Автоматичне регулювання і захист газотурбінних установок
Режим вироблення потужності газотурбінної установкою визначається перш за все режимом роботи споживача. Так, якщо ГТУ служить приводом електричного генератора, який підключений до енергосистеми, частота обертання ротора збігається з частотою електричного струму в мережі. При сталому режимі потужність, що виробляється усіма турбінами енергосистеми, повинна дорівнювати потужності всіх споживачів, підключених до неї. Зміна споживаної потужності викликає зміна частоти електричного струму в мережі. При зміні частоти потужність всіх турбін повинна бути змінена таким чином, щоб частота мережі відновилася до номінального значення.
Якщо ГТУ працює не на мережу, а на ізольованого споживача потужності, умови її роботи визначаються особливостями цього споживача. Так, ГТУ на газоперекачувальних станціях повинні виробляти таку потужність, щоб тиск газу за нагнітачем підтримувалося на заданому рівні. Крім характеристик споживача на режим роботи ГТУ впливає зміна атмосферних умов температури, тиску, вологості і запиленості повітря. При зміні навантаження необхідно стежити за тим, щоб ГТУ не вийшла із зони допустимих режимів роботи: температура газу перед турбіною не повинна бути вище граничної і нижче мінімально допустимої; компресор не повинен потрапляти в помпаж; частота обертання ротора не повинна бути менше або більше допустимої і ін.
Особливо швидко можуть змінюватися ті чи інші параметри при аварійних ситуаціях.
Людина не в змозі одночасно враховувати зміну всіх параметрів, що характеризують режим роботи ГТУ, одночасно їх регулювати і робити це досить швидко, щоб забезпечити надійну роботу. Ці функцій виконує система автоматичного регулювання.
Перш за все система регулювання змінює витрата палива в камеру згоряння в залежності від умов роботу ГТУ. Імпульс, службовець сигналом для зміни витрати палива, виробляють датчики, які вимірюють ту величину, яку потрібно підтримувати постійною або змінювати по заданому закону (частота електричного струму мережі, тиск газу за нагнітачем, температура газу перед турбіною і ін.).
Рис.1. Схема прямого регулювання:
1 - регулятор витрати палива,
2 - відцентровий регулятор
Для управління ГТУ система автоматичного регулювання в найпростішому випадку (рис.1) складається з відцентрового регулятора 2 з вантажами, що обертається разом з валом турбіни. При збільшенні частоти обертання вантажі розходяться і переміщають муфту L вгору, а при зменшенні вони сходяться і муфта опускається. З муфтою пов'язаний важіль АВ, закріплений шарнірно в точці С. Коли муфта А переміщається разом з важелем вгору, кінець важеля В опускається і переміщує вниз клапан D, що закриває доступ палива в камеру згоряння. Отже, зі збільшенням частоти обертання кількість палива, що надходить в камеру згоряння, зменшується. При цьому зменшуються крутний момент і частота обертання ротора турбіни.
Система регулювання налаштовується так, щоб при номінальній частоті обертання муфта А і клапан D перебували в цілком певному положенні. Система регулювання, в якій регулятор швидкості впливає безпосередньо на клапан, називається системою прямого регулювання.
Потужність турбіни залежить від кількості палива, що згорає в камері згоряння. Витрата палива визначається положенням клапанів, яке жорстко пов'язано з положенням муфти регулятора швидкості. Так як положення муфти залежить від частоти обертання ротора, існує зв'язок між його частотою обертання і потужністю турбіни. Крива, що зображає таку залежність, називається статичною характеристикою регулювання.
Найбільша зміна частоти обертання від n1 до n2, при якому потужність змінюється від нуля до повної, обмежена. Це зміна характеризується ступенем нерівномірності, або нерівномірністю регулювання. Нерівномірність зазвичай дорівнює 4,5-5,5%.
Схеми прямого регулювання не набули поширення в потужних турбінах, так як зусилля, які може розвивати регулятор швидкості, недостатні, щоб перемістити клапани. Для переміщення клапанів використовуються пристрої, які живляться енергією від стороннього джерела (наприклад, гідравлічні сервомотори).
Рис.2. Схема регулювання з однією ланкою посилення:
1 - регулятор витрати палива, 2 - золотник,
3 - відцентровий регулятор, 4 - сервомотор
У простій системі автоматичного регулювання швидкості з ланцюгом посилення (рис.2) муфта регулятора швидкості А з'єднана з золотником 2, який керує підведенням масла високого тиску в верхню або нижню порожнину сервомотора 4. Масло під тиском переміщує поршень сервомотора вниз, якщо воно подано в верхню порожнину, або вгору, якщо воно подано в нижню. Для переміщення золотника, що направляє масло в сервомотор, досить невеликого зусилля від відцентрового регулятора. Поршень сервомотора розвиває велике зусилля, необхідне для переміщення клапанів.
