книги из ГПНТБ / Автоматическое управление газотурбинными установками

панели А П соответствующего агрегата в ГЩУ. Для осуществления непрерывной индикации выбираются стрелочные показывающие приборы. Это создает определенные удобства для оператора, так как позволяет быстро оценить ситуацию по положению стрелок на шкале, не снимая точного численного отсчета. Придавая особое значение величине температуры газа перед турбиной, для ее изме­ рения используют регистрирующий прибор с непрерывной записью на диаграммной ленте.

Во вторую группу — датчики вспомогательных параметров Д В П — входят приборы различных типов: термометры сопротивления,

термопары, датчики дифференционально-трансформаторного типа и датчики с токовым выходом. Общее число датчиков этой группы для одного агрегата может доходить до 40, и непосредственное их соединение с какими-либо устройствами, расположенными в ГЩУ, приведет, как уже отмечалось, к непомерно большому расходу

которого датчики поочередно подключаются к измерительным узлам системы. В коммутирующем устройстве, которое должно устана­ вливаться в машинном зале, используется некритичная к климати­ ческим условиям релейная аппаратура: герметизированные реле типа РМУГ или РЭС-8, безъякорные реле. Отметим, что, несмотря на использование коммутирующего устройства, некоторый пере­ расход кабеля в связи с переходом на СЦК все же остается. Это объясняется главным образом необходимостью прокладывать линии управления переключающими реле. Однако, как видно из рис. II.3,

37

о

Ст»

2С

Т Г . 1

Рис. II.4. Входные мосты для термометра сопротивления (а), термоиары (б), диффе­ ренциально-трансформаторного датчика (в).

приведены к единому виду, например, превращены в сигналы по­ стоянного тока или постоянного напряжения, величина которых

взависимости от измеренного значения параметра может изменяться

вопределенных пределах, например от 0 до 5 ма или от 0 до 20 мв. Для унификации сигналов большей частью используются мостовые схемы (рис. II.4). Затем напряжение или ток измерительной диаго­ нали моста преобразуется с помощью электронных схем в сигнал нужной формы.

На рис. II.4, а показана мостовая схема для преобразования изменения сопротивления термометра ТС, определяемого измеряемой температурой, в напряжение постоянного тока. Схема рис. II.4, б позволяет получить напряжение, пропорциональное температуре,

38

измеряемой термопарой. Автоматическая компенсация температуры холодного спая при этом осуществляется благодаря нелинейной температурной зависимости одного из сопротивлений моста. Напря­ жение на выходе схемы рис. II.4, в пропорционально перемещению

совмещается с измерением их величины и преобразованием этой величины из аналоговой формы в дискретную, числовую. На таком принципе построены, например, машины централизованного кон­ троля типа ЭЛРУ и система, разработанная УГПИТяжпромавтоматика. В этих системах мостовые схемы нормализации сигналов связаны непосредственно с автоматическим потенциометром (напри­ мер, типа ПП), где величина сигнала преобразуется в угол поворота вала, с которым соединен движок реохорда компенсации. С этим же валом связано устройство аналого-цифрового преобразования

(АЦП).

В машине ЭЛРУ такое преобразование осуществляется с помощью многоламельиого щеточного переключателя, в котором угол поворота щеток, насаженных на вал потенциометра, превращается в последо­ вательность импульсов, считываемых трехдекадным счетчиком. Ана­ логичная задача в системе УГПИТяжпромавтоматика выполняется с помощью диска с зубцами, насаженного на вал потенциометра. При вращении диска зубцы проходят мимо бесконтактного датчика, вызывая в нем серию импульсов, которые также поступают в трех­ декадный счетчик. В машинах других типов аналого-цифровые преобразователи могут быть построены на электронных схемах. В основе многих преобразователей лежит принцип линейного раз­ вертывания.

Аналого-цифровой преобразователь (рис. II.5,- а) состоит из генератора развертывающего линейного (пилообразного) напря­ жения ЛН, генератора импульсов постоянной скважности Г И, управляющего устройства У , нуль-органа СО й счетчика Сч. Анало­ говый сигнал преобразуется в цифровой код путем счета числа им­ пульсов за время, в течение которого развертывающее напряжение становится равным напряжению измеряемого сигнала. Рис. II.5, б иллюстрирует принцип линейного развертывания. Измеряемый сиг­ нал Uх представлен в виде постоянного напряжения. Разверты­ вающее напряжение Uл сравнивается с Uх с помощью органа сравне­ ния СО (нуль-орган). В зависимости от величины Uх от начала счета до момента равенства Uх и Un проходит разное время и через элек­ тронный ключ ЭК на счетчик поступает разное число импульсов. Преобразователи с линейным развертыванием могут быть сделаны более быртродействующими и более точными, чем преобразователи

39

угла поворота, в которых быстродействие и точность лимитируются электромеханической следящей системой.

