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

Подождите немного. Документ загружается.

сливается из пространства V параллельно со сливом через окна

золотника—дросселя 2. Дроссель 6 может быть неподвижным или

связанным с выключателем сервомотора 5, как показано на

рис.3.21,

или может быть предусмотрена лишь перестановка его от руки!

В первом выполнении, изменяя длину тяги ab, а во втором случае

используя ручной маховичок, можно переставлять дроссель 6

и, следовательно, менять его живое сечение независимо от поло-

жения дросселя 2. Если, например, приоткрыть окна дросселя 6

и в таком положении его зафиксировать, то для сохранения пер-

воначального давления жидкости р в проточной системе регули-

рования А окна дроссельного золотника 2 надо прикрыть. Если

эту операцию выполнить во время работы турбины на холостом

ходу, то золотник 2 начнет рабочий ход из положения Ъ—Ь (см.

рис.

3.19), тогда как до перестановки дросселя 6 он начинал рабо-

чий ход из положения а—а. В зависимости от формы окна золот-

ника 2 для обоих положений неподвижного дросселя 6 получится

различный полный рабочий ход золотника z

a шах

или z

braax

Форму окон можно подобрать так, чтобы было z

b max

> z

a max

а это означает, что перестановка дросселя 6 вызывает увеличение

коэффициента неравномерности.

В системах регулирования с дроссельными золотниками на-

клон статической характеристики регулирования может быть

также увеличен или уменьшен изменением в сервомоторе жест-

кости пружины 7 (см. рис. 3.21). Для этого надо предусмотреть

устройство, изменяющее число рабочих витков пружины посред-

ством винтового пружинодержателя или установить новую

пружину.

Местный коэффициент неравномерности 8

(рис. 3.22). Разо-

бранные принципы изменения коэффициентов неравномерности

регулирования открывают возможность ввести в практику ста-

тические характеристики с раз-

личными местными коэф-

п,%

104

102

too

и и

_<?

= 4 %

0,2

OA 0,8

0,8

1,0

Рис.

3.21. Схема гидравлического выключателя к отсечному золотнику серво-

мотора

с меняющейся длиной тяги аЪ

Рис.

3.22. Статическая характеристика регулирования частоты при различ-

ных

Это очень

фициентами неравномерности

важное мероприятие, вытекающее из особых условий работы

современных энергосистем. Так, например, по рекомендации

Международного электротехнического комитета на участке по-

следних десяти процентов мощности, получаемой за счет переме-

щения клапанов конечной группы сопел, местный коэффициент

неравномерности может превышать среднюю его величину в три

раза. А это означает, что конечный отрезок статической характе-

ристики достигает наклона, соответствующего условному коэф-

фициенту неравномерности б

= 0,12.

Пример статической характеристики с сильи- меняющимся

коэффициентом б

показан в относительных к рдинатах на

рис.

3.22 [61].

3.7. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

РЕГУЛИРОВАНИЯ

ДАВЛЕНИЯ

Рассмотрим характеристику регулирования давления

в турбинах с отбором пара или с противодавлением (рис. 3.23).

По оси абсцисс отложен расход пара G, а по оси ординат — давле-

ние р в камере отбора турбины. Эта характеристика получена на

основании характеристики регулятора давления, характеристики

передаточного механизма и характеристики клапанов, которые

имеют такой же вид, как на рис. 3.16. Характеристики 1, 2 и 3

соответствуют различным положениям МУТ. Заштрихована об-

ласть нечувствительности регулирования. Коэффициент

неравномерности регулирования давле-

ния б =

(ршах

— РмпУрс,

Ртах

— максимальное давление

в камере отбора, при котором расход отбираемого пара равен

нулю, ртш — минимальное давление, соответствующее макси-

мальному расходу отбираемого пара, р

— среднее давление

в камере отбора.

Расчет статических характеристик регулирования давления и

определение максимальных перемещений элементов системы регу-

лирования производится так же, как для систем регулирования

частоты, но пределы изменения регулируемых давлений и частоты

могут значительно отличаться. Так, например, для многих турбин

с отборами пара требуется изменение

давления от 0,12 до 0,25 МПа, а в не-

которых случаях 'нижний предел

уменьшается до 0,07 МПа. Коэффи-

циент неравномерности регулирова-

ния давления в производственных

отборах составляет около 5 %

от номинальной величины, а в ото-

пительных отборах — значительно

больше.

Параллельная работа

на тепловую сеть несколь-

Рис.

3.23.Статическая характе-

ристика"регулирования

давле-

ния

Рис. 3.24. Статические характеристики двух паровых турбин,

работающих в общую тепловую сеть

ких турбин требует одинакового давления пара в общем

сборнике. Если эти турбины имеют регуляторы давления, то стати-

ческие характеристики регулирования определяют количество

пара, поступающего в тепловую сеть от каждой турбины. Пусть,

например, на тепловую сеть параллельно работают две турбины 1

и 2, имеющие различные статические характеристики давления

(рис.

3.24).

На этих характеристиках по оси абсцисс отложены

расходы пара G

и G

соответственно для 1-й и 2-й турбин, а по оси

ординат — давление р в общем паросборнике. Построенные таким

образом кривые отражают не только характеристики всех элемен-

тов системы регулирования давления, но также учитывают паде-

ние давления Ар вследствие сопротивления трубопроводов и ар-

матуры на участках между турбиной и общим пароприемником.

Для этого помимо характеристики регулирования давления (кри-

вая / на рис. 3.24) надо построить характеристику паропровода

(кривая 3) и ординаты обеих характеристик просуммировать

(кривая 2). Полученные таким образом характеристики давления

позволяют судить о том, как автоматически распределяется

общий расход отработавшего пара между турбинами. Для ответа

на этот вопрос следует повторить рассуждения, подробно изложен-

ные при рассмотрении параллельной работы турбогенераторов

на электрическую сеть.

