Структурные и принципиальные схемы систем автоматического регулирования паровых турбин
Системы автоматического регулирования (САР) современных паровых турбин, служащих приводом электрических генераторов, являются сложным комплексом взаимосвязанных узлов и устройств.
Четкая и безотказная работа этих систем автоматически поддерживает заданные режимы работы турбоагрегата. Кроме того, системы регулирования вместе с целым комплексом защитных устройств обеспечивают необходимые безопасность и надежность всего агрегата при аварийных ситуациях. При помощи этих же систем оперативный персонал осуществляет управление турбоагрегатом при пуске, остановке, изменении режимов работы и ликвидации аварийных ситуаций. Правильная настройка систем регулирования, в том числе органов парораспределения, существенно влияет на экономичность работы турбоагрегата.
В зависимости от типа, мощности и предполагаемого характера работы турбины оснащаются различными системами регулирования и защиты. Конструктивное исполнение отдельных узлов и устройств этих систем также различно у разных турбостроительных заводов. Однако в любой системе регулирования практически используются принципиально одинаковые структурные схемы и способы решения поставленных задач. Такое принципиальное единообразие диктуется директивными требованиями к САР с точки зрения качества и надежности их работы, свойствами турбоагрегата как объекта регулирования, и, наконец, основными положениями теории автоматического регулирования. Поэтому можно рассматривать некоторые общие принципы построения САР паровых, турбин, не разбирая подробно их конструктивного выполнения.
По своей структуре каждая САР состоит из сравнительно небольшого числа типовых звеньев, обладающих определенными свойствами с точки зрения их назначения в системе.
Рис. 1. Структурная схема САР.
На рис. 1 приведена структурная схема, содержащая все основные звенья элементарной САР.
Объект регулирования — агрегат (турбина), в котором происходит процесс, подлежащий регулированию.
Режим работы турбины характеризуется рядом физических величин — параметров: частотой вращения ротора, давлением пара в камерах отборов, температурой пара и т. п.
На режим работы объекта регулирования влияет изменение условий работы. Эти изменения называют внешними воздействиями, или возмущениями. Изменение режима работы объекта регулирования проявляется в изменении физических параметров, характеризующих данный режим.
Например, для турбоагрегата, обеспечивающего электроэнергией собственных потребителей, внешними возмущениями будут изменения нагрузки потребителями, изменение параметров пара перед турбиной или в конденсаторе, включение или отключение подогревателей в схеме регенерации и т. п. Все эти возмущения в большей или меньшей степени приведут к нарушению равенства между электрической мощностью генератора и паровой мощностью турбины и проявятся в изменении параметра — частоты вращения ротора турбоагрегата.
Задача регулирования заключается в обеспечении заданного режима работы агрегата путем поддержания одной или нескольких характерных физических величин в установленных пределах, несмотря на внешние возмущения. Эти физические величины, по которым ведется процесс регулирования, называют регулируемыми параметрами. Выбор тех или иных физических величин в качестве регулируемых параметров определяется рядом факторов. От правильности такого выбора во многом зависит успешное решение задач регулирования.
Для теплофикационной турбины изменение потребления отборного пара потребителем или другие внешние возмущения приведут к изменению давления пара в отборе, что также достаточно четко характеризует работу турбины.
Для конденсационных турбин, служащих для привода электрических генераторов, регулируемым параметром устанавливается частота вращения ротора. Частота вращения ротора является важнейшим физическим параметром работающего турбогенератора, так как не только определяет частоту вырабатываемого электрического тока — одну из основных характеристик качества электрической энергии, но и определяет безопасность турбоагрегата.
Для теплофикационных и противодавленческих турбин, кроме частоты вращения роторов, регулируемым параметром является также давление пара в камерах регулируемых отборов или за турбиной, определяющее качество вырабатываемой тепловой энергии и безопасность некоторых узлов турбины.
