Автоматическое регулирование и защита газотурбинных установок
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.
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 или изменять по заданному закону (частота электрического тока сети, давление газа за нагнетателем, температура газа перед турбиной и др.).
Рис.1. Схема прямого регулирования:
1 — регулятор расхода топлива,
2 — центробежный регулятор
Для управления ГТУ система автоматического регулирования в простейшем случае (рис.1) состоит из центробежного регулятора 2 с грузами, вращающегося вместе с валом турбины. При увеличении частоты вращения грузы расходятся и перемещают муфту L вверх, а при уменьшении они сходятся и муфта опускается. С муфтой связан рычаг АВ, закрепленный шарнирно в 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 n1 до n2, при котором мощность изменяется от нуля до полной, ограничено. Это изменение характеризуется степенью неравномерности, или неравномерностью регулирования. 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).
Рис.2. Схема регулирования с одним звеном усиления:
1 — регулятор расхода топлива, 2 — золотник,
3 — центробежный регулятор, 4 — сервомотор
В простейшей системе автоматического регулирования скорости с цепью усиления (рис.2) 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 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 рычага 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.
Рис.3. Схема регулирования с двумя звеньями усиления:
1,3 — сервомоторы, 2,4 — золотники,
5 — центробежный регулятор
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.3). Центробежный регулятор 5 управляет легким золотником 4 небольшого сервомотора 3 первого звена усиления, а поршень этого сервомотора перемещает большой золотник 2 главного сервомотора 1. Каждый золотник возвращается в среднее положение штоком поршня своего сервомотора.
Рис.4. Схема регулирования с синхронизатором:
а — с дополнительной пружиной, б — с воздействием на передаточный механизм;
1 — сервомотор, 2 — золотннк, 3 — маховичок,
4 — пружина, 5 — синхронизатор, 6 — центробежный регулятор,
7 — пружина центробежного регулятора
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.4,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.4,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 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. При изменении частоты вращения мощности турбин изменяется. 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. В этом случае они будут работать с устойчивой нагрузкой и слабо реагировать на ее изменение. Пиковую нагрузку на себя возьмут менее экономичные турбины.
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.
Рис.5. Автомат безопасности:
1 — ротор, 2,6 — гайки, 3 — боек,
4 — пружина, 5 — центр тяжести бойка
Автоматы безопасности отключают ГТУ, когда параметр достигает предельного значения. По такому принципу работает, например, защита по частоте вращения ротора (рис.5). В роторе 1 имеется поперечное отверстие, в котором размещен боек 3. Один конец бойка упирается в гайку 6, а другой свободно проходит 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.
Рис.6. 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, 8 — сигнал в систему регулирования
Одна из схем защиты ГТУ от недопустимого повышения температуры газа перед турбиной показана на рис.6. Для измерения температуры, газа служат термопары 1, 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. 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.