В современных теплофикационных установках помимо регу-

лирования давления применяется регулирование температуры

сетевой воды. Эта система — медленнодействующая из-за большой

тепловой инерции сети.

§ 3.8. ИЗОДРОМНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ

В § 3.3 были рассмотрены принципы построения меха-

низма для управления турбиной по сигналу извне. В частности,

было показано, как можно поддерживать заданную частоту вра-

щения за счет изменения кинематики передаточного механизма.

Здесь мы рассмотрим как развитие той же идеи механизм, авто-

матически выполняющий функцию поддержания частоты вращения

Рис. 3.25. Схема изодромпого ре-

гулирования с приспособлением для

изменения Ь: I — с неподвижной

точкой В

на любом заданном уровне за

счет изменения кинематических

связей независимо от наклона

характеристики регулятора. Та-

кой механизм будем называть

изодромом.

Схема изодромного

регулирования непря-

мого действия изображена на

рис.

3.25. Обычный механизм

выключателя дополнен цилинд-

ром / с поршнем 2. В цилиндре

имеется узкий канал 4, по ко-

торому жидкость при движении

поршня перетекает с одной его

стороны к другой. В канале пре-

дусмотрен дроссель 3 для изме-

нения сопротивления протоку жид-

кости. Сначала рассмотрим схему

с неподвижной точкой В (см. уст-

ройство /). Когда приходит в дви-

жение поршень сервомотора, в первый момент выключатель дей-

ствует как жесткая обратная связь. По мере перемещения поршня

сервомотора натягивается пружина 5, имеющая неподвижную

точку В, и поршень 2 начинает перемещаться в цилиндре, вы-

жимая жидкость через канал 4 из одной полости цилиндра в дру-

гую.

Скорость перемещения поршня зависит от сопротивления

перетекающей жидкости.

Через некоторое время система приходит к новому равновес-

ному положению, причем поршень 2 успевает настолько пере-

меститься в цилиндре, что натяжение пружины 5 вновь исчезает.

Если трение пренебрежимо мало, то точка b возвращается в пер-

воначальное положение. Так как в состоянии установившегося

движения точка а всегда занимает одно и то же место, соответ-

ствующее закрытым окнам золотника, а точка b всегда возвра-

щается в исходное положение, то неизменной в конечном счете

должна оставаться и конфигурация регулятора. Значит и точка М

должна вернуться в первоначальное положение. Последнее воз-

можно лишь при условии восстановления начальной регулируе-

мой величины с точностью, определяемой нечувствительностью

регулирования.

Из описания схемы следует, что с точки зрения статики изо-

дром действует вполне аналогично МУТ, изображенному па

рис.

3.13. Посредством изодрома длина штока поршня сервомо-

тора изменяется таким образом, что при любом положении кла-

пана точка b занимает одно и то же положение.

Если же требуется, чтобы регулируемая величина изменялась,

но лишь в узких пределах, то делается приспособление, в кото-

ром точка

рычага жестко соединена

со

штоком сервомотора,

а точка

неподвижна

(см. рис. 3.25).

Точка

же

закрепления пру-

жины

совершает путь меньший,

чем

точка

А. Так как в

равно-

весном положении натяжение пружины исчезает (если прене-

брегать силами постоянного трения), процесс регулирования

за-

канчивается лишь тогда, когда поршень

совершает такое пере-

мещение

цилиндре

/, при

котором расстояние между точками

восстанавливается,

т. е.

когда точка

совершает такой

же

путь,

как и

точка

В. В

результате точка

b при

изменении регули-

руемой величины смещается меньше,

чем

поршень сервомотора,

ход которого равен перемещению точки

А.

Точка

а в

состоянии равновесия всегда занимает одно

и то же

положение. Поэтому точка

регулятора благодаря наличию

указанного приспособления перемещается

на

величину, мень-

шую

чем при

жестком выключателе

отношении ВС/АС. Прибли-

зительно

таком

же

отношении изменяется

коэффициент

не-

равномерности регулирования

по

сравнению

с его

величиной

для

системы, имеющей жесткий выключатель

такой

же

регулятор,

как

данной схеме. Соответствующим подбором плеч рычага

АС

можно получить любую заданную величину коэффициента

не-

равномерности регулирования (даже отрицательную).

Все,

что

сказано

об

изодромном регулировании частоты вра-

щения, относится

равной мере

регулированию давления, тем-

пературы

других величин. Ценность изодромного регулирования

не только

автоматическом выравнивании частоты вращения,

но

и в его

замечательных динамических качествах

(см.

12.2).

3.9.

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ

СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Пример

Требуется рассчитать передаточный

механизм

для

схемы непрямого регулирования паровой турбины

с подвижной буксой

(см. рис. 2.2) при

следующих условиях:

коэффициент неравномерности

б = 0,04;

номинальная частота вра-

щения

3000

об/мин; максимальный

ход

поршня сервомотора

^тах

= 40 мм.

Этому перемещению сервомотора соответствует

полный рабочий

ход

клапанов

от

положения

при

холостом ходе

до

их

подъема

при

полной нагрузке

на

турбину. Центробежный

регулятор выполнен

наибольшим ходом муфты между упорами

Zmax

= 17 мм. МУТ

выбран

2-го

типа

перестановкой опоры

(см.

рис. 2.2).

Синхронизация должна быть возможна

при

пони-

жении частоты

сети

на

величину

Ап

0,05«

Прежде всего следует решить вопрос

целесообразном исполь-

зовании общего хода муфты регулятора

raax

Для

получения

заданной статической характеристики регулирования рабо-

чему ходу муфты регулятора должно соответствовать изме-

нение частоты вращения

на 4 %. В

первом приближении будем

считать,

что в

среднем

обоих крайних положениях статической

2700

0,75

N/N

Рис.

3.26.