Режим работы системы централизованного контроля, т. е. частота измерения параметров, выбирается с помощью командного устрой­ ства. Контроль параметров по вызову осуществляется нажатием кнопки выбранного параметра на агрегатной панели ПКВ (см. рис. II.2), а счет производится на цифровом табло ЦИ, установленном там же. Параметры регистрируются автоматически через устано­ вленные промежутки времени, но могут быть проверены и по вызову оператора. Аналогичные режимы возможны и при передаче инфор­ мации на СПУ или ДП. Следует отметить, что отсутствие эксплуата­ ционного опыта не позволяет сейчас в окончательном виде определить задачи и порядок работы СЦК компрессорного цеха.

а

Рис. II.5. Структурная схема время-пмпульсного аналого-цифрового преобразователя.

Технические характеристики СЦК можно сформулировать сле­ дующим образом.

1.Устройства системы должны быть рассчитаны на обслуживание цеха с 12 агрегатами, каждый из которых имеет по 45—50 точек измерения.

2.В качестве датчиков системы контроля могут быть использо­ ваны стандартные устройства измерения температуры и давления,

термометры сопротивления, термопары, манометры дифференциаль­ но-трансформаторной системы, а также любые приборы с нормали­ зованным по току или напряжению выходом.

3. Основная погрешность СЦК при измерении и регистрации параметров не должна превышать 1 %.

Внедрение системы централизованного управления и контроля должно сыграть положительную роль в повышении уровня автомати­ зации компрессорного цеха и газопровода в целом. С внедрением СЦКУ уменьшится численность обслуживающего персонала цеха и существенно улучшатся условия его работы, повысится опера­ тивность управления газопроводом.

40

Алгоритмы управления пуском и остановкой

Функции системы автоматического управления в совокупности

сограничениями, налагаемыми на процесс управления в соответствии

сзакономерностями преобразования энергии в газоперекачивающем агрегате, а также в связи с конструктивными особенностями его основных и вспомогательных узлов, являются основой для разра­ ботки алгоритма управления пуском и остановкой. Основное внима­ ние при проектировании системы управления должно быть уделено правильному формулированию алгоритма пуска (задаваемой после­ довательности пусковых операций) и предписанному взаимодействию узлов агрегата в процессе пуска. Особое значение пусковых операций определяется главным образом тем, что в процессе пуска из-за быстрого изменения теплового состояния агрегата в его узларс и

деталях возникают значительные термические напряжения.

В соответствии с этим алгоритм управления должен прежде всего обеспечивать правильную технологию пуска, выполняемую без нарушения всех налагаемых конструкцией агрегата ограничений за возможно короткое время или при минимуме энергетических затрат. Очевидно, что система, реализующая алгоритм, должна обладать высокой надежностью, что заставляет стремиться к возмож­ ному упрощению ее структуры. Рассматривая реально существующую взаимозависимость между объектом управления, алгоритмом и реализующей его системой, следует отметить именно наличие связей между объектом управления и алгоритмом или между алгоритмом и его реализацией. Так, алгоритм управления может потребовать внесения определенных изменений в конструкцшо отдельных узлов агрегата, а аппаратурные возможности, доступные при реализации алгоритма, могут существенно повлиять на его характер.

Однако в целом, как указано в гл. I, строгое соблюдение техно­ логии пуска и всех налагаемых на процесс ограничений (при условии обеспечения высокой надежности системы управления) наталки­ вается на значительные трудности. Как уже указывалось, одним из важнейших параметров, определяющих возможную скорость возрастания температуры рабочего тела, а значит, и скорость про­ хождения пусковых операций, является перепад температуры вдоль радиуса диска рабочего колеса турбины. Именно эта разность темпе­ ратур между нагретыми горячим газом периферийными участками диска и его медленно прогревающимися частями, расположенными вблизи вала, служит причиной возникающих в материале диска термических напряжений.

Для автоматического учета перепада температур по диску рабо­ чего колеса необходимо в процессе пуска измерять его текущее значение, сравнивать полученный результат с заданным и в зависи­ мости от итога корректировать пусковую программу. Однако практи­ ческая реализация такого воздействия на пусковую программу в настоящее время невозможна. Наибольшие трудности возникают при измерении перепада температуры, достигающего 700—800 °С

41

на вращающейся детали, а также при передаче результата измерения с вращающейся детали в схему управления.

Существующие устройства пока не обладают необходимой для' условий промышленной эксплуатации надежностью. Чтобы преодо­ леть это затруднение, предлагалось связать, теоретически или экспе­ риментально, градиент температз'ры на диске с температурой или скоростью ее изменения в каком-либо другом, более доступном для измерения месте и строить алгоритмы управления на базе этого косвенного параметра. Такой переход в принципе возможен, однако использование его на практике также нецелесообразно.

Аппаратурное решение подсистемы управления пуском оказы­ вается значительно более простым, если в качестве основного пара­ метра выбрать время и задать в алгоритме управления темп прогрева агрегата. Время пуска обычно приближенно определяется при проектировании турбины, исходя из допустимых термических напря­ жений, и уточняется уже в процессе испытаний и наладки головного образца. Естественно, что в программу закладывается некоторый запас и время пуска несколько отличается в большую сторону от оптимального. Упрощение системы управления, достигаемое исклю­ чением схем слежения' за текущим значением параметров и схем коррекции программы, значительно.

Таким образом, в рассматриваемом примере противопоставляются две возможности построения алгоритма управления.

1.Теоретически наиболее правильный путь, в основе которого лежит слежение за одним или несколькими определяющими параме­ трами и соответствующая коррекция программы. Такой алгоритм, представляющий собой алгоритм с обратной связью по параметру, обычно называют пуском по параметру.

2.Пооперационно-временной принцип построения алгоритма, при котором процесс пуска разбивается на ряд последовательных опера­ ций таким образом, что выполнение каждой из них является след­ ствием выполнения одной или совокупности предыдущих, а скорость выполнения программы определяется временными зависимостями, заложенными в нее заранее.

Следует отметить, что между указанными способами пуска суще­ ствует принципиальное различие. Реализация первого предполагает

перевод объекта управления из состояния в состояние х 2 по заданной траектории с той точностью, которую в состоянии обеспе­ чить используемая аппаратура. Возможности второго значительно скромнее, его использование предполагает перевод управляемого объекта из состояния Хі в некоторую область, близкую к х 2, по траектории более или менее близкой к желаемой. Степень приближе­ ния действительной траектории к идеальной и величина достигаемого разброса значений х 2 определяются точностью экспериментального или теоретического соотнесения заданного темпа прогрева с реальным ходом процесса, а также заложенными в системе управления воз­ можностями компенсации различных случайных помех, нарушающих нормальный пуск.

42

Вследствие непреодолимых в настоящее время аппаратурных трудностей наиболее правильный пуск по параметру для газопере­ качивающих агрегатов практически не используется. На компрессор­ ных станциях, как отечественных, так и зарубежных, почти повсе­ местно применяют пооперационно-временной пуск.

Последовательность операций пуска п остановки, блокировочные связи в системах управления

Пооперационно-временной алгоритм управления газоперекачи­ вающими агрегатами существует в двух модификациях, которые обычно называют «пуск, на воздухе» и «пуск под давлением». Пуск на воздухе предусматривает выполнение операций по заполнению нагнетателя газом и по включению его в трассу газопровода лишь на' заключительном этапе пуска, после запуска агрегата и выведения его на холостой ход. При пуске под давлением группа операций, связанная с заполнением нагнетателя газом, выполняется на началь­ ной стадии пуска, до того как вал агрегата начнет вращаться и до эажигания факела в камере сгорания.

С точки зрения надежности пуск под давлением более предпочти­ телен, так как дает возможность перевести ряд операций в разряд подготовительных. Главное, конечно, заключается в том, что эти операции связаны с перестановкой кранов и, как правило, именно на них наиболее часто происходят сбои автоматического пуска. Не вдаваясь в существо вопроса, укажем, что в ряде случаев пуск под давлением оказывается более целесообразным и для снижения механических напряжений, главным образом вибрационных, возни­ кающих в деталях агрегата в процессе пуска. Однако указанные преимущества пуска под давлением стали ясны в полной мере лишь после накопления значительного эксплуатационного опыта.

На первых порах казалось наиболее важным обеспечить создание устойчивого масляного клина на колодках упорных подшипников нагнетателя, до того как полость нагнетателя заполнится газом и возникнут значительные осевые усилия. Главным образом по этой причине в первые годы эксплуатации компрессорных станций с газо­ турбинными нагнетателями пуск агрегатов осуществлялся исключи­ тельно на воздухе, без давления в полости нагнетателя. И лишь в последние годы, после соответствующих экспериментальных работ, все агрегаты были переведены на пуск под давлением.

Остановимся более подробно на операциях по перестановке кранов обвязки нагнетателя.

