книги из ГПНТБ / Автоматическое управление газотурбинными установками

в начале пуска, сохраняется до его конца. Возможно построение схем с использованием поэтапных команд АП. При этом процесс пуска разбивается на ряд последовательных этапов, каждому из которых соответствует особый сигнал АП, возникающий после успешного завершения предыдущего этапа и сохраняющийся лишь в течение одного этапа. *

Разделение на этапы принципиальных изменений в порядок пуска не вносит и может оказаться предпочтительным из-за более легкого контроля за соблюдением заданной последовательности пуска. Обычно контроль процесса пуска осуществляется по времени, также поэтапно. Схема контроля оказывается более надежной и гибкой, если отсчет времени, необходимого для выполнения данного этапа, начинать в момент подачи команды на его выполнение, а не от начала пуска агрегата. Очевидно, что такого решения легче достичь при поэтапном пуске, легче осуществляется и сигнализация о месте сбоя при несостоявшемся пуске, причем место сбоя определяется тем точнее, чем на большее число этапов разбивается пуск. Очевидно, однако, что перечисленные преимущества поэтапного пуска дости­ гаются увеличением числа элементов схемы управления. 4

Рассмотрим последовательность пусковых операций. Первой операцией в процессе автоматического пуска агрегата является включение электродвигателей масляных насосов смазки и уплотне­ ния. В результате этого устанавливается необходимое давление в системах смазки и уплотнения и включается в действие защита агрегата по этим параметрам. Наличие давления в системе уплот­ нения и включение защиты по перепаду давления газ—масло служат командой для начала перестановки кранов в обвязке нагнетателя: открытие крана 4 для продувки нагнетателя в течение определенного времени; закрытие крана 5 и заполнение контура нагнетателя газом до выравнивания давления до и после крана І; открытие кранов 1

В соответствии с принятым алгоритмом каждая операция внутри группы выполняется после завершения предыдущей. В результате указанной группы операций формируется сигнал «Кран 1 открыт ц кран 4 закрыт», который служит командой на выполнение следу­ ющих: включение валоповоротного устройства (ВПУ) и ввод в за­ цепление пусковой турбины. Необходимым разрешающим условием является наличие давления масла смазки и включение защиты по маслу. Включение ВПУ и турбодетандера проверяется обычно по положению установленных на них конечных выключателей. Более целесообразно в результате выполнения этих операций форми­ ровать сигналы «Конечный выключатель нажат и вал вращается». Датчики тахометрического устройства должны быть установлены на валу осевого компрессора (для ВПУ) и на валу турбодетандера.

Вслед за включением ВПУ и вводом в зацепление муфты турбо­ детандера открывается кран 13, чем подготавливается возможность

47

открытия крана 11, закрытия крана 10 и подачи пускового газа в турбодетандер. Предварительно необходимо открыть стопорный клапан, чтобы подготовить тракт подачи топливного газа в камеру сгорания. Обычно процесс открытия стопорного клапана длится около 2 мин, поэтому команда на эту операцию подается сразу после установления необходимого давления масла смазки или после вклю­ чения защиты по маслу. Вслед за открытием стопорного клапана и крана 11 достаточно быстро возрастает скорость вращения осевого компрессора, зажигается топливо и поднимается температура на агрегате, поэтому перед открытием крана 11 открывают жалюзи воздухозаборного устройства, включают двигатели сеток фильтра в камере всасывания и двигатель вентилятора, отсасывающего воздух из-под обшивки агрегата. После открытия крана 11 и увели­ чения скорости вращения осевого компрессора ОК валоповоротное устройство выходит из зацепления и возвращается в исходное по­ ложение.