Статические характе-

ристики регулирования

примеру

расчета передаточного механизма

характеристики полному рабоче-

«,

му ходу клапанов соответствует

приблизительно одинаковое изме-

нение частоты вращения равное

0,04я

. Допустим,

что по

условию

работы турбины

на

пониженных

параметрах точка

статиче-

ской характеристики

(см. рис.

3.18

3.26)

должна быть выше линии

на An' =

0,01я

. Тогда рас-

стояние

окажется равным

0,05/г

и п

3150

об/мин. Преду-

смотрим дополнительный свобод-

ный

ход

муфты регулятора, соот-

ветствующий повышению частоты

вращения выше

на

величину

An"

0,02л

для

того, чтобы

в случае внезапного сброса

на-

грузки регулятор имел возмож-

ность поддерживать открытыми

на

значительную величину окна золотника вплоть

до

момента посадки

клапанов

на

седла. Величина

An"

может быть различной

зави-

симости

от

соотношения выбранных размеров окон золотника

его максимального хода

max

Предусмотрим также запас хода

муфты

на

0,01п

сторону повышения частоты вращения, имея

в виду возможные погрешности расчета. Таким образом, полный

ход муфты регулятора между упорами

и п

должен соответ-

ствовать изменению частоты вращения ротора турбины

на

0,17п

Следовательно, каждому проценту изменения частоты вращения

отвечает перемещение муфты регулятора приблизительно

на 1 мм.

так как

изменению нагрузки

от

холостого хода

до

максималь-

ного

ее

значения должно соответствовать изменение частоты вра-

щения

на

0,04ге

то

рабочий

ход

муфты регулятора z

max

= 4 мм

и передаточное число рычажного механизма между муфтой

што-

ком сервомотора должно составлять

0,1.

Соотношение плеч рычагов выберем

так,

чтобы

ход

золотника

не

был

чрезмерно большим. Пусть рабочий

ход

муфты отвечает

перемещению золотника

на

величину

max

= 8

мм. Для

того чтобы

получить такой

ход,

надо выполнить отношение плеч рычагов

аЬ/ЬМ

= 2

(см. рис.

2.2). А так как

рабочий

ход

штока сервомо-

тора выбран

мм,

то

отношение плеч

deled

= 40/8 = 5.

Изменение частоты вращения производится

помощью

МУТ,

переставляющего опору

Ь; при

этом частота вращения должна

изменяться

на

величину

б + An' + Ап

= (0,04 + 0,01 +

0,05) п

0,1

«о,

муфта должна смещаться

на

величину

около

мм.

Так как

отношение плеч аЬ/ЬМ

= 2, то

необходимо

иметь возможность смещать точку

b на 20

мм. Для

того чтобы наи-

меньшая частота вращения

при

которой возможна работа

на

Кириллов

И. И.

холостом ходу, соответствовала заданию, регулятор должен

вступить

действие

при

частоте вращения

0,91я

2730

об/мин.

этот момент,

т. е. при

пуске турбины

в ход,

опора

механизма

помощью

МУТ

(следует поставить

крайнее

нижнее положение. Холостой

ход для

указанного положения

точки

установится

при 2850

об/мин

(Л

на рис. 3.26).

В данной методике расчета статических характеристик главную

роль играют соотношения рабочих ходов регулятора, сервомотора

МУТ. Они

находятся таким

же

образом

для

гидравлических,

пневматических

электрических систем регулирования.

Пример

Рассчитать систему непрямого регулирования

с дроссельным золотником

2 (см. рис. 2.7),

обладающую теми

же

статическими свойствами,

как в

примере

Избыточное давление

нагнетаемого масла

= 0,6 МПа;

давление

на

сливе

0,05 МПа.

Давление

под

поршнем пружинного сервомотора

изменяется

пределах

от р

тт

= 0,45 МПа до р

тп

= 0,2 МПа.

Форму окон золотника надо подбирать

так,

чтобы получить

ли-

нейную зависимость между ходами муфты

сервомотора.

Исходя

из

приемлемого расхода масла, выберем живое сечение

дросселя

равным

= 0,5 см

Минимальное живое сечение окон

золотника, которое установится

при

полной нагрузке, определим

из уравнения Q

mln

= /

V2 (р

1тх

—

Рс

)/р = /

у 2 (р

—

гаах

)/р.

Для приближенных расчетов примем

щ = ц

Тогда

/о V (Рн —

Pmax)/(/?max

— р

) » 0,305 см

Таким

же

образом

найдем,

что при

режиме холостого хода окно золотника должно

име

ть

оп

ивое

сечение

= /

Ря

РпЛа

)/(

Ршп

Рс

) «

0,82 см

Вычислим значения живого сечения

еще для

нескольких про-

межуточных точек, исходя

из

предположения,

что

между ходом

поршня сервомотора

т и

ходом золотника

имеется линейная

зависимость.

Так,

например,

для

среднего положения поршня

сервомотора

(т = 20 мм) и

соответствующего положения золот-

ника

(s = 4 мм)

давление масла

под

поршнем сервомотора

р =

(Рпшх

PmJ/2

= (0,45 + 0,2)/2 = 0,325 МПа и

соответствую-

щее этому давлению живое сечение окон золотника

/ = /

V(Pu — W(p ~ р

) = 0,5 см

Определив живые сечения окон

для

ряда положений дроссель-

ного золотника, можно подобрать изменение ширины окна

так,

чтобы получилась приблизительно линейная зависимость между

положением золотника

давлением жидкости

под

поршнем серво-

мотора. Дальнейшие расчеты статических характеристик

макси-

мальных перемещений отдельных элементов системы регулиро-

вания производятся

так же, как для

рычажных систем регули-

рования.

ГЛАВА

ЗАЩИТНЫЕ УСТРОЙСТВА

С ростом мощности энергетических установок

все

более

высокие требования предъявляются

к их

автоматизации.

