводные коммуникации ГТУ являются частью систем топливопитания и автоматического управления, смазки и суфлирования, запуска и отборов воздуха и предназначены для сообщения между собой и с цеховыми системами рабочих полостей двигателя, агрегатов и датчиков. Они расположены непосредственно на двигателе, редукторе и подмоторной раме.

Электропроводка ГТУ состоит из электропроводки двигателя, редуктора и предназначена для соединения электрических элементов агрегатов, блоков, и датчиков ГТУ между собой и с источниками питания.

Параметры электропитания агрегатов ГТУ:

- номинальное напряжение постоянного тока, В 27

- требования по качеству электропитания по ГОСТ19705-81

- потребляемая мощность, кВт, не более 0,5

Основные технические данные ГТУ-4П

Условное обозначение установки ГТУ-4П

Тип установки энергетическая,

газотурбинная,

открытого цикла

Номинальная механическая мощность

на выходном валу ГТУ, кВт - 4100

Безотказность работы ГТУ-4П гарантируется

на всех режимах работы в районах с умерен-

ным и холодным климатом при изменении

параметров окружающей среды в пределах:

Температуры, град С -55…+45

Относительной влажности, % до 100

Атмосферного давления, мм. рт. ст. 670…800

Частота вращения вала ротора генератора, об /мин 3000

Направление вращения вала ротора генератора левое

Основные режимы работы ГТУ-4П

Режим работы	Наименование параметров	Значение
Максимальный	Частота вращения ротора ТК Nтк, об/мин Частота вращения ротора СТ Nст, об/мин Мощность на выходе генератора Рг, кВт Температура газов за ГТД град tт, не более, С	10350 + -200 5520 + -11 -100 500
Пиковый	Частота вращения ротора ТК Nтк, об/мин Частота вращения ротора СТ Nст, об/мин Мощность на выходе генератора РкВт Температура газов за ГТД tт, не более, град С	10100 + -200 5520 + -11 485
Номинальный	Частота вращения ротора ТК Nтк, об/мин Частота вращения ротора СТ Nст, об/мин Мощность на выходе генератора Рг, кВт КПД, эффективный, не менее, % Температура газов за СТ tт, не более, град С	9950 +-200 5520 + -11 4000 +200 24 470
0,5 номинального	Частота вращения ротора ТК Nтк, об/мин Частота вращения ротора СТ Nст, об/мин Мощность на выходе генератора Рг, кВт Температура газов за ГТД tт, не более, град С	9100 + -200 5520 + -11 2000 - +100 450
Холостой ход генератора (ХХг)	Частота вращения ротора ТК Nтк, об/мин Частота вращения ротора СТ Nст, об/мин Мощность на выходе генератора Рг, кВт Температура газов за ГТД tт, не более, град С	6150 + -500 5520 + -11 0 450

Примечания:

1. Холостой ход генератора (ХХг) - режим работы ГТУ с включенным возбуждением

генератора и отсутствием тока нагрузки. Холостой ход (ХХ) - режим работы ГТУ без

включения возбуждения генератора.

2. Максимально допустимое время работы на режимах выше номинального определяется ограничениями применяемого генератора.

3. Допускается длительная работа на режимах от ХХ до номинального включительно с любой продолжительностью в пределах межрегламентной наработки.

4. Номинальная мощность обеспечивается при температуре воздуха на входе в двигатель (tвх) до +25С. При увеличении tвх от 25С до 45С мощность может быть снижена не более, чем на 5.

5. Максимальная и пиковая мощность ГТУ обеспечивается при tвх не выше +15С.

6. Значение эффективного КПД дано по механической мощности на муфте привода генератора.

7. Изменение максимальной, пиковой и номинальной мощности в зависимости от tвх.