Д в а п о с л е д о в а т е л ь н о р а б о т а ю щ и х н а г н е ­ т а т е л я (рис. II.6, а). Перед пуском агрегата' открыты краны 3, 3-бис и 5, а краны 1, 2 и 4 закрыты. В процессе пуска первым откры­ вается кран 4 и через открытый кран 5 (свеча) продувается нагнета­ тель, чтобы вытеснить из его полости воздух. После продувки нагне­ тателя, контролируемой по длительности, кран 5 закрывается и по­ лость нагнетателя заполняется газом. Эта операция контролируется

43

Рис. II.6. Технологические схемы обвязки нагнетателей.

44

по величине перепада давления на кране 1 и считается выпол­ ненной, когда перепад становится меньше 1—3 кгс/см2. Достижение указанной величины перепада является разрешением на открытие кранов 1 и 2, после чего кран 4 закрывается. Кран 3, а вместе с ним кран 3-бис закрываются после вывода агрегата на режим, соответ­

по ходу газа, и независимо от состояния второго нагнетателя — работает он или нет. Что касается крана 6, то его положение перед пуском нагнетателя — открыт или закрыт — определяется поло­ жением, сложившимся до рассматриваемой ситуации. Предположим, что в группе последовательно работающих нагнетателей один агрегат по каким-либо причинам останавливается. Вследствие большой емкости газопровода давление на выходе группы в течение некоторого

когда оставшаяся в работе машина окажется не в состоянии под­ держивать такой перепад давления и попадет в помпажную зону.

Для предотвращения помпажа при остановке любой из машин группы подается команда на открытие группового байпасного крана 6, а также на открытие крана 3-бис оставшейся в работе ма­ шины и на снижение ее скорости вращения до минимальной уставки регулятора скорости. Кран 3-бис способствует лишь ускорению разгрузки агрегата, так как время его перестановки в несколько раз меньше, чем у крана 6. После открытия крана 6 и после снижения скорости вращения агрегата кран 3-бис закрывается. Если в даль­ нейшем требуется ввести резерв, а давление на выходе группы все еще велико, то пуск резервного агрегата можно осуществлять только при открытом кране 6. После пуска резервного агрегата и выведения обеих машин группы на режим, соответствующий существующему между выходом и входом группы перепаду давления, кран 6 может быть закрыт. Во всех остальных случаях кран 6 может быть закрыт до начала пуска агрегата.

Все сказанное'относительно крана 6 справедливо для изолирован­ ной нитки из двух (или трех) последовательно включенных нагнета­ телей. Если две или больше такие нитки соединяются параллельно (рис. II.6, б), то режим пуска для агрегатов во второй и последующих параллельных нитках будет таким же, как и при включении резерва

тателя и заполнение его газом через краны 4 и 5 аналогично тому, как это делается при последовательной работе машин. После вырав­ нивания давления до и после крана 1 открывают краны 1 и 6, созда­ вая пусковой контур для газа, перекачиваемого нагнетателем.

45

После выхода агрегата на режим, при котором давления до и после крана 2 равны, кран 2 открывается, а кран 6 закрывается.

Рассмотрим по операциям один из наиболее распространенных алгоритмов управления газотурбинным агрегатом компрессорной станции, имея при этом в виду, что все существующие алгоритмы весьма сходны между собой, а различия между ними носят частный, непринципиальный характер. Схема, поясняющая пуск агрегата, показана на рис. II.7. Автоматический пуск агрегата начинается

Рио. II.7. Технологическая обвязка газотурбинной установки.

ТД — турбодетендер; ОК — осевой компрессор; ВФ — воздуш­ ный фильтр; ТВД — турбина высокого давлешш; ТНД — тур­ бина низкого давления; Я — нагнетатель; Р — регенератор; КС — камера сгорания; СК — стопорный клапан; РК — регу­

лирующий клапан.

подачей командного импульса от пускового ключа или кнопки; импульс воспринимается и запоминается схемой управления, если агрегат готов к пуску. Под готовностью обычно понимается пра­ вильное исходное состояние всех кранов в обвязке турбины и нагне­ тателя, необходимая температура масла в маслобаке и готовность общестанционных устройств: кранов, энерго- и водоснабжения и т. д.

При благоприятном исходе проверки в схеме управления возни­ кает сигнал автоматического пуска (АП), который используется для подготовки к действию цепей управления отдельными механизмами агрегата. Подготовленные таким образом цепи управления вступают в действие в соответствии с заданной последовательностью по инфор­ мационным сигналам о состоянии управляемых ими механизмов или по командам времязадающего устройства. Сигнал АП в этом случае является общим для всех цепей управления и, возникнув ,

46