В соответствии с этим для конденсационных турбин основной и важнейшей системой регулирования является система регулирования частоты вращения роторов турбоагрегата.
Для теплофикационных и противодавленческих турбин кроме обязательной для них системы регулирования частоты вращения ротора добавляются системы регулирования давления пара в камерах регулируемых отборов или за турбиной.
Рассмотрим назначение и работу всех звеньев, указанных на схеме, в процессе автоматического регулирования.
Датчик является обязательным звеном любой САР. Датчик постоянно контролирует регулируемый параметр, измеряет знак и величину его отклонения и преобразует полученную величину отклонения в удобную для дальнейшего использования выходную величину (например, перемещение какого-то элемента, изменение давления и т. п.).
3адатчик служит для установки заданного уровня регулируемой величины и сравнения ее с текущим значением.
Конструктивно датчик и задатчик могут быть выполнены одним узлом, как это выполнено в САР с грузовыми шарнирными регуляторами скорости, или двумя отдельными узлами, как в САР с регулятором РС-3000 ЛМЗ.
Усилительное устройство. Выходная величина датчика подается в следующее звено системы — усилительное устройство. Задачей этого звена является усиление и преобразование выходной величины датчика таким образом, чтобы ее можно было использовать для управления исполнительным механизмом. Для этой цели используется вспомогательная энергия, подводимая к усилительному устройству. В паровых турбинах, как правило, используются гидравлические связи между звеньями САР. В этом случае такой вспомогательной энергией является давление рабочей жидкости, подаваемой от насоса.
В случае необходимости в системе применяют несколько последовательных звеньев усиления.
Исполнительный механизм — сервомотор по команде усилительного устройства и с помощью вспомогательной энергии совершает работу по необходимому перемещению регулирующего органа.
Регулирующий орган — устройство, с помощью которого осуществляется регулирующее воздействие на регулируемый параметр, т. е. оказывается влияние на режим работы агрегата. У паровых турбин такими регулирующими органами являются органы парораспределения — Дроссельные, регулирующие клапаны и поворотные заслонки.
Рассмотренная система обладает характерной особенностью, заключающейся в замкнутости контура регулирования. Воздействие одних звеньев системы на другие происходит только в одном направлении. Выходная величина одного звена является входной величиной для следующего звена. Существует прямая связь между положением регулирующего органа и значением регулируемого параметра. Так, изменение положения регулирующих клапанов турбины приводит к изменению частоты вращения ротора. В свою очередь изменение регулируемого параметра приводит к изменению положения регулирующего органа таким образом, чтобы сохранить значение регулируемого параметра в заданных пределах.
Например, изменение частоты вращения ротора турбины приводит к изменению положения регулирующих клапанов с тем, чтобы сохранить частоту вращения в заданных пределах. Таким образом проявляется обратная связь от регулируемого параметра к регулирующему органу, осуществляемая через систему регулирования.
В соответствии с рассмотренной структурной схемой задачи автоматического регулирования решаются применением одного из трех основных принципов: регулирования по отклонению регулируемого параметра, регулирования по скорости этого отклонения и регулирования по компенсации возмущений (по возмущающему воздействию или по нагрузке). Применяются также комбинации этих способов.
Рассмотрим работу системы автоматического регулирования частоты вращения ротора турбогенератора с применением способа регулирования по отклонению регулируемого параметра (рис. 2).
Рис. 2. Принципиальная схема регулирования паровой турбины.
