книги из ГПНТБ / Пивоваров В.А. Проектирование и расчет систем регулирования гидротурбин

В. А . П И В О В А Р О В

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ГИДРОТУРБИН

ЛЕНИ НГРАД

«М АШ ИНОСТРОЕНИЕ»

1973

/Slö У

у - ъ - М І Ч Ь

П32 УДК 621.224.62—5

П и в о в а р о в В. А. Проектирование и расчет систем регулиро­ вания гидротурбин. Л., «Машиностроение», 1973. 288 с.

В книге изложены основы динамики автоматического регули­ рования. Рассмотрены конструктивные схемы современных электрогидравлических регуляторов скорости для мощных гидротурбин. Изложены методы расчета устойчивости системы регулирования, выбора параметров и структурной схемы регулятора скорости, осно­ ванные на использовании логарифмических амплитудных и фазо­ вых частотных характеристик. Приведена методика испытаний

Книга предназначена для инженерно-технических работников, занимающихся вопросами проектирования, расчета н испытаний си­ стем регулирования гидротурбин.

Табл. 4. Ил. 132. Список лит. 44 назв.

Ре ц е н з е н т канд. техн. наук Н. К . Барков

Ре д а к т о р панд. техн. наук В. В, Семенов

*

(6) Издательство «Машиностроение», 1973 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В Директивах XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1971—1975 гг. преду­ смотрено осуществить крупный шаг по пути реализации дости­ жений научно-технической революции, которая открывает воз­ можности радикального преобразования методов производства. Директивами предусмотрены опережающие темпы развитая отрас­ лей, определяющих технический прогресс Выпуск продукции по таким отраслям, как энергетика, приборостроение, производ­ ство средств автоматизации и вычислительных машин, намечено увеличить за пятилетие на 67%.

Поэтому в настоящее время уделяется исключительно большое внимание вопросам автоматического регулирования и управле­ ния гидроагрегатами. Развитие их автоматизации идет по пути создания качественно новых автоматизированных систем, уско­ рения темпов обновления и замёны устаревшей техники. При этом широко используются новейшие достижения электроавтоматики и радиоэлектроники.

Данная книга имеет цел'ью ознакомить широкий круг инжене­ ров с современной практикой проектирования, расчета и иссле­ дований систем регулирования гидротурбин. Материал книги разбит на шесть глав. В гл. 1 изложены основные понятия о ре­ гулировании гидротурбин.

Гл. 2 посвящена динамике автоматического регулирования. В ней основное внимание уделено частотному методу, который успешно внедрен в практику проектирования и расчета систем регулирования. Частотные методы особенно ценны при проекти­ ровании и исследованиях систем с электрогидравлическими ре­ гуляторами скорости, которые за последние десять лет заняли доминирующее положение в производстве ЛМЗ им. XXII съезда КПСС. В этой главе также рассмотрены динамические характе­ ристики типовых звеньев, кратко изложены критерии устойчи­ вости, методы корректирования системы регулирования и выбора параметров регулятора.

В гл. 3 даны конструктивные схемы отдельных узлов регуля­ торов скорости, выпускающихся в настоящее время ЛМЗ для регулирования мощных гидротурбин.

3

Г л а в а 1

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О РЕГУЛИРОВАНИИ ГИДРОТУРБИН

выход объекта регулирования связан с входом регулятора. Эта связь называется главной обратной связью в отличие от допол­ нительных обратных связей, используемых в регуляторах для различных целей.

5

Причиной, вызывающей отклонение регулируемой величины от заданного значения, являются возмущающие воздействия, действующие на объект регулирования. Именно они вызывают необходимость применения автоматического регулирования. Если бы не было возмущающих воздействий, то система, будучи при­ ведена в состояние равновесия, оставалась бы в этом состоянии и не требовала дальнейшего регулирования. Так, при регулиро­ вании частоты вращения гидроагрегата возмущающими воздей­ ствиями являются изменения нагрузки на генератор или изме­ нения момента турбины, обусловленные, например, колебаниями

Рис. 1. Структура простейшей системы автоматического регулирования:

Хо — заданное значение регулируемой величины; ЧЭ — чувствительный элемент; У — усилитель; Я — преобразователь; РО —.регулирующий орган; О — объект регулиро­ вания (в большинстве случаев регулирующий орган конструктивно входит в объект регулирования); г — возмущающие воздействия (стрелками показало направление про­ хождения сигналов)

действующего напора воды на гидроэлектростанции. При регу­ лировании уровня жидкости в каком-либо резервуаре возмуща­ ющими воздействиями будут изменения скоростивытекающей и притекающей жидкости, что и вызывает изменения ее уровня.

В рассмотренных случаях задаваемое значение регулируемой величины А'о = const. Однако имеются автоматические системы, в которых регулируемая, или выходная, величина хпых (t) с до­ пустимой ошибкой (точностью) воспроизводит изменение входной величины хвх (t), изменяющейся по произвольному закону. Здесь не обязательно, чтобы хВЬІХ(t) = xBX(/).

Чаще встречаются системы, когда хВЬ!Х(t) = /г0хвх (t), где k a— коэффициент заданного закона воспроизведения. Такие системы называются следящими. Примером следящей системы является устройство, называемое комбинатором, используемое в регуля­ торах скорости гидротурбин для установки угла разворота ло­ пастей рабочего колеса поворотнолопастных трубин в зависимости от величины открытия направляющего аппарата, что обеспечивает оптимальное для данного открытия значение коэффициента по­ лезного действия турбины.

