Введение к работе
Актуальность темы диссертационного исследования.
Перспективное направление развития мировой энергетики связано с внедрением газотурбинных энергетических установок (ГТУ), как на уже существующие электроэнергетические объекты, так и на вновь создаваемые. Подобные установки используются в составе газотурбинных электростанций (ГТЭС).
Газотурбинные установки, первоначально применявшиеся благодаря своим высоким удельным характеристикам преимущественно в авиации, получили широкое распространение в качестве силового привода в газотурбинных электростанциях. Создание специальных ГТУ для наземного применения требует значительных затрат при их проектировании и производстве, поэтому предприятия авиационного двигателестроения используют возможность изготовления наземных ГТУ конвертированием авиационных. Для этого газотурбинные авиационные двигатели претерпевают значительные модификации при их применении в качестве привода для электрогенераторов. Кроме того, существенно изменяются условия их функционирования, связанные с тем, что наземные двигатели работают в режимах, отличающихся от полетных. Таким образом, при использовании авиационных двигателей в наземных условиях требуется решение задачи разработки и настройки новых систем автоматического управления (САУ) ГТУ применительно к требованиям обеспечения показателей качества вырабатываемой электроэнергии.
Газотурбинная электростанция является многосвязной системой, что делает задачу поддержания качества электрического тока нетривиальной и требует для своего решения обширных исследований объекта в целом. Для реализации этой задачи необходимо разработать мероприятия по управлению газотурбинной энергетической установкой с учетом влияния электрогенератора. В настоящее время разработка и настройка САУ ГТУ с учетом электрогенератора проводится только лишь на этапе пусконаладочных работ, в условиях ограниченного времени.
В связи с вышеизложенным, разработку и доводку САУ ГТУ применительно к показателям качества вырабатываемой электроэнергии, целесообразно проводить с применением математической модели, в которой бы учитывались газотурбинная установка, электрогенератор и электрическая сеть на ранних стадиях проектирования САУ. Такая математическая модель, позволит разработчику решать задачи по настройке САУ в режимах, недоступных на натурных стендах с учетом специфики объекта управления.
Цель диссертационной работы - разработка методики проектирования САУ энергетической ГТУ на основе математической модели, учитывающей взаимодействие двухвальной ГТУ, электрогенератора и электрической сети.
Для достижения сформулированной цели ставятся и решаются следующие задачи:
1. Разработать комплексную многоэлементную математическую модель, позволяющую выполнять совместное моделирование двухвальной
газотурбинной установки со свободной турбиной, электрогенератора, САУ ГТУ, САУ электрогенератора, электрической сети при работе одной и более ГТЭС в локальной и централизованной энергосети.
Разработать способ регулирования ГТУ, осуществить его программную реализацию в математической модели, провести исследования.
Разработать методику проектирования САУ ГТУ, с учетом построенной математической модели.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Разработана и идентифицирована комплексная многоэлементная математическая модель, включающая нелинейную модель ГТУ, нелинейную многоконтурную САУ ГТУ, модель электрогенератора, САУ электрогенератора и модель электроэнергетической системы. Математическая модель позволяет моделировать статические и динамические процессы энергетической ГТУ с учетом взаимодействия с электрической системой (электрогенератор, электрическая нагрузка, электрическая сеть), в автономном, параллельном режимах работы, а также при работе газотурбинных электростанций на централизованную сеть.
Проведенные комплексные исследования на модели, с учетом впервые разработанного способа регулирования для повышения качества управления газотурбинной энергетической установкой обосновали применимость подобных газотурбинных установок со свободной турбиной в локальных сетях.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
Комплексная многоэлементная математическая модель, реализованная в виде программно-моделирующего комплекса, позволяющая выполнять моделирование динамических и статических процессов при совместной работе ГТУ, электрогенератора, САУ ГТУ, САУ электрогенератора, электрической сети при работе одной и более ГТЭС в локальной и централизованной энергосети. В программно-моделирующем комплексе могут быть реализованы модели различных российских и зарубежных газотурбинных электростанций, а также разные САУ ГТУ и САУ электрогенератора.
Программно-моделирующий комплекс упрощает задачу настройки САУ ГТУ, предоставляя разработчику инструмент, который позволяет задавать различные воздействия с учетом электрической части и настраивать САУ по отклику модели ГТУ.
Применение разработанной методики проектирования САУ ГТУ на основе программно-моделирующего комплекса позволяет повысить эффективность и точность проектирования САУ за счет сокращения времени на этапах разработки, пусконаладки и эксплуатации ГТЭС.
Достоверность результатов подтверждена удовлетворительным
согласованием результатов математического моделирования и
экспериментальных данных различных статических и динамических процессов для газотурбинных энергетических установок со свободной турбиной разработки ОАО «Авиадвигатель», а также при помощи статистического критерия Пирсона.
Степень достоверности разработанного способа регулирования, подтверждена при помощи математического моделирования, стендовых
испытаний, а также наработкой в эксплуатации, которая составляет более 100 000 часов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на XI, XII Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации» (Пермь, 2008, 2009), на LVI научно-технической сессии по проблемам газовых турбин (Пермь, 2009 г.), на Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Новые решения и технологии в газотурбостроении» (Москва, ЦИАМ-2010), на III Международной научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века» (Москва, ЦИАМ-2010), на научно-техническом конгрессе по двигателестроению «Двигатели-2010» (Москва, 2010), на научно-технических семинарах ОАО "Авиадвигатель" 2008-2010 г.
Получено свидетельство о государственной регистрации программы на ЭВМ № 2011611839 в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам Российской Федерации.
Запатентован способ управления газотурбинным двигателем на режимах разгона и дросселирования RU 2 403 419 С1, 2010.
Внедрение результатов работы. Программно-моделирующий комплекс принят в эксплуатацию на предприятии ОАО «Авиадвигатель» (Пермь) и применяется для исследования особенностей динамических режимов на эксплуатируемых газотурбинных электростанциях, а также при разработке вновь создаваемых САУ ГТУ. Суммарный экономический эффект от внедрения программно-моделирующего комплекса составил приблизительно 985 тыс. р.
Разработанный способ управления ГТУ для повышения качества управления энергетической установкой внедрен в состав САУ ГТЭС Урал-2500, Урал-4000 и Урал-6000, разработанных ОАО «Авиадвигатель».
Публикации: основное содержание работы изложено в 10-ти публикациях, в том числе 2 статьи в российских периодических рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит: из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Изложена на 122 страницах, включая 42 рисунка и список использованной литературы из 56 наименований.
