книги из ГПНТБ / Автоматическое управление газотурбинными установками

Следует также иметь в виду, что поступившая дискретная инфор­ мация не всегда может быть использована сразу по ее восприятии, часто она должна быть сохранена и сопоставлена с последующими или предыдущими сообщениями. Кроме того, одна и та же информа­ ция иногда используется многократно, поэтому в ряде случаев возникает необходимость в ее хранении. Функции таких хранилищ выполняют различные запоминающие устройства, являющиеся со­

ствие исполнительных органов, так как это требует мощностей, значительно больших, чем мощности выходных цепей логических схем или регуляторов. Поэтому возникает потребность в промежуточ­ ных усилителях. Такие усилители входят обычно в комплект логи­ ческих элементов или регуляторов, образуя с ними комплексную установку.

В настоящее время имеется пять основных видов усилителей:

'магнитные, транзисторные, тиристорные, гидравлические, пневма­ тические.

Здесь и далее пойдет речь только об электрических усилителях. В гл. V будут подробно рассмотрены электрогидравлические уси­ лители.

Выбор того или иного вида электрического усилителя зависит от ряда факторов: потребного для исполнительного механизма рода тока и напряжения, характера выходного сигнала логического устройства (статический или динамический), требуемого быстро­ действия (и т. д.), а также от наличия источников питания. Этот вопрос тесно связан с выбором типа логических элементов и должен решаться совместно с ним.

Магнитные усилители, как правило, не требуют специальных источников питания, они питаются от промышленной сети перемен­ ного тока. Магнитные усилители обладают стабильными характе­ ристиками, способны обеспечивать значительные выходные мощности и большие коэффициенты усиления. Их основными недостатками являются: сравнительно большое время переходного процесса;' пропорциональность объема (а следовательно, и стоимости) выходной

мощности; недопустимость существенных отклонений сопротивления нагрузки от номинального значения, т. е. эти усилители лишены универсальности. Эти ограничения наряду со сравнительно высокой стоимостью делают в ряде случаев желательным переход к другим видам усилителей.

Усилители на полупроводниковых триодах (транзисторные) тре- . буют для питания источник постоянного тока. Они более универ­ сальны по величине сопротивления нагрузки и обладают высоким быстродействием. Но большинство современных транзисторов спо­ собно работать в области напряжений на нагрузке, не превыша­ ющих 30—60 в, таким образом, они не могут использоваться для

27

Тиристоры (управляемые полупроводниковые диоды) позволяют создавать усилители, способные р'аботать в широком диапазоне напряжений и токов при небольшой инерционности и скромных размерах. Их недостатком является сложность схем и сравнительно высокая стоимость. Кроме того, этот вид усилителей не изготовляется промышленностью серийно, что вынуждает каждый раз проекти­ ровать схемы и подбирать параметры входящих в них элементов, а также кустарно проводить сборку, наладку и регулировку изго­ товленных образцов. Выбор выходных усилителей (если они не

ипо характеру работы (реверсивный электродвигатель регулятора, соленоидные клапаны для пневматических приводов задвижек, устройство для зажигания факела, валоповоротное устройство, контакторы маслонасосов и т. д.). Исполнительные устройства являются технологическим оборудованием газотурбинного агрегата

иописываются в главах IV и V.

Принципы построения систем автоматического управления

На начальном этапе внедрения газотурбинных установок упра­ вление ими на компрессорных станциях магистральных газопроводов имело двухступенчатую структуру. Первым пунктом управления отдельной газотурбинной установкой являлся местный щит агрегата, расположенный в машинном зале в непосредственной близости от агрегата. Второй — пункт управления несколькими установками (высший по иерархии) — размещался в помещении главного щита управления (ГЩУ) цеха. Основное рабочее место оператора, обслу­ живающего установку, находилось у местного щита.

Система управления, построенная по этому принципу, существует на большинстве компрессорных станций и поныне. Она позволяет оператору, находящемуся у местного щита, осуществлять автомати­ ческий пуск агрегата по заданной программе от одного командного импульса или управлять дистанционно отдельными узлами агрегата с помощью индивидуальных органов управления. В последнем случае последовательность пусковых операций и временные интер­ валы между ними могут определяться обслуживающим персоналом, однако нарушения установленной последовательности, способные привести к аварийной ситуации, исключаются соответствующими блокировочными связями в системе управления.

Необходимая оператору для пуска и эксплуатации агрегата информация обесценивается установленными на местном щите кон­ трольно-измерительными приборами и системой сигнализации сле­ дующего назначения. Т е х н о л о г и ч е с к а я (или р е ж и м -

.28

чен»), а также всего агрегата в целом («Готов к пуску», «Идет пуск», «Агрегат в работе» и т. д.). П р е д у п р е ж д а ю щ а я сигнали­ зация оповещает оператора о выходе одного из контролируемых параметров (и какого именно) за пределы нормы. А в а р и й н а я сигнализация расшифровывает причину автоматической экстренной остановки агрегата.

