Автоматическое регулирование и защита ГТУ

' Режим выработки мощности газотурбинной установкой опреде­ляется прежде всего режимом работы потребителя. Так, если ГТУ служит приводом электрического генератора, который подключен к энергосистеме, частота вращения ротора совпадает с частотой электрического тока в сети. При установившемся режиме мощ­ность, вырабатываемая всеми турбинами энергосистемы, должна быть равна мощности всех потребителей, подключенных к ней. Изменение потребляемой мощности вызывает изменение частоты электрического тока в сети. При изменении частоты мощность всех турбин должна быть изменена таким образом, чтобы частота сети восстановилась до номинального значения.

Если ГТУ работает не на сеть, а на изолированного потреби­теля мощности, условия ее работы определяются особенностями этого потребителя. Так, ГТУ на газоперекачивающих станциях должны вырабатывать такую мощность, чтобы давление газа за нагнетателем поддерживалось на заданном уровне. \, Кроме характеристик потребителя на режим работы ГТУ влия­ет изменение атмосферных условий —температуры, давления, влажности и запыленности воздуха. При изменении нагрузки не­обходимо следить за тем,, чтобы ГТУ не вышла из зоны допусти­мых режимов работы: температура газа перед турбиной не. долж­на быть выше предельной и ниже минимально допустимой; ком­прессор не должен попадать в помпаж; частота вращения ротора не должна быть меньше или больше допустимой и др.

Особенно быстро могут изменяться те или иные параметры при аварийных ситуациях.

\f Человек не в состоянии одновременно учитывать изменение всех параметров, характеризующих режим работы ГТУ, одновре­менно их регулировать и делать это достаточно быстро, чтобы обеспечить надежную работу. Эти функций выполняет система автоматического регулирования.

Прежде всего система регулирования изменяет расход топлива в камеру сгорания в зависимости от условий работу ГТУ. Им­пульс, служащий сигналом для изменения расхода топлива, вырабатывают датчики, измеряющие ту величину, которую нужно поддерживать постоянной и^щ_изменять по заданному закону (час­тота электрического тока сети, давление газа за нагнетателем, температура газа перед турбиной и др.),

Для управления ГТУ система автоматического регулирования |/ в простейшем случае (рис. 129) состоит из центробежного регу­лятора 2 с грузами,, вращающегося вместе с валом турбины. При увеличении частоты вращения грузы расходятся и перемещают муфту Л вверх, а при уменьшении они сходятся и муфта опуска­ется. С. муфтой связан рычаг АВ, закрепленный шарнирно в

масла

Выход 'топлива

вход

топлива

Рис. 129. Схема прямого регулирования:

/ — регулятор расхода топлива, 2 — цент­робежный регулятор

топлива

Рис. 130. Схема регулирования

с одним звеном усиления:

/ — регулятор расхода топлива, 2 — зв-

лотник, 3 — центробежный регулятор,

4 — сервомотор

точке С. Когда муфта А перемещается вместе с рычагом вверх, конец рычага В опускается и перемещает вниз клапан D, закры­вающий доступ топлива в камеру сгорания. Следовательно, с уве­личением частоты вращения количество топлива, поступающего в камеру сгорания, уменьшается. При этом уменьшаются крутя­щий момент и частота вращения ротора турбины.

Система регулирования настраивается так, чтобы при номи­нальной частоте вращения муфта А и клапан D находились во вполне определенном положении. Система регулирования, в ко­торой регулятор скорости воздействует непосредственно на кла­пан, называется системой прямого регулирования.

Мощность турбины зависит от количества топлива, сгорающего в камере сгорания. Расход топлива определяется положением кла­панов, которое жестко связано с положением муфты регулятора скорости. Так как положение муфты зависит от частоты вращения ротора, существует связь между его частотой вращения и мощ­ностью турбины. Кривая, изображающая такую зависимость, на­зывается статической характеристикой регулирования.

