Библиографическое описание:

Ахмедзянов Д. А., Михайлова А. Б., Михайлов А. Моделирование изменения нагрузки на электрогенераторе малоразмерной энергетической газотурбинной установки // Молодой ученый. — 2011. — №1. — С. 18-21.

Энергетику можно разделить на крупные генерирующие объекты и объекты с малой мощностью, работающие на традиционных и нетрадиционных видах топлива. Правительством Российской Федерации 13 ноября 2009 г. утверждена «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года». Согласно разработанной концепции конкретное развитие тех или иных генерирующих источников будет определяться их сравнительными технико-экономическими показателями, условиями топливоснабжения, характером (масштабом и структурой) энергопотребления, экологическими и социальными факторами. Получит развитие, особенно в районах невысокой плотности нагрузки, малая энергетика и децентрализованное электроснабжение с активным использованием всех видов местных и вторичных энергоресурсов. В настоящее время электроснабжение потребителей малой энергетики осуществляется от стационарных и передвижных дизельных электростанций и газотурбинных установок или газопоршневых станций. Подавляющее большинство малых электростанций (более 90%) составляют дизельные электростанции, работающие на дорогостоящем, зачастую привозном дизельном топливе. Малоразмерные энергетические газотурбинные установки (МЭГТУ) – новое «слово» в малой энергетике России. Основные достоинства МЭГТУ: высокая надежность; высокая топливная экономичность; ресурсная долговечность; многотопливность; экологичность; компактность; простота эксплуатации и технического обслуживания; возможность масштабируемого наращивания мощности (кластеры). МЭГТУ – комплексная система, включающая в себя входное устройство, газогенератор (микрогазотурбинный двигатель), электрогенератор, блок силовой электроники, котел-утилизатор, дожимной газовый компрессор (при необходимости). Согласно современным тенденциям разработки малоразмерных энергетических газотурбинных установок в силовой части установки электрический генератор и газогенератор объединяются в единый узел. Применение подобной схемы позволяет значительно упростить силовую схему МЭГТУ и газогенератора. Отличительной особенностью, которую необходимо учитывать при моделировании установившихся и неустановившихся режимов МЭГТУ является наличие в конструктивной схеме рекуператора.
Современные технологии в машиностроении и энергетике, в том числе в разработке газотурбинных энергетических установок, развиваются в направлении повышения степени автоматизации и все более широкого использования программных средств. Среди них средства инженерного анализа (CAE), средства конструкторско-технологического проектирования (CAD/CAM) и управления данными проекта (PDM), которые являются необходимым элементом в технологии проектирования, доводки, поддержки в эксплуатации газотурбинных энергетических установок. Сложившаяся в последнее время ситуация в области проектирования и эксплуатации тепловых двигателей и энергетических установок, делает необходимым разработку и внедрение новой методологии, новых методов и средств на основе компьютерных систем, позволяющих повысить качество, уменьшить затраты времени, труда и других ресурсов [1].
В работе представлены результаты моделирования сброса нагрузки на электрогенераторе МЭГТУ с применением средств имитационного моделирования. Исследование неустановившихся режимов работы МЭГТУ производится в системе имитационного моделирования DVIGwp [2, 3], разработанной в НИЛ САПР-Д кафедры авиационных двигателей УГАТУ. На рис. 1 представлена топологическая схема модели МЭГТУ совместно с регулятором в СИМ DVIGwp.

1 – начальные условия, 2 – входное устройство, 3 – информационная связь воздушный поток, 4 – компрессор, 5, 13 – отбор воздуха, 6 – вход газа, 7 – газовоздушный теплообменник, 8 – механическая информационная связь, 9 – источник-потребитель электроэнергии, 10,15 – выход газа, 11 – суммирование мощности, 12 – камера сгорания, 14 – турбина, 16 – общие результаты, 17 – отбор мощности, 18 – регулятор, 19 – топливная связь

Рисунок 1 – Топологическая схема модели МЭГТУ совместно с регулятором в СИМ DVIGwp


Система имитационного моделирования газотурбинных двигателей и газотурбинных энергетических установок DVIGwp позволяет проводить анализ рабочего процесса на установившихся и неустановившихся режимах работы на различных этапах жизненного цикла МЭГТУ. СИМ DVIGwp позволяет производить расчет различных статических и динамических характеристик МЭГТУ; проводить структурную и параметрическую оптимизацию модели МЭГТУ; производить оптимизацию законов топливоподачи и управления регулирующими органами МЭГТУ.
Малоразмерные энергетические газотурбинные установки в случае децентрализации вырабатывают электрическую и тепловую мощность для индивидуального потребителя, соответственно ступенчатое изменение потребной мощности на электрогенераторе МЭГТУ является типовой задачей при исследовании неустановившихся режимов и проектировании системы управления МЭГТУ. При внезапных мгновенных изменениях нагрузки или других внешних воздействиях система регулирования МЭГТУ должна поддерживать частоту вращения в пределах, приемлемых для потребителей, и исключать возможность опасного для оборудования изменения параметров, возникновения состояний, препятствующих продолжению работы (например, срыва пламени в камере сгорания), или незатухающих колебаний, недопустимых для нормальной эксплуатации [4, 5].
В СИМ DVIGwp производится анализ неустановившихся режимов работы газогенератора МЭГТУ без учета тепловой части, включающей котел-утилизатор. В структуру поэлементной математической модели газотурбинного двигателя с рекуператором помимо газогенератора включена система автоматического управления (САУ), в которой заложены характеристики реальных датчиков и передаточные функции САУ.
Авторами рассмотрен регулятор, поддерживающий постоянную частоту вращения ротора (электрогенератора) при различных внешних и внутренних возмущениях (допустимое отклонение частоты вращения ротора нормируется и должно составлять не более 1,5 – 2 %). В качестве возмущающего воздействия, вызывающего неустановившийся процесс рассматривается изменение потребной мощности на валу электрогенератора МЭГТУ, представленное на рис. 2.