Для

безусловно надежной

экономичной работы оборудования нужна

не только система регулирования, поддерживающая

на

заданном

уровне определенные параметры,

но

также развитая система

защиты.

Ее

задачи весьма многообразны,

и они

будут рассматри-

ваться

во

второй части книги

на

конкретных примерах. Здесь

же

разберем принципы действия важнейших защит, общих

для

всех

тепловых турбин.

§ 4.1.

ЗАЩИТА ТУРБИНЫ

ОТ

РАЗГОНА

Из теории турбомашин известно,

что при

полном сбросе

нагрузки

турбины

ее

ротор разгоняется примерно

до

двойной

частоты вращения

по

сравнению

нормальной. Запас

же

проч-

ности роторов мощных турбин допускает обычно превышение

частоты вращения

не

более,

чем на 20 %. При

неисправной

же

системе регулирования такой разгон ротора может произойти

за

2—6 с. И

только быстродействующая автоматическая защита

способна предотвратить аварию.

качестве защиты применяется

автомат безопасности,

состав которого входят

предельный регулятор частоты вращения,

так

называемый

р е-

гулятор безопасности,

стопорный кла-

пан, прекращающий доступ рабочего тела

или

топлива

турбину.

Для турбогенератора частота вращения,

при

которой срабаты-

вает автомат безопасности, обычно выбирается выше нормальной

на

10—12 %.

Следует иметь

виду,

что

после действия автомата

безопасности

при

сбросе большой нагрузки возможно немалое

дальнейшее увеличение частоты вращения, если внутри турбины

имеются большие аккумуляторы рабочего тела.

При

параллельной

работе турбогенераторов

на

электрическую сеть автомат безопас-

ности

аварийной ситуации должен

не

только прекратить доступ

рабочего тела

или

топлива

турбину,

но

также отключить гене-

ратор

от

электрической сети; иначе после действия автомата без-

опасности генератор может перейти

на

моторный

ре-

жим, сохраняя синхронную

сетью частоту вращения. Опас-

ность такого явления особенно велика, если предусмотрено дей-

ствие автомата также

случаях падения давления масла, появле-

ния недопустимого осевого сдвига

и др.

Схема автомата безопасности. Принципиальная схема предо-

хранения турбины

от

разгона показана

на рис. 4.1.

Боек предель-

ного регулятора

/ в

случае разгона переходит

крайнее положе-

ние,

своим концом поворачивает рычаг

2 и

выводит

из

зацепления

зуб

Освободившийся таким образом рычаг

поворачивается

под влиянием пружины

5 и

вместе

с тем

вызывает поворот шпонки

на которую упирается втулка

Этот поворот шпонки освобождает

3* 67

втулку и дает ей возможность быстро

сдвинуться под влиянием пружины 9

и закрыть жестко соединенный с ней

клапан 10. Для того чтобы вновь

открыть клапан, надо вращать махо

вик 8, что вызывает подъем втулки

по резьбе штока клапана. Когда

втулка занимает рабочее положение,

шпонка и зуб входят в зацепление,

и вращением маховика в обратном

направлении можно поднять клапан,

после чего защитное устройство вновь

будет находиться в состоянии готов

ности к действию.

Подъем стопорного клапана па

ровых турбин даже средней мощ

ности требует приложения значи

тельного усилия в момент отрыва

клапана от седла. Для уменьшения

этого усилия применяются разгру

зочные клапаны небольшого размера,

открытие которых понижает разность

давлений пара по обе стороны кла

пана 10. В паровых турбинах полу

чили широкое распространение авто

матические стопорные клапаны

с гидравлическими и пневматиче

скими сервомоторами.

Регулятор безопасности. Это тип неустойчивого регулятора

(см.

§ 1.2). Выполняется он чаще всего как пружинный регулятор,

встроенный в вал.

Регулятор

стержневого типа (рис. 4.2, а)

помещается в радиальном отверстии вала. Он выполняется как

а) , &)

Рис. 4.1

пасности

Схема автомата безо

Рис. 4.2. Схемы регуляторов безопасности: а — стержневого; б — кольцевого

цилиндрический стержень /,

который во время нормальной

работы с помощью пружины 2

и гайки 3 прижат к упору 4.

Центр тяжести С груза распо

лагается на расстоянии х

от

оси вала. Центробежная сила

стремится выдвинуть стержень

из отверстия, действуя против

силы пружины. Масса стержня,

положение его центра тяжести

и размеры пружины рассчи

тываются так, что при дости

жении известной частоты вра

щения центробежная сила пре

одолевает силу пружины, и

стержень почти мгновенно пере

мещается в отверстии до своего крайнего положения, определяе

мого координатой х

ах. При этом выступающий конец стержня

соприкасается с рычагом передаточного механизма и вызывает

быстрое закрытие стопорного клапана. Ход бойка — 4—6 мм.

Регулятор кольцевого типа (рис. 4.2, б) выпол

няется в виде кольца, надетого на вал эксцентрично.

Характеристика регулятора безопасности. Она имеет вид пря

мой линии (рис. 4.3). Если частота вращения велика, то при по

строении характеристики следует учесть уменьшение жесткости

пружины изза центробежной силы [28].

Для того чтобы регулятор был неустойчив, с увеличением

хода х стержня угол ср должен убывать (см. рис. 1.8), т. е. прямая

центробежной силы должна пересекать ось абсцисс при х < 0.

Для надежного действия регулятора безопасности линия С

пр

(рис.

4.3) должна иметь возможно меньший угол наклона, опреде

ляемый жесткостью пружины. Сила от предварительного натяга

пружины F

, характеризуемая координатой /

, должна быть вы

брана с таким расчетом, чтобы стержень начинал двигаться из

положения х = х

при заданной частоте вращения, т. е. при

соблюдении условия F

= Мх

ан или tg cpi =

Fjx

= Mm, где

Д4 — масса стержня; щ — предельная угловая скорость, при

которой регулятор должен действовать (точка Л на характе

ристике).