Объектом регулирования является турбина 2 и связанный с ней генератор 1, работающий на собственных потребителей. Регулируемым параметром является частота вращения ротора турбогенератора. В качестве датчика, измеряющего частоту вращения, служит центробежный регулятор, приводимый во вращение от вала турбины. Грузы 4 регулятора под действием центробежной силы меняют свое положение, компенсируя натяжение пружины, перемещают муфту 7 регулятора, ход которой ограничивается упорами 9. Перемещение муфты является выходной величиной датчика. Задание датчику (задаваемая величина частоты вращения) осуществляется механизмом управления 5, при помощи которого можно изменять натяжение пружины регулятора в пределах упоров 6. Усилительное устройство и исполнительный механизм—золотник 10 и сервомотор И с подводом вспомогательной энергии в виде давления жидкости от насоса. Золотник подвешен к рычагу 8, соединяющему муфту регулятора 7 со штоком сервомотора 11. На штоке же сервомотора расположен паровпускной клапан 3, являющийся регулирующим органом.
Установившийся режим работы турбогенератора характеризуется равенством электрической нагрузки на генератор с паровой мощностью турбины и отсутствием каких-либо внешних возмущений на эти объекты.
В этом случае частота вращения ротора сохраняется постоянной и соответствует значению, установленному механизмом управления. Все элементы системы регулирования находятся в определенных установившихся положениях, соответствующих данной паровой мощности турбины. Золотник 10 обязательно находится в среднем положении (точка б), так как только в этом случае и сервомотор 11 и клапан 3 сохраняют свои неизменные положения.
Допустим, что в результате отключения части потребителей произошло уменьшение электрической нагрузки на генератор. В результате паровая мощность турбины стала больше электрической нагрузки генератора. Избыточная мощность приведет к увеличению частоты вращения ротора турбогенератора против того уровня, который был установлен механизмом управления.
В результате этого расходящиеся грузы 4 центробежного регулятора начнут перемещать муфту 7 в положение 0.1 и, поворачивая рычаг 8 около точки в, сместят золотник 10 из среднего положения к точке б1. При таком смещении золотника масло или другая жидкость, подаваемая насосом в среднюю камеру, поступит в верхнюю полость сервомотора 11, а его нижняя полость соединится с линией слива. Поршень сервомотора под действием давления масла начнет двигаться вниз и прикрывать регулирующий клапан 3, вследствие чего уменьшается паровая мощность турбины. При движении вниз сервомотор одновременно с помощью рычага 8, поворачивая его около точки а1, возвращает золотник 10 в прежнее положение, в точку б. Возвратившись в свое среднее положение, золотник перекрывает подвод и слив масла из полостей сервомотора и прекращает движение сервомотора и регулирующего клапана в сторону закрытия.
Этот процесс будет происходить до тех пор, пока уменьшающаяся паровая мощность турбины не сравняется с уменьшившейся электрической нагрузкой генератора. После этого возрастание частоты вращения ротора прекращается и процесс регулирования заканчивается. Новый установившийся режим характеризуется несколько большей частотой вращения ротора и несколько уменьшенным открытием регулирующего клапана. Рычаг 8 занимает при этом новое положение а1в1.
Если нагрузка на генератор увеличится и станет больше мощности турбины, частота вращения ротора начнет уменьшаться, и процесс регулирования пойдет в обратном направлении — муфта 7 начнет опускаться к точке а2, золотник из среднего положения переместится к точке б2, а в результате движения поршня сервомотора вверх регулирующий клапан будет открываться до тех пор, пока увеличивающийся расход пара через турбину не обеспечит равенства ее мощности с увеличившейся нагрузкой генератора и т. д. При новом установившемся режиме частота вращения будет ниже, чем она была до увеличения нагрузки. Регулирующий клапан будет открыт больше, а рычаг 8 займет положение а2в2.
Из рассмотрения работы системы регулирования видно, что частота вращения ротора поддерживается не точно на заданном уровне, а с некоторым определенным отклонением Δn. При этом каждому положению регулирующего клапана h однозначно соответствует вполне определенная частота вращения ротора n и вполне определенное положение муфты регулятора z. Такое отклонение частоты вращения от заданного значения принципиально необходимо, так как именно оно и определяет перестановку регулирующего клапана. При этом клапан открывается тем сильнее, чем больше падает частота вращения, и закрывается тем больше, чем сильнее возрастает частота вращения.