Контрольно-измерительная аппаратура, размещенная на местном щите, позволяет оператору следить за всеми существенными пара­ метрами агрегата. Для регистрации наиболее важных из них, таких, как температура газа перед турбиной и температура подшипников агрегата, используются самопишущие приборы. Однако большинство параметров контролируется простыми показывающими приборами, и оператор вынужден сам заносить значения этих параметров в суточ­ ную ведомость.

Следует отметить, что часть приборов контроля располагается не на местном щите, а в других удобных местах. Объясняется это прежде всего тем, что газотурбинная установка имеет большое число контролируемых параметров и размещение всех приборов на одном щите затруднило бы действия оператора. Поэтому те при­ боры, которые служат для контроля второстепенных параметров и не требуют постоянного наблюдения или регистрации их показаний, размещаются отдельно. Кроме того, предпочтительно размещать гидравлические и электрические приборы раздельно. Например, основные приборы для измерения давления масла в системе регули­ рования и смазки находятся на передней панели блока регулирующих устройств, непосредственно у мест отбора импульсов.

Вторая ступень управления — ИДУ — имеет в описываемой структуре более ограниченные функции. Обычно этот щит строится пбагрегатно, т. е. из отдельных панелей, на каждой из которых сосредоточена аппаратура, относящаяся к одному агрегату. Функции управления, осуществляемые с агрегатной панели ГЩУ, ограничи­ ваются дублированием операций автоматического пуска, нормальной и аварийной остановки и управления режимом работающего агрегата путем воздействия на задатчик регулятора скорости. В, соответ­ ствии с этими функциями объем информации, поступающей на агре­ гатную панель, ограничен технологической сигнализацией о состоя­ нии собственно агрегата («Готов к пуску», «Агрегат в работе» и т. д.) и обобщенными, без расшифровки, предупреждающим и аварийным сигналами. Информация о состояний отдельных узлов газотурбинной установки типа «Открыт» — «Закрыт» сохранена только для кранов технологической обвязки нагнетателя и для задатчика регулятора скорости.

Установленные на агрегатной панели ГЩУ контрольно-измери­ тельные приборы позволяют контролировать пять наиболее важных параметров, характеризующих режим газотурбинной установки: температуру газа перед турбиной высокого давления, скорости

29

вращения валов'турбин высокого и низкого давленыя и давление газа до и после нагнетателя.

Еще раз подчеркнем, что рассматриваемая двухступенчатая структура управления предполагает практически постоянное при­ сутствие обслуживающего персонала в Машинном зале у агрегата. Такое решение было естественным и, по всей видимости, единственно правильным для начального этапа внедрения газовых турбин и систем управления ими. Отсутствие необходимого опыта не только в создании систем управления газотурбинными установками, но и в их эксплуатации не позволяло с достаточной степенью заверен­ ное™ положиться на систему^ автоматического управления и заста­ вляло значительную долю ответственности за управление агрегатом возложить на человека. Для этого ему предоставлялись необходимые средства контроля и управления и рабочее место около агрегата.

Описанная система управления в значительной степени помогла преодолеть трудности пусконаладочного периода, .обеспечить эксплу­ атацию агрегатов и накопить необходимый производственный опыт

со всей очевидностью начали выявляться и недостатки цеховой двухступенчатой стружтуфы управления. Неблагоприятные климати­ ческие уюловия сказываются на обстановке в машинном зале. Сочетание высокой температуры воздуха, сохраняющейся в районах газопроводов бблыпучо часть года, со значительными тепловыделе­ ниями от самих работающих газовых турбин приводит к тому, что температура в машинном зале достигает 50° С, а внутри щитов, где установлены приборы и аппаратуфа, еще более высоких значений. В этих условиях работа автоматической аппаратуфы, особенно полушроводниковой и контрольно-измерительной, становится не­ устойчивой, значительно увеличивается число ложных срабатываний и отказов.

Такой температурный режим является очень тяжелым и для обслуживающего персонала, положение осложняется также и отно­ сительно высоким, лежащим вблизи границы санитарных норм уровнем шума в машинном зале. Эти обстоятельства привели к тому, что по мере накопления опыта эксплуатации и возрастания доверия к системе автоматики, в первую очередь к системе защиты, доказавшей свою достаточно высокую надежность и оказавшейся значительно более оперативной и «внимательной», чем человек, обслуживающий персонал начал постепенно уходить из машинного зала, ограничи­ ваясь лишь периодическим осмотром агрегата и регистрацией необ­ ходимых параметров в суточной ведомости.

Однако сама суточная ведомость, ради заполнения которой приходится лишний раз заходить в машинный зал, становится при этом несколько менее достоверным документом, так как объективность записей в ней определяется главным образом добросовестностью машиниста, а также его квалификацией. В то же время нельзя недооценивать значения суточных ведомостей. Содержащийся в них

30

материал после соответствующей обработки и анализа может быть использован для прогнозирования объема и характера ремонтных работ, а также для оптимального распределения нагрузки между агрегатами и правильной организации равномерной выработки ресурса.

Важную роль при оценке цеховой двухступенчатой системы управления играет то обстоятельство, что размещение рабочего

в смене достаточно большое количество обслуживающего персонала. Однако набор кадров для газопроводов, протянувшихся по трудно­ доступным, необжитым районам, связан с большими трудностями. Постоянные трудности в создании стабильного и квалифицирован­ ного коллектива операторов компрессорных станций и тенденция

куменьшению эксплуатационных расходов за счет сокращения штатов, а также невозможность обеспечить в машинном зале нормаль­ ные условия работы для людей и автоматического оборзщования послужили причиной для постановки задачи о перестройке системы управления. Цель перестройки — перенести основной пост упра­ вления из машинного зала в ГЩУ.

Как уже указывалось, основанием для постановки такой задачи послужили накопленный опыт эксплуатации как самих газотурбин­ ных агрегатов, так и систем управления ими и возросшее доверие

ких надежности. Немаловажную роль при этом играет также раз­ витие приборостроительной промышленности, освоившей за послед­

ние годы выпуск ряда важных приборов и средств автоматики. Но наиболее, пожалуй, важным фактором, определяющим необхо­ димость решения указанной задачи, является быстрое развитие

внашей стране сети магистральных газопроводов, их объединение

вобщую систему и появление в связи с этим большого числа много­ цеховых компрессорных станций.

Необходимость создания унифицированной системы управления газопроводами требует повышения уровня автоматизации в компрес­

сорном цехе и использования соответствующей системы сбора и обработки информации. Таким образом, речь идет не просто о пере­ носе щитов управления и контрольно-измерительных приборов из машинного зала в ГЩУ, а о создании новой системы централизо­ ванного контроля и управления для компрессорного цеха (СЦКУ), которая должна явиться низшей ступенью управления газопро­ водом.

При создании современных СЦКУ для компрессорных цехов с газотурбинными агрегатами целесообразно сохранить пбагрегатный принцип построения систем управления. В ГЩУ компрессорного цеха, представляющем собой обычно отдельное помещение между двумя машинными залами, размещаются отдельные для каждого

31

численности обслуживающего персонала требует строгого отбора необходимого минимума органов управления и сигнальных устройств, которые должны быть размещены на агрегатной панели. При Ьсуществлении такого отбора необходимо учитывать, во-первых, основ­ ные требования эргономики, в соответствии с которыми информацион­ ные сигналы должны появляться лишь тогда, когда в них возникает необходимость, а количество их должно быть минимальным в связи с ограниченной пропускной способностью оператора, и, во-вторых, наличие определенного психологического барьера, который необхо­ димо преодолеть при переходе от старых форм управления к новым.

Исходя из эргономических соображений, расположенные в ГЩУ агрегатные панели было бы целесообразно выполнить по принципу «темного щита», на котором при нормальном протекании процесса эксплуатации отсутствуют какие-либо сигналы, кроме сигналов типа «Готов к пуску», «Агрегат в работе» или «Неисправность». Однако более детальное обсуждение этого вопроса с учетом реальных условий, существующих на компрессорной станции, показывает, что больший психологический комфорт для оператора обеспечи­ вается, если на агрегатной панели будет сохранена мнемосхема агрегата с индикацией положения наиболее ответственных узлов. В первую очередь это относится к указателям положения техно­ логических кранов, что связано, по всей видимости, с недостаточно высокой надежностью самих кранов и их конечных выключателей, а также к сигнальным лампам маслонасосов.

Определенные трудности возникают при выяснении необходи­ мости и целесообразности сохранять на агрегатной панели ключи дистанционного управления отдельными узлами и механизмами агрегата. При решении этого вопроса приходится учитывать трудно­ объяснимую тенденцию обслуживающего персонала станций огра­ ничиваться пооперационным пуском агрегата, не добиваясь полного освоения всех возможностей системы управления. С другой стороны, целесообразно сохранить в руках оператора какой-то механизм, позволяющий ему проверять работоспособность и правильность взаимодействия отдельных узлов агрегата и элементов схемы упра­ вления. В настоящее время наиболее рациональным считается не устанавливать на агрегатной панели ключей управления отдель­ ными механизмами. Но. для проверки работоспособности схемы управления и узлов агрегата, что важно после ревизий, ремонтов и длительных стоянок, предусматриваются две новые функции системы управления.

1. Ускоренная имитация пуска, позволяющая проверить выпол­ нение алгоритма управления и работоспособность почти всех узлов агрегата, не подавая пускового газа на турбодетандер и не зажи­ гая факела в камере сгорания.

2. Поэтапный пуск агрегата по программе автоматического пуска, позволяющий оператору задать заранее, до какого этапа будет выполнена программа автоматического пуска после нажатия кнопки «Автоматический пуск».

32

Таким образом, в дальнейшем на агрегатной панели каждого агрегата будут размещаться мнемосхема со световыми символами положения технологических кранов обвязки турбины и нагнетателя, кнопки (или ключи) управления автоматическим пуском, нормальной и аварийной остановкой, задатчиком регулятора скорости и двига­ телями маслонасосов, а также расшифровывающие световые табло предупреждающей и аварийной сигнализации и табло режимной сигнализации по агрегату.

Вфункции агрегатной системы управления входит также связь

спунктами управления высших ступеней, осуществляемая через станционный пункт управления (СЙУ) или диспетчерский пункт

(ДП). Агрегатная система управления передает на СПУ сигналы о состоянии агрегата, обобщенные, предупреждающие и аварий­ ный сигналы и информацию о положении задатчика регулятора скорости. Из СПУ в систему управления агрегатом могут поступать командные сигналы для осуществления автоматического пуска, нормальной или аварийной остановки, а также для изменения режима агрегата.

Контроль технологических параметров

При переносе основного пункта управления из машинного зала- в ГЩУ наиболее сильно трансформируется система контроля техно­ логических параметров агрегата. Совершенно очевидно, что механи­ ческое перенесение контрольно-измерительных приборов всех агре­ гатов из машинного зала в помещение ГЩУ создаст там обстановку перенасыщения информацией и психологической напряженности. Кроме того, такой механический перенос оказывается невозможным и по чисто объективным причинам. Прежде всего, перенос контроль­ но-измерительных приборов в ГЩУ связан со значительным удли­ нением соединительных линий, как электрических, так и гидра­ влических. Для цеха с шестью агрегатами при ширине ячейки 18 м длина линии может достигать 150—200 м, что помимо лишнего расхода материала связано обычно с потерей точности измерения. Однако главное затруднение заключается в том, что измерение параметров в аналоговой форме, удобной в силу своей простоты для внутрицеховой поагрегатной системы контроля, оказывается совершенно непригодным для передачи данных на станционный или диспетчерский пункт управления, а также для организации авто­ матической периодической регистрации параметров.

Для уяснения принципов построения системы централизованного контроля (СЦК) рассмотрим вкратце выполняемые его функции.

1. СЦК должна обеспечить оператору возможность по мере надобности проконтролировать требуемый параметр. Исходя из соображений психологического комфорта, часть параметров, наиболее существенных, должна быть доступной оператору всегда и без каких-либо действий с его стороны. К числу таких параметров обычно относят температуру газа перед турбиной высокого давления,

И з м е р е н п я

34

скорость вращения турбин высокого и низкого давления, давление газа на входе и выходе нагнетателя.

по его воле, в случае необходимости. Здесь наиболее удобен «кон­ троль по вызову», позволяющий в нужный момент вызвать требуемый параметр на цифровое табло или стрелочный прибор. И наконец, третья группа параметров может быть условно названа наладочной, так как текущие значения входящих в нее величин обычно не пред­ ставляют интереса для оператора в ходе нормальной эксплуатации, однако оказываются существенными при наладке и ревизии. Для этой группы параметров используются расположенные в машинном зале, вблизи от агрегата, показывающие приборы. В табл. II.1 приведены контролируемые параметры агрегата и показано их разделение' на перечисленные выше группы.

2. СЦК должна обеспечить возможность автоматической периоди­ ческой регистрации параметров агрегата в удобной для прочтения форме. Практически единственной приемлемой для условий компрес­ сорной станции формой регистрации является цифровая печать значений параметров на бланке в натуральном масштабе. Для осуществления такой цифропечати СЦК должна обладать возмож­ ностью преобразовывать электрический или механический аналог измеряемой величины в цифровой код, а также иметь обегающее

Рис. II.2. Структурная схема СДК.

М П — местные приборы; НП — нормирующие преобразователи (входные мосты);

переключающее устройство для периодического подключения датчи­ ков к системе аналого-цифрового преобразователя.

3. СЦК должна обеспечить возможность передачи необходимой информации на станционный или диспетчерский пункт управления. Связь со станционным пунктом удобнее всего осуществлять также в цифровом коде, используя выход аналого-цифрового преобразо­ вателя.

Примерная структурная схема СЦК, выполняющей рассмотрен­ ные функции, изображена на рис. II.2.

Датчики параметров агрегата, в соответствии с описанной выше классификацией, разделены на три группы. Первая группа — дат­ чики основных параметров ДОП — соединены непосредственно с по­ казывающими приборами ППП, установленными на агрегатной

36