При возрастании давления в нагнетании ОК до установленной величины (~80 кгс/м2), проверяемой с помощью реле давления, подается команда на открытие крана 12 (закрытие крана 9) и вклю­ чение запального устройства для зажигания топлива в камере сгорания. В процессе зажигания сначала открывается кран 15, подающий газ на запальную форсунку, а затем кран 14 дежурной форсунки, проверяется наличие пламени, отключается запал и закрывается кран 15. Для более четкой фиксации прохождения операций зажигания предусматриваются выдержки 2—5 сек между включением запала, открытием крана 15, открытием крана 14 и отключением запала. Наличие пламени в .камере сгорания служит разрешением на открытие регулирующего клапана, чему в неко­ торых типах машин предшествует прогрев на факеле дежурной

с малой скоростью. Требуемое снижение скорости, однако, столь велико, что добиться его в существующих гидродинамических регуляторах не удается, и плавное движение двигателя регулятора скорости заменяют ступенчатым, с регулируемым соотношением между длительностью включающего сигнала и паузы. По мере возрастания скорости вращения агрегата происходит автоматическое закрытие кранов 11 и 13, открытие крана 10 и вывод муфты турбо­ детандера из зацепления. При соответствующей скорости враще­ ния ТНД вступает в действие регулятор скорости турбины (этот момент фиксируется по конечному выключателю ВКХХ на задатчике регулятора скорости или по сигналу тахометрического устройства), после чего движение задатчика прекращается.

Дальнейшие пусковые операции для агрегатов, включенных последовательно, сводятся к закрытию кранов 3 и 3-бис и устано­ влению рабочего режима, что осуществляется в настоящее время

вручную оператором. При параллельной работе агрегатов для

I

48

завершения пуска необходимо увеличить скорость вращения пускае­ мого агрегата до значения, при котором перепад давления на кране 2 будет около нуля. После этого следует открыть кран 2 и закрыть крап 6. В процессе возрастания скорости вращения агрегата при пуске происходит автоматическое отключение пускового масляного насоса в момент, когда давление за главным масляным насосом достигает необходимой величины. Аналогичная операция предусма­ тривается и для электрического маслонасоса уплотнения в тех случаях, когда на валу нагнетателя есть уплотнительный насос.

Ряд пусковых операций осуществляется без электрических управляющих сигналов, за счет гидравлических или пневматических связей, например открытие и закрытие сбросных и противопомпажных клапанов.

Нормальная, плановая остановка агрегата начинается с его разгрузки. Для агрегата, работающего в последовательной группе, разгрузка осуществляется подачей команды на открытие крана обвязки 6 открытием крана 3 и снижением скорости вращения до минимальной уставки регулятора скорости. После этого закры­ ваются крапы 1 и 2, а затем открывается кран 5. Одновременно постепенно закрывается регулирующий клапан. Его полное закрытие служит командой для возврата всех узлов агрегата в предпусковое положение. В процессе остановки автоматически включается пуско­ вой маслонасос в тот момент, когда давление за главным маслонасосом становится ниже заданной величины.

Формально последней операцией нормальной остановки является отключение пускового масляного насоса, осуществляемое автома­ тически после снижения температуры перед турбиной высокого давления до —100° С. Это может произойти через несколько часов после начала остановки, поэтому разрешение на пуск агрегата (сигнал «Готов к пуску») формируется в схеме управления намного раньше — как только завершается выбег ротора. Процесс нормаль­ ной остановки обычно протекает под контролем соблюдения после­ довательности и только в случае нарушений переходит в режим аварийной остановки. Для агрегата, работающего в группе парал­ лельно включенных машин, разгрузка осуществляется закрытием крана 2, открытием крана 6 и снижением скорости вращения до минимальной уставки регулятора скорости. После этого закры­ ваются краны 1 ж6, открывается кран 5 и,< процесс остановки про­ должается, как описано выше.

Защита газотурбинных установок

Система защиты газотурбинного агрегата осуществляет контроль наиболее важных параметров и подает команду на автоматическую экстренную остановку в случае выхода параметра за допустимые пределы. Параметры агрегата, по которым действует автоматическая защита, можно разделить на две группы. Первую образуют пара­ метры, аварийное значение которых может быть достигнуто только

в результате какого-либо нарушения режима. В условиях нормаль­ ной эксплуатации и на неработающем агрегате значения этих пара­ метров лежат по одну сторону от уставки срабатывания, которая обычно выше нормального значения параметра. Вторую группу составляют параметры, для которых значения, соответствующие аварийной ситуации, лежат по ту же сторону от уставки срабаты­ вания (например, ниже), что и значения их на остановленном агре­ гате. В процессе нормальной эксплуатации значения этих параметров лежат по другую сторону от уставки срабатывания защиты.

