Файл: Автоматическое управление газотурбинными установками..pdf

рабочего тела перед ТВД при иабросе нагрузки и при увеличении уставки скорости с помощью регулятора приемистости, пуск турбо­ детандера, его отключение и расцепление с валом ТВД.

Основными элементами регулятора являются: регулирующий РК и стопорный СК клапаны с главным золотником и обратной связью ОС, датчики скорости ДС и давления ДД, сбросные кла­ паны СБ с золотником, логический блок ЛБ , где происходит выра­ ботка команд в виде давлений для управления и стабилизации

\

Рпс. Ѵ.4. Принципиальная схема гидродинамического регуля­ тора скорости вращения газовой турбины.

скорости. Из всех функций гидродинамического регулятора рас­ смотрим только стабилизацию скорости вращения ТНД, действие регулятора приемистости и осуществление пускового режима. Си­ стема стабилизации скорости с пусковым устройством и регулятором приемистости (рис. Ѵ.4) состоит из главного золотника V, сервомо­ тора IV регулирующего клапана, узла III сравнения усилий, про­ порциональных скорости, задающего 11 и пускового VI устройств, золотника Г обратной связи, с регулятором приемистости.

Рассмотрим действие главного золотника V и сервомотора IV регулирующего клапана. В стационарном состоянии поршень 10 главного золотника уравновешивается давлением рабочего р 2 и про­ точного р г масла. Если увеличится давление проточного масла, то поршень 10 золотника пойдет вверх, соединит полость сервомо­ тора с рабочим маслом и перекроет слив. В результате поршень 9

172

сервомотора пойдет вверх, так как под ним увеличилось давление. Если не уменьшить давления проточного масла р±, то поршень 10 золотника не перекроет доступа масла под поршень 9 сервомотора, и тот будет перемещаться до упора вверх, т. е. до полного открытия регулирующего клапана. Такой режим, естественно, недопустим. Поэтому сервомотор и золотник охватывают обратной связью.

Узел обратной связи состоит из золотника I, поршень 1 которого жестко связан с поршнем 9 сервомотора IV. При движении поршня сервомотора вверх поршень 1 увеличивает сечение слива проточного масла и тем самым снижает его давление р ѵ В результате поршень 10 золотника V смещается вниз (р2 > р 3) и перекрывает доступ рабо­ чему маслу под поршень сервомотора. Проще говоря, золотник обратной связи стабилизирует давление проточного масла, поэтому поршень главного золотника в стационарном режиме всегда пере­ крывает слив и подачу масла в сервомотор. Этот поршень смещается вверх или вниз только в период отклонения давления в проточной системе от равновесного значения, поэтому поршень сервомотора перемещается только на определенную величину.

Пуск происходит по специальной программе, связанной с про­ гревом турбин (рассмотрена выше). Проследим только открытие клапана регулятора скорости при изменении режимов, стабилизации и пуске.

Открытие регулирующего клапана осуществляется пусковым устройством VI, вручную или дистанционно с помощью управления двигателем постоянного тока ПУ, который через редуктор переме­ щает буксу 11. Букса перекрывает слив проточного масла и тем са­ мым увеличивает давление р г в его магистрали и'под поршнем глав­ ного золотника. Давление р г становится больше р 2, в результате перемещается поршень 10 главного золотника V и открывает доступ масла под поршень 9 сервомотора IV. Поршень сервомотора пере­ мещается вверх, преодолевая сопротивление пружины 8, и открывает регулирующий клапан на определенную величину. В конце пуска слив в пусковом устройстве полностью перекрывается. Таким обра­ зом, давление проточного масла р г теперь определяется только сли­ вом в регуляторе скорости I I я в золотнике I обратной связи с регу­ лятором приемистости.

Стабилизация скорости происходит следующим образом. Изме­ рителем скорости служит импеллер (насос), насаженный на вал ТНД. Масло от импеллера поступает в узел сравнения усилий III . Пор­ шень 5 уравновешивается давлением масла р 3 от импеллера и давле­ нием пружины 6, которое можно менять винтом 7. Поршень 5 узла сравнения соединен с поршнем 4 задающего устройства II, который при перемещении меняет слив в проточной системе и, следовательно, давление р х.