Рисунок 2– Возмущающее воздействие в виде резкого изменения нагрузки на электрогенераторе

Таблица 1 – Условия моделирования переходного процесса в СИМ DVIGwp

Варьируемые параметры

Поддерживаемые параметры

Табулируемый параметр

t (время переходного процесса)


Рассматриваемые условия моделирования позволяют проанализировать неустановившийся процесс в газогенераторе при ступенчатом изменении потребной электрической мощности с поддержанием постоянной частоты вращения ротора. Регулятор «навязывает» потребный расход топлива в камере сгорания для обеспечения необходимого изменения мощности на электрогенераторе (рис. 2).
Реализуемый закон управления (в виде потребного закона подачи топлива в камеру сгорания) подразумевает наличие инерционных динамических свойств регулятора. В модуле «Регулятор» динамические процессы в системе автоматического управления (инерционность датчиков, инерционность коллекторов, инерционность срабатывания и т.д.) описываются нелинейным дифференциальным уравнением второго порядка:

,

где и – входная и выходная координаты регулятора, – коэффициент усиления, – колебательная постоянная времени, – дифференцирующая постоянная времени.

Рисунок 3 – Изменение потребного расхода топлива для топливорегулирующей аппаратуры и ускорения по частоте вращения ротора в течение неустановившегося процесса


На рис. 3 представлено изменение ускорения по частоте вращения ротора микрогазотурбинного двигателя в течение неустановившегося процесса. В пределах поля допуска динамическая система находится вблизи установившегося режима по частоте вращения ротора . Таким образом, регулятор, вырабатывающий управляющее воздействие на топливодозирующую аппаратуру в виде закона подачи топлива, представленного на рис. 3 позволяет компенсировать возмущающее воздействие, представленное на рис. 2. и поддерживать постоянную частоту вращения электрогенератора с частотой (соответствует частоте электрогенератора).







Рисунок 4 – Изменение температуры газа за камерой сгорания и приведенного расхода воздуха на входе во входное устройство установки в течение неустановившегося процесса


На рис. 4 представлено изменение температуры газов за камерой сгорания в течение неустановившегося процесса. На рис. 4 наблюдается заброс по температуре газов за камерой сгорания порядка 50 К, обусловленный реальными свойства регулятора, учтенными в математической модели (перерегулирование, колебательность и затухающий характер изменения параметров по времени).
Газотурбинные энергетические установки, в которых электрический генератор расположен на одном валу с компрессором, обладают значительным саморегулированием. Саморегулирование - свойство динамической системы выведенной из состояния равновесия внешним или внутренним возмущением самопроизвольно возвращаться к устойчивому режиму. Для обеспечения саморегулируемости системы необходимо, чтобы сумма моментов сопротивления компрессора и электрического генератора должна при изменениях частоты вращениях изменяться больше, чем момент, развиваемый турбиной. Так как изменение частоты компрессора в пределах поля допуска мало влияет на расход воздуха, возможно мгновенное (в соответствии с быстродействием регулирования) изменение расхода топлива на величину необходимую или даже несколько большую, чем требуется для достижения нового установившегося состояния. Температура газов и развиваемая ГТУ мощность быстро следуют за изменением расхода топлива - переходный процесс завершается за короткое время.
Таким образом, применение системы имитационного моделирования DVIGwp на различных стадиях проектирования позволяет проводить исследование установившихся и неустановившихся режимов работы малоразмерных энергетических газотурбинных установок различных структурных схем. В СИМ DVIGwp реализована возможность исследования неустановившихся режимов работы МЭГТУ совместно с системами автоматического управления. В модуле «Регулятор», моделирующем работу системы автоматического управления реализована возможность учета реальных характеристик систем управления (перерегулирование, колебательность и т. п.). Модуль «Регулятор» выступает в качестве объекта, накладывающего ограничения на возможные режимы работы МЭГТУ и замыкающего систему уравнений газогенератора малоразмерной энергетической газотурбинной установки как нелинейной динамической системы. Исследование неустановивившихся режимов работы МЭГТУ совместно с системами автоматического управления позволяет получать требуемое качество переходных процессов и производить оптимизацию системы МЭГТУ – САУ.

Литература:

  1. Проектирование авиационных газотурбинных двигателей: Учебник / Под общей ред. проф. А.М. Ахмедзянова. М.: Машиностроение, 2000. - 454 с.
  2. Ахмедзянов Д.А. Система термогазодинамического моделирования газотурбинных двигателей на переходных режимах работы DVIGwp /Д.А. Ахмедзянов, И.А. Кривошеев, Е.С. Власова: Cвидетельство № 2004610868. Москва: Роспатент, 2004.
  3. Ахмедзянов Д.А. Термогазодинамический анализ рабочих процессов ГТД в компьютерной среде DVIGw / Д.А. Ахмедзянов, И.А. Кривошеев и др. Уфа: Изд. Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та, 2003. - 162 с.
  4. Кулагин В. В. Теория расчет и проектирования авиационных двигателей и энергетических установок: Учебник. Основы теории ГТД. Рабочий процесс и термодинамический анализ. Кн. 1. Совместная работа узлов выполненного двигателя и его характеристики. Кн. 2. – М.: Машиностроение, 2002. – 616 с.
  5. Ольховский Г.Г. Энергетические газотурбинные установки. – М.: Энергопромиздат, 1985. –304 с.: ил.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle