Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Переходные процессы в газотурбинных установках

..pdf
Скачиваний:
23
Добавлен:
25.10.2023
Размер:
14.02 Mб
Скачать

Д ля обеспечения заданной программы регулирования приме­ няются соответствующие регулирующие средства, например для регулирования числа оборотов и температуры используются регу­ лятор скорости и температуры. При проектировании системы регу­ лирования ГТУ необходимо учитывать, что область надежной работы установки ограничивается рядом факторов: условиями устойчивой работы компрессоров и камер сгорания, а также всей установки, возможностью превышения предельных оборотов и момен­ тов или предельной температуры газа и т. д. Таким"образом, газо­ турбинная установка представляет собой весьма сложный объект регулирования, элементы которого объединены единым рабочим процессом.

35. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ТЕХНИЧЕСКИМ СРЕДСТВАМ

И СИСТЕМАМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ГТУ

Система регулирования ГТУ предназначается для стабилизации или изменения по заданному закону регулируемого параметра при изменении нагрузки в широких пределах. В соответствии с назна­

чением

такая

система

должна обеспечивать:

1) устойчивую работу на всех возможных режимах при высокой

точности

поддержания

регулируемого

параметра;

2)

защиту

агрегата

при

нарушении

режима его работы;

3)

выполнение операций,

связанных

с изменением режима ра­

боты

ГТУ, включая пуск и установку

агрегата.

В зависимости от конкретных условий может оказаться целе­ сообразным придание системе и других функций.

Развитие современных систем регулирования ГТУ происходило постепенно, по мере повышения требований к точности поддержания регулируемого параметра я быстродействию процесса регулирова­ ния. Повышение требований привело к тому, что современные си­

стемы регулирования

газотурбинных установок представляют со­

бой сложный комплекс автоматических устройств.

Одним

из важнейших

элементов

систем регулирования является

регулятор

скорости.

В

технике

автоматического регулирования

ГТУ широкое распространение получили регуляторы, которые реагируют на отклонение скорости вращения,' возвращая ее путем воздействия на регулирующий орган к заданному значению. Регу­ ляторы скорости, реагирующие на отклонение скорости вращения, выполняются с жесткой, изодромной и комбинированной обратной связью. Комбинированнная обратная связь называется изодромной обратной связью с остаточной неравномерностью. В зависимости от того, какая обратная связь применена в регуляторе скорости, системы регулирования подразделяют на статические и астати­ ческие.

Статические системы обеспечивают поддержание регулируемого параметра в заданных пределах, т. е. в пределах неравномерности. При этом каждому значению нагрузки соответствует вполне опреде-

14*

211

ленное значение регулируемого параметра,

а следовательно,

вполне

определенное положение

регулирующего

органа.

 

Астатические

системы

регулирования

поддерживают

незави­

симо от величины

нагрузки одно и то же

значение регулируемого

параметра. В таких системах используются регуляторы с изодромной обратной связью.

Для повышения точности и быстродействия процесса регули­ рования современные газотурбинные установки, особенно уста­ новки, предназначенные, например, для работы в энергосистему, оборудуются комбинированными системами регулирования, реаги­ рующими на отклонение регулируемого параметра и на отклонение нагрузки либо на отклонение регулируемого параметра и скорости его изменения.

Так, например, для регулирования газотурбинных установок, вращающих генератор электрического тока, применяют регуляторы с воздействием по скорости и ускорению. Такая комбинация при удачно выбранном долевом воздействии каждого регулятора в от­ дельности на регулирующий орган агрегата дает хорошие резуль­ таты. Это объясняется тем, что комбинированные регуляторы воз­ действуют интенсивно уже в начальный период процесса. Такое воздействие получается при использовании дополнительных импуль­ сов по ускорению либо по нагрузке, в то время как воздействие от регулятора по отклонению возникает только после некоторого ко­ нечного изменения регулируемого параметра относительно перво­ начального его значения. В результате, использование таких комби­ нированных регуляторов повышает качество переходных процес­ сов, в частности, в ГТУ для электростанций при малых степенях статической неравномерности.

Как было установлено выше, рабочий процесс ГТУ обычно не­ обходимо поддерживать в сравнительно узком диапазоне измене­ ния параметров. При этом система регулирования должна обеспе­ чивать ограничение числа оборотов при значительном сбросе нагрузки, ограничение температуры газов перед турбиной, защиту от попадания компрессора в область неустойчивой работы.

Так, в ГТУ для привода генератора переменного тока забросы оборотов при сбросе нагрузки не должны превышать статическую неравномерность более чем в —1,5 раза. В транспортных ГТУ не допускается динамический заброс числа оборотов свыше ~10% от номинального значения.