Наибольшее изменение частоты вращения от щ до п₂, при ко­тором мощность изменяется от нуля до полной, ограничено. Это изменение характеризуется степенью неравномерности, или не­равномерностью регулирования: 6= (п₂ — tii)/n₀ (где щ — номи­нальная частота вращения ротора турбины). Неравномерность -обычно равна 4,5—5,5%.

^ Схемы прямого регулирования не получили' распространения в мощных турбинах, так как. усилия, которые может развивать ре­гулятор скорости, недостаточны, чтобы переместить клапаны. Для перемещения клапанов используются устройства, которые питают­ся энергией от постороннего источника (например, гидравличе­ские сервомоторы).

В простейшей системе автоматического регулирования скорости с цепью усиления (рис. 130) муфта регулятора скорости А соеди­нена с золотником 2, который управляет подводом масла высокого давления в верхнюю или нижнюю полость сервомотора 4. Масло под давлением перемещает поршень сервомотора вниз, если оно подано в верхнюю полость, или вверх, если оно подано в нижнюю. Для перемещения золотника, направляющего масло в сервомотор, достаточно небольшого усилия от центробежного регулятора. Пор­шень сервомотора развивает большое усилие, необходимое для перемещения клапанов.

Рычаг, связывающий муфту Л центробежного регулятора с зо­лотником, соединен шарниром В со штоком сервомотора. При увеличении частоты вращения ротора муфта центробежного регу­лятора 3 поднимает конец рычага А вверх. В это время конец рычаг д В неподвижен и шарнир С, с которым увязан поршень золотника, движется вверх. Масло, поступающее от насоса в среднюю полость золотника, через его верхние окна попадает в полость над поршнем сервомотора. Масло из-под поршня сервомотора через нижнее окно золотника сливается в сливную линию. Поршень сервомотора начинает перемещаться вниз, закрывая клапан. Од­новременно шток сервомотора увлекает поршень золотника вниз, так как конец рычага В вместе со штоком сервомотора опуска­ется и поршень золотника возвращается в среднее положение. Это происходит, до тех пор, пока не прекращается поступление масла в полость сервомотора. При снижении частоты вращения сервомо­тор открывает клапан.

— Соединение золотника со штоком сервомотора, который возвра­щает золотник к среднему положению, называется обратной связью, а процесс возвращения золотника к среднему положе­нию— выключением золотника. Введение обратной связи в систе­му автоматического регулирования увеличивает ее устойчивость.

-В системах регулирования турбин большой мощности объемы сервомоторов, а следовательно, и расход масла достаточно вели­ки. Это требует увеличения площади сечения поршня золотника, что влечет за собой рост усилий на нем. В этих случаях применя­ют схемы с последовательным двукратным усилием (рис. 131). Центробежный регулятор 5 управляет легким золотником 4 не­большого сервомотора 3 первого звена усиления, а поршень этого сервомотора перемещает большой золотник 2 главного сервомо-

Рис. 131. Схема регулирова-" ния с двумя звеньями уси-. ления:

1,3 — сервомоторы, 2, 4 — зо­лотники, 5 — центробежный ре­гулятор

 

марли

\

Привад штока таяли внога клапаяд

тора 1. Каждый золотник возвращается в среднее положение што­ком поршня своего сервомотора.

В системах регулирования предусматривается специальное устройство— синхронизатор, который позволяет произвольно из­менять частоту вращения ротора турбины. Существуют различные виды синхронизаторов. Так, в схеме с синхронизатором, выпол­ненным с дополнительной пружиной (рис. 132, а), усилие, разви­ваемое вращающимися груза­ми центробежного регулятора 6, уравновешивается сжатием пружины 7 и натяжением пру­жины 4.. Вращением маховичка 3 перемещается винт, к кото­рому крепится пружина 4, из­меняющая натяжение.

