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?