Важіль, що зв'язує муфту відцентрового регулятора з золотником, з'єднаний шарніром В зі штоком сервомотора. При збільшенні частоти обертання ротора муфта відцентрового регулятора 3 піднімає кінець важеля А вгору. В цей час кінець важеля В нерухомий і шарнір С, з яким пов'язаний поршень золотника, рухається вгору. Масло, яке надходить від насоса в середню порожнину золотника, через його верхні вікна потрапляє в порожнину над поршнем сервомотора. Масло з-під поршня сервомотора через нижнє вікно золотника зливається в зливну лінію. Поршень сервомотора починає переміщатися вниз, закриваючи клапан. Одночасно шток сервомотора захоплює поршень золотника вниз, так як кінець важеля В разом зі штоком сервомотора опускається і поршень золотника повертається в середнє положення. Це відбувається, до тих пір, поки не припиняється надходження масла в порожнину сервомотора. При зниженні частоти обертання сервомотор відкриває клапан.
З'єднання золотника зі штоком сервомотора, який повертає золотник до середнього положення, називається зворотним зв'язком, а процес повернення золотника до середнього положення - вимиканням золотника. Введення зворотного зв'язку в систему автоматичного регулювання збільшує її стійкість.
Рис.3. Схема регулювання з двома ланками посилення:
1,3 - сервомотори, 2,4 - золотники,
5 - відцентровий регулятор
У системах регулювання турбін великої потужності обсяги сервомоторів, а отже, і витрата масла досить великі. Це вимагає збільшення площі перетину поршня золотника, що тягне за собою зростання зусиль на ньому. У цих випадках застосовують схеми з послідовним дворазовим зусиллям (рис.3). Відцентровий регулятор 5 управляє легким золотником 4 невеликого сервомотора 3 першої ланки посилення, а поршень цього сервомотора переміщує великий золотник 2 головного сервомотора 1. Кожен золотник повертається в середнє положення штоком поршня свого сервомотора.
Рис.4. Схема регулювання з синхронізатором:
а - з додатковою пружиною, б - з впливом на передавальний механізм;
1 - сервомотор, 2 - золотннк, 3 - маховичок,
4 - пружина, 5 - синхронізатор, 6 - відцентровий регулятор,
7 - пружина відцентрового регулятора
У системах регулювання передбачається спеціальний пристрій - синхронізатор, який дозволяє довільно змінювати частоту обертання ротора турбіни. Існують різні види синхронізаторів. Так, в схемі з синхронізатором, виконаним з додатковою пружиною (рис.4, а), зусилля, що розвивається обертовими вантажами відцентрового регулятора 6, врівноважується стисненням пружини 7 і натягом пружини 4. Обертанням маховичка 3 переміщається гвинт, до якого кріпиться пружина 4, яка зраджує натяг.
При переміщенні гвинта вгору натяг пружини 4 зменшується, муфта відцентрового регулятора переміщається вгору і так само вгору йде золотник сервомотора. Всі ці елементи пов'язані важелем, який повертається щодо шарніра, розташованого на штоку сервомотора. Золотник подає масло в верхню порожнину сервомотора і змушує його поршень рухатися вниз, перекриваючи надходження палива. Частота обертання ротора зменшується, муфта регулятора швидкості переміщається вниз і повертає золотник в нейтральне положення. При цьому система займає положення рівноваги вже при новій, меншій частоті обертання.
При обертанні маховичка 3 синхронізатора в іншу сторону пружина 4 піде вниз, потягне за собою вниз муфту регулятора швидкості і золотник сервомотора. Масло потрапить в нижню порожнину під поршнем, і сервомотор піде вгору, збільшуючи витрату палива. Частота обертання зросте, і система регулювання повернеться в стан рівноваги при новій, але збільшеній частоті обертання.
У схемі регулювання з синхронізатором, яке впливає на передавальний механізм (рис.4, б), за допомогою маховичка можна переміщати кінець Е важеля DE. При цьому муфта відцентрового регулятора і поршень сервомотора спочатку залишаються нерухомими, а зміщується лише золотник сервомотора. Система працює так само, як і в попередньому випадку: при русі точки Е вгору частота обертання збільшується, при русі вниз - зменшується.
Сучасні системи автоматичного регулювання дозволяють автоматично підтримувати практично будь-яку частоту обертання на холостому ходу. Кожній з них відповідає своє положення синхронізатора. Відцентрові регулятори, які здатні управляти системою регулювання в широкому діапазоні зміни частоти обертання, називають всережимним.
Вище розглянута робота системи регулювання в тому випадку, коли електричний генератор не підключений до мережі. Зазвичай турбіна працює на загальну електричну мережу і її потужність мала в порівнянні, з потужністю мережі, тобто в порівнянні із загальною потужністю всіх інших турбін, що працюють одночасно. У цьому випадку зміна навантаження однієї турбіни практично, не позначається на частоті струму в мережі. При зміні споживання енергії (наприклад, у вечірній час) змінюється частота обертання роторів всіх турбін. Системи регулювання реагують на цю зміну і змінюють потужність турбін, відновлюючи частоту струму в мережі. Потужності турбін змінюються по-різному в залежності від крутизни статичної характеристики регулювання.