На рис. 2 показана принципиальная схема этой следящей системы. Сервомотор 1 служит для поворота лопастей рабочего колеса турбины и управляется золотником 2, к которому под­ водится масло под давлением р 0. Сервомотор и золотник связаны между собой рычажной передачей 3, играющей роль обратной связи и элемента сравнения. Через рычажную передачу золот­

6

ник 2 связан с кулачком 4 определенного заданного профиля. Кулачок жестко связан со штоком сервомотора 5 направляющего аппарата турбины, управляемым автоматическим регулятором скорости.

Система действует следующим образом. При смещении поршня сервомотора 5, например вправо, кулачок 4 через рычажную передачу 3 смещает'золотник 2 вверх. Масло под давлением от золотника 2 поступает в верхнюю полость сервомотора 1, а ниж-

Рпс. 2. Схема следящей системы комбинатора пово­ ротнолопастной гидротурбины

няя его полость соединяется со сливом. В результате поршень сервомотора 1 смещается вниз и изменяет угол разворота лопа­ стей рабочего колеса. Одновременно через рычажную передачу 3 поршень сервомотора 1 возвращает золотник 2 в исходное среднее положение. Таким образом, профиль кулачка 4 обеспечивает определенную, наперед заданную зависимость положения поршня сервомотора рабочего колеса от положения сервомотора направ­ ляющего аппарата. Эта система является позиционной следящей системой.

Следящие системы нашли самое широкое применение при автоматизации процессов во всех отраслях промышленности.

2. Общие понятия о регулировании гидротурбин. Назначение регуляторов скорости

Гидротурбина, как правило, является двигателем генератора переменного тока и образует вместе с ним единый энергетический агрегат, превращающий энергию воды в электрическую энергию, которая через электрическую сеть отводится к потребителям.

В технических требованиях к качеству электрической энергии, вырабатываемой генератором, указывается, за какие пределы не должны заходить отклонения фактического значения частоты электрического тока, в частности не более ±0,2%. В удовлетво­ рении этого требования и состоит задача регулирования. В данном случае регулируемой величиной является частота электрического

7

тока f или скорость вращения п (в об/мин) ротора агрегата, ко­ торые связаны между собой соотношением

в любой отрезок времени сохранять равенство между моментами Mg. Во. время работы агрегата величины Mt и ЛД непрерывно изме­ няются в широких пределах. Момент нагрузки меняете# за счет изменений потребления электроэнергии, а момент турбины глав­ ным образом — за счет колебаний действующего напора на ги­ дроэлектростанции.

Задача автоматического регулирования сводится к тому, чтобы при изменениях нагрузки и действии других возмущений поддер­ живать равенство Mt = Ме.

можно изменять путем изменения расхода воды Q или напора Я. В реальных условиях практически невозможно автоматически изменить действующий напор, поэтому момент турбины регули­ руют изменением расхода воды. Расход воды Q является так называемым параметром регулирования, с помощью которого регулируемая величина (скорость вращения агрегата) поддержи­ вается в заданных пределах. Изменение расхода воды осуществ­ ляется регулирующими органами, которые соответствуют типу гидротурбины.

Для перестановки регулирующих органов в крупных и сред­ них гидротурбинах применяются исключительно гидравлические сервомоторы, позволяющие создать необходимые усилия в не­ сколько сот тонн и более.

8

Поддержание частоты вращения гидроагрегата в заданных пределах при различных нагрузках генератора осуществляется автоматическим регулятором скорости, который, перемещая регу­ лирующий орган, соответствующим образом изменяет расход воды через турбину.

Автоматическим регулятором скорости гидротурбины или просто регулятором скорости будем называть совокупность устройств и'приборов, осуществляющих измерение регулируемой величины (скорости вращения) и ее сравнение с заданным значе­ нием, формирование управляющего воздействия и перестановку регулирующего органа, т. е. к регулятору скорости будем отно­ сить все устройства от измерителя скорости до сервомотора на­ правляющего аппарата включительно.

Большинство систем автоматического регулирования построено на принципе регулирования по отклонению регулируемой ве­ личины со от ее заданного значения. Регуляторы, основанные на этом принципе, называются регуляторами с воздействием по скорости. При этом регулятор должен так воздействовать на регу­ лирующий орган турбины, чтобы уменьшить или полностью ликвидировать отклонение регулируемой величины.

Другим принципом регулирования является регулирование по возмущению. В этом случае командой для перестановки регу­ лирующего органа может служить, например, появление раз­ ности моментов. Однако необходимо заметить, что регулирование гидротурбин только по возмущению невозможно, так как в этом случае не выполняется основная задача регулирования — под­ держание в заданных пределах угловой скорости вращения ро­ тора. Для полного решения задачи автоматического регулирова­ ния скорости гидроагрегата воздействия по возмущению обяза­ тельно должны вводиться вместе с самим отклонением скорости

дополнительных воздействий: по производной (ускорению), по интегралу, по производной и интегралу, по второй производной и т. д. Начинают применяться и комбинированные регуляторы с воздействием по скорости и нагрузке.

Следует отметить, что введение в регулятор скорости допол­ нительных воздействий производится не для выполнения задачи регулирования, а для улучшения качественных показателей работы регулятора скорости и системы автоматического регули­ рования.3

3.Статические характеристики гидроагрегата

ирегулятора

Рассмотрим одиночный агрегат, работающий на какой-либо потребитель электроэнергии. Начнем с характеристики гидро­ турбины.

9