Кириллов И.И. Автоматическое регулирование паровых турбин и газотурбинных установок

Подождите немного. Документ загружается.

лотника

составе регулятора, расположенного вдали

от

сервомото-

ра.

мембране

приложена сила пружины

опирающейся

на та-

релку

Мембрана

5 и

дроссельный золотник регулятора образуют

механизм, вполне аналогичный промежуточному поршневому

сервомотору

дроссельным золотником

(см. рис. 2.7).

Нижняя

опора пружины

перемещается

тарелкой

вызывая эффект

силовой обратной связи, аналогично показанной

на

рис.

2.3.

Механизмы, аналогичные мембранным сервомоторам, могут

служить

качестве связующих звеньев

или

разделителей

двухимпульсных систем

различными рабочими телами, напри-

мер,

масло—вода, масло—воздух

(рис. 2.15) при

различных

давлениях

и р

системах.

2.7.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕРВОМОТОРЫ

УСИЛИТЕЛИ

Прогресс автоматизации электрических энергосистем

быстро развивается,

и в

системы регулирования турбин

все

больше поступает электрических управляющих

экстренных

сигналов.

Они

чаще всего передаются распределительным органам

турбины через гидравлическую систему усиления.

Для

их

приема

требуется электрогидравлический преобра-

зователь, который

как

связующее звено составляет неотъем-

лемую часть современных электрогидравлических систем регули-

рования.

связи

этим ставится

более широкая задача: переход

к электрической системе регулирования

целом. Основное препят-

ствие

на

этом пути

—•

трудности создания целесообразной кон-

струкции достаточно мощного

при

этом малоинерционного элек-

трического двигателя, пригодного

для

чрезвычайно быстрой пере-

становки клапанов крупных паровых турбин. Пока гидравличе-

ский сервомотор остается главным двигателем, удовлетворяющим

указанным крайне сложным требованиям.

связи

этим нахо-

дится

стадии решения проблема создания оптимальной элек-

трогидравлической системы регулиро-

вания.

Электродвигатель.

Для

дистанционного управления турбиной

с давних

пор

применялись сравнительно медленно действующие

электродвигатели малой мощности, достаточной

для

перемещения

золотников.

Ими

прежде всего стали пользоваться

для

автомати-

ческого ввода сигнала извне

гидравлическую систему регулиро-

вания. Такая связь между электрической

гидравлической

си-

стемами через электродвигатель

сейчас применяется. Принцип

его действия крайне прост:

по

сигналу

от

регулятора электродви-

гатель совершает поворот

на

угол

лг

и эта

величина кинемати-

чески преобразуется

поступательное движение

сообщаемое

золотнику следующего сервомотора. Если

при

этом выполняется

еще обратная связь, сигнал

от

которой складывается

со

входным

сигналом,

то

получается схема, вполне аналогичная гидравличе-

Рис.

2.16.

Усилитель напряжения

скому сервомотору. Если

же

электродвигатель служит

для

непосредственного привода кла-

панов,

то

принимаются особые

меры

для

достижения

его бы-

стродействия

(см. § 14.2 и

15.4).

Усилитель напряжения.

ка-

честве примера рассмотрим

схему усиления

по

напряжению

с пассивными элементами посто-

янного тока

(рис. 2.16).

Такие

элементы

не

содержат источни-

ков энергии. Простейшие схемы усиления состоят

из

сопротивле-

ний

емкостей.

Пусть

при

входе

систему поставлено очень большое сопро-

тивление

которое условимся считать бесконечным. Сопротив-

ление

при

выходе, наоборот, пусть будет пренебрежимо мало.

При неработающем усилителе полагаем,

что

поддерживается

напряжение

при

входе

Щ, а

при

выходе

причем

| U

\ > |

и имеет обратный знак. Коэффициент усиления

—U

/U\;

пусть

так

велик,

что

приближенно

его

можно считать беско-

нечно большим. Подключим

контуру, отмеченному штриховой

линией, импеданц

перед усилителем

—

над

ним.

Напряже-

ние

будем рассматривать

как

исходное

для

усилителя, сравни-

вающее уровень усиления

заданной величиной.

По

закону

Кирхгофа определяется сила тока

= (Ui -

l/f)/Z,;

h = (U\ -

)/Z

Поскольку принято

Ri = oo,

можно считать

/* = А, а

тогда

(Ui

—

U\)/Zi

= (UJ —

)/Z

или

-t/i/z>

+ (z?+z-

)u;.

Так

как

принято

< U

, то в

последнем уравнении,

случае

величин

и Z

одного порядка, можно пренебречь членом,

со-

держащим

U*.

Тогда

-ад.

(2.6)

Таким образом, выбирая

и Z

можно устанавливать

те

или иные зависимости между входным

выходным напряжениями.

Отношение

можно представлять

как

функцию коэффициен-

тов сопротивлений

емкостей

таким образом создавать

желательный переходный процесс.

ГЛАВ\

СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

РЕГУЛИРОВАНИЯ

При решении сложных задач эксплуатации турбинных

установок важную роль играет функция, отображающая совокуп-

ность возможных установившихся режимов работы.

Для

кон-

кретности будем иметь

виду турбогенераторы, работающие

на

электрическую сеть. Применительно

к ним эта

функция выражает

зависимость мощности агрегата

N от

величины регулируемого

параметра

м —

частоты

сети

= /(co). (ЗЛ)

Геометрическое представление функции

(3.1)

весьма полезно

для понимания сути дела

(рис. 3.1). Эта

функция изображается

кривой,

иногда

—

даже ломаной линией.

Но во

многих слу-

чаях

ее всю или

лишь участки

первом приближении можно рас-

сматривать

как

прямые линии. Такая математическая модель

всех установившихся режимов работы турбины делает задачу

их

исследования простой

обозримой.