Припустимо, що на мережу працюють тільки дві турбіни. При зміні частоти обертання потужності турбін змінюється. При паралельній роботі двох турбін на загальну мережу коливання навантаження сильніше позначаються на тих турбінах, які мають більш пологі характеристики. Якщо в енергосистемі одночасно працюють турбіни різної економічності, то більш економічні повинні мати більш круті статичні характеристики регулювання. У цьому випадку вони будуть працювати зі стійкою навантаженням і слабо реагувати на її зміну. Пікове навантаження на себе візьмуть менш економічні турбіни.
Якщо параметром, який необхідно підтримувати постійним або змінювати по заданому закону, є не частота обертання, а інша величина, то в схемі регулювання замість регулятора швидкості встановлюють вимірювач цієї величини (наприклад, датчик температури, тиску, витрати палива та ін.).
Принципово схема залишається тією ж: сигнал від датчика про зміну параметра надходить через ланцюг посилення на виконавчий механізм, який впливає на роботу ГТУ так, щоб вимірюваний параметр досяг необхідного значення. Як самі датчики, так і елементи системи регулювання можуть бути самими різними: гідравлічними, механічними і пневматичними, електричними.
Система регулювання повинна підтримувати режим роботи ГТУ таким чином, щоб жоден із заданих параметрів не виходив за встановлені межі. Однак в разі відмов в системі регулювання або в аварійних ситуаціях ця умова не виконується.
Щоб уникнути виходу з ладу обладнання, ГТУ оснащується також системою захисту. Залежно від схеми, конструкції і призначення ГТУ структура системи захисту може бути різною. Однак на кожній ГТУ встановлюється захист від неприпустимого підвищення частоти обертання і температури газу перед турбіною, а також захист компресора від помпажа, роторів від осьових зсувів і ін. Системи захисту складаються з граничних пристроїв і автоматів безпеки.
Граничні пристрої підтримують параметр постійним, після того як він досягне граничного значення (уставки). Сигнал про це подається по спеціальному каналу обслуговуючому персоналу.
Рис.5. Автомат безпеки:
1 - ротор, 2,6 - гайки, 3 - бойок,
4 - пружина, 5 - центр ваги бойка
Автомати безпеки відключають ГТУ, коли параметр досягає граничного значення. За таким принципом працює, наприклад, захист по частоті обертання ротора (рис.5). У роторі 1 є поперечний отвір, в якому розміщений бойок 3. Один кінець бойка впирається в гайку 6, а інший вільно проходить через гайку 2. Бойка утримується в певному положенні пружиною 4. Положення бойка відносно ротора можна регулювати гайкою 6, а натяг пружини - гайкою 9. Бойок розташовується таким чином, щоб його центр ваги 5 був зміщений відносно осі обертання ротора в сторону гайки 2.
Сила, що виникає при обертанні ротора, прагне виштовхнути з нього бойок, однак цьому перешкоджає натяг пружини. Бойок буде залишатися на місці до тих пір, поки ця сила і натяг пружини не зрівняються. При подальшому збільшенні частоти обертання бойок вийде з отвору в роторі, миттєво стиснувши пружину. При цьому його кінець, що з'явився над поверхнею ротора, впливає на виконавчий механізм, який зупиняє ГТУ. Натяг пружини, і зміщення центру ваги бойка підбирають так, щоб захист спрацьовувала при частоті обертання ротора, не більше ніж на 10-12% перевищує номінальну.
Рис.6. Схема захисту ГТУ від неприпустимого
підвищення температури газу перед турбіною:
1 - термопара, 2 - підсилювач, 3 - детектор,
4 - логічний блок, 5,6 - сигнали уставок,
7 - світлова сигналізація, 8 - сигнал в систему регулювання
Одна зі схем захисту ГТУ від неприпустимого підвищення температури газу перед турбіною показана на рис.6. Для вимірювання температури, газу служать термопари 1, від яких сигнал через підсилювач 2 надходить в два детектора 3, де порівнюється з сигналами уставок 5 і 6. Одна з уставок відповідає граничної температурі газу, а інша - трохи меншою.
Якщо сигнал надходить від одного з детекторів 3, спрацьовує світлова сигналізація 7. При надходженні сигналу від обох детекторів подається сигнал 8 в систему регулювання на автоматичний останов ГТУ. Факт появи одного або відразу двох сигналів встановлює логічний блок 4. Щоб не допустити потрапляння компресора в помпаж, необхідно знати, який точціхарактеристики відповідає режим його роботи. Ця точка визначається будь-якими двома з трьох величин: ступенем стиснення, витратою повітря, наведеної частотою обертання. Ступінь стиснення залежить від тиску перед компресором і за ним, а витрата визначається по перепаду тиску на будь-якому пасивному ділянці повітряного тракту по його гідравлічному опору. Отже, вимірявши тиск за компресором і в двох точках тракту перед ним і зіставивши їх, можна визначити, в якій зоні характеристики працює компресор. При наближенні до кордону помпажа автоматично відкриваються пристрої, яка спрямовується повітря після компресора в атмосферу або на всас.
Такими пристроями є заслінки, щельние і стрічкові клапани з автоматичним приводом.