При быстром перемещении топливного регулирующего клапана значительно возрастает температура газов перед турбиной, что мо­ жет привести к нежелательным явлениям, связанным с надежностью лопаточного аппарата. Кроме того, повышение температуры окру­ жающего воздуха также в значительной степени сказывается на повышении температуры газов перед турбиной [40]. Обычно счи­ тается нежелательным заброс температуры более чем на —50 К сверх номинальной. Ограничение температуры может производиться путем непосредственного замера температуры газа одной или не-

212

сколькими термопарами, либо по косвенным параметрам, опреде­ ляющим температуру газа перед турбиной, сигнал от которых по­ дается на ограничение скорости нарастания подачи топлива в ГТУ.

Обеспечение устойчивой работы компрессора в переходном про­ цессе осложняется быстрым, почти мгновенным повышением давле­ ния за ним при внезапном набросе расхода топлива, особенно в ГТУ без регенерации.

В связи с этим система регулирования должна иметь ограничи­ вающий регулятор скорости, регулятор температуры, антипомпажные устройства, регулятор приемистости. Эти устройства должны быть высокочувствительными, быстродействующими, т. е. обладать малой инерционностью. Принцип работы и соображения для выбора таких устройств рассмотрены ниже. Изменение в эксплуатации ха­ рактеристик составных элементов ГТУ (например, вследствие за­ носа проточной части турбины или компрессора), атмосферных условий, характеристик топлива также не должны нарушать на­ дежной работы установки и ее системы регулирования.

Кроме того, агрегат должен быть снабжен системой защиты. При появлении неисправностей, нарушающих нормальный режим работы, автоматические устройства подают предупредительный сиг­ нал с последующим отключением агрегата. Применение ограничи­ вающих и защитных устройств повышает надежность и позволяет избежать аварий ГТУ.

36. ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ В СИСТЕМАХ РЕГУЛИРОВАНИЯ, УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ГТУ

Качество переходного процесса, его надежность, скорость и от­ сутствие недопустимых забросов параметров в первую очередь за­ висят от свойств системы регулирования, управления и защиты (РУЗ). В частности, большое практическое значение приобретает

способ измерения системой основных

параметров ГТУ и

точность

их

поддержания.

 

 

 

 

 

Давления в

газовоздушных трактах

и число

оборотов

роторов

в

современных

системах измеряются

с

высокой

степенью

точности

и надежностью. Не вызывает существенных трудностей и регулиро­ вание этих параметров как на заданном уровне, так и по различным программам. Значительно сложнее оказывается решение задач, связанных с регулированием наиболее важных параметров ГТУ: температуры газа и запасов устойчивости компрессоров.

Остановимся на этих вопросах подробнее.

Как показывает практика, температурное поле перед турбинной

группой ГТУ

имеет значительную

неравномерность, достигающую

в ряде случаев

± 1 0 % от средней

температуры газа.

В процессе эксплуатации зоны пониженной и повышенной темпе­ ратур изменяют свое положение, что делает необходимым измерять температуру в нескольких местах потока.

Известно, что при

протекании через турбинную ступень

в потоке уменьшается

окружная температурная неравномерность.

Замеряя температуру за группой ступеней, можно значительно уменьшить погрешность замера относительно средней температуры и повысить надежность работы датчиков за счет пониженного уровня замеряемой температуры.

В этом случае практический интерес приобретает количественная оценка изменения температурной неравномерности при протекании

потока

через

турбинные

ступени.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Замеры,

выполненные на различ­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ных натурных турбинах,

существенно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

отличающихся

по геометрии и

пара­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

метрам

 

(включая

число

оборотов),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

показывают, что в первом

приближе­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нии относительное

уменьшение

не­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

равномерности

 

зависит

только

от

 

 

 

 

 

 

 

 

 

числа ступеней (рис. VIII . 3) . Причем,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

наиболее

быстро

неравномерность

 

 

 

 

 

 

 

 

 

уменьшают первые ступени. Поэтому

Рис. VIII . 3 . Влияние числа ступе­

уже за

турбиной

высокого

давления

(в ГТУ с

более чем

одной

турбиной)

ней

турбины

на

неравномерность

неравномерность

существенно умень­

температурного поля

в проточной

 

 

 

части.

 

 

 

 

шается.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

At — р а з н о с т ь

м е ж д у м а к с и м а л ь н о й

и

В

широком

диапазоне

режимов

м и н и м а л ь н о й т е м п е р а т у р а м и на в ы х о д е

степень

расширения и

к. п. д. ТВД

из т у р б и н н о й

с т у п е н и ;

At0

— то

ж е

п е р е д т у р б и н н о й

г р у п п о й ;

z —

число

в установках

с

двумя

и

более

по­

т у р б и н н ы х

с т у п е н е й п е р е д сечением

из ­

следовательно

расположенными

тур­

м е р е н и я т е м п е р а т у р н о г о

п о л я ; / ,

2,

3,

4

замеры,

п р о и з в е д е н н ы е

за

ступе ­

бинами

обычно

изменяются

незна­

нями

о д н о - , д в у х - ,

т р е х -

и

четырех ­

 

с т у п е н ч а т о й

т у р б и н н ы х

г р у п п

 

чительно и, как следствие, отноше­

 

 

группой Т3

 

 

 

 

ние средней

температуры

перед тур­

бинной

к средней температуре за ТВД Тз является

при­

близительно постоянной

величиной, т. е.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

= kT;

 

 

 

 

 

 

 

 

(VIII.2)

где

kT

const.

 

 

 

з

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

перейти

от

температуры,

замеренной

за

ТВД,

Это

позволяет

к регулируемой температуре перед турбинной группой без корректи­ ровки по какому-либо вспомогательному параметру (давлению, сте­ пени расширения и т. п.). Недостатком рассмотренного способа измерения температуры является возможная нестабильность вели­

чины kT при эксплуатации

за счет заноса турбины, утонения

выход­

ных кромок профилей и

других

причин,

вызывающих изменение

к. п. д. и степени расширения.

 

режимах kT может

 

На режимах запуска и других

малых

суще­

ственно отличаться от исходной постоянной величины, использован­

ной для пересчета измеряемой температуры Тз в регулируемую

Т3.

Следует отметить, что на режимах, имеющих температуру

газа,

214

близкую к максимальной рабочей,

даже

незначительные отклоне­

ния kT

могут вызвать недопустимую погрешность в регулировании Тъ.

Действительно, при

современном

уровне

начальной

температуры

газа 1000—1500 К отклонение kT

от исходной величины даже на

1—2%

дает ошибку

измерения Т3

до 30°,

что обычно

представляет

величину, уже заметно влияющую на прочность напряженных эле­ ментов ГТУ. При запусках и частичных режимах, где запас до предельной температуры шире, изменение kT имеет меньшее значе­ ние, но по возможности должно учитываться.

Рис. VIII . 4 . Ограничитель температуры газа: а — принци­ пиальная схема; б — экспериментальная статическая ха­ рактеристика ограничителя

(1 — при п о в ы ш е н и и д а в л е н и я ; 2 — при п о н и ж е н и и )

Представляют интерес идеи косвенного определения темпера­ туры газа, например, по соотношению расходов топлива и воздуха в камере сгорания, соотношению расхода и давления газа перед ТВД

идр. На рис. VIП.4 приведена схема ограничителя температуры газа, работающего по косвенным параметрам. С помощью пружины 2

идросселя 1 ограничитель настраивается на начало слива топлива при достижении заданной максимальной температуры газа. При работе ГТУ нарушение заданного соотношения между давлением топлива, действующим на золотник 3, и давлением воздуха за ком­ прессором, действующим на мембрану, приводит к появлению слива

топлива. При этом давление топлива за насосом 5 и перед форсункой 4 падает, что ограничивает температуру газа.

Однако практическое применение косвенные методы находят только в тех случаях, когда требуемая точность измерения факти­ ческой температуры невелика, т. е. имеются большие запасы на нестабильность замера температуры. Накопление погрешностей в измерении косвенных параметров (как правило количество этих параметров два и более) и эксплуатационные отклонения от исход­ ной зависимости, определяющей температуру как функцию выбран­ ных параметров, обычно настолько значительны, что при отсутствии указанных больших запасов надежное измерение температуры

становится невыполнимым. Особенно это проявляется при работе на тяжелых топливах, промышленно-загрязиенном или морском воз­ духе и т . п. В этих условиях нестабильность теплотворной способ­ ности топлива, колебания его вязкости, заносы и износ форсунок, турбин, камер сгорания, загрязнение компрессоров, изменение внешних условий сильно меняет исходные соотношения между тем­ пературой газа и измеряемыми для ее определения косвенными па­ раметрами.

На переходных режимах значительную роль начинает играть тепловая инерционность термоизмерительных элементов. Как пра­ вило, в промышленных ГТУ (стационарных и транспортных) тре­ буются длительные сроки службы этих элементов, что ограничивает возможности снижения их металлоемкости и, следовательно, инер­ ционности. Этим, в частности, объясняется распространение схем с динамической компенсацией инерционности измерительного эле­ мента. Однако известные термоизмерительные устройства с такой компенсацией отработаны пока только на продуктах сгорания легких (т. е. малозольных) топлив.