При перемещении винта вверх натяг пружины 4 умень­шается, муфта центробежного регулятора. перемещается вверх и так же вверх идет зо­лотник сервомотора. Все эти элементы связаны рычагом, ко­торый поворачивается относи­тельно шарнира, расположен­ного на- штоке сервомотора. Золотник подает масло в верх­нюю полость сервомотора и заставляет его поршень дви­гаться вниз, перекрывая по­ступление топлива. Частота вращения ротора уменьшается, муфта регулятора скорости пере­мещается вниз и возвращает золотник в нейтральное положение. При этом система занимает положение равновесия уже при новой, меньшей частоте вращения.

При вращении маховичка 3 синхронизатора в другую сторону пружина 4 пойдет вниз, потянет за собой вниз муфту регулятора скорости и золотник сервомотора. Масло попадет в нижнюю по­лость под поршнем, и сервомотор пойдет вверх, увеличивая расход топлива. Частота вращения возрастет, и система регулирования вернется в положение равновесия при новой, но увеличенной час­тоте вращения.

В схеме регулирования с синхронизатором, воздействующим на передаточный механизм (рис. 132, б), с помощью маховичка мож­но перемещать конец Е рычага DE. При этом муфта центробеж­ного регулятора и поршень сервомотора" вначале остаются непод­вижными, а смещается лишь золотник сервомотора. Система ра­ботает так же, как и в предыдущем случае: при движении точки Е вверх частота вращения увеличивается, при движении вниз — уменьшается.

Современные системы автоматического регулирования позво­ляют автоматически поддерживать практически любую частоту вращения на холостом ходу. Каждой из них. соответствует свое положение синхронизатора. Центробежные регуляторы, которые способны управлять системой регулирования в широком диапазоне изменения частоты вращения, называют всережимными.

Выше рассмотрена работа системы регулирования в том слу­чае, когда электрический генератор не подключен к сети. Обычно турбина работает на общую электрическую сеть и ее мощность мала по Сравнению, с мощностью сети, т. е. по сравнению с общей мощностью всех других турбин, работающих одновременно. В этом

а)

Прибод штока /пшиш/ного клапана

Прибод штока

топлибного

клапана

Рис. 132. Схема регулирования с синхронизатором: з — с дополнительной пружиной, б — с воздействием на передаточный механизм; / — сервомотор, 2 — золотннк, 3 — маховичок, 4 — пружина, 5 — синхронизатор, 6 — центробежный регулятор, 7 — пружина центро­бежного регулятора

случае изменение нагрузки одной турбины практически, не сказы­вается на частоте тока в сети. При изменении потребления энергии (например, в вечернее время) изменяется частота вращения рото­ров всех турбин. Системы регулирования реагируют на это изме­нение и изменяют мощность турбин, восстанавливая частоту тока в сети. Мощности турбин изменяются по-разному в зависимости от крутизны статической характеристики регулирования.

Допустим, что- на сеть работают только две турбины, статиче­ские характеристики систем регулирования которых показаны на рис. 133, а, б. При изменении частоты вращения мощность первой турбины изменяется на ATVi, а второй турбины, статическая харак­теристика регулирования которой более крутая, на меньшую ве­личину AN₂. При параллельной работе двух турбин на общую сеть колебания нагрузки сильнее сказываются на тех турбинах, кото­рые имеют более пологие характеристики. Если в энергосистеме одновременно -работают турбины разной экономичности, то более экономичные должны иметь более крутые статические характери­стики регулирования (рис. 133, а). В этом случае они будут рабо-

+■-.,

'In

a)

N, 6)

Рис. 133. Крутая (а) и по­логая (б) характеристики двух параллельно работаю­щих турбин

тать с устойчивой нагрузкой и слабо реагировать на ее изменение. Пиковую нагрузку на себя возьмут менее экономичные турбины (рис. 133, б).

