книги из ГПНТБ / Автоматическое управление газотурбинными установками

ним может меняться в значительных пределах. Это приводит к изме­ нению момента на валу ТНД, а значит, скорости вращения ТНД

ипроизводительности нагнетателя. Для обеспечения постоянной производительности нужно стабилизировать скорости вращения ТНД

инагнетателя. Эту задачу также выполняет автоматический регу­ лятор.

Таким образом, ограничения, накладываемые на многие пара­

метры ГТУ, приводят к тому, что для их выполнения необходимо применять автоматы.

Помимо рассмотренных ограничений, контроль за выполнением которых поручается автоматам, имеется целый ряд отклонений в состоянии агрегатов, вызывающих аварийные режимы. К этим отклонениям относятся следующие. 1. Осевой сдвиг валов ТНД и ТВД, так как они испытывают-не только радиальную, но и осевую

ных агрегатов турбины, служащая мерой их нормальной работы.

водит к выводу, что их отклонение от нормальных значений, как правило, создает аварийные ситуации. Цель автоматики — не допу­ стить развития аварийной ситуации, поэтому, находясь в непрерыв­ ной работе, автоматика должна быть чрезвычайно надежной. Затраты на автоматизацию составляют весьма малую часть (4—5%) от общей стоимости ГТУ, а экономия от безаварийной работы может составить весьма значительную сумму (допустим, стоимость лопаточного аппарата).

Значение автоматизации газотурбинных установок

Сфера действия системы управления газотурбинным агрегатом охватывает не только управление основным процессом преобразо­ вания энергии, протекающим в газовой турбине, но включает в себя также и управление большим числом вспомогательных механизмов. Несмотря на то, что процесс управления каждым отдельно взятым вспомогательным механизмом весьма прост и сводится большей частью к реализации элементарных команд типа «включить» — «выключить» или «открыть» — «закрыть», конструкция этих меха­ низмов, а также закономерности их взаимодействия между собой в периоды пуска, работы и остановки агрегата налагают существен­ ные ограничения на процесс управления всем комплексом.

Не менее важное значение для управления агрегатом имеют и ограничения, налагаемые внешними связями — зависимостью процессов, протекающих в агрегате, от состояния других агрегатов цеха и общецехового оборудования. Наличие, большого числа взаимо-

зависимых связей и необходимость их постоянного учета предопре­ делили, как указывалось, использование автоматических систем управления для обеспечения надежной работы агрегатов.

Предпосылки для этого заложены прежде всего в самой структуре магистрального газопровода, на котором используется большое число однотипных агрегатов, что создает благоприятные условия для внедрения комплексной автоматизации процесса транспорта газа на базе полной автоматизации основного технологического обор5Щованпя — газоперекачивающего агрегата. Внедрение авто­ матики оказывается необходимым, так как только на этой основе возможно достижение высокой эффективности и обеспечение без­ аварийной эксплуатации газопровода.

Повышение эффективности с введением автоматизации объяс­ няется не-только сокращением эксплуатационных расходов, что достигается уменьшением численности обслуживающего персонала. Более существенное значение имеет то обстоятельство, что опти­ мальные, т. е. экономически наиболее выгодные, режимы работы оборудования могут поддерживаться длительное время только при условии его автоматизации. Действительно, оптимальные режимы нагнетателя с газотурбинным приводом почти всегда являются одновременно и предельными, лежащими около границы аварийных режимов. Например, допустимые отклонения в сторону увеличения для таких определяющих параметров ГТУ, как давление на выходе нагнетателя, температура газа перед турбиной или скорость враще­ ния, не превышают 2—3% от номинального значения этих величин. Очевидно, что при таких условиях длительная работа иа номиналь­ ных режимах и вблизи от них может осуществляться только в том случае, если заданный режим стабилизируется автоматически, а отклонение от него в опасную зону не приводит к неблагоприятным последствиям благодаря наличию системы защиты.

Такое понимание задач и целей системы автоматического упра­ вления газотурбинным агрегатом позволяет следующим образом

б л о к и р о в о к — необходимое условие централизации управле­ ния агрегатами в пределах компрессорной станции и газопровода в целом. Ее важнейшей задачей является не только обеспечение заданной последовательности пусковых и остановочных операций, но и проведение их за возможно короткое время и без нарушения ограничений, налагаемых конструкцией агрегата и вспомогательных узлов.

2. П о д с и с т е м а з а щ и т ы предназначена для предохра­ нения агрегата от развития аварийных ситуаций, могущих возник­ нуть как в рабочем режиме агрегата, так и в Процессе пуска или

стабилизацию режима работы агрегата в соответствии с установлен­ ным заданием но одному или нескольким определяющим параметрам,

18

либо выбирает и поддерживает оптимальный для данной ситуации режим.