Основные параметры работы ГТУ обеспечиваются при эксплуатации в следующих расчетных условиях:

- гидравлическое сопротивление впускного тракта ГТУ, мм. рт. ст., не более 100

- гидравлическое сопротивление выхлопного тракта ТУ, мм. рт. ст., не более 100

- КПД генератора, %, не менее 97

- отсутствуют отборы воздуха на нужды электростанции и противообледенительную систему двигателя (ПОС)

Основные параметры (условия) эксплуатации ГТУ:

- допустимое снижение номинальной мощности, % до 4

- допустимое снижение эффективного КПД на

номинальном режиме, %, не более 2

- время автоматического запуска ГТУ из прогретого

состояния с выходом на режим ХХ, сек, не более 150

- допустимый наброс нагрузки, % от Рн генератора 50

- допустимый сброс нагрузки с выходом на режим ХХ,

% от Рн генератора 100

- отклонение частоты вращения ротора СТ при сбросе

(набросе) 50% от Рн генератора, %, не более 8

- время стабилизации частоты вращения ротора СТ сбросе

(набросе) 50% от Рн генератора, сек 5

- диапазон статической неравномерности регулирования

частоты вращения ротора СТ (Nст=const), % 0,5…4,0

- топливо - природный газ по ГОСТ5542-87 или ОСТ51.40-93

- при применении в топливной системе станции ГДУ

допускается наличие в топливе паров масла в количестве,

г/кг, не более 0,005

- параметры топливного газа на входе в ГТУ в избыточное

давление, кгс/см2 14…16

температура, град С +5…+50

- тонкость фильтрации газа в фильтрах блока подготовки

топлива, мкм, не более 40

- расход топлива на максимальном режиме, кг/ч 1500

- номинальный расход воздуха на охлаждение корпусов

двигателя, обеспечиваемый системами станции, кг/с 5…10

- время выбега ротора ТК при останове с частоты

вращения Nтк=1000 об/мин до момента останова, сек, не менее 100

Подготовка топливного газа для ГТУ должна производиться специализированным блоком энергоподготовки в соответствии с ГОСТ29328-92, обеспечивающим:

- очистку природного газа от механических частиц с размерами более 40 мкм;

- удаление из газа жидких фракций (газового конденсата, масла, капельной влаги);

- автоматическое поддержание температуры и давления газа на входе в двигатель в заданном диапазоне значений.

Уникальные эксплуатационные характеристики

- Сброс 100 номинальной нагрузки с выходом на режим «холостой ход;

Наброс 110 номинальной нагрузки с сохранением требуемых параметров электрического тока;

Быстрый турбодетандерный запуск и прием нагрузки не более, чем за 70 сек;

Полная автономность;

Высоконадежная двухканальная электронная система управления с возможностью перепрограммирования;

Система контроля за состоянием, созданная на базе авиационных технологий;

Возможность работы как на изолированного потребителя, так и в сеть или параллельно с другими станциями;

Низкий уровень эмиссии: NO x50 мг/нм.

Модульная конструкция.

Возможность замены узлов без полной разборки;

Отдельное расположение САУ и элементов обеспечения;

Выносной редуктор.

Простота обслуживания и надежность.

Энергонезависимость (обеспечение собственных нужд от внутреннего источника);

Точность и надежность диагностики, в том числе осмотр с помощью бороскопов, позволяющих производить эксплуатацию ГТУ по техническому состоянию;

Дистанционное управление.

Быстрый ввод в эксплуатацию.

Габариты и вес, позволяющие транспортировку любым видом транспорта;

Установка или снятие ГТУ за один день;

Минимальные требования для ввода в эксплуатацию:

давление топливного газа 10…12 кг/см

давление пускового газа 4…6 кг/см

напряжение (от аккумулятора) 24В

Двигатель Д-30ЭУ-2

Двигатель Д-30ЭУ-2 обеспечивает привод синхронного генератора через трансмиссию и редуктор в составе ГТУ-4П.

Основные узлы двигателя:

- входное устройство;

- корпус разделительный с центральным приводом и коробками приводов;

- компрессор;

- камера сгорания;

- турбина;

- задняя опора (ЗО).

САУ выполняет следующие функции управления двигателем:

- запуск двигателя;

- холодную прокрутку;

- поддержание заданного статического режима;

- управление двигателем в переходных режимах;

- останов;

- аварийный останов;

- контроль за текущими значениями основных параметров;

- ограничение предельных параметров;

- формирование предельных параметров;

- управлением механизацией компрессора;

- управлением противообледенительной системой;

- выдача информации об обнаружении неисправностей цепей;

- взаимодействие с системами электростанции.

Система включает в себя следующие узлы и агрегаты:

- регулятор электронный двигателя РЭД-94Э;

- блок коммутации БК-90Э (БК-90ЭМ);

- командный агрегат КА-30Г;

- дозатор газа ДГ-30Г;

- клапан стопорный КС-90ГП1.