После достижения угловой скорости % боек предельного регу

лятора перемещается на величину x

max

— х

, и в этом его поло

жении, которому на диаграмме соответствует точка В', центро

бежная сила достигает максимального значения

max

причем

С max — Mx

ax<£>\

Для того чтобы после действия регулятора боек надежно удер

живался в его крайнем положении, часто выбирают

max

Рис. 4.3. Характеристики центро

бежной и поддерживающей сил

0,65C„,ax.

С другой стороны,

max

= F

+ с (х

тах

— х

), где

с — жесткость пружины, которая и определяется из последнего

уравнения.

При проектировании регулятора следует также обращать вни-

мание на ту угловую скорость со

, при которой стержень начнет

двигаться обратно (точка В) после срабатывания регулятора и

снижения угловой скорости. Эта скорость определяется по фор-

муле со

max

/Mx

max

Так как регулятор неустойчив, то,

как следствие из формулы

(1.3),

имеем со

< ©i. А это значит, что

после срабатывания регулятора должно пройти некоторое время,

необходимое для снижения угловой скорости до со

, прежде чем

можно будет вновь зарядить механизм автоматического клапана

и открыть автоматический стопорный клапан. Если со

намного

меньше со,, то после действия регулятора безопасности может

потребоваться немалое время до момента, когда турбина сможет

вновь принять нагрузку. Это явление — крупный недостаток

с эксплуатационной точки зрения. Чтобы его устранить, прихо-

дится увеличивать угол наклона кривой С

пр

, т. е. повышать

жесткость пружины. Для турбин, параллельно работающих на

электрическую сеть, целесообразно иметь угловую скорость со

несколько выше номинальной, что позволяет вновь включать

турбогенератор в сеть сразу после срабатывания регулятора

безопасности (см. §

20.2).

Для надежности в крупных агрегатах

применяют два регулятора безопасности.

Настройка регулятора безопасности производится путем из-

менения натяжения пружины с помощью гайки 3 (см. рис. 4.2).

Увеличивая или уменьшая натяжение пружины, соответственно

поднимаем или опускаем прямую С

пр

(см. на рис. 4.3 штриховые

линии / и //). При этом изменяются углы ср, и ср

соответственно

СО] и со

Повышение надежности защиты. С укрупнением турбин и

подключением к их проточной части большого числа объемов пара

и горячего конденсата чрезвычайно усложнилась проблема противо-

разгонной защиты. Эти аккумуляторы энергии вызывают значи-

тельный разгон ротора даже после посадки регулировочных и

стопорных клапанов.

Где возможно, на линиях к теплообменным аппаратам ставятся

обратные клапаны, иногда с принудительной по-

садкой. Это, однако, не исключает заброса в турбину ощути-

мого количества пара в процессе разгона ротора. Такие же мощ-

ные аккумуляторы энергии, как промежуточный пе-

регреватель пара или сепаратор — пере-

греватель (СПП на АЭС), подключаются последовательно

к проточной части турбины, и для ослабления их влияния на раз-

гон ротора требуются сложные сооружения, как, например,

отсечные и сбросные клапаны и заслонки

на пути пара, устройства для срыва вакуума и др. Эти

громоздкие устройства управляются авто-

матически по сигналам, идущим от си-

стемы регулирования или поступающим

извне по независимым линиям защиты.

К ним предъявляются жесткие требования

безусловной надежности, высокой точ-

ности и особого быстродействия. Доста-

точно сказать, что стопорные заслонки

диаметром более метра закрываются за

десятые доли секунды.

Как уже было отмечено, после за-

крытия стопорных клапанов под влия-

нием аккумулированного пара и конден-

сата разгон продолжается, и в современ-

ных турбинах он может превысить до-

пустимый предел. Чтобы этого избежать,

автоматика сразу после сброса нагрузки

должна ощутить неисправность в регулировочных клапанах

и начать прикрывать стопорный клапан еще до того, как сра-

ботают бойки автомата безопасности. Такой метод преду-

преждения аварии называется предварительной за-

щитой. В этом методе используются одновременные импульсы

по частоте вращения со и по ее производной со [61 ]. Если регули-

ровочные клапаны после сброса нагрузки остаются открытыми

или передвигаются слишком медленно, то ускорение ротора

становится значительно больше, чем при нормально закрываю-

щихся клапанах в быстром темпе (время полного хода регулиро-

вочных клапанов может длиться 0,5 с и даже менее того). Автома-

тическое устройство сравнивает в каждый момент времени ве-

личину регулируемого параметра и ее производную. В случае

отклонения производной от нормальной ее величины (для мгно-

венного значения со) приводится в движение стопорный клапан

раньше, чем сработает боек регулятора безопасности.

На рис. 4.4 представлена характеристика относительного

ускорения х

*ш/*со

ом

в виде

ФУ

НК

ИИ

от

относительной вели-

чины угловой скорости со = со/со„

ом

, при которой приходит в дей-

ствие предварительная защита. Например, при полном сбросе

нагрузки, когда клапаны полностью открыты, мощность гене-

ратора нулевая и ускорение ротора максимальное, равное *

(0ном

команда по каналу предварительной защиты стопорных клапанов

отдается при со = 104,5 % . Если в этом случае регулятор безопас-

ности настроен на 111 % от со„

ом

. то по команде предварительной

защиты стопорный клапан начинает закрываться при относительно

угловой скорости на 6,5 % меньшей. Примерно настолько же

уменьшится и максимальный разгон ротора.

Блок предварительной защиты, вырабаты-

вающий комбинированный импульс по х

и х

, действует на

1,00\ I I I L_^J

0 0,2 (ф 0,6

0,8

Ха,

Рис. 4.4. Относитель-

ная величина ускорения

как функция от-

носительной угловой ско-

рости со, при которой

срабатывает предвари-

тельная защита

электромагнит золотника.