4. П о д с и с т е м а к о н т р о л я и с и г н а л и з а ц и и обеспечивает поступление необходимой информации в логическую часть системы управления и к обслуживающему персоналу.

5. П о д с и с т е м а о п р о б о в а н и я позволяет налаживать и проверять агрегат и его узлы после ревизий и ремонтов, а также периодически проверять исправность систем автоматического упра­ вления.

В системе управления газотурбинного агрегата должна быть предусмотрена необходимая связь с общецеховыми или станционными

•системами управления и регулирования. Помимо связей разреши­ тельных (разрешение пуска при готовности станции) или блокиро­ вочных (отключение агрегата при падении давления топливного газа) должна быть обеспечена в дальнейшем возможность управления агрегатом по линиям телемеханики.

Постановка задачи об автоматическом управлении

Автоматическое управление газотурбинной установкой осуще­ ствляется в двух совершенно разных режимах. Первый режим —это пуск и остановка газотурбинного агрегата. Второй режим — стаби­ лизация скорости вращения вала ТНД при изменяющейся нагрузке. Два этих режима обеспечиваются двумя разными подсистемами — подсистемой пуска и блокировок и подсистемой регулирования. В некоторые моменты обе эти подсистемы работают одновременно, будучи связанными через регулирующий клапан. Автоматическое управление в двух режимах имеет два аспекта: математический и прикладной (инженерный).

Дадим математическую постановку задачи для режима пуска.

ственно ТВД и ТНД, хі = Р і — давление рабочего тела перед ТВД,

воздействие, т. е. положение пг регулирующего клапана; і (х, и) — вектор-функция с координатами f lt f 2, . . ., которыми характе­ ризуются законы преобразования энергии и течения рабочего тела по проточной части.

предохраняющие турбину от аварийных режимов.

19

I

чения могут накладываться не только на сами координаты, но и на скорости их изменения. Так, во время пуска должна быть ограничена скорость нарастания температуры перед ТВД, т. е.

<?Ѳі

dt —®1^®1шах-

Пусть в пространстве состояний дано начальное значение вектора X в момент t 0, т. е. х (t0), и'конечное состояние этого вектора в мо­ мент £j, т. е. X (fj). Требуется с помощью управления и (t) перевести: вектор X из начального состояния х (і0) в конечное х (^). К движе­ нию между точками х (t 0) и х (^) могут предъявляться определенные требования, поэтому данная общая задача распадается на две частные.

При условиях 1 и 2 задача пуска газовой турбины пока не решена. Дело в том, что уравнение (1.5), записанное в общей математической форме, нельзя конкретизировать для нестационарных термодинами­ ческих процессов. Формулы (1.1) — (1.4) справедливы только для стационарных процессов. Все процессы в турбине при ее пуске нестационарны, а для них нет приемлемого математического описа­ ния. Естественно, что со временем задача математического описания нестационарных термодинамических процессов будет решена и, следовательно, оптимизированы пусковые режимы. Но даже если иметь строгое решение задачи, то реализовать полученный закон управления не всегда возможно по двум причинам: не все координаты в процессе работы турбины наблюдаемы, из-за сложности приме­ няемых элементов может снизиться надежность системы управления.

Остановимся подробнее на этих причинах. Многие параметры, характеризующие работу турбины, контролируются; перечень их дан ниже. Но есть весьма важные параметры, которые пока не кон­ тролируются. К ним можно отнести температуру лопаточного аппа­ рата, перепад температур по диску рабочего колеса, зазор между лопатками и корпусом и т. д. Перечисленные параметры весьма существенны при пуске, который, вообще говоря, должен происхо­ дить так, чтобы не превышать допустимых ограничений на них. Следовательно, данные параметры должны контролироваться, но пока это невозможно из-за отсутствия измерительных приборов. Делаются попытки замерить эти параметры косвенным путем, но

териям, достаточно сложны, и для их реализации необходимо при­ менение элементов аналоговой или цифровой техники. Вычисления

20

часто содержат такие операции, как извлечение корня, возведение в степень, деление, умножение, суммирование и т. д. Все эти опера­ ции должны выполняться непрерывно в процессе пуска в реальном масштабе времени. Оптимальное управление можно рассчитать заранее на цифровой машине и иметь его в виде программы. Реали­ зация сложной программы также часто требует элементов аналоговой вычислительной техники или специальных маломощных следящих систем. Кроме того, программу следует корректировать при изме­ нении условий пуска. Введение в систему управления элементов вычислительной техники, специальных следящих систем и других сложных аппаратов, необходимых для реализации оптимальных законов, неизбежно снизит ее надежность.