Алгоритм управления для цепей защиты по параметрам второй группы характеризуется введением логических операций «включение

сокого давления, одной из важнейших в системе защиты газотурбин­ ного агрегата, необходимо измерять текущее значение параметра и

проектировщик, увеличивая полезную мощность и к. п. д. агрегата, стремится приблизить номинальное рабочее значение температуры газа перед турбиной к максимально допустимому, не вызывающему еще разрушения материала. Поэтому измерять температуру газа в канале защиты необходимо по возможности более точно и с ми­ нимальным запаздыванием.

Измерительные термопары устанавливаются между камерой сго­ рания и турбиной высокого давления. Для уменьшения влияния неполного перемешивания продуктов сгорания, приводящего к не­ равномерности поля температур, а также для уменьшения воздей-

50

ствня прямого лучеиспускания иа термопары их следует устанавли­ вать по возможности дальше от камеры сгорания. При значительной неравномерности температурного поля необходимо для получения среднего значения использовать несколько термопар, соединенных параллельно.

Для турбин с «разрезным валом» применяется еще один способ определения температуры перед ТВД. Исходя из того, что мощности турбины высокого давления и осевого компрессора равны, а ме­ ханические потери вала высокого давления покрываются разницей в расходах рабочего тела через турбину и воздуха через компрессор,

температуры холодных спаев, кроме тех, что имеются в автоматическом потенциометре (хотя при последова­

тельном соединении термопар этот вопрос и требзют специального рассмотрения).

Запаздывание термопары достаточно велико. Для обеспечения устойчивости термопары к длительному воздействию высоких темпе­ ратур (700—900° С) ее электроды приходится делать из провода относительно большого диаметра и заключать в защитный чехол. Из-за этого наиболее быстродействующие из термопар, пригодных для измерения температуры газа, имеют инерционность 40—60 сек. В обычных условиях, когда повышение температуры перед турбиной происходит медленно (из-за увеличения нагрузки или повышения температуры окружающего воздуха), такая инерционность, допу­ стима и для формирования сигнала защиты может быть использован электронный потенциометр с контактным устройством. Одновременно этот прибор непрерывно записывает температуру газа.

'•Возможны, однако, случаи, когда температура газа перёд тур­ биной может возрасти скачком, например при попадании в камеру сго­ рания конденсата, принесенного вместе с газом. Быстродействующая

защита по температуре газа может быть осуществлена с по­ мощью специального прибора типа АТЗ (автомат температурной защиты), который серийно выпускается приборостроительной про­ мышленностью. В этом приборе для компенсации инерционности термопары используется принцип динамической коррекции.

Изобразим термопару в виде некоторого звена или четырехпо­ люсника (рис. 11.10, а), передаточная функция которого, выража­ ющая зависимость выходного сигнала от входного (э. д. с. термопары от измеряемой температуры), может быть представлена выраже­ нием И л (s). Передаточная функция Н \ (s) полностью характери­ зует процесс передачи сигнала, включая и присущие ему временные зависимости. Соединим четырехполюсник с корректирующим звеном,

функция цепи обратной связи равна kili^ (s), а коэффициент уси­

показывает, что общая инерционность прибора, построенного по блок-схеме, изображенной на рнс. 11.10, б, в (1 + А'іА2) раз меньше инерционности используемой в нем термопары. Для прибора АТЗ, работающего с малоинерционной термопарой типа ТХА-146 или TXA-2S0, общая постоянная времени равна 1,5—2 сек.

Защите по температуре рабочего тела перед ТВД придается особое значение. Для увеличения надежности эту цепь защиты стремятся дублировать полностью, в частности используют и авто­ матический потенциометр, и автомат температурной защиты, соеди­ няя параллельно их аварийные контакты.