посредством золотника одновременно

закрываются регулировочные

стопорные клапаны. Золотник

обеспечивает

необходимую последовательность открытия кла-

панов: сначала стопорного клапана, затем регулировочных.

Запорные органы

на

линиях отбора пара.

современных

крупных турбинах имеется

до

восьми линий отбора,

из

которых

обратное попадание пара

турбину

при

сбросах нагрузки может

существенно повысить разгон ротора. Возможное количество

об-

ратного попадания пара тщательно рассчитывается,

и на

этом

основании решается вопрос

типе запорных органов

и об их

коли-

честве

(см. § 17.5).

Широко применяются обратные клапаны

при-

нудительной посадкой.

Если

из

подключенного паропровода грозит попадание пара

в количестве, достаточном

для

холостого хода

или

более того,

то следует ставить

два

запорных органа. Стопорные клапаны ста-

вятся вместо обратных клапанов

при

возможных забросах боль-

шого количества пара.

Они

более надежны

вносят существенно

меньшее сопротивление,

,чем

обратные клапаны. Такую защиту

применяют

на ЛМЗ.

Отключение генератора

от

сети. Системы регулирования рас-

считываются

на

наиболее опасный случай, когда генератор

от-

ключается

от

электрической сети,

стопорный

регулировочные

клапаны открыты.

Во

время плановых остановок

даже аварийных

генератор следует отключать

от

сети, когда

это

возможно,

только после закрытия стопорных

регулировочных клапанов.

Это повышает надежность,

так как

даже небольшая оставшаяся

нагрузка

на

генератор может сыграть решающую роль

развитии

аварии, особенно если

она

вызвана зависанием клапанов.

Неплотная посадка клапанов всегда опасна.

современных

мощных турбинах затрату энергии

на

вращение всего агрегата

при плотных клапанах

снятом возбуждении генератора можно

оценить

в 2 %.

Давление

же

перед клапанами очень высокое,

и сквозь даже малые щели большого числа различных клапанов

протечка оказывается достаточной

для

заметного разгона ротора.

В расчетах процесса разгона, вызываемого протечками пара, надо

учитывать

аккумуляторы энергии

проточной части турбины.

Это особенно важно

для

установок

промежуточным перегрева-

телем

(или СПП на АЭС), так как в

процессе разгона давление

за

ЦВД

сильно отклоняется

от

равновесного

и это

сказывается

на

протечках сквозь отсечные клапаны.

Многие турбины защищены

не

только стопорным клапаном,

но

главной парозапорной задвижкой

(ГПЗ).

Для

таких установок отключать генератор

от

сети следует,

для надежности, после закрытия

ГПЗ. В

мощных турбинных уста-

новках

для

этого требуется

3—4 мин.

Реле обратной мощности контролирует уста-

новленный порядок отключения генератора

от

сети.

Оно

преду-

преждает переход агрегата

на

моторный режим, когда

генератор вращает турбину,

преодолевая потери

от

трения

и вентиляции. Вместе

с тем это

реле задерживает отключение

генератора

до

посадки клапанов.

Расчет установки этого реле

должен учитывать отмеченные

выше особенности процесса

раз-

Рис 4 5

передача импульса

авто-

гона под влиянием протечек [6].

мату безопасности пересечением струи

Срыв вакуума

— это

жидкости

дополнительное эффективное

средство предупреждения разгона ротора, когда исчерпаны дру-

гие возможности. Этот способ защиты предложен

разработан

на

ХТЗ, и он

широко применяется

крупных турбинах

для АЭС

(см. §

19.3).

Конструктивные схемы автоматов безопасности. Автоматы

безопасности

как

основа защитных систем всегда находились

в центре внимания.

Их

конструктивное выполнение весьма много-

образно. Помимо золотниковой схемы выключения применялись

с целью повышения надежности

так

называемые беззолот-

никовые защитные устройства типов

ВТИ,

Бергман-Борзиг

и др. [6]. Это —

гидравлические системы

кла-

панами

на

мембранных

для

сброса жидкости

из

импульсных

систем после действия регулятора безопасности.

системе Берг-

ман-Борзиг импульс

от

кольца регулятора

/ (рис. 4.5)

передается

не ударом,

как на рис. 4.1, а

пересечением свободной струи жид-

кости

между соплом

диффузором.

Эти

меры частично снимают

трение

снижают требуемую силу ударного действия регулятора.

4.2.

РЕЛЕЙНЫЕ ЗАЩИТНЫЕ УСТРОЙСТВА

Реле давления масла.

При

падении давления смазки

до заданного предела подается импульс

от

реле

линию управле-

ния защитными устройствами.

По

этому сигналу закрываются

все регулировочные

стопорные клапаны.

Реле осевого сдвига ротора. Аварии

упорными подшипни-

ками паровых турбин

все еще

встречаются. Расплавление упор-

ного подшипника нередко влечет

за

собой серьезнейшие послед-

ствия. Если

при

этом турбину

не

успевают вовремя остановить,

то происходит задевание ротора

за

статор турбины

связанные

с этим тяжелые повреждения агрегата. Опыт эксплуатации пока-

зывает,

что при

быстрой остановке турбины можно избежать круп-

ных последствий аварии даже

случае расплавления подшипников.

Широкое применение нашли электрические реле осевого

сдвига, указывающие

на

положение конца ротора

автоматически

закрывающие клапаны

при

недопустимом износе

или

выплавлении

колодок упорного подшипника

[21].

Чтобы избежать трения

де-

талей защитных устройств, обычно применяют индукционный

метод измерения воздушных

зазоров, меняющихся под

влиянием перемещения ро-

тора.