Если параметром, который необходимо поддерживать постоян­ным или изменять по заданному закону, является не частота вра­щения, а другая величина, то в схеме регулирования вместо регу­лятора скорости устанавливают измеритель этой величины (напри­мер, датчик температуры,' давления, расхода топлива и др.).

-Принципиально схема остается той же: сигнал от датчика об изменении пара­метра поступает через цепь усиления на исполнительный механизм, который воздействует на работу ГТУ так, что­бы измеряемый параметр достиг не­обходимого значения. Как сами дат­чики, так и элементы системы регули­рования могут быть самыми различными: гидравлическими, механически­ми и пневматическими, электрически­ми.

Система регулирования должна поддерживать режим работы ГТУ таким образом, чтобы ни один из заданных параметров не выходил за установленные пределы. Однако в случае отказов в системе регулирования или в аварийных ситуациях это условие

не выполняется.

\/ Чтобы избежать выхода из строя оборудования, ГТУ оснащается также системой защиты. В зависимости от схемы, конструкции и назначения ГТУ структура системы защиты может быть различной. Однако на каждой ГТУ ус­танавливается защита от недопустимо­го повышения частоты вращения и температуры газа перед турбиной, а также защита компрессора от помпажа, роторов от осевых сдвигов и др. Системы защиты состоят из предель­ных устройств и автоматов безопасно­сти.

Предельные устройства поддержи­вают параметр постоянным, после то­го как он достигнет предельного зна­чения (уставки). Сигнал об этом подается по специальному ка­налу обслуживающему персоналу.

Автоматы безопасности отключают ГТУ, когда параметр дости­гает предельного значения. По такому принципу работает, напри­мер, защита по частоте вращения ротора (рис. 134). В роторе / имеется поперечное отверстие, в котором размещен боек 3. Один конец бойка упирается в гайку 6, а другой свободно проходит

Рис. 134. Автомат безопас­ности:

/ — ротор, 2, 6 — гайки, 3 —

боек, 4 — пружина, 5 — центр

тяжести бойка

 

Рис. 135. Схема защиты ГТУ от недопустимого повыше­ния температуры газа перед турбиной:

1 — термопара, 2 — усилитель, 3 — детектор, 4 — логический блок, 5. 6 — сигналы уставок, 7 — световая сигнализация, в — сигнал в систему регулирования

 

через гайку 2. Боек удерживается в определенном положении пру­жиной 4. Положение бойка относительно ротора можно регулиро­вать гайкой 6, а натяг пружины — гайкой 9. Боек располагается таким образом, чтобы его центр тяжести 5 был смещен относи­тельно оси вращения ротора в сторону гайки 2.

Сила, возникающая при вращении ротора, стремится вытолк­нуть из него боек, однако этому препятствует натяжение пружины. Боек будет оставаться на месте до тех пор, пока эта сила и на­тяжение пружины не сравняются. При дальнейшем увеличении частоты вращения боек выйдет из отверстия в роторе, мгновенно сжав пружину. При этом его конец, появившийся над поверх­ностью ротора, воздействует на исполнительный механизм, оста­навливающий ГТУ. Натяжение пружины, и смещение центра тя­жести бойка подбирают так, чтобы защита срабатывала при час­тоте вращения ротора, не более чем.на 10—12% превышающей номинальную.

V Одна из схем защиты ГТУ от недопустимого повышения темпе­ратуры газа перед турбиной показана на рис. 135. Для измерения температуры, газа служат термопары /, от которых сигнал через усилитель 2 поступает в два детектора 3, где сравнивается с сигналами уставок 5 и 6. Одна из уставок соответствует пре­дельной температуре газа, а другая — немного меньшей.

Если сигнал поступает от одного из детекторов 3, срабатывает световая сигнализация 7. При поступлении сигнала от обоих детекторов подается сигнал 8 в систему регулирования на автоматический останов ГТУ. Факт по­явления одного или сразу двух сигна­лов устанавливает логический блок 4.

