СИСТЕМА "ТУРБИНА - ГЕНЕРАТОР" С НАБЛЮДАТЕЛЕМ СОСТОЯНИЯ НАГРУЗКИ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - ТРАНСПОРТУ

УДК 621.313.2(045)

Система «турбина - генератор» с наблюдателем состояния нагрузки

Н. В.Грачев

Акционерное общество «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава» (АО «ВНИКТИ»), Российская Федерация, 140402, Московская обл., Коломна, ул. Октябрьской революции, 410

Для цитирования: Грачев Н. В. Система «турбина - генератор» с наблюдателем состояния нагрузки // Бюллетень результатов научных исследований. - 2021. - Вып. 4. - С. 75-86. DOI: 10.20295/2223-9987-2021-4-75-86

Аннотация

Цель: Построение математической модели наблюдателя состояния газотурбинного двигателя газотурбовоза серии IT1h. Методы: Расчеты и моделирование процессов выполнены с использованием программных пакетов математического моделирования сложных электромеханических систем с реализацией в Matlab, обработка данных и построение графиков - c помощью Microsoft Exсel. Результаты: Показано, что применение математической модели наблюдателя состояния в системе автоматического управления позволяет обеспечить условия для формирования энергооптимальной траектории нагружения системы «газотурбинный двигатель - тяговый генератор» при регулировании мощности с учетом ограничений, связанных с физическими процессами, происходящими в газотурбинном двигателе. Практическая значимость: Использование математической модели наблюдателя состояния дает возможность формировать рациональные траектории нагружения газовой турбины во всем диапазоне ее использования.

Ключевые слова: Газотурбовоз, газотурбинный двигатель, тяговый генератор, система автоматического регулирования, пропускная способность газотурбинного двигателя, сжиженный природный газ, наблюдатель состояния.

Введение

Повышение энергоэффективности транспортной системы Российской Федерации, снижение доли транспортных издержек в валовом внутреннем продукте за счет уменьшения затрат на перевозки, наращивание эффективности использования разных видов транспорта являются важнейшими за-

дачами современного этапа экономического развития страны [1]. В связи с этим при создании и эксплуатации первого в России газотурбовоза серии ГТ^ особое значение имеет увеличение энергоэффективности его работы.

Постановка задачи

Анализ режимов эксплуатации газотурбовозов на Свердловской железной дороге показал, что значительную часть времени они работают в режиме холостого хода (от 30 до 50 %). В режиме тяги газотурбинный двигатель работает на частичных нагрузках, при этом доля его работы на номинальной мощности составляет менее 3 % [2].

Следует отметить, что коэффициент полезного действия газотурбинного двигателя резко падает с уменьшением потребляемой мощности: с 27 % при работе газотурбовоза на номинальной мощности (7500 кВт) до 4 % при его работе на первой тяговой позиции контроллера машиниста (300 кВт). Поэтому приоритетной задачей для повышения экономичности работы газотурбовозов является снижение расходов топлива газотурбинным двигателем при работе на холостом ходу и частичных нагрузках.

Газотурбинный двигатель, как и любой другой тепловой двигатель, -это комплекс технических средств, в которых совершаются термодинамические процессы преобразования теплоты в механическую работу. Замкнутая совокупность таких процессов представляет собой термодинамический цикл газотурбинного двигателя [3].

На рис. 1 приведена теоретическая диаграмма термодинамического цикла для газотурбинного двигателя открытого цикла, к которому относится двигатель НК-361 [4].

Площадь фигуры 1-2-3-4 в диаграмме эквивалентна полезной работе цикла газотурбинного двигателя Le и находится как разность между работой по сжатию воздуха в компрессорах Lk и работой по последующему свободному расширению газа, истекающего в атмосферу, Lt [5]. Работа по сжатию воздуха в компрессорах зависит от степени повышения давления в компрессоре, на которую влияет частота вращения валов турбин компрессоров.

Таким образом, решениями задачи по повышению экономичности работы газотурбинного двигателя являются снижение частот вращения валов турбин компрессоров низкого и высокого давления при работе на холостом ходу и переход системы «газотурбинный двигатель - тяговый генератор» на работу по локомотивной характеристике нагружения при частичных нагрузках.

По результатам математического моделирования физических процессов работы системы «газотурбинный двигатель - тяговый генератор» с по-

следующим их уточнением в ходе натурных экспериментов были сформированы параметры локомотивной характеристики нагружения, приведенные в таблице [6].