Ранее

уже был

введен один

из

важнейших параметров системы

регулирования

—

коэффициент неравномерно-

сти

б. Но

полный физический смысл этого параметра выяснится

лишь

привлечением статической характеристики регулирова-

ния

(рис. 3.1).

Чтобы построить статическую характеристику

ре-

гулирования, надо располагать

ее

составляющими

для

каждого

элемента системы:

для

регулятора,

для

распредели-

тельных органов турбины,

для

передаточ-

ного механизма между регулятором

распределитель-

ными органами.

3.1.

ХАРАКТЕРИСТИКА РЕГУЛЯТОРА

Весь механизм

от

чувствительного элемента

до

выхода

командного сигнала

золотнику главного сервомотора образует

регулятор.

Он

может содержать один

или

несколько усили-

телей

(или

сервомоторов) высокого быстродействия,

также

эле-

Рис. 3.1.

Статическая характеристика регулирования

Рис. 3.2.

Характеристика регулятора

при

различных натяжениях пружины

(/,

2, 3);

между линиями

2 и 2' —

область нечувствительности

менты медленно действующих устройств управления. Кроме того,

его

состав могут входить различные корректирующие устройства

типа изодрома, дифференциатора

интегратора.

Все эти

устрой-

ства

при

рассмотрении равновесных положений регулятора, есте-

ственно,

не

проявляют своих динамических качеств,

вносят

лишь передаточные числа подобно кинематическим звеньям.

Говоря

рабочем ходе регулятора, будем иметь

виду изме-

нение

его

выходной координаты

обозначать

ее z.

Статическую

ха-

рактеристику регулятора будем считать линейной

(рис. 3.2).

z = 6(0, (3.2)

где

со —

регулируемая величина;

z — ход

указателя регуля-

тора

—

выходная координата регулятора;

k = 1/6 —

коэффициент

усиления;

б —

коэффициент неравномерности регулятора

со-

гласно

(1.6).

Максимальный

ход

регулятора z

max

должен отвечать переме-

щению распределительных органов (клапанов) турбины

от их

положения

на

холостом ходу

до

полного открытия, определяемого

координатой т

так

при

максимальной мощности агрегата

номи-

нальных параметрах рабочего тела. Соотношение взаимосвязан-

ных полных перемещений т

тах

max

представляет собой коэф-

фициент усиления

гидравлической

или

электрической схеме,

условной схеме

—

передаточное число рычагов,

связывающих регулятор

поршнем главного сервомотора.

Характеристика готового регулятора снимается эксперимен-

тально

на

специальном стенде,

где

центробежный регулятор при-

водится

во

вращение двигателем постоянного тока. Частота вра-

щения изменяется

заданных пределах. Измеряя

ее и

одновре-

менно координату

получаем искомую характеристику. Если

предусмотрено изменение начальной силы пружины, действующей

на муфту маятника,

то

характеристику следует снимать

при не-

скольких натяжениях пружины

(на рис. 3.2 — при

трех натяже-

ниях).

Если

же

регулятор должен совершать рабочий

ход на

раз-

личных участках характеристики

(см. рис. 3.14), ее

надо снимать

на протяжении всего предполагаемого хода муфты.

3.2.

ХАРАКТЕРИСТИКИ

РЕГУЛИРОВОЧНЫХ ОРГАНОВ ТУРБИНЫ

Характеристика задается

виде функции мощности

агрегата

N от

положения

сервомотора

или

клапана

N = f (т).

Если координаты

отсчитывать

от

положения поршня серво-

мотора

на

холостом ходу турбины,

то

начальная полезная мощ-

ность

А^

= 0 при т

= О, а

максимальная мощность

max

до-

стигается

при т =

пих

(рис. 3.3).

Характеристику регулиро-

вочных органов можно построить расчетным путем, основываясь

на опытных коэффициентах расхода клапанов.

Ее

можно также

получить экспериментально.

Рис. 3.3. Характе-

ристика регулировоч-

ных органов

Регулировочные органы паровой турбины.

Для конденсационной турбины, находящейся

в эксплуатации, искомую характеристику

можно снять, записывая мощность турбоге-

нератора при различных положениях поршня

главного сервомотора. При составлении этой

характеристики необходимо мощность при-

водить к нормальным параметрам пара.

Для повышения точности опытов следует

поддерживать, по возможности, постоянными

и близкими к номинальным такие пара-

метры, как начальное давление и температура пара, темпера-

тура питательной воды, давление в конденсаторе.

Клапаны. Характеристику клапана, как и других звеньев

системы регулирования, конструктор стремится получать в основ-

ном линейной. Для этого живое сечение клапана меняется в за-

висимости от его хода посредством дроссельного ко-

нуса, выполняемого на клапана (рис. 3.4, а) или в его седле,

а также возможно с * помощью устройства фасонных окон

(рис.

3.4, б и в). Использование этих технических средств делает

возможным реализовать линейные характеристики клапанов на

значительной части их хода. Для каждого положения клапана

легко геометрически определить живое сечение. Теоретический

расход пара G

сквозь живое сечение находится обычным методом

с использованием газодинамических функций [30]. Действитель-

ный расход пара G вычисляется по экспериментальным коэффи-

циентам расхода р = G/G

. Пример газодинамического

расчета клапана дан в § 17.1.

Поворотные устройства. Для подвода пара среднего и низкого

давлений к разделительным группам сопел парциальной ступени

широко применяется направля-

ющий аппарат с регулиро-

вочным поворотным

кольцом (рис. 3.5), обычно

называемый «поворотная диафраг-

ма».