Температура подшипников турбоагрегата измеряется миниа­ тюрными термометрами сопротивления, устанавливаемыми в непо­ средственной близости от опорных поверхностей: во вкладышах опорных и в колодках упорных подшипников. Термометры вклю­ чаются в измерительную цепь электронного моста, снабженного контактным устройством и осуществляющего автоматическое пооче­ редное подключение термометров к измерительной цепи. Измери-' тельная цепь моста должна быть искробезопасной, чтобы к ней

52

можно было подключать термометры подшипников нагнетателя, расположенного во взрывоопасном помещении. Помимо общих не­ достатков, присущих всем электронным приборам с автокомпенса­ цией — сложность кинематической схемы, наличие реохорда и щеточ­ ных переключателей, необходимость периодической профилактики, — электронные мосты имеют недостатки, специфические для рассматри­ ваемого канала защиты.

Наиболее существенным из этих недостатков является периодич­ ность контроля. Обычно мост на 12 точек измерения имеет цикл обегания всех точек от 2 до 3 мин. Если учесть, что цепь защиты включена не все время, приходящееся на одну точку измерения,

Рис. 11.11. Измерительный мост постоянного тока с нелинейным эле­ ментом на входе усилителя.

а лишь часть его, то станет ясно, что защита работает с чрезмерно большими перерывами. Много беспокойства доставляет в эксплуата­ ции и то обстоятельство, что обрыв термометра или соединительной линии между ним и мостом приводит к резкому возрастанию напря­ жения на измерительной диагонали и появлению ложного аварий­ ного сигнала. Для предотвращения этого нежелательного явления можно использовать диодные нелинейные элементы, устанавливае­ мые на входе усилителя (рис. 11.11).

На рисунке изображена схема входной части электронного автоматического моста с питанием от источника постоянного тока и подключенный к ней по трехпроводной линии термометр сопро­ тивления. Нелинейный элемент образован диодами Д1, Д2 и рези­ сторами R I , R2. В нормальном режиме, когда напряжение на измерительной диагонали моста мало, сопротивление диодов велико по сравнению с сопротивлением резисторов R1 и R2. Пред­ положим, что при этом возрастание потенциала в точке А приводит к перемещению каретки прибора в сторону максимума шкалы, а в точке Б — к перемещению в сторону минимума. Таким образом, обрыв плеча моста может вызвать ложное срабатывание аварийной

53

защиты только в том случае, если оно приводит к возрастанию потен­ циала в точке А. Однако при наличии нелинейного элемента скачко­

и изменение полярности сигнала на входе усилителя на противо­ положную, благодаря чему каретка прибора движется не к макси­ муму шкалы, а к ее минимуму.

При трехпроводной схеме включения возможен не только обрыв проводов в плечах моста, но и обрыв потенциального провода.

В этом случае сигнал на входе усилителя носит случайный характер,

ина практике часто наблюдается медленное перемещение каретки к максимуму шкалы. Резистор Лш включается таким образом, чтобы обеспечить принудительное перемещение каретки к минимуму при обрыве потенциального провода. Несмотря на то что сопротивле­

ние резистора В ш может быть достаточно велико (25—40 ком), оно все же влияет на градуировку прибора, хотя и очень незначительно. К сожалению, в серийно выпускаемых мостах специальные меры против ложного срабатывания защиты при обрыве линии не пре­ дусматриваются.

В настоящее время нет аппаратуры, которую можно было бы использовать вместо электронного моста, хотя работы по ее созда­ нию ведутся довольно интенсивно. Можно выделить два направле­ ния: . создание многоканального устройства, в котором каждый канал непрерывно контролирует температуру одной точки, и созда­ ние прибора обегающего контроля, в котором время обегания весьма мало. Первый путь приводит к более громоздким решениям, однако ряд соображений можно высказать и в его защиту. Так, следует учитывать, что возможная неисправность в этом случае выводит из строя лишь одну точку измерения, тогда как во втором варианте это в большинстве случаев приведет к полной потере контроля.

З а щ и т а а г р е г а т а по в и б р а ц и и относится к числу наи­ более важных и в то же время трудных задач. Вибрационное состояние крупных и не слишком быстроходных машин, какими являются газо­ перекачивающие агрегаты, принято оценивать с помощью датчиков, размещаемых на крышках подшипников. При этом обычно изме­ ряется вибрация в двух направлениях, перпендикулярных к оси агрегата — вертикальном и поперечном. Вибрация в осевом направле­ нии возникает редко и хорошо гасится масляной пленкой на упорном подшипнике.