Анализ полученных данных по расходу топлива показал, что при работе системы «газотурбинный двигатель - тяговый генератор» по локомотивной характеристике нагружения уменьшен удельный расход топлива газотурбовозом при вождении: легких поездов массой 1500 т - на 35,5 %, поездов массой 6000 т - на 16,2 % и тяжеловесных поездов массой 9000 т -на 9,5 %.

Рис. 1. Теоретическая диаграмма термодинамического цикла газотурбинного двигателя: ры - давление газа перед турбиной высокого давления; Т^ - температура воздуха перед турбиной высокого давления; ^ - количество подведенной к циклу теплоты; LT -работа по свободному расширению газа, истекающего в атмосферу; Тш - температура воздуха за компрессором высокого давления; р^ - давление воздуха за компрессором высокого давления; Ты - температура газа перед свободной турбиной; ры - давление газа перед свободной турбиной; Lk - работа по сжатию воздуха в компрессорах; р^ -давление воздуха за компрессором низкого давления; Тш - температура воздуха за компрессором низкого давления; Тт - температура наружного воздуха; рю - давление наружного воздуха; Le - полезная работа цикла газотурбинного двигателя; д2 - количество отведенной от цикла теплоты; Т - температура; £ - энтропия; 2t - температура воздуха за компрессором высокого давления при отсутствии теплообмена с окружающей средой и потерь трения процесса сжатия; 4t - температура газа перед свободной турбиной без учета трения в проточной части турбины

Однако реализация метода управления, улучшающего экономичность работы газотурбинного двигателя, приводит к возникновению ограничений в работе объединенного регулятора мощности и частоты газотурбинного двигателя, связанных с расходом воздуха, используемого для ох-

Т

р 1

ЛУ

а Ь

с с/ 5"

лаждения горячих частей газотурбинного двигателя и поступающего в камеру сгорания.

Параметры локомотивной характеристики нагружения

Частота Частота

Позиция Заданная вращения вала Позиция Заданная вращения вала

контроллера мощность, свободной контроллера мощность, свободной

машиниста кВт турбины, машиниста кВт турбины,

об/мин об/мин

0 0 2700 8 3750 5100

1 300 3000 9 4300 5200

2 600 3400 10 4850 5300

3 1100 3900 11 5350 5400

4 1650 4700 12 5900

5 2150 4800 13 6450

6 2700 4900 14 6950

7 3250 5000 15 7500

Уменьшение количества воздуха, применяемого на охлаждение газотурбинного двигателя, неизбежно вызывает рост температуры горячих частей двигателя, которая ограничена максимально допустимой температурой, зависящей от материалов, используемых при изготовлении лопаток турбин, а воздуха, поступающего в камеру сгорания, - снижение коэффициента избытка воздуха, определяющего полноту сгорания подаваемого в камеру сгорания газотурбинного двигателя топлива [7].

Значение коэффициента избытка воздуха влияет на максимально возможное количество топлива, подаваемого в камеру сгорания двигателя, которое, в свою очередь, воздействует на работу регулятора выходной мощности системы «газовая турбина - генератор», связанную с ограниченностью свободной мощности газотурбинного двигателя в различных диапазонах регулирования частоты вращения вала силовой тяговой турбины.

Разработка математической модели газотурбинного двигателя

Для изучения работы и оптимизации электромагнитных процессов, происходящих в тяговом электроприводе газотурбовоза в различных режимах его работы (холостой ход, тяга и переходные режимы), с использованием среды Matlab Simulink [8] разработана математическая модель тягового электропривода и системы автоматического управления (САУ) силовыми установками газотурбовоза.

На рис. 2 представлена функциональная схема системы управления силовыми установками газотурбовоза.

Рис. 2. Функциональная схема системы управления силовыми установками газотурбовоза

Отсутствие датчика обратной связи, характеризующего максимально доступную мощность газотурбинного двигателя, делает ее при построении САУ ненаблюдаемой, что приводит к построению наблюдателя состояния [9].

Наблюдатель состояния газотурбинного двигателя представляет собой математическую модель, выполненную на основе термогазодинамической модели газотурбинного двигателя и предназначенную для вычисления доступной мощности на валу силовой тяговой турбины газотурбинного двигателя.