Это устройство последова-

а)

6> д)

Рис. 3.4. Регулировочные органы паровых турбин

Рис. 3.5. Направляющий аппарат с регулировочным поворотным кольцом:

/ — поворотное кольцо; 2 — группы сопел; 3 — привод от сервомотора

Рис. 3.6. Схема направляющего аппарата с поворотными лопатками:

/ — направляющие лопатки; 2 — рабочие лопатки; c

— выходная скорость пара; а

—

угол выхода потока

Рис. 3.7. Характеристики ступени в зависимости от различных выходных углов

направляющих лопаток (по опытам БИТМа [30])

тельно открывает или закрывает каналы к группам сопел, дей-

ствуя, в принципе аналогично клапанам. Таким образом можно

создавать эффект дроссельного регулирования

(одноклапанного) или соплового регулирования

при последовательном открытии групп сопел. ТМЗ, например,

применяет поворотные диафрагмы, равноценные двум-трем регу-

лировочным клапанам.

Поворотные направляющие лопатки

(рис.

3.6) — наиболее эффективное средство изменения расхода

пара в зависимости от режима работы турбины. Этот принцип

с давних пор успешно использовался в гидротурбинных уста-

новках. Преимущество направляющего аппарата с поворотом

лопаток —• это устранение вредного эффекта дросселирования. Но

из-за изменения в широком диапазоне угла а

выхода потока со

скоростью с

из направляющего аппарата все же появляются

заметные дополнительные потери энергии в этом аппарате и осо-

бенно при входе в рабочее колесо. Пример характеристики аппа-

рата с поворотными направляющими лопатками дан на рис. 3.7.

Заметим, что широкое использование этого прогрессивного метода

пока затруднено из-за некоторой сложности поворотного меха-

низма.

Регулировочные органы ГТУ. В газотурбинных установках

обычного типа перед газовой турбиной нет клапанов на пути

потока рабочего тела. Этим устраняется существенная потеря

давления от дросселирования газа. Регулирование же частоты и

мощности выполняется за счет изменения расхода топлива. Для

этой цели жидкое топливо подводится сквозь форсунки, а газооб-

разное топливо — сквозь клапаны.

Центробежная форсунка. Ее устройство основано на сохра-

нении относительно оси вращения момента скорости элементарной

частицы потока идеальной жидкости. Пусть топливо поступает

по тангенциальным каналам

2 на

радиусе

закручивающую

камеру

/ со

скоростью

(рис. 3.8, а, б).

Тогда скорость потока

идеальной жидкости

камере подчиняется уравнению

rc =

const.

(3.3)

оси

вращательного движения согласно

(3.3)

скорость потока

стремилась

бы к

бесконечности.

Но

из-за трения

реальной жид-

кости скорость перед соплом остается конечной.

При

выходе

из

сопла формируется топливный факел

определенным углом рас-

крытия.

Газообразное топливо

(рис. 3.9). Газ

поступает

из

сети

к д о-

жимающему компрессору

протекая сквозь

фильтр

клапан

автоматического

затвора

(на

случай

аварийного падения дав-

ления газа)

регуля-

тор расхода

В компрессоре давление

газа повышается

до

вели-

чины,

на

0,02—0,05

МПа

превышающей давление

воздуха

камере сгора-

ния

Излишек газа сбра-

сывается сквозь клапан

и вновь поступает

ком-

прессор. Перед входом

горелки камеры сгорания

топливо может подогре-

Рис.

3.9.

Схема подачи газообразного

топ- ваться в теплообменнике

лива

из

газопровода

6 за

счет теплоты уходя-

щих

из

турбины газов. Блок системы регулирования

поддер-

живает требуемый расход топлива. Вентили

служат

для

про-

дувки.

3.3.

МЕХАНИЗМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТУРБИНОЙ

Передаточный механизм будем характе-

ризовать соотношением рабочих ходов распределитель-

ных органов турбины

(т) и

указателя регулятора

(г).

Этот меха-

низм лишь условно будем изображать

виде рычажного.

Все же

рассуждения

выводы останутся полностью справедливыми

для

гидравлических, пневматических

электрических систем, при-

меняемых

современных турбинах.

Положим линейную зависимость

т = / (г).

Тогда полную

характеристику передаточного механизма даст задание макси-

мальных рабочих ходов г

шах

max

. Изменения

передаточном

механизме меняют

функцию

т = f (г).

Если

эта

функция остается

линейной,

то

перестройка передаточного механизма приводит

к двум принципиально различным последствиям:

1) к

параллель-

ному сдвигу характеристики,

2) к

изменению

ее

наклона.

первом

случае

основном устанавливается новая начальная координата.

При этом регулятор, например, центробежный маятник, работает

на различных участках своей характеристики,

коэффициент

неравномерности регулирования мало изменяется

(см. рис. 3.14).

Во втором случае

основном меняется коэффициент неравномер-

ности регулирования,

средняя величина регулируемого пара-

метра сохраняется прежней

указатель регулятора совершает

свой прежний рабочий

ход (см. рис. 1.9).

Таким образом,

при

одном

и том же

регуляторе статическая

характеристика регулирования может коренным образом изме-

няться

за

счет перестройки передаточного механизма.

На

этом

очевидном

очень важном положении основан механизм

управления турбиной (МУТ).

Его

назначение:

1) из-

менять

по

передаваемому

пульта сигналу величину регулируемого

параметра, если турбина работает

изолированной энергетиче-

ской системе;

изменять нагрузку агрегата

по

указанию управ-

ляющей

ЭВМ или

диспетчера, если турбина работает

общей

энергетической системе

другими агрегатами.

Сказанное остается справедливым

для

систем регулирования

любого параметра.

Но для

лучшего понимания сути дела рассмо-

трим конкретные примеры регулирования частоты вращения,

изучив принципиальное устройство

МУТ

двух типов:

1-й с с и-

ловым воздействием

на

регулятор;

2-й

своз-

действием

на

кинематические связи

пере-

даточном механизме системы.

Во 2-м

типе

МУТ

геометрическая интерпретация задачи особенно наглядна

для

условного рычажного передаточного механизма.

Силовое воздействие

МУТ.

Заданную регулируемую величину

можно устанавливать

за

счет изменения силы пружины регуля-

тора. Это было доказано в § 1.3 (см.