- взаимодействующие с РЭД-90Э датчики и сигнализаторы;

- агрегаты и исполнительные механизмы;

- трубопроводы и электропроводка.

Топливный газ перед подачей в двигатель подготавливается в стационарных системах: редуцируется, подогревается и очищается по ГОСТ 21199-82. Подготовленный газ подается к стопорному клапану и далее к дозатору газа. От дозатора газа, отдозированный в соответствии с программой регулирования, топливный газ по коллектору поступает к форсункам КС.

Центральный привод является силовым элементом двигателя и служит для передачи крутящего момента от ротора ТК к верхней и нижней коробкам приводов.

Верхняя и нижняя коробки приводов служат для крепления и привода агрегатов, обслуживающих двигатель и редуктор.

На верхней коробке приводов расположены:

- стартер СтВ-10Г;

- центробежный суфлер ЦС-30;

- командный агрегат КА-30Г;

- датчики частоты вращения ротора ТК ДЧВ-2500А (3 шт.);

На нижней коробке приводов расположены:

- основной маслонасос ОМН-30;

- маслонасос редуктора МНР-32;

- маслонасос откачки МНО-32;

- центробежный воздухоотделитель ЦВО-33.

Входное устройство предназначено для подвода воздуха из входной камеры ГТУ-4П в компрессор двигателя с наименьшими потерями и состоит из воздухозаборника, корпуса промывки и обтекателя.

Компрессор предназначен для сжатия воздуха и подачи его в камеру сгорания.

Камера сгорания трубчато-кольцевого типа служит для сжигания в ней топлива с целью подвода тепла к рабочему телу ГТД.

Турбина - осевая, четырехступенчатая, двухвальная, предназначена для получения крутящего момента необходимого для вращения роторов СТ и ТК. ТК предназначена для привода компрессора и коробок приводов, а СТ - для привода генератора электростанции.

Для предотвращения поломки турбины, в случае превышения частоты вращения ротора СТ сверх нормы, двигатель оборудован электронной системой защиты турбины от раскрутки (СЗТР).

Редуктор Р-45.

Редуктор Р-45, трехпоточный, двухступенчатый с шевронными зубчатыми колесами, служит для получения номинальной частоты вращения вала синхронного генератора при снижении с определенной частоты вращения вала ротора СТ двигателя.

Номинальная частота вращения вала привода Р-45 от СТ - 5520 Об/мин, номинальная частота вращения вала на выходе из Р-45 для привода генератора - 3000 Об/мин.

Охлаждение и смазка редуктора осуществляется за счет постоянного обмена масла в системе смазки и масляного тумана (паров), образованного при распылении масла под давлением в зонах зацепления зубчатых колес и размещения подшипников.

Рама редуктора является силовым элементом и служит для крепления на ней редуктора и крепления редуктора на фундаменте электростанции, обеспечения соосности редуктора и генератора.

Основные технические данные редуктора Р-45

- тип редуктора трехпоточный двухступенчатый с шевронными зубчатыми колесами

- масса сухая редуктора на раме, кг 1500

- номинальная частота вращения входного вала, об/мин 5520

- частота вращения выходного вала, об/мин 3000

- максимальная мощность, кВт 4800

Система автоматического управления электростанции осуществляет контроль за следующими параметрами:

- температура и давление масла на входе в двигатель;

- температурой масла на выходе из роликового подшипника СТ;

- температурой масла на выходе из шарикового подшипника компрессора и межвального - роликоподшипника;

- температурой масла на выходе из роликового подшипника ТК;

- наличием металлической стружки в масле;

- минимальным давлением масла на входе в двигатель;

- максимальным давлением суфлирования.

При останове ГТУ, когда производительность двигательных маслонасосов недостаточна, САУ электростанции включает электроприводной маслонасос МНДЭ-33 в составе станции, который осуществляет подачу масла в двигатель для охлаждения и откачку масла из него.

САУ состоит из:

- системы топливопитания;

- системы автоматического управления;

- системы управления механизацией компрессора;

- противообледенительной системы (ПОС).

Система автоматического управления обеспечивает выполнение предпусковой подготовки, проверок, оперативного контроля и управления двигателем на запуске, переходных и основных режимах.