Допустим, скорость турбины повысилась в результате уменьше­ ния нагрузки. Увеличилось давление масла от импеллера, и пор­ шень 5 узла сравнения I I I опускается, сжимая пружину 6. Вслед за ним опускается поршень 4 задающего устройства и увеличивает

173

сечение сливного, отверстия. Давление в проточной системе упадет, поршень 10 главного золотника V опустится вниз, откроет слив изпод поршня 9 сервомотора IV, который под действием пружины 8 опустится вниз, и регулирующий клапан уменьшит подачу топлив­ ного газа. Скорость вращения турбины снизится, в результате чего уменьшится давление масла от импеллера р 3. Поршень 5 узла сравне­ ния I I I под действием пружины 6 поднимется вверх, а поршень 4 прикроет слив проточного масла. Его давление увеличится, поэтому поршень 10 золотника V поднимется вверх и перекроет слив. В ре­ зультате всех этих действий мощность турбины снижается, так как уменьшилась подача топлива, скорость турбины остается близкой к стабилизированной.

Если в результате увеличения нагрузки скорость упадет, то да­ вление масла от импеллера уменьшится, пружина 6 поднимет пор­ шень 5 вверх, сечение сливного отверстия уменьшится, давление p t в проточной системе возрастет. Поршень главного золотника подни­ мется вверх и откроет доступ масла под поршень сервомотора. Регулирующий клапан увеличит подачу газа, мощность турбины возрастет, а ее скорость примет повое установившееся состояние, близкое к стабилизированному.

Изменение стабилизированной скорости осуществляется бук­ сой 3 золотника II. Буксу перемещают вручную или дистанционно с помощью двигателя постоянного тока задающего устройства ЗУ. Букса изменяет положение сливного отверстия относительно поршня 4. Это приводит к последовательным изменениям сечения этого поршня, давления р 1 в проточной системе и скорости турбины. Допустим, требуется увеличить скорость вращения турбины. Для этого сместим буксу вниз и тем самым при неподвижном .поршне 4 уменьшим сечение слива. Давление проточного масла р 1 увели­ чится, поршень 10 главного золотника V сместится вверх и откроет доступ масла под поршень 9 сервомотора IV. Поршень 9 начнет перемещаться вверх и увеличит проходное сечение регулирующего клапана, а следовательно, и подачу газа в камеру сгорания. Тур­ бина начнет наращивать скорость вращения. Тогда повысится давле­ ние масла р 3 на выходе импеллера. В узле сравнения I I I поршень 5

буксу следует сместить вниз, увеличив тем самым сечение слива. Назначение регулятора приемистости состоит в защите турбины от повышения температуры при резком набросе нагрузки или бы­ стром подъеме скорости. Действие регулятора приемистости ана­

логично действию буксы 3 в задатчике скорости. Букса 2 в золот­ нике I обратной связи перемещается при изменении давления в ком­ прессоре. При малом давлении сечение сливного отверстия велико, давление р г в проточной системе мало и регулирующий клапан закрыт, даже если полностью перекрыт слив в золотнике I I регу­

174

лятора скорости. По мере увеличения скорости компрессора (при разгоне турбодетандером) растет давление на его выходе и букса 2 перекрывает слив. Давление проточного масла возрастает, и регу­ лятор скорости получает возможность открывать регулирующий клапан.

При резком увеличении нагрузки или резком изменении задания скорости слив в регуляторе скорости I I полностью перекрывается. Но поршень 9 сервомотора I V не пойдет резко на открытие, так как регулятор приемистости обеспечивает достаточный слив, поэтому не происходит резкого повышения давления р г в проточной системе, а следовательно, и резкого подъема регулирующего клапана. По мере увеличения давления в компрессоре уменьшается слив в регуляторе приемистости, повышается давление в проточной системе, регули­ рующий клапан постепенно открывается, и снова вступает-в дей­ ствие регулятор скорости.

Как видно из схемы регулирования, все процессы построены на изменении сечения сливных отверстий, т. е. давления проточного масла р 1 при изменении режимов. При равновесных режимах давле­ ние проточного масла постоянно. Нетрудно заметить, что детали ре­ гулятора должны быть изготовлены весьма точно, особенно сливные отверстия, чтобы обеспечить высокую точность и чувствительность подсистемы регулирования. Проблема эта успешно решена, и гидро­ динамические регуляторы скорости вращения успешно эксплуати­ руются на газотурбинных установках.

