Моделирование изменения нагрузки на электрогенераторе малоразмерной энергетической газотурбинной установки

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

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.