В систему автоматического управления входят:

- электронно-гидромеханическая система автоматического управления САУ-30ЭУ 2;

- взаимодействующие с САУ-30ЭУ 2 датчики, сигнализаторы, агрегаты и исполнительные механизмы;

- трубопроводы и электорпроводка.

САУ обеспечивает выполнение следующих функций по управлению двигателем:

- автоматическую проверку условий готовности к запуску и выдачу соответствующей информации оператору;

- автоматическое управление системой запуска по специальным программам запуска или холодной прокрутки;

- автоматическое управление двигателем на основных режимах и принудительный останов по команде оператора;

- автоматическую защиту по аварийным сигналам двигателя и электростанции с выполнением аварийного останова станции и выдачей соответствующей информации оператору о причине останова;

- выдачу сигналов-предупреждений оператору в случае нарушений эксплуатационных ограничений двигателя и генератора;

- контроль и проверку цепей внутри САУ-30ЭУ 2 с выдачей необходимой информации оператору;

- управлением механизацией компрессора;

- управлением ПОС.

Работа САУ двигателя:

- по команде с пульта управления станции САУ обеспечивает подачу пускового газа к стартеру, подачу топливного газа в КС, ее розжиг и дозирование топливного газа согласно программам управления;

- САУ принимает и обрабатывает сигналы от датчиков и систем ГТУ, контролирует основные параметры двигателя и воздействует на исполнительные элементы агрегатов ГТУ и станции в соответствии с программами управления;

- САУ регулирует частоту вращения ротора СТ по командам устройства точной синхронизации или с пульта станции при синхронизации генератора с энергосистемой;

- САУ контролирует и ограничивает режим работы двигателя при достижении предельных величин параметров и выполняет аварийный останов с одновременной блокировкой сигналов, вызвавших останов.

Система автоматического управления электростанции осуществляет контроль за следующими параметрами:

- температура и давление масла на входе в редуктор;

- температура масла на выходе из редуктора;

- наличие металлической стружки в масле;

- минимальное давлением масла на входе в редуктор.

Для определения технического состояния ГТУ-4П во время эксплуатации осуществляется контроль основных параметров двигателя Д-30ЭУ-2 и редуктора Р-45 при помощи соответствующих датчиков и сигнализаторов, установленных на двигателе и редукторе, и преобразующих измеренные значения контролируемых параметров в аналоговые или дискретные электрические сигналы для выдачи их в систему автоматического управления двигателем - САУ-30ЭУ-2 и систему управления электростанцией.

Электрическая мощность, вырабатываемая энергоблоком, через РУ-6кВ ТЭС «ЯНУС» распределяется заводским потребителям по кабельным линиям через подстанции ТП-14, ТП-30 и ТП-31 (рис. 4). Эти подстанции имеют также питающий ввод от энергосистемы (ТЭЦ-6). Такая схема распределения электроэнергии позволяет работать энергоблоку как в автономном режиме с отключением ввода от ТЭЦ-6, так и в режиме параллельно с энергосистемой без отключения ввода от ТЭЦ-6.

При автономном режиме работы энергоблока мощность вырабатываемой генератором энергии определяется мощностью подключенной нагрузки. При этом САУ двигателя обеспечивает поддержание постоянной частоты вращения СТ, а частота вращения ТК изменяется с изменением мощности подключенной нагрузки за счет изменения количества топлива, подаваемого в КС ГТД системой топливопитания и САУ двигателя.

При работе энергоблока параллельно с энергосистемой активная мощность вырабатываемая генератором определяется углом нагрузки синхронного генератора (угол между векторами ЭДС генератора и напряжением сети), который определяется мощностью, развиваемой ГТД и определяемой количеством топлива, подаваемого в КС двигателя и частотой вращения ротора ТК. Таким образом изменяя частоту вращения ротора ТК можно изменять активную мощность, вырабатываемую генератором. При этом частота вращения валов ротора генератора и СТ двигателя остаются постоянными и определяются частотой напряжения энергосистемы.

Реактивная мощность, вырабатываемая или потребляемая генератором, определяется величиной тока возбуждения, который при работе параллельно с энергосистемой поддерживается на уровне, обеспечивающего работу генератора с соs раным 0,8. Топливом для ГТД является природный газ, который подается в топливную систему двигателя при давлении 13…15 кгс/см² и температуре 5…50С. Расход газа при максимальном режиме работы - 1500 кг/ч.

Природный газ поступает к ТЭС от ТЭЦ-6 давлением 3 кгс/см².

Для подготовки газа используется газодожимное устройство (ГДУ), обеспечивающее увеличение давления газа до требуемых значений, система очистки газа с отстоем влаги и газового конденсата. Продувка и вытеснение воздуха из подводящих газовых магистралей перед началом работы осуществляется из баллонов сжатым азотом.

Выхлопные газы от ГТД стенда 8 поступают через двухпозиционную задвижку (поворотный шибер) в горизонтальную часть выхлопного устройства. При работе без утилизации тепла газы отводятся наружу и выбрасываются в атмосферу через вертикальную шахту с шумоглушением на выходе из бокса. (рисунок 4)

При работе с утилизацией тепла выхлопные газы от ГТД направляются задвижкой в котел-утилизатор (КУ) и через его газовый тракт и шумоглушащее устройство (входящего в состав котла) выбрасываются в атмосферу.

2. Математическое описание элементов газотурбинной установки

В общетеоретическом смысле моделирование означает отображение или воспроизведение определенных сторон действительности для изучения интересующих исследователя объективных закономерностей; соответственно и метод моделирования - метод опосредованного познания объективной реальности, которая проявляется в виде взаимосвязанной совокупности свойств объекта исследования, отражающей различные аспекты его взаимодействия с внешней средой, существования и развития [3].

В общем случае под моделированием понимается изучение моделируемого объекта (оригинала), базирующееся на взаимооднозначном соответствии определенной части свойств оригинала и замещающего его при исследовании объекта (модели) и включающее в себя построение модели, изучение ее и перенос полученных сведений на моделируемый объект - оригинал.

В теории моделирования под оригиналом понимается объект, определенные свойства которого подлежат изучению методом моделирования. Систему будем понимать как совокупность компонентов (составных частей), которые рассматриваются как единое целое и организована для решения определенных функциональных задач так, что два любых ее компонента взаимосвязаны некоторым системообразующим отношением; в системе могут быть выделены подсистемы - относительно самостоятельные части системы, функционально связанные между собой, и элементы - компоненты системы, принимаемые в данной постановке задачи как неделимые на более мелкие составляющие.

Под явлением будем понимать совокупность процессов, сопутствующих работе ситемы и проявляющихся в виде изменений состояний или режимов этой системы; соответственно режим - это состояние системы, определяющееся множеством различных процессов и зависящее от собственных параметров системы и параметров возмущающих воздействий [4].

Различают установивщиеся и переходные режимы работы системы: под установившимся режимом понимается такое состояние системы, при котором параметры режима постоянны или незначительно изменяются около некоторого среднего значения; под переходным режимом понимают такое состояние системы. При котором происходит непрерывные последовательные изменения параметров режима, обусловленные изменением начальных условий или появлением возмущающих воздействий и приводящие к отклонениям режима от его установившегося значения.

Изменения данного состояния или режима системы характеризуется некоторыми показателями, которые называются текущими переменными или обобщенными координатами.

Системы, в которых параметры постоянны на всем интервале времени существования изучаемого процесса или изменяются независимо от его протекания, называются нелинейными системами.

Под моделью обычно понимается вспомогательный объект, находящийся в определенном соответствии с изучаемым объектом - оригиналом и более удобный для решения задач конкретного исследования. Отражая отдельные особенности поведения объекта - оригинала, модель имеет некоторые идентичные черты с оригиналом и служит для получения информации, которую затруднительно либо невозможно получить путем непосредственного исследования оригинала.

Понятие модели принципиально существенно шире: функции модели может выполнять не только специально созданная экспериментальная установка, но и наблюдаемое явление, и символическое описание оригинала, и мысленный образ и т.д. Поэтому в общем случае модель - это явление, техническое устройство, знаковое образование или иной условный образ, которые находятся в определенном соответствии с изучаемым объектом - оригиналом и способны замещать оригинал в процессе исследования, давая о нем необходимую информацию.

Следует подчеркнуть, что не существует моделей вообще: модель всегда находится в определенном соотношении с конкретным изучаемым объектом; нельзя называть моделью экспериментальную установку или математическое выражение, для которых отсутствует адекватная физическая реализация.

...