Если турбина имеет не-

сколько упорных подшип-

ников, то индукционные дат-

чики устанавливаются на

каждом валу и импульсы от

всех реле передаются к од-

„ . „

ному электромагнитному вы-

Рис. 4.6. Принципиальная схема ЭГП

J v

ключателю. К нему также

подводятся импульсы от

других защитных устройств, например в паровых турбинах — от

автоматов разгрузки по вакууму и по давлению свежего пара.

§ 4.3. ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

К системе регулирования и защиты турбины поступают

извне многочисленные электрические сигналы. Если турбина имеет

чисто электрическую систему регулирования, то поступающие

сигналы вводятся без затруднений, и это одно из важных преиму-

ществ таких систем. Но если электрические сигналы подаются

в гидравлическую систему регулирования, то их приходится пре-

образовывать в механические перемещения.

На рис. 4.6 показан пример принципиальной схемы элек-

трогидравлического преобразователя

(ЭГП).

На рычаг действуют две силы: от магнита / сила F

, про-

порциональная силе тока /, и от пластины сила F

, порождаемая

струей вытекающей жидкости из сопла 2. Последняя сила при-

близительно пропорциональна давлению р

в камере а, в которую

подводится жидкость при давлении р

. Таким образом устанавли-

вается пропорциональная зависимость между силой тока и давле-

нием р

. Нечувствительность такой системы достаточно мала.

Определяется она в основном гистерезисом материала магнита и

может быть оценена в 1 %. Динамическая константа преобразо-

вателя измеряется десятыми долями секунды. Полученный выход-

ной сигнал из данного звена может быть усилен известными спо-

собами и передан по назначению через гидравлические связи.

В частности, таким образом сигнал из линии аварийной защиты

доводится до автоматического стопорного клапана и приводит

к его закрытию или подъему.

Часть II

ДИНАМИКА РЕГУЛИРОВАНИЯ МАШИН

Задача статики регулирования состоит в том, чтобы

наметить принципиальную схему регулирования, удовлетворяю-

щую всем требованиям эксплуатации к режимам работы машин

в пределах гарантируемых нагрузок. Окончательно же выбирается

схема регулирования и ее главные параметры в результате реше-

ния проблем динамики. К ним прежде всего относятся задачи

устойчивости и высокого качества переходных процессов регули-

рования в нормальных условиях и в аварийных ситуациях. Ста-

тические и динамические характеристики тесно между собой свя-

заны. Первые из них отражают требования к экономичности и

надежности энергосистем, их нерационально или даже недопустимо

ограничивать в целях упрощения задач динамики. Последние же

следует в основном решать специальными техническими сред-

ствами, влияющими на устойчивость и на качество переходного

процесса регулирования.

Первая задача динамики регулирования — гаранти-

ровать устойчивость системы регулирования при всех режимах

работы. На этом этапе проектирования должны быть сформули-

рованы общие принципы построения устойчивой системы и отбро-

шены все категории структурных схем, не удовлетворяющие

этим принципам. Такой принципиальный путь сразу ведет кон-

структора к области, в которой надлежит искать оптимальную

схему регулирования. Только после выбора структурой устойчи-

вой схемы, т. е. после определения ее основных кинематических

связей и динамических констант, должна решаться вторая

задача: детальное количественное исследование и корректировка

характерных переходных процессов. Но практическое выполнение

системы регулирования и реальные условия эксплуатации не-

избежно связаны с отклонениями от рассматриваемой модели,

всегда несколько идеализированной. Точная оценка этой стороны

дела необходима, чтобы предупредить возможные ошибки, по-

рождаемые заменой реальной задачи принципиально иной. Такие

противоречия могут возникать, например при заменах некоторых

нелинейных задач линейными. Их могут вызывать и вторичные

явления, которые можно было бы устранить, если бы на них свое-

временно обратил внимание конструктор. Третья задача

и состоит

том,

чтобы реальную систему регулирования привести

в соответствие

принятой моделью

рамках конструктивной

целесообразности

устранить всеми известными средствами

вредные вторичные явления,

как,

например, трение, протечки

пр.

ГЛАВА

МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ

И КАЧЕСТВА ПРОЦЕССА РЕГУЛИРОВАНИЯ

Приступая

решению задач динамики, необходимо

создать математическую модель системы

ре-

гулирования. Большое число задач динамики регулирова-

ния,

прежде всего задач устойчивости, решается

применением

метода малых колебаний, введенных

механику

Лагранжем

(1736—1818).

Математические модели, построенные

на этой базе, будут рассматриваться

как

основоположные. Прежде

чем перейти

изучению задач динамики, приведем элементарные

сведения

из

операционного исчисления.

§ 5.1.

СВЕДЕНИЯ

ИЗ

ОПЕРАЦИОННОГО ИСЧИСЛЕНИЯ

Операционное исчисление

—

совокупность методов при-

кладного математического анализа, открывающих возможность

простыми средствами получать решение сложных математических

задач

механике, электротехнике, автоматике

и в

других отраслях

науки

техники;

частности, позволяющих получать решение

дифференциальных

некоторых типов интегральных уравнений.

В основе операционного исчисления лежит идея функционального

преобразования некоторой функции вещественного переменного

определенной

при

положительных значениях аргумента

(t ^ 0)

и называемой начальной функцией

или

ориги-

налом,

соответствующую функцию другого переменного

называемую изображением. Преобразование «оригинал—

изображение» целесообразно выполнять

так,

чтобы операциям

дифференцирования

интегрирования заданных функций соот-

ветствовали алгебраические операции

области изображений

этих функций.

Это

дает возможность находить

помощью про-

стейших алгебраических действий изображения решений исходных

дифференциальных уравнений.

В теории регулирования операционное исчисление применяется

в целях упрощения исследования систем дифференциальных урав-

нений.

наших задачах рассматриваются возмущающие воздей-

ствия

на

систему регулирования, выраженные функциями

/ (t).

Эти функции удовлетворяют условиям Дирихле

на

рассматривае-

мом сегменте,

т. е.