Конкурентом строго математического решения задачи об опти­ мальном управлении пуском выступает конкретный инженерный опыт и способность человека к весьма точной экстраполяции. Дей­ ствительно, конструируя газовую турбину, инженер хорошо знает все ее свойства и возможности управления, которые впоследствии проверяются во время экспериментов над отдельными узлами и при стендовых испытаниях машин. Поэтому опыт позволяет находить, может быть, не оптимальные, но во всяком случае близкие к опти­ мальным законы управления, которые, как правило, легче реализу­ ются и вполне удовлетворяют практику. Законы управления пуском, реализации которых посвящена гл. IV, найдены опытным путем.

Обратимся теперь- к стабилизации рабочих режимов при изме­ нении нагрузки, в частности к стабилизации скорости вращения ТНД. Здесь дело обстоит совсем иначе, чем при пуске, т. е. задача стабилизации может иметь строгое решение, которое достаточнопросто реализуется практически. Перейдем к постановке задачи стабилизации рабочих режимов с математической и практической точек зрения.

Уравнение движения замкнутой системы стабилизации запи­ сывается в той же векторной форме, что и уравнение (1.5), хотя координаты вектора могут иметь другие значения:

В такой форме задача устойчивости системы не решена, можно* говорить об устойчивости только частных решений. Но так как изме­ нение координат, по самому смыслу работы системы стабилизации, происходит в малой окрестности рабочей точки, т. е. заданного рабочего режима, то к уравнению (1.5) можно применить принцип линеаризации и заменить нелинейную задачу линейной. Тогда математическое описание системы регулирования можно представить, уже в виде линейного векторного уравнения

где А и В — матрицы с постоянными элементами.

21і

Конкретная расшифровка векторно-матричного уравнения (1.6) дана в гл. V. Задача устойчивости и качества системы, которая имеет математическое описание (1.6), хорошо разработана и доведена до инженерных рекомендаций. Но здесь опять сталкиваемся с неко­ торыми трудностями при расчете систем стабилизации, имеющих высокий порядок, а именно к таким системам относится газовая турбина. Поэтому, как правило, математическое описание, даже линейное, стараются еще больше упростить, понижая порядок системы дифференциальных уравнений. Все упрощения, конечно, нуждаются в достаточном инженерном обосновании.

Дополнительные трудности возникают, когда задана некоторая область режимов стабилизации, которые приходится рассчитывать

.уже для нескольких рабочих точек. Следовательно, математически расчет режимов стабилизации сводится к исследованию нескольких идентичных систем линейных дифференциальных уравнений с по­ стоянными коэффициентами. Как указывалось, решение данной задачи доведено до инженерных приемов и рекомендаций.

С инженерной, практической, точки зрения решение ^задачи стабилизации облегчается тем, что все промышленные и специально созданные регуляторы имеют широкий диапазон настроек пара­ метров. Поэтому упрощения математического описания турбины, приводящие к отклонению реальных процессов от расчетных, легко учитываются при настройке 'регуляторов. С математической точки зрения необходимо определить погрешности решений при замене нелинейной системы линейной. Практически этого не делают, так как наличие различных настроек в регуляторах позволяет компенси­ ровать погрешности. Качество системы стабилизации определяется моделированием при проектировании и проверяется при натурных испытаниях машин.

Проиллюстрируем все сказанное выше графически на примере управления температурой перед ТВД, т. е. температурой камеры сгорания. В процессе пуска ограничивается скорость нарастания температуры перед ТВД из условия допустимых термических и механических напряжений на лопатках и диске рабочего колеса. Ограничивается и сама температура также из условий надежности работы лопаточного аппарата. Возьмем пространство состояний, образованное координатами Ѳі и d&i/dt — 0 j (рис. 1.9). Проведем

линии ограничений 0 ^ Ѳ4 ѲІтах и Ѳ 0 j Ѳ1тах. Получим

замкнутую область ABCD, за пределы которой координаты Ѳ j и Ѳх не могут выходить. Но траектории изменения этих координат могут находиться на границе области, т. е. на линиях ВС и CD. Зададим

управление и (t), т. е. закон изменения положения регулирующего клапана, чтобы точки 1 и 2 соединились некоторой траекторией, не выходящей за пределы замкнутой области. Примером может

22

служить траектория 1, а, Ь, с, 2. Следующая задача заключается в стабилизации температуры в точке 2. Строгое математическое

рис. 1.9, б). В отличие от предыдущей задачи, начальное и конечное состояния задаются не точками, а соответственно отрезком 1 и областью 2. Ограничения задаются не линиями, а некоторыми

областями ДѲ-! и AG^. Траектория, соответствующая этим ограни­ чениям, показана линией а, Ъ, с, d.