рис.

1.10).

Для использования этого

способа настройки во время работы

турбины применяется дополни-

тельная пружина, переда-

ющая через рычаг аМЬ с плечом /

силу F на муфту центробежного

маятника (рис.

3.10).

Снижение или

повышение силы этой пружины сме-

щает муфту М вверх или вниз, что

и влечет за собой изменение частоты

вращения.

Предположим, что нагрузка

турбины остается неизменной, а ее

КПД при малых изменениях регулируемой величины сохра-

няется приблизительно постоянным. Для этих условий количество

рабочего тела или топлива, поступающего в турбину через ее

регулировочные органы, при установившемся состоянии должно

быть одно и то же, несмотря на небольшое отклонение частоты вра-

щения. Если изменять натяжение дополнительной пружины и та-

ким образом вызывать смещение точки М, то равновесие в сило-

вом поле турбины нарушается. Оно восстанавливается только

после возвращения распределительного органа в первоначальное

положение. Так как каждому положению указателя регулятора

при неизменных кинематических связях соответствует вполне

определенное положение регулировочных органов, то можно

утверждать, что установившиеся движение турбины наступает

только тогда, когда точка М занимает прежнее положение. Но ре-

гулятор может вновь принять свою первоначальную конфигура-

цию,

несмотря на добавочное натяжение пружины, сместившее

его указатель вниз, лишь в результате изменения регулируемой

величины.

Итак, под влиянием натяжения дополнительной пружины про-

исходит изменение регулируемой величины, в то время как на-

грузка турбины остается неизменной. Действие описанного выше

устройства не вносит каких-либо изменений в передаточный ме-

ханизм между регулятором и регулировочными органами, и при

любом натяжении дополнительной пружины каждому положению

этих органов соответствует вполне определенная конфигурация

регулятора. Но при одной и той же конфигурации регулятора

каждому натяжению дополнительной пружины отвечает своя регу-

лируемая величина. Поэтому каждому натяжению дополнитель-

ной пружины соответствует своя характеристика регулятора.

На рис. 3.11 представлены характеристики регулятора для сред-

него (2) и двух крайних (/ и <3) положений МУТ.

Воздействие на сервомотор с дроссельным золотником. Все

сказанное о двух типах МУТ применительно к центробежному

регулятору относится в равной мере и к другим типам регулято-

Рис. 3.10. МУТ 1-го типа для

изменения частоты вращения:

1 — основная пружина регулятора:

2 — дополнительная пружина; 3 —

регулировочный орган турбины

0 Z„

Рис. 3.11. Изменение харак-

теристики регулятора в за-

висимости от силы натяже-

ния дополнительной пру-

жины

ров,

в частности, — к регуляторам

давления. Справедливо это и для ре-

гуляторов, в состав которых входят

сервомоторы с дроссельными золотни-

ками. Силовая часть таких сервомото-

ров нами уже рассматривалась именно

как регулятор давления (см. § 2.2).

Таким образом, в системе регулирова-

ния какого-либо параметра изменение

силы натяга пружины сервомотора

с дроссельным золотником приведет

к изменению регулируемой величины.

Аналогичный эффект получим, изме-

няя геометрию гидравлического или пневматического передаточного

механизма. Практически это достигается перестановкой любого

дросселя в системе неподвижного или подвижного (золотника).

Эти свойства данных сервомоторов следует иметь в виду также

при монтаже и наладке, так как даже небольшие отклонения

от предписанной установки дросселей могут повлечь несоблюде-

ние гарантий по статическим и динамическим характеристикам

системы (см. § 3.4).

Воздействие МУТ на связи в передаточном механизме.

Перестановка любого шарнира или любой опоры рычагов при

сохранении передаточных чисел вызовет изменение начальных

условий, а значит, и смещение характеристик системы. Примеры.

МУТ в прямом регулировании частоты

вращения показан на рис. 3.12. Отметим точкой с на штоке

клапана место его соединения с рычагом Mab в исходном поло-

жении /. Вращая маховичок А, сместим шток вместе с точкой с

и с клапаном в положение 2. Ясно, что такое перемещение изменит

взаимное расположение муфты регулятора М и клапана К. Если

турбогенератор работает в мощной энергосистеме параллельно со

многими агрегатами, то малое прикрытие клапана Ah снизит

мощность на AN, почти не изменив частоты в сети и положе-

ния муфты М. Иначе протекаетТпроцесс в случае работы турбо-

генератора на изолированную электрическую^сеть.

Рис. 3.12. МУТ 2-го типа в

прямом регулировании ча-

стоты

Рис.

3.13. МУТ 2-го

типа

в не

прямом регулировании частоты

Если нагрузка

на

турбину

параметры рабочего тела оста-

нутся прежними,

то

опускание

клапана вызовет снижение частоты

вращения,

на что

будет реагиро-

вать центробежный регулятор,

муфта которого станет опускаться.

В конце процесса регулирования,

когда вновь наступит устано-

вившееся движение,

при

сохра-

нении неизменной нагрузки

на

турбину

параметров пара клапан

должен будет занять приблизи-

тельно прежнее положение. Воз-

вращение клапана

старому

положению равновесия окажется

возможным только

за

счет опу-

скания муфты регулятора

из

поло-

жения

М в

положение'М',

при

котором рычаг получит наклон,

отмеченный линией

М'Ь', для

чего потребуется снижение частоты

вращения

соответствии

характеристикой регулятора.

новом

положении равновесия

отрезок

b'c = Ah.

Таким образом, опу-

скание штока

на

величину

вызовет

конечном счете также

опускание муфты регулятора

на

величину

Az = a Ah, где а —

передаточное число, принятое неизменным.

Итак,

под

влиянием опускания штока клапана происходит

уменьшение установившейся частоты вращения ротора турбины

при неизменных нагрузке

параметрах пара. Точно

так же

можно

показать,

что при тех же

условиях

результате подъема штока

клапана повышается установившаяся частота, вращения ротора

турбины

соответствующий подъем муфты регулятора.

Так как

при сделанных предположениях нагрузка

не

меняется

клапан

занимает приблизительно одно

и то же

равновесное положение,

то смещение муфты происходит

так, как

будто конец рычага

перемещается

по

неподвижному штоку клапана.

Вместо того, чтобы передвигать шток клапана, можно такого

же

эффекта достигнуть путем перемещения

по

вертикали точки

опоры

рычага. Выбор

той или

иной точки передаточного меха-

низма

для

перемещения

ее с

целью изменения регулируемой вели-

чины производится

из

конструктивных соображений.

МУТ

непрямом регулировании частоты

вращения показан

на рис. 3.13. В

условиях статики,

как

было сказано

в гл. 2,

сервомотор

не

вносит принципиальных изме-

нений

передаточный механизм

по

сравнению

прямым регули-

рованием. Точка

здесь принадлежит рычагу,

маховичок

перемещает

ее

вдоль неподвижного штока сервомотора. Точка

в установившемся состоянии всегда занимает одно

и то же

поло-

жение, соответствующее закрытию окон золотника; поэтому

при

-9—1-^1

Рис.

3.14.

Характеристика

ре-

гулятора

пределах рабочего

хода х

тах

при

различных поло-

жениях

МУТ

определении равновесных положений

рычага

Mab

точку

можно считать

неподвижной

около

нее

рассматри-

вать поворот рычага. Имея

виду

сказанное, можно заключить,

что

действие

МУТ,

изображенного

на

рис.

3.13,—точно такое

же, как

для прямого регулирования

(см.

рис.

3.12).

Здесь

так же

вместо

точки

можно перемещать

верти-

кальном направлении

или

точку

подвеса золотника

а или его

корпус,

или точку

указателя регулятора

в зависимости

от

соображений кон-

структивного характера. Легко

ви-

деть,

что

действие

МУТ 2-го

типа

при

заданном положении

распределительных органов турбины изменяет конфигурацию

регулятора. Другими словами, рабочий

ход

гаах

грузов регуля-

тора (соответствует ходу муфты

max

)

отсекает

на его

собственной

характеристике различные участки

зависимости

от

положения

МУТ

(рис. 3.14).

Коэффициент неравномерности

при

неизменном ходе регуля-

тора, отвечающем полному ходу регулировочных органов, зависит

от положения

МУТ. Так,

например,

для

современных центробеж-

ных пружинных регуляторов кривая центробежной силы

обра-

щается приблизительно

прямую, пересекающую

ось

абсцисс

при некотором положительном

х. Так как

полный рабочий

ход

муфты регулятора остается неизменным,

то

отрезки

AD и BD

также

не

меняются

по

величине.

другой стороны, имеем

BE =

= BD — DE = BD — AD tg <p. Но так как BD и AD

постоянны,

то

возрастанием угла

величина

АС = BE

убывает. Вели-

чина

же ф при

устойчивом регуляторе растет вместе

с л;. В то же

время вместе

с х

возрастает

С.

Поэтому

увеличением

х, т. е.

при положении

МУТ,

которому отвечает больший радиус траек-

тории грузов, отношение АС/2С

убывает

(см.

также

рис. 1.9).

Наоборот,

при

уменьшении

х это

отношение возрастает. Значит,

перестановка

МУТ,

соответствующая увеличению частоты вра-

щения, вызывает некоторое уменьшение коэффициента неравно-

мерности, обратная

же

перестановка

МУТ

приводит

некоторому

повышению коэффициента неравномерности

(см. § 1.3).

Таким

образом, изменению регулируемой величины сопутствуют также

некоторые изменения коэффициента неравномерности, хотя рас-

сматриваемые

МУТ не

предназначены

для

этой цели.

Поскольку

МУТ

воздействует

на

геометрию связей между

регулятором

клапаном, каждому положению

МУТ

(точки

на

рис. 3.12)

отвечает своя характеристика передаточного меха-

низма.

А так как ход

клапана совершается

одном

и том же

диапазоне /г

шах

то

полный рабочий

ход

муфты г

шах

смещается

на

разные участки

оси z

(рис.

3.15).

Это равносильно переносу вдоль

оси

начала координат

для

отсчета хода регулятора

так,

что всегда получается

z = О

при

т =

шах

сами харак-

теристики смещаются прибли-

зительно параллельно.

Если турбина имеет

не-

сколько клапанов, перемещае-

мых одним сервомотором,

то

характеристика регулировоч-

ных органов турбины стро-

ится

результате суммиро-

вания характеристик всех кла-

панов

учетом

их

перекрыш.

При

наличии нескольких серво-

моторов, каждый

из

которых последовательно поднимает один

или несколько клапанов, характеристики строятся последова-

тельно

для

каждого сервомотора

так,

чтобы одна характеристика

представляла продолжение другой тоже

учетом перекрыш.

Рис. 3.15.

Характеристика переда-

точного механизма

при

среднем

(2) и

двух крайних

(/ и /)

положениях

МУТ

3.4.

СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

Статическая характеристика регулирования

(рис.

3.16, г)

строится

по

известным характеристикам центробежного

регулятора

(рис. 3.16, а),

передаточного механизма

(рис. 3.16, б)

и регулировочных органов турбины

(рис. 3.16, в).

Построение характеристики.

На рис. 3.16 для

характеристик

элементов системы регулирования значение

N = О

соответствует

работе турбины

на

холостом ходу,

max

—

максимальной

нагрузке.

На рис. 3.16, а

показаны

три

характеристики регуля-

тора:

для

среднего

2 и

двух крайних

(/ и 3)

положений

МУТ.

Характеристики элементов системы регулирования можно создать

такими, чтобы суммарная характеристика получилась приблизи-

тельно прямолинейной.

Из

соображений эксплуатационного

ха-

рактера часто предпочитают иметь более крутые участки характе-

ристики вблизи холостого хода

и при

максимальной нагрузке.

Такая характеристика обеспечивает

на

холостом ходу более

спокойную работу турбины,

как

будет показано

разделе дина-

мики регулирования. Изгиб характеристики книзу

области

больших нагрузок улучшает параллельную работу турбогене-

раторов.

Если снять статическую характеристику регулирования,

по-

степенно увеличивая мощность турбогенератора,

затем

так же

ее снижая,

то

из-за неизбежной некоторой степени нечувстви-

тельности регулирования получим соответственно

две

кривые:

2' (рис. 3.16, д).

Коэффициент нечувствительности регулирова-

ния складывается

из

коэффициентов нечувствительности регуля-

тора

передаточного механизма, включая сервомоторы. Пере-

крыши золотников

мертвые ходы

шарнирах передаточного

механизма можно почти полностью устранять. Коэффициент

нечувствительности передаточного механизма

гидравлическими

или электрическими связями также может быть очень

мал.

Статическая характеристика регулирования остается спра-

ведливой лишь

для

определенных параметров рабочего тела.

Так, например, если

паровой турбине уменьшается начальное

давление пара,

то при

неизменной мощности регулировочный

клапан должен открываться,

а для

этого частота вращения должна

снижаться. Статическая характеристика газовой турбины изме-

няется

зависимости

от

температуры засасываемого воздуха.

При проектировании турбины статическая характеристика стро-

ится

для

номинальных параметров рабочего тела.

Заметим,

что

независимо

от

типа

МУТ при

различных

его

поло-

жениях характеристики смещаются приблизительно параллельно,

как показано

на рис. 3.16,

если

при

каждом положении

МУТ

отсчет координаты муфты

ведется

от

нового начала координат

и сохраняется

ее

рабочий

ход

шах

(сравнить

рис. 3.16, а

3.11).

Параллельная работа турбогенераторов

на

общую электриче-

скую сеть.

Под

влиянием различных условий потребления электро-

энергии меняется частота

сети.

При

этом, прежде всего, между

турбогенераторами автоматически происходит перераспределение

нагрузки, которое зависит

от их

статических характеристик

регулирования (первичное регулирование).

затем можно кор-

ректировать

это

распределение

—

(вторичное регулирование),

Рис.

3.17.

Параллельная работа турбогенераторов

на электрическую сеть

вводя сигнал

от

управляющей машины

или от

диспетчера, решаю-

щих оптимизационную задачу.

Пусть

на

электрическую сеть работают параллельно

два

турбо-

генератора, имеющие различные статические характеристики

регулирования

(рис. 3.17).

Если общая нагрузка электрической

сети возрастает

на

величину

AN, то

происходит уменьшение

частоты

f в

сети

и оба

турбогенератора вращаются

меньшей

частотой.

тогда приходят

действие

их

регуляторы.

При

этом

турбогенератор

пологой характеристикой воспринимает большую

часть дополнительной нагрузки AJV

ПО сравнению

турбогенера-

тором, обладающим более крутой характеристикой. Суммарное

увеличение нагрузки сети составляет

AW =

ДЛД

+ AN

Таким

образом, наклоны статических характеристик регулирования

предопределяют поведение турбогенераторов

во

время

их

парал-

лельной работы

на

электрическую сеть.

Наклон характеристики регулирования выбирается

зависи-

мости

от

назначения турбогенератора. Турбогенератор, предназна-

ченный

для

несения базовой нагрузки, должен иметь

характеристику регулирования крутой; другими словами, коэф-

фициент неравномерности регулирования должен быть большим.

При этом мощность турбогенератора изменяется сравнительно мало

даже

при

больших отклонениях частоты

сети. Наоборот, тур-

богенератор, предназначенный

для

несения пиковой'

на-

грузки, должен обладать пологой характеристикой. Высоко-

экономичные турбины, особенно атомные, выгодно эксплуатиро-

вать всегда

большой нагрузкой,

т. е. как

базовые,

а для

поддер-

жания постоянной частоты

сети следует использовать турбины,

обладающие сравнительно низким

КПД, с тем

чтобы

эти

турбины

вырабатывали возможно меньшее суммарной количество элек-

троэнергии.

Изменение мощности турбогенератора

по

усмотрению диспет-

чера

или по

сигналу управляющей

ЭВМ

производится воздей-

ствием

на МУТ. Это

приводит

смещению характеристики регу-

лирования вверх

или

вниз (линий

/ и 2 на рис. 3.17).

Такое регу-

лирование мощности

не

требует особого быстродействия,

и оно

может длиться десятки секунд.

Предположим,

что

турбогенератор работает

на

очень мощную

электрическую сеть. Тогда нагрузка

или

разгрузка этого турбо-

генератора слабо сказывается

на

частоте

сети.

Для

простоты

рассуждений допустим,

что

частота

сети вовсе

не

меняется.

Пусть, например, увеличивается

или

уменьшается натяжение

дополнительной пружины

МУТ,

вследствие чего происходит

смещение указателя регулятора

(см. рис. 3.10). Но

регулируемая

величина предполагается постоянной. Следовательно, точка

остается

в том

положении,

которое

она

была переставлена

с по-

мощью МУТ. Каждому

же

положению точки

М при

одном

и том же

передаточном механизме отвечает вполне определенное положение

регулировочных органов турбины,

следовательно,

вполне

определенная

ее

мощность

при

неизменном состоянии подводи-

мого

турбине рабочего тела. Итак,

при

параллельной работе

в сеть нескольких турбогенераторов можно

по

желанию менять

нагрузку

на

каждый

из них

посредством изменения натяжения

дополнительной пружины

МУТ.

Можно убедиться также

в том, что

перестановкой регулировоч-

ного органа

помощью

МУТ 2-го

типа

(см. рис. 3.13)

можно уве-

личивать

или

уменьшать мощность турбины, тогда

как при

этом

указатель регулятора

остается

одном положении, если только

частота

сети

не

меняется.

Если воздействием

на МУТ

получена характеристика регули-

рования

/ (см. рис. 3.17), а

частота

сети сохраняется приблизи-

тельно равной

, то

мощность данного турбогенератора возра-

стает

на

величину, соответствующую отрезку

ab.

Если

же

харак-

теристика смещена

положение

2, то

мощность агрегата умень-

шается

на

величину, соответствующую отрезку

ас. На

самом деле

вследствие статизма характеристик частота

сети немного

ме-

няется вместе

изменением нагрузки турбогенератора,

измене-

ние мощности происходит

на

несколько меньшую величину,

чем

отмечают отрезки

аЬ и ас.

Таким образом,

помощью

МУТ

можно увеличивать

или

сни-

жать нагрузку

на

любой турбогенератор

из

числа работающих

параллельно

общую электрическую сеть.

Влияние нечувствительности системы регулирования.

При

высоком требовании

точности поддержания частоты

электри-

ческой сети система регулирования должна быть весьма чувстви-

тельной. Покажем

это на

примерах.

Рассмотрим энергосистему общей мощностью

1000 МВт.

Допу-

стим,

что

системы регулирования всех турбогенераторов абсо-

лютно чувствительны,

их

статические характеристики прямоли-

нейны

коэффициент

их

неравномерности

6 = 4%.

Тогда

слу-

чае отклонения частоты

сети

на ±0,1 %

общая мощность турбо-

генераторов изменилась

бы на ±25 МВт.

Теперь положим,

что

системы регулирования всех работающих турбогенераторов имеют

коэффициент нечувствительности

0,2 % и что во

всех системах

в равновесном положении

еще не

появились силы трения.

этом

чисто теоретическом случае изменение частоты

сети

на ±0,1 %

вовсе

не

отразится

на

нагрузке агрегатов. Такие системы регу-

лирования самостоятельно

не в

состоянии поддерживать частоту

в сети

более высокой точностью,

чем ±0,1 %.

Конечно, если

учесть

разных системах вероятные величины

сил

трения

и их

направление, картина станет несколько иной,

но

суть дела сохра-

нится.

В настоящее время

по

международным стандартам коэффициент

нечувствительности систем регулирования турбин мощностью

более

30 МВт не

должен превосходить

0,06 %.

Положительный эффект нечувствительности

ре-

гулирования сказывается

гашении высокочастотных случайных

колебаний частоты

сети. Такие колебания

при

чрезмерно чув-

ствительной системе могут вызывать заметный износ

ее

элементов.

Кроме того, колебания ^клапанов могут порождать опасные пере-

менные аэродинамические силы, действующие

на

клапаны

и на

лопаточный аппарат турбины. Применение фильтров

небольшое

повышение нечувствительности системы устраняют этот недоста-

ток

(см. § 20.2).

3.5.

ПРЕДЕЛЫ СМЕЩЕНИЯ

СТАТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Механизм управления турбиной должен быть рассчи-

тан

так,

чтобы можно было синхронизировать генератор

при

любой

частоте

электрической сети

пределах, заданных техническими

условиями. Иначе говоря,

под

воздействием

МУТ

точка

ста-

тической характеристики

(рис. 3.18),

отвечающая холостому

ходу, должна смещаться

по оси

ординат

во

всем указанном диапа-

зоне частот. Кроме того, система регулирования должна допу-

скать изменение мощности турбогенера-

тора

от

нуля

до

максимальной

при не-

которых отклонениях частоты

сети

от

номинальной

случаях нарушения

ба-

ланса производимой

потребляемой

энергии.

Синхронизация. Если

бы

характери-

стику

АВ

нельзя было смещать

так,

чтобы точка

оказывалась ниже линии

номинальной частоты

электрической

сети

(о

, то

синхронизация такого тур-

богенератора была

бы

возможна только

при частоте

сети

о)' ^ со

Вместе

с тем,

включение резервного генератора

элек-

Рис.

3.18.

Пределы сме-

щения статических харак-

теристик регулирования

посредством

МУТ

трическую сеть требуется часто именно

такой момент, когда

есть угроза падения частоты

сети

или

когда

это

падение

уже

совершилось

необходимо предотвратить дальнейшее снижение

частоты. Поэтому

МУТ

должен допускать синхронизацию гене-

ратора

при

пониженной частоте

электрической сети. Обычно

предусматривается возможность синхронизации генератора

при

падении частоты

электрической сети

на 5 % по

сравнению

с номинальной.

Для

выполнения этого условия надо снижать

точку

характеристики

до

положения

значит,

всю

харак-

теристику

— до

положения

А^В^

Необходимо располагать воз-

можностью

не

только опускать,

но и

несколько поднимать стати-

ческую характеристику выше линии

ю = со

Регулирование мощности. Точка

характеристики должна

занимать место

на

линии нормальной частоты

со = со

чтобы

по-

лучить максимальную мощность турбогенератора

при

номиналь-

ных параметрах рабочего тела.

Но

следует предусмотреть подъем

характеристики несколько выше линии

со = со

положение

чтобы можно было нагружать турбогенератор

до

максимальной

мощности

случае необходимости работы

при

несколько понижен-

ных начальных параметрах рабочего тела.

Это

может потребо-

ваться

при

временных нарушениях условий нормальной эксплуа-

тации.

Работа турбогенератора

полной мощностью

при

частоте

сети

выше номинальной

не

требуется,

так как в

этом случае надо

его

разгружать

или

отключать

от

сети другие агрегаты. Поэтому

при

проектировании системы регулирования

нет

основания преду-

сматривать значительный подъем точки

характеристики

над

линией

со = со

Необходимая величина этого подъема

для

паро-

вой турбины

на

случай работы

при

пониженных параметрах пара

составляет

(0,15—0,25) б.

Подъем статической характеристики

в положение более высокое,

чем

требуется

для

выполнения гаран-

тий

при

работе

на

пониженных параметрах пара,

не

следует преду-

сматривать,

так как при

этом система регулирования давала

бы

возможность недопустимо перегружать турбину

при

номиналь-

ной частоте

или в

случае падения частоты

электрической сети.

Если

по

каким-либо соображениям такой подъем предусмотрен,

то следует установить ограничитель мощности,

исключающий подъем клапанов выше предписанного предела.

Работа турбогенератора сопряжена

опасностью внезапного

сброса нагрузки, вызванного авариями

электрической сети.

При этом турбина, возможно

полностью открытыми клапанами,

отключается

от

сети

идет

разгон,

задача регулятора скорости

заключается

в том,

чтобы предупредить недопустимое

для

проч-

ности ротора повышение частоты вращения. Чтобы решить

эту

задачу, регулятор должен

как

можно быстрее переместить кла-

паны

в их

положение холостого хода, чему отвечает, например,

при исходном положении

точка

угловая скорость

<о

на статической характеристике регулирования.

Если предусмотрен ограничи-

тель хода клапанов, напри-

мер в паровой турбине, а точку А ха-

рактеристики посредством МУТ про-

должать поднимать после того, как

клапаны уже находятся на упоре, то

Рис. 3.19. Рабочий ход

это

приведет к тому, что будет опу-

дросселыюго золотника при скаться только золотник, а поршень

различном открытии дрос- сервомотора останется на месте. При

селя

этом возникнет опасность, что МУТ

может быть (по неопытности обслужи-

вающих турбину) использован для перемещения золотника при

неподвижном поршне сервомотора. В результате золотниковые

окна во время работы окажутся открытыми, и в случае внезапного

сброса нагрузки регулятор должен будет совершить лишний

путь,

пока напрасно открытые окна золотника не будут вновь

закрыты, а это вызовет дополнительный разгон ротора.

Снижение разгона ротора при сбросе нагрузки. С целью бы-

строго прикрывания регулировочных органов турбины в не-

прямом регулировании должен быть предусмотрен определенный

запас хода указателя регулятора сверх требуемого по статической

характеристике. Тогда даже при сильном превышении равновес-

ной частоты вращения регулятор не встанет на упор и окна зо-

лотника окажутся в значительной мере открытыми, а поршень

сервомотора под влиянием притока большого количества жидкости

будет быстро двигаться.

Величину этого запаса следует выбирать, сообразуясь с расче-

том регулирования на сброс нагрузки и конструктивными осо-

бенностями золотника. Если ход золотника выбран большим по

сравнению с высотой окна, то небольшой запас в ходе муфты регу-

лятора может оказаться достаточным для указанной цели. Этот

запас может быть также незначительным, если примененный,

например в схеме на рис. 2.7, дроссельный золотник 2 открывает

окно с сильным расширением сразу же за пределами крайнего рабо-

чего положения, соответствующего максимальной частоте вращения

при установившемся движении турбины (рис.

3.19).

В таком

случае, выйдя за пределы рабочего хода, золотник чрезвычайно

быстро открывает большую площадь сливного окна и заставляет

поршень сервомотора с максимальной скоростью закрывать регу-

лировочные органы турбины. Эта конструктивная особенность

дроссельного золотника относится к числу его преимуществ.

§ 3.6. ИЗМЕНЕНИЯ НАКЛОНА

СТАТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕГУЛИРОВАНИЯ

По условиям эксплуатации может потребоваться изме-

нить наклон статической характеристики регулирования тур-

бины, например в случае ее перевода на режим покрытия пиковой

Рис. 3.20. Принципиальная схема

устройства для изменения коэффи-

циента неравномерности регулирова-

ния

части графика нагрузки энерго-

системы. Такая настройка си-

стемы регулирования может

оказаться необходимой при

кратковременной остановке или

даже на ходу турбины. Устрой-

ство для изменения наклона

характеристики может быть

также эффективно использо-

вано во время наладки системы

регулирования. Поставленная

задача в принципе решается

изменением жесткости одной

из пружин регулятора или из-

менением передаточного меха-

низма, в том числе — гидравли-

ческих или электрических свя-

зей.

Последний метод наиболее

прост, и он находит широкое

применение.

Изменение кинематических

связей. В качестве примера на

рис.

3.20 изображена принципиальная схема непрямого регули-

рования, в которой предусмотрено смещение точки а подвески

золотника. Сдвигу точки а влево отвечает уменьшение коэффи-

циента неравномерности. Действительно, если точка подвески

золотника займет положение а

то изменятся плечи рычага МаЬ

и прежнему полному ходу клапана К от положения при холостом

ходе до положения при максимальной нагрузке т

гаах

будет соот-

ветствовать меньший ход муфты регулятора

imax

а следовательно,

и меньшее изменение частоты вращения, чем при подвеске золот-

ника в точке а. Перемещение же точки подвески золотника вправо

в положение а

вызовет, наоборот, возрастание хода муфты М

до величины г

2ша

х и соответствующее изменение частоты вращения.

Таким образом, различные положения точки подвески золотника

связаны с изменением коэффициента неравномерности регули-

рования. Перемещение точки подвески золотника можно преду-

смотреть непрерывное в пределах от а

до а

. Такого же эффекта

можно достигнуть, непрерывно смещая любую другую точку

рычажного механизма так, чтобы изменялось его передаточное

число.

Изменение гидравлических связей. В системах регулирования

с гидравлическими связями наклон характеристики регулирова-

ния можно изменять открывая или закрывая дополнительные

окна, включенные параллельно с окнами основного дроссельного

золотника.

Пусть, например, дроссельный золотник 2 (рис. 3.21) имеет

форму окон, показанную на рис. 3.19, а через дроссель 6 жидкость