'Как известно, вибрацию можно характеризовать одним из трех параметров: вибросмещением, виброскоростью и виброускорением.

Вслучае простого синусоидального колебания вибросмещение

а= А sin (со^-)-(р0),

где А — амплитуда вибросмещения; о = 2л/ — круговая частота; / — частота вибрации; ср0 — начальная фаза;

54

До последнего времени общепринятым эксплуатационным пара­ метром для оценки вибрационного состояния агрегата считалась

ство, что весьма распространенные вибродатчики (магнитоэлектри­ ческие или индукционные) генерируют э. д. с:, пропорцио­ нальную именно виброскорости. Датчик такого типа представлен на рис. 11.12, а. Катушка 1 датчика, подвешенная на плоских пру­ жинах 2, находится в магнитном поле постоянного магнита 3. При колебаниях катушки ее витки пересекают линии поля и в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея возникает э. д. с.

е = — N d$>

dt

где N г— число витков катушки; dO/dt — скорость изменения во времени магнитного потока, сцепленного с катушкой.

При постоянстве магнитного потока в зазоре системы вёличина <ЗФ/ dt определяется только скоростью перемещения катушки. Отсюда следует, что э. д. с. датчика е пропорциональна виброскорости ѵ.

Используя такой датчик и считая виброскорость контролируемым параметром, можно достичь значительного упрощения измеритель­ ной аппаратуры. Действительно, для получения с помощью индук-

55

ционного датчика выходного сигнала, пропорционального вибросмещеншо или виброускореншо, необходимо осуществить интегри­ рование или дифференцирование сигнала, что, как известно, связано с потерями и с усложнением аппаратуры.

Сторонники выбора виброускорения в качестве контролируемого параметра ссылаются главным образом на то, что в результате повышенной вибрации прежде всего разрушаются соприкасающиеся с колеблющимся валом подшипники и уплотнения. Это разрушение является результатом воздействия силы, возникшей как следствие колебаний и пропорциональной колебательному ускорению. Сто­ ронники этой точки зрения ссылаются также на то, что в газовых турбинах вибрационные поломки валов — явление чрезвычайно ред­ кое, поэтому виброскорость как фактор, характеризующий макси­ мальные напряжения в вале, не является для машин такого класса определяющим.

Создание аппаратуры для измерения виброускорения также не связано с какими-либо специфическими трудностями. Успехи, достиг­ нутые в разработке материалов типа титаната бария или ниобата свинца с ярко выраженными пьезоэлектрическими свойствами, способ­ ных работать в широком диапазоне температуры и влажности, позволяют использовать их для конструирования вибродатчиков. Пьезоэлектрический эффект выражается в возникновении на поверх­ ностях кристаллов электрических зарядов, пропорциональных силе сжатия или растяжения, действующей на кристалл.

Вибродатчнк с пьезокристаллом показан на рис. 11.12, б. Две пьезокристаллические пластины 1 ориентированы таким образом, что возникающие на них заряды складываются на центральном электроде 2. Пластины предварительно поджаты инерционной мас­ сой 3 с помощью плоских пружин 4. При колебаниях величина поджатия, а следовательно, и заряд на пластинах изменяется про­ порционально вибрационному ускорению инерционной массы, т. е. выходной сигнал датчика пропорционален величине виброуско­ рения.

Таким образом, в настоящее время трудно отдать предпочтение тому или иному параметру. Положение осложняется отсутствием экспериментально апробированных критериев для суждения о пре­ дельно допустимых значениях виброскорости и виброускорения. На рис. 11.13 показан характер изменения предельно допустимых значений вибросмещения, виброскорости и виброускорения в зависи­ мости от частоты колебаний при условии, что предельно допустимое значение одного из них от частоты не зависит. Несмотря на эти трудности, для газовых турбин разработаны и уже эксплуатируются комплекты виброаппаратуры обоих типов. Однако аппаратура, как осуществляющая защиту по виброскорости, так и рассчитанная на виброускорение, предусматривает возможность визуального кон­ троля вибросмещения. Это следует рассматривать не только как дань традициям, но и как необходимость, обеспечивающую возмож­ ность сопоставлять различные методы.

56