Регрессивная термогазодинамическая модель газотурбинного двигателя состоит из двух трехмерных матриц, которые описывают состояние

газотурбинного двигателя: =

( 9 ут 9 VIII 9vn1 11 / 9v112 9v212 9уп112

9 VIII 9 VIII 9vn1 21 ) 9v122 9v222 9уп122

\9v1n2l 9v2n21 ... 9т.1п21) \9v1n22 9v2n22 ••• 9уп1п22

/ 9v11n3 9v21n3 9vn11n3 \

• •. 9v12n3 9v22n3 9vn12n3 1

\9v1n 2^3 9v2n2n3 ••• Яу-п^щ/

М5г =

/т5и11 т5ь211 т5ш111 \ /т5и12 т5ь212 т5ш112

_ 1 т5и21 тэь221 тбт121 \ 1 т5<122 _ тэь222 т5ы122

\п5ип21 ™-5ып21 ^б1п1п21/ \п5ип22 тб12п22 тб1п1п22

тБИ1П3 тБИ1П3 т5т11п3

т5И2п3 т5Ь22п3 т5Ьп12п3

\™*пп2п3 т512п2пз ••• т51п1п2пз/

где Оу - расход воздуха через турбину, кг/ч; М^ - момент на валу силовой тяговой турбины, Нм; п1 = 22, п2 = 7, п3 = 7.

Для обучения регрессивной термогазодинамической модели использовались экспериментальные данные, полученные при проведении нагрузочных испытаний газотурбинного двигателя НК-361 на Самарском научно-техническом комплексе им. Н. К. Кузнецова [10].

Модель наблюдателя состояния разработана с использованием среды Ма^аЬ по величинам параметров газотурбинного двигателя, доступным для наблюдения САУ. Данная модель выполняет:

- расчет максимальной величины расхода топлива, подаваемого в камеру сгорания при максимально открытом положении заслонки дозатора газа (ДГВ);

- расчет максимальной величины расхода топлива, подаваемого в камеру сгорания, по частоте вращения вала турбины компрессора низкого давления (КНД);

- расчет текущего расхода воздуха через газотурбинный двигатель при текущей частоте вращения вала турбины компрессора низкого давления и силовой тяговой турбины.

Общий вид модели наблюдателя в МаЙаЬ представлен на рис. 3. Находим текущий расход воздуха в газотурбинном двигателе Зависимость Оуек=f (пп<ирг) представлена выражением

^_ =1,9е"6 П_рг-0,009^^_рГ +35,8,

здесь п^^ - приведенная к температуре воздуха на входе в газотурбинный двигатель частота вращения вала турбины низкого давления,

ппй_рг = ппа V288/(273 + ^).

Рис. 3. Модель МайаЬ наблюдателя состояния

Максимальная величина расхода топлива 0_тах_^у, подаваемого в камеру сгорания при максимально открытом положении заслонки ДГВ, рассчитывается по формуле

а

г тах DGV

а_гек • Крг '>/288 / (273 + ^аV_п) • PDGV_оиг / PDGV_т ' _8 =

в которой Крг - приведенный коэффициент расхода газа через ДГВ в зависимости от относительного давления газа на входе ДГВ; Т^^ - температура природного газа на входе в ДГВ; - давление природного газа на выходе из ДГВ; Рщ^т - давление природного газа на входе в ДГВ; К г - коэффициент пересчета количества воздуха в количество метана, К> 0,725.

Максимальный расход топлива 6^тах_пл подаваемого в камеру сгорания в зависимости от частоты вращения вала турбины компрессора низкого давления и положения клапанов перепуска воздуха газотурбинного двигателя рассчитывается следующим образом:

- при закрытых клапанах

С_„„_ = 0,000104 • П г - 0,38 • п„„ г + 930,

- при открытых клапанах

с, _тах_ п, = 0,00007 • п], _ ^ — 0,04 • пп, _ рг +320.

Из полученных величин максимального расхода топлива 0_тах_шу и Gt_max_nd, подаваемого в камеру сгорания, выбираем наименьшую и по полученному значению 0_тах рассчитываем температуру газов на выходе из силовой тяговой турбины Т

Т = Т + с / с • К

¡Л _ & ~ \iozd / _тах _ ¡ек' '

здесь - температура воздуха на входе в газотурбинный двигатель; Gt_max - максимальный расход топлива, подаваемого в камеру сгорания; GVJeк - текущий расход воздуха в газотурбинном двигателе; К - передаточный коэффициент, К = 11,7288.

Находим приведенную к расчетной температуре газов на выходе из силовой тяговой турбины Т^ частоту вращения вала силовой турбины п,ц_кт по формуле

nst k Tst

= nst- ^288/(273 + Tst gt ),

где nst - частота вращения вала силовой тяговой турбины.

Рассчитываем расход газа через газотурбинный двигатель Gg

Gg = nst _ к _ Tst ' Gv _ tek.