Однако гидродинамические регуляторы имеют и ряд недостатков, к которым можно отнести: сложность и трудоемкость механической обработки деталей регулятора, большую массу (около 5 т), труд­ ность создания корректирующих цепей, улучшающих динамику регулирования, сложность сочленения с системами дистанционного управления и телемеханики, сложность настройки и перенастройки регулятора на ходу машины, относительно высокие требования к чистоте масла, зависимость качества работы регулятора от вяз­ кости масла и т. д. Эти и другие более мелкие недостатки вынуждают искать пути к улучшению и модернизации существующих регуля­ торов. Одним из таких путей является применение электронных и комбинированных регуляторов, т. е. электрогидравлических, электропневматических, пневмогидравлических.

Электрогидравличесішй регулятор

Дальнейшее изложение касается в основном электрических и электрогидравлических регуляторов. Прежде чем перейти к опи­ санию разных схем, сделаем несколько замечаний. Были попытки создать схемы регулирования газовых турбин чисто электрические. Принципиально это возможно, так как современная техника электро­ привода позволяет конструировать качественные и быстродейству­ ющие электрические исполнительные механизмы. Значит, для управле­ ния регулирующим, стопорным, сбросными клапанами иклапанамн

175

турбодетандера можно применить электрические исполнительные механизмы, использующие двигатели переданного или постоян­ ного тока, а также соленоиды. Но для этого придется менять целый ряд конструктивных узлов турбины, таких как расцепление турбо­ детандера, сбросные клапаны, некоторые защиты и т. д. Работа эта весьма трудоемкая, требующая длительного освоения новых конструкций. К тому же масло все равно остается в машине — для смазки. Поэтодіу столь серьезная реконструкция не совседі целе­ сообразна.

Более перспективен другой путь: исполнительные діехапиздш оставить гпдравлическпдш, а всю логическую часть регулятора сделать электрической. В этоді случае конструкция діашины и сило­ вые исполнительные діехаииздіы не претерпевают изменений, послед­ ние остаются быстродействующндш и надежными, а логическая часть регулятора становится более кодшактиой, легко регулируедшй на ходу діашпиы, позволяющей широко использовать дистанционное и теледіеханическое управление. Связь электроники с гидравликой осуществляется весьд'іа просто — с подющыо малодющных следящих систеді, служащих для перемещения золотников. По этому пути и были направлены разработки новых подсистем регулирования. Вдіесто гидравлических исполнительных діехаипздюв успешно дюжно придіенять и пневдіатические. Это целесообразно потодіу, что на станции идіеется сжатый воздух, который можно отбирать от любой ступени компрессора. Однако следует задіетить, что пневдіатические исполнительные діехаииздіы более инерционны, чеді гидравлические. Это обусловлено сжидіаедюстыо воздуха, в то вредія как діасла практи­ чески несжидіаедіы.

На рис. Ѵ.5 показана функциональная схедіа электрогидравлического регулятора основных парадіетров газовой турбины, служа­ щей для привода нагнетателя. Регулятор выполняет те же функции, что и гидродпиа.мическая подсистедіа управления: пуск турбины, стабилизацию скорости вращения ТНД при издіеиении нагрузки, отсечки по температуре перед ТВД и давлению за нагнетателем. Отличие состоит в том, что все узлы, кроме исполнительных механиздшв, идіеют электронное исполнение.

В схему регулятора входят следующие элементы: блок пуска БП, осуществляющий разгон турбины до скорости холостого хода с кон­ тролем скорости вращения вала ТВД, что является новыді по сравне­ нию с гидродинадіической системой; датчики скорости ДОС1 и ДОС2 турбин ТВД и ТНД; измеритель скорости 4M; усилитель У с регулятороді приемистости РЛ, который ограничивает броски темпера­ туры перед ТВД; датчик давления Д Д за кодшрессороді; позицио­ неры Ш и П2 с усилителядш У1 и У2, преобразующими напряжения в углы поворота золотников; регулирующий клапан РК и сбросной

176

Специальным реле скорости PC регулятор переключается с одного режима на другой.

Схема регулирования функционирует следующим образом. Блок Б П выдает напряжение постоянного тока £/э, величина кото­ рого пропорциональна скорости вращения ТНД в процессе стабили­ зации, а в процессе пуска напряжение меняется по линейному или нелинейному закону. Напряжение U3 сравнивается с напряжением обратной связи Z70 с, которое вырабатывает измеритель скорости 4M, оно пропорционально скорости вращения ТВД и ТНД. В результате

Рис. V.5. Функциональная схема электрогндравлпчёского регулятора скорости вращения газовой турбины.

сравнения появляется разность напряжений AU = 17э — U0 с, ко­ торую назовем ошибкой рассогласования по скорости или просто ошибкой. Если U0 с = и э , то естественно, что A U = 0 и вся под­ система находится в установившемся режиме, т. е. нет никаких изменений напряжения в регуляторе. Если С/0 с > U3, то AU < 0; если £70 с < и э, то AU > 0.

Ошибка AU усиливается электронными усилителями У и Уг и с помощью позиционера П1 воздействует на управляющий золот­ ник, который изменяет сечение слива проточного масла так же, как в гидродинамическом регуляторе. Исполнительные механизмы поворачиваются на углы, пропорциональные ошибке AU. Причем, если AU отрицательно, то регулятор действует таким образом, что вынуждает регулирующий клапан закрываться, т. е. уменьшать по­ дачу топлива; если AU положительно, то открываться и увеличивать ;

подачу топлива. Так стабилизируется скорость под нагрузкой пли ускорение ири дуске. Регулятор приемистости РП ограничивает напряжение Д£/ в зависимости от давления перед камерой сгораиия и тем самым ограничивает ход регулирующего клапана при резких набросах нагрузки или при резком увеличении напряжения £/э. Подобным образом происходит и управление сбросными клапа­ нами CR.

Нетрудно заметить, что отличие электрогидравлического регуля­ тора от гидродинамического состоит в том, что вместо сравнений и ограничений усилий (пружин и давления масла) здесь происходит сравнение и ограничение напряжений, что проще и точнее.

для выработки эталонного напряжения £/э, пропорционального скорости вращения. В пусковом режиме БП изменяет 17э по линей­ ному закону, в режиме стабилизации выдает постоянное напряже­ ние. Схема БП (рис. V.6) состоит из маломощной следящей системы СС и потенциометра П2, с которого снимается напряжение Лэ. Следящая система преобразует напряжение, снимаемое с задающего потенциометра ЗП, в положение движка потенциометра IT2.

Задающий потенциометр состоит из трех секций. Секции задают ступенчато напряжения, пропорциональные 1000, 100 и 25 об/мин. Эти напряжения сравниваются с напряжением потенциометра обрат­ ной связи П1, движок которого через редуктор Р1 соединен с двига­ телем РД-09. Практически задающий потенциометр ЗП и потенцио­ метр обратной связи П1 образуют мост. В диагональ моста включены обмотки Ц7Х, бесконтактных реле БР1 и БР2, которые через уси­ литель У управляют двигателем. При разбалансе моста включаются через диоды Д1, Д2 обмотки бесконтактных реле wx или w2- Реле БР1 или БР2 срабатывает и включает двигатель в ту или иную сторону в зависимости от знака напряжения разбаланса. Дви­ гатель вращается и перемещает движок потенциометра обратной связи Л1. Это перемещение происходит до тех пор, пока мост не уравновесится, т. е. напряжение в его диагонали будет равно нулю. В этом случае реле БР1 или БР2 отключится и двигатель остановится.

Одновременно с движком потенциометра обратной связи П1 перемещается и движок потенциометра П2, соединенный с двига­ телем РД-09 через дополнительный редуктор Р2. Так как двига­ тель вращается с постоянной скоростью, то напряжение ІІЭ на по­ тенциометре П2 также изменяется с постоянной скоростью, т. е. линейно во времени (если потенциометр линейный). Если требуется нелинейный закон изменения Бэ во времени, то намотка потенцио­ метра Л2 должна быть выполнена также по нелинейному закону. Рассмотрим более подробно схему управления двигателем РД-09 (рис. Ѵ.7). Обмотка управления двигателя включена в диагональ моста, образованного двумя обмотками трансформатора, транзи­ сторами Т5, Тб жсопротивлением R. Обмотка управления питается

178