Чтобы не допустить попадание компрессора в помпаж, необхо­димо знать, какой точке характеристики соответствует режим его работы. Эта точка определяется любыми двумя из трех величин: степенью сжатия, расходом воздуха, приведенной частотой враще­ния. -А / Степень сжатия зависит от давления перед компрессором и за ним, а расход определяется по перепаду давления на любом пас­сивном участке воздушного тракта по его гидравлическому сопро­тивлению. Следовательно, измерив давление за компрессором и в двух точках тракта перед ним и сопоставив их, можно определить, в какой зоне характеристики работает компрессор. При прибли­жении к границе помпажа автоматически открываются устройства, перепускающие воздух после компрессора в атмосферу или на всас.

Такими устройствами являются заслонки, щельные и ленточные клапаны с автоматическим приводом.

§ 39. Система маслоснабжёния ГТУ

Система маслоснабжёния ГТУ предназначена для подачи масла к подшипникам, в гидравлическую или электрогидравлическую систему регулирования и к трущимся поверхностям (зубчатым пе­редачам, шарнирам и др.). Обычно применяют турбинное масло, имеющее температуру застывания—15° С. В северных районах ис­пользуют специальные масла, температура застывания которых —45° С.

Масла должным иметь определенную вязкость, кислотное число и зольность; ■ водорастворимые кислоты и щелочи, механические примеси, вода и сера должны в них полностью отсутствовать. Чтобы не допустить излишне быстрого окисления масла, его тем­пература после подшипников должна быть не более 70—75° С. Теплота, уносимая маслом, отводится из системы маслоснабжёния маслоохладителями, через которые прокачивается охлаждающая вода. Расход масла зависит от количества выделяющейся теплоты в подшипниках и допустимой температуры нагрева.

При простейшей схеме маслоснабжёния (рис. 136) масло из масляного бака 3 через магнитный фильтр 4 подается насосом 5

в системы смазки и регули­рования 8. В случае выхода из строя насоса 5 использу­ется резервный насос 6. За­тем масло фильтруется еще раз фильтром 7 и, пройдя маслоохладитель 9 и дрос­сельные шайбы //, дозиру­ющие его подачу, подается к каждому подшипнику. По­сле подшипников масло по сливным трубопроводам 12 поступает в общий коллек­тор, а из него — в масляный бак, где освобождается от воздуха и шлака. Емко­сти бака должно хватать на_{ 4—8 мин работы основного масляного насоса. Давление масла перед подшипниками обычно равно 0,15— 0,17 МПа. Если необходимо масло более высокого давления, оно подается дополнительным насосом, устанавливаемым перед входом в систему регулирования. При снижении давления ниже допусти­мого автоматически включается аварийный масляный электрона­сос 2.

Магнитные фильтры 4 предназначены для отделения мелких металлических частиц, а фильтры 7 задерживают немагнитные включения.

Маслоохладители представляют собой трубчатые теплообмен-

Слив -. •

Рис. 136. Схема системы маслоснабжё­ния турбины:

1, 2 — пусковой н аварийный маслонасосы, 3 — маслобак, 4, 7 — фильтры, 5, 6 — насосы, S — отвод в систему регулирования, 9 — маслоох­ладитель, 10 — аварийная емкость, // — дрос­сельные шайбы, 12 — слив масла из подшип­ников турбины

fflaunt. Внутри трубок течет вода, а снаружи они омываются мас-|1яом. Давление воды должно быть меньше давления масла, чтобы случае образования не плотности она не могла попасть в под-

* ШИПНИКИ.

Система маслоснабжёния подает масло не только к подшипни­кам турбины, но и к подшипникам потребителя энергии — элект­рического генератора, нагнетателя природного газа или др. В на­гнетателях природного газа масло также подается на его торцо­вое, уплотнение. Перед сливом в бак это масло очищают от газа.

Контрольные вопросы

1. Каково назначение систем топливоснабжения?