По этой величине и приведенной к температуре газов на выходе из силовой тяговой турбины частоте вращения вала силовой тяговой турбины из матрицы (2) находим удельный расход топлива по мощности Ce; по удельному расходу топлива по мощности и частоте вращения вала силовой тяговой турбины, приведенной к расчетной температуре газов на выходе из силовой тяговой турбины, из матрицы (1) - расчетный момент на валу силовой турбины Mst.

По значениям текущей частоты вращения вала силовой турбины nst и найденной величине момента Mst вычисляем допустимую мощность газотурбинного двигателя Nst:

Nst = Mst • nst.

На рис. 4 представлен результат работы математической модели наблюдателя состояния в виде зависимости свободной мощности газотур-

бинного двигателя от частот вращения вала турбины низкого давления и вала силовой тяговой турбины.

Рис. 4. Зависимость свободной мощности газотурбинного двигателя от частот вращения вала турбины компрессора низкого давления и вала силовой тяговой турбины

Заключение

Алгоритм управления мощностью системы «турбина - генератор» с применением математической модели наблюдателя состояния газотурбинного двигателя, разработанный согласно предложенному методу, который обеспечивает улучшение экономичности работы газовой турбины на частичных нагрузках, позволяет формировать рациональные траектории нагружения газовой турбины во всем диапазоне ее использования.

Библиографический список

1. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года. - Утв. распоряжением Правительства РФ от 28.08.2003 г. № 1234-р. - URL: www.energystrategy.ru/projects/ ES-28_08_2003.pdf (дата обращения: 10.09.2021).

2. Отчет по проведению тягово-энергетических испытаний для проверки возможности вождения грузовых поездов массой до 9000 т при следовании с газотурбовозом rT1h-002 на участке Сургут - Войновка: ТЭЛ 076-0302015. - Екатеринбург: ОАО «РЖД»; Свердловская дирекция тяги, 2016. - 35 с.

3. Цанев С. В. Газотурбинные и парогазовые установки электростанций: учеб. пособие для вузов / С. В. Цанев, В. Д. Буров, А. Н. Ремезов. - М.: Изд-во МЭИ, 2002. -584 с.

4. Уваров В. В. Газовые турбины и газотурбинные установки: учеб. пособие для машиностроительных вузов и факультетов / В. В. Уваров. - М.: Высшая школа, 1970. -320 с.

5. Зысин Л. В. Парогазовые и газотурбинные тепловые электростанции / Л. В. Зы-син. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. - 368 с.

6. Газотурбовоз TT1h-002: Руководство по эксплуатации rT1h.00.000.000 РЭ. Ч. 1. - Коломна: ОАО «ВНИКТИ», 2015. - 182 с.

7. Двигатель газотурбинный НК-361: Руководство по эксплуатации РЭ 361.000.000. - Самара: ПАО «Кузнецов», 2017. - 353 с.

8. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в Matlab, SimPo-werSystems и Simulink / И. В. Черных. - М.: ДМКПресс, 2007. - 288 с.

9. Карпов А. Г. Теория автоматического управления. Ч. 1: учеб. пособие / А. Г. Карпов. - Томск: ТМЛ-Пресс, 2011. - 212 с.

10. Магистральный газотурбовоз мощностью 8300 кВт. Отладка систем регулирования газотурбинного двигателя при работе на режимах частичного и полного нагру-жения. Реостатные испытания силового блока газотурбовоза на сжиженном природном газе со снятием нагрузки: отчет о НИР И-06-08. - Коломна: ОАО «ВНИКТИ», 2008. -74 с.

Дата поступления: 15.10.2021 Решение о публикации: 26.10.2021

Контактная информация:

ГРАЧЕВ Николай Валерьевич - зав. лабораторией; grachev-nv@vnikti.com

Turbine-generator system with a load state observer N. V. Grachev

Joint-Stock Company Research, Design and Technology Institute of Rolling Stock (JSC "VNIKTI"), 410, Oktyabr'skoy Revolyutsii ul., Kolomna, Moscow Region, 140402, Russian Federation

For citation: Grachev N. В. Turbine-generator system with a load state observer. Bulletin of scientific research results, 2021, iss. 4, pp. 75-86. (In Russian) DOI: 10.20295/2223-9987-2021-4-75-86

Summary

Objective: To generate a mathematical model of a gas turbine engine state observer for a GT1h series gas turbine locomotive. Methods: Calculations and modeling of processes were performed using software packages for mathematical modeling of complex electromechanical systems with implementation in Matlab, while data processing and graph plotting were performed using Microsoft Excel. Results: It has been shown that the use of the mathematical model of the state observer in the automatic control system allows providing conditions for the formation of an optimal power load trajectory of the Gas Turbine Engine — Traction Generator system when regulating the power, taking into account the limitations associated with the physical processes occurring in the gas turbine engine. Practical importance: The use of the mathematical model of the state observer makes it possible to generate rational gas turbine load trajectories in the entire range of its use.