Ценным свойством данной траекто­ рии является то, что в полосах ДѲХ

и ДѲі движение может быть любым, лишь бы оно не выходило из этих полос. Так как на движение внутри полос не накладывается ограниче­ ний, то реализация его значительно упрощается. Стабилизацию темпера­ туры теперь следует проводить не

вточке, а в некоторой области. Движение координат в области также может быть любым. Это зна­ чительно облегчает задачу стабили­ зации.

Отметим еще одно отличие тех­ нического решения задачи от мате­ матического. Математическое реше­ ние не допускает выхода траектории за область ограничений. В техниче­ ских системах такой выход возможен

ваварийных ситуациях. Поэтому техническая система должна преду­

сматривать устройства, вступающие в действие после нарушения ограничений. Обычно выход координат газовой турбины за область ограничений влечет за собой ее аварий­ ную остановку. В аварийном режиме

системы управления и стабилизации работают в режимах быстрых отсечек (например, быстрое закрытие регулирующего клапана и быстрый сброс рабочего тела, имеющего большую энергию, путем открытия сбросных клапанов).

Турбина имеет не одну координату управления, а несколько.

и стабилизации, можно создать качественные и достаточно простые

23

Г л а в а II. АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ГАЗОТУРБИННЫМИ КОМПРЕССОРНЫМИ СТАНЦИЯМИ

Функции подсистем управления

Управление любым производственным агрегатом или процессом требует знания закономерностей и взаимных связей, присущих этому агрегату или процессу. Управление турбиной разбивается на два этапа: пуск (или остановка) и стабилизация некоторых пара­ метров. Система управления газотурбинной установкой может быть разделена на ряд подсистем, некоторые из них перечислим ниже.

1. Подсистема пуска и остановки турбины с включением и выклю­ чением нагнетателя из газовой сети, осуществляющая практически все операции по заранее заданной программе.

2.Подсистема стабилизации скорости вращения нагнетателя или давления за нагнетателем.

3.Подсистема защиты турбины от аварийных режимов и непра­ вильной реализации программ, действующая как в пусковых режи­

установки и состояния отдельных агрегатов, без которой невозможна работа предыдущих трех подсистем. Более того, первые три под­ системы обязательно содержат элементы четвертой.

Первые три подсистемы содержат целый ряд общих звеньев.

1.Измерительные звенья, являющиеся одновременно элементами подсистемы контроля.

2.Логические звенья, в которых происходит переработка инфор­ мации, полученной в результате измерений, и формирование команд управления.

3.Исполнительные звенья, служащие для приведения в действие

органов управления турбиной (регулирующий и стопорные клапаны, задвижки на трубопроводах обвязки и. т. д.).

4. Усилительные звенья, необходимые для усиления по мощности сигналов управления, формируемых в логических звеньях.

Рассмотрим коротко назначение перечисленных звеньев.

25

PI з м е р и т е л ь н ы е з в е н ь я снабжают непрерывной или

.дискретной информацией другие подсистемы и поэтому должны

Подсистема стабилизации, поддерживающая значение какого-либо параметра на определенном уровне или изменяющая этот параметр по заданной программе, требует пропорциональных измерительных звеньев. Такие звенья непрерывно фиксируют отклонения пара­ метра от заданного уровня и величину этого отклонения. Пропор­ циональные измерительные звенья могут иметь линейные и нели­ нейные статические характеристики и могут быть инерционными и безынерционными. Предпочтение отдается безынерционным изме­ рительным звеньям с линейными статическими характеристиками.

Для подсистем пуска и защиты, осуществляющих перевод газо­

ничения или сравнения заданных значений параметров с их текущими значениями. Разность между заданным значением некоторой величины и ее текущим значением называется ошибкой рассогла­ сования или просто ошибкой. Величина и знак ошибки используются в качестве управляющих воздействий, Ограничивать и сравнивать можно электрические напряжения или токи, механические усилия и их производные. Подробно логические звенья непрерывного дей­ ствия рассматриваются в гл. V.

В подсистемах пуска и защиты логические звенья выполняют функции сравнения состояний агрегатов с заданными програм­ мой или техническими условиями. При совпадении состояний логи­ ческие звенья вырабатывают сигналы, разрешающие включение (или отключение) отдельных агрегатов или продолжение техноло­ гической операции. При несовпадении состояний логические звенья вырабатывают сигналы, запрещающие продолжение технологиче­ ского процесса, или аварийные сигналы, вызывающие остановку агрегатов. Следовательно, в данных подсистемах логические звенья перерабатывают дискретную информацию и выдают диск­ ретные команды, на основе которых меняется состояние агре­ гатов.

26