этот сегмент всегда можно разбить

на

конечное

число частей

так, что

внутри каждой части функция

/ (t)

моно-

тонна

ограничена. Кроме того,

эти

кусочно-непрерывные функ-

ции

/ (/)

задаются только

области

t > 0, а в

области

t < 0 они

принимаются равными нулю.

Интеграл Фурье. Пусть

системе регулирования приложено

произвольное возмущающее воздействие, выраженное ограничен-

ной функцией

/ (/),

удовлетворяющей условию Дирихле.

Эта

функция может быть представлена

виде бесконечного тригоно-

метрического ряда Фурье

оо

ft = а

/2 + 2 [а

cos

(2лп//7)

+ b

sin (2nnt/T)), (5.1)

n=l

+ Г/2

где

1,2,3,...;

7 —

период;

= (2/7) j / (t) dt —

—Г/2

+772

свободный член;

= {21Т) J / (/) cos

{2nnt/T)

dt; b

—T/2

+Г/2

(2/7) J / (/) sin

{2nnt/T)

dt.

—

T/2

Каждая частота

со

2я/7;

со

= 2

(2я/7)

и т. д.

получается

из предыдущей прибавлением А

со

2л/7.

пределе

при

п оо;

Т<х>

До-»-

можно допустить,

что Дю = das, и

перейти

от

ряда Фурье

интегралу Фурье. Преобразовав общий

член ряда Фурье

помощью формул Эйлера, выражающих коси-

нус

синус через показательные функции, интеграл Фурье

за-

пишем

комплексной форме:

+оо

+°°

/(0 =

(2я)-

'do»

j f{t)e-

iat

—оо

или

+оо

/(0 =

(2я)"

F{m)e

fda,

(5.2)

—оо

где

-)-оо

7(ио)

= j f{t)e~

iai

dt. (5.3)

—оо

Преобразование Лапласа. Будем считать,

что

внешнее воздей-

ствие приложено

момент времени

/ = 0 и

что

/ (/) = 0

при

всех

t < 0.

Физически

это

означает,

что в

момент приложения воздей-

ствия система регулирования находилась

условиях установив-

шегося движения.

этом случае

интеграле Фурье

(5.2)

изме-

няется нижний предел интегрирования,

функцию

(5.3)

можно

записать

таком виде:

+°°

F(fo)=

j f(t)t~

iat

dt. (5.4)

Этот интеграл называется изображением Лапласа,

для которого оригиналом служит функция

(/).

Формуле

(5.4)

придадим более общий

вид,

преобразовав

ее

следующим образом.

Вместо функции

/ (t)

введем функцию

q (t) = / (t) e~

где

с —

постоянная, большая нуля. Представим

эту

функцию

виде

интеграла Фурье

foo

+°°

q(t)

(2n)~

iat

(t)e~

iat

dt.

—oo

Вновь вернувшись

функции

f (t),

получим

+°o

foo

/(0

(2я)"

е<

'><

dco

/(/)

<

+'»)

dt.

—oo

Заменим

последней формуле переменную

со

на

комплексную

величину

s = с +

со,

заметив,

что

dco

= i~4s, и

соответственно

изменим пределы интегрирования, после чего получим

cjl'oo

(oo

/(0 = (2шГ

f(t)er«dt.

(5.5)

С—i oo

—oo

Исходя

из

формулы

(5.5),

изображение Лапласа

запишем

так:

F(s)

= J

'f(t)dt,

(5.6)

для

оригинала получим выражение

с|1'оо

/(/) =

(2л0"

F(s)e"ds.

(5.7)

с—too

В операционном исчислении приняты нижеследующие обозна

чения:

(s)

—

изображение начальной функции

/ (/)•

F(s)^f(t)

или

F(s)=f(t),

(t) —

оригинал

изображению

(s):

f (t) 4 F

(s),

при

чем острие стрелки всегда направлено

оригиналу. Изображение

Лапласа записывается

и в

таком виде:

[/(/))

= F (s).

Свойство линейности.

Пусть

f(t)=tfi(t);

(5.8)

1=1

где

/, (0 «f Ft (s); / (t) «f F (s), i = 1, 2, п.

Тогда

F(s)=&F

(s).

(5.9)

Доказательство

oo n

(s)

e'/

}

S П (t)

< dt =

0 i=l

= £ J

*

fi(t)dt=

2 Ms).

i=l 0

i'=l

Изменение масштаба независимой

переменной.

Если

(t) »f

4

(s),

то

(a*)]

= (1/a) F

(s/a). (5.10)

Доказател ьство.

L[f(at)]

= \

f(at)dt

(1/a)

e<

(at)

d (at) =

(1/a)

(s/a).

Дифференцирование оригинала.

Пусть

/ (t) —

функция, диф

ференцируемая

промежутке

(0,

+оо).

Рассмотрим производную

этой функции

(t)ldt

качестве функции

—

оригинала,

а ее

изображение будем обозначать, попрежнему,

(s).

Тогда

из

выражения

f (t) ± F

(s)

следует:

[df

(t)ldt]

= sF

(s)

— /

(0). (5.11)

Доказательство. Согласно определению операции преобразова

ния функции

(t)ldt

можем записать

оо

[df

(t)/dt]

= j e

[df

(t)/dt]

dt.

Обозначим

= u, f (t) = v и

проинтегрируем

по

частям:

оо

оо оо оо

[df(t)/dt]dt

= J

udu=

d(uv)

\vdu =

0 0 0 0

f(t) fsj

e*'f(t)dt,

где

( e~

7 (0 dt = F

(s);

lim [e~

</ (f)) = f

(0).

Остается определить

lim

lt~

(t)].

Заметим,

что в

задачах

t->-oo

данного курса

все

рассматриваемые функции будут характеризо

ваться определенным порядком роста

области весьма

больших величин аргумента

Для

этих функций можно указать