Keywords: Gas turbine locomotive, gas turbine engine, traction generator, automatic control system, gas turbine engine capacity, liquefied natural gas, state observer.

References

1. Energeticheskaya strategiya Rossii na period do 2020 goda [Energy Strategy of the Russian Federation through 2020]. Approved by Decree of the Government of the Russian Federation no. 1234/r (1234^) dated August 28, 2003. Available at: www.energystrategy. ru/projects/ES-28_08_2003.pdf (accessed: September 10, 2021).

2. Otchet po provedeniyu tyagovo-energeticheskikh ispytaniy dlya proverki vozmozh-nosti vozhdeniya gruzovykh poyezdov massoy do 9000 t pri sledovanii s gazoturbovozom GT1h-002 na uchastke Surgut-Voynovka: TEL 076-0302015 [Report on traction and energy tests to check the possibility of driving freight trains weighing up to 9000 tons using the GT1h-002 gas turbine locomotive on the Surgut-Voinovka railway section: TEL 0760302015]. Yekaterinburg, JSC Russian Railways, Sverdlovsk Traction Directorate, 2016, 35 p. (In Russian)

3. Tsanev S. V., Burov V. D. & Remezov A. N. Gazoturbinnyye i parogazovyye us-tanovki elektrostantsiy. Uchebnoye posobiye dlya vuzov [Gas turbine and combined cycle plants. Textbook for universities]. Moscow, MEI Publ., 2002, 584 p. (In Russian)

4. Uvarov V. V. Gazovyye turbiny i gazoturbinnyye ustanovki. Uchebnoye posobiye dlya mashinostroitel'nykh vuzov i fakul'tetov [Gas turbines and gas turbine plants. Training manual for engineering universities and faculties]. Moscow, Vysshaya Shkola Publ., 1970, 320 p. (In Russian)

5. Zysin L. V. Parogazovyye i gazoturbinnyye teplovyye elektrostantsii [Combined cycle and gas turbine thermal power plants]. Saint Petersburg, State Polytechnic University Publ., 2010, 368 p. (In Russian)

6. Gazoturbovoz GT1h-002. Rukovodstvo po ekspluatatsii GT1h.00.000.000 RE. Ch. 1 [Gas turbine locomotive GT1h-002. Manual GT1h.00.000.000 OM. Pt 1]. Kolomna, JSC "VNIKTI" Publ., 2015, 182 p. (In Russian)

7. Dvigatel' gazoturbinnyy NK-361. Rukovodstvo po ekspluatatsii RE 361.000.000 [Gas turbine engine NK-361. Manual OM 361.000.000]. Samara, Kuznetsov PJSC Publ., 2017, 353 p. (In Russian)

8. Chernykh I. V. Modelirovaniye elektrotekhnicheskikh ustroystv v Matlab, SimPo-werSystems i Simulink [Simulation of electromechanical devices in Matlab, SimPowerSystems and Simulink]. Moscow, DMKPress, 2007, 288 p. (In Russian)

9. Karpov A. G. Teoriya avtomaticheskogo upravleniya. Ch. 1. Uchebnoye posobiye [Automatic control theory. Pt 1. Training manual]. Tomsk, TML-Press, 2011, 212 p. (In Russian)

10. Magistral'nyy gazoturbovoz moshchnost'yu 8300 kVt. Otladka sistem regulirova-niya gazoturbinnogo dvigatelya pri rabote na rezhimakh chastichnogo i polnogo nagruzhe-niya. Reostatnyye ispytaniya silovogo bloka gazoturbovoza na szhizhennom prirodnom gaze so snyatiyem nagruzki. Otchet o NIR I-06-08 [Mainline gas turbine locomotive with a capacity of 8300 kW. Test of gas turbine engine control systems when operating at partial and full load modes. Rheostat tests of the gas turbine locomotive power unit running on liquefied natural gas with unloading. Research report I-06-08]. Kolomna, JSC "VNIK.Tr' Publ., 2008, 74 p. (In Russian).

Received: October 15, 2021 Accepted: October 26, 2021

Author's information:

Nikolay V. GRACHEV - Head of Laboratory; grachev-nv@vnikti.com