При замере температуры продуктов сгорания тяжелых топлив надежная динамическая компенсация становится трудно реализуе­ мой. Действительно, по мере заноса термоэлемента коэффициент теплоотдачи к нему от газа снижается. Это приводит к изменению динамических характеристик термоэлемента (рис. VIII.5), вызывает прогрессирующую по величине ошибку при компенсации. При установке температурных датчиков за турбинами необходима до­ полнительная динамическая компенсация запаздывания темпера­ туры газа, вызванного тепловой аккумуляцией проточной части турбины, расположенной перед датчиком. Эта аккумуляция заметно проявляется в большинстве турбин промышленного типа, особенно в многоступенчатых. Так, в шестиступенчатой турбине ГТ-700-12 (НЗЛ) в первый момент времени к выходу турбины проходит лишь около 60% от относительного изменения температуры газа на входе. В малоступенчатых турбинах ГТК-Ю, ГТ700-5 (НЗЛ), ГТУ-20 (ЛКЗ) эта величина составляет 80—85%.

Приведенные соображения указывают на необходимость тща­ тельного учета многих эксплуатационных факторов при измерении системой РУЗ температуры газа, являющейся одним из важнейших параметров установившихся и переходных режимов ГТУ. В резуль­ тате такого учета своевременно определяется достижимая точность регулирования температуры газа и уже на первых этапах создания ГТУ принимаются необходимые запасы на возможные эксплуата­ ционные отклонения температуры по сравнению с идеализирован­ ными процессами регулирования, получаемыми при проектировании и стендовых испытаниях.

Большие практические трудности в измерениях возникают при организации противопомпажного регулирования и защиты. Здесь следует остановиться на трех возможных принципах замера предпомпажного состояния компрессоров.

Наиболее распространенным в современных ГТУ является замер параметров, определяющих положение границы помпажа на уни­ версальной характеристике компрессора. Вторым принципом, реализованным в отдельных опытных системах защиты, является замер параметра, характеризующего начало помпажа, например скорости падения давления за компрессором, изменения направле­ ния потока в проточной части и т. п. Наиболее перспективным пред­ ставляется принцип замера изменения какого-либо параметра,

t,°C

 

 

ч /

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

300

 

 

 

 

 

 

 

 

 

200

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SCO Ар_ мм I

 

 

 

 

 

10

 

 

20И,сек

р ' tac/ш*

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.

V I I I . 5 .

Динамические

характери­

Рис. VIII . 6 . Экспериментальные рас­

стики

термоизмерительного

элемента

ходные, характеристики патрубков

ком­

(отсосный пирометр)

при

резком уве­

прессоров в составе ГТУ:

 

 

личении подачи топлива:

/ — п а т р у б к и К Н Д ; 2 — п а т р у б к и

К В Д

1 — п р и

д л и т е л ь н о й

работе Г Т У

на л е г к о м

 

 

т о п л и в е ;

2 — п о с л е

30

ч работы

Г Т У на

 

 

 

 

т я ж е л о м т о п л и в е

 

 

 

 

непосредственно предшествующего помпажу системы компрессор— сеть. Рассмотрим некоторые вопросы, связанные с практикой исполь­

зования

указанных принципов.

 

Граница помпажа

(линия ky = 1) на универсальной

характе­

ристике

компрессора

определяется соотношением между приведен-

ным расходом Gnp=--

G

Т'

и относительным повышением

давле­

Pi

1

ния є

1

Ръ — Pi

 

 

 

 

Pi

 

 

 

 

Как

 

многочисленные экспериментальные

данные,

показывают

на участке патрубка компрессора между входным сечением и ВНА наблюдается стабильная зависимость

Ар — k

Пп

(VII 1.3)

где Ар — перепад давлений на указанном участке; kn

— постоянный

коэффициент.

 

 

Это позволяет не устанавливать

специальных

расходомерных

устройств, а использовать отборы на входном патрубке компрессора, перепад на которых тарируется при стендовых испытаниях ГТУ (рис. VIII . 6) .

Показатель степени п в соотношении (VII 1.3) мало зависит от типа входных устройств компрессора и режима его работы. В боль­

шинстве случаев вблизи границы помпажа п

2.

Таким образом, экспериментальная зависимость

(VII 1.3) хорошо

согласуется с уравнением (при £ = const)

 

Воздух 2ати от пне&мосистемы ~

к пульту г Ті для ручного

управления

Рис. VIII . 7 .

Конструктивная

схема

противопомпажной

системы

 

 

К Н Д

установки

ГТУ-20

Л КЗ:

 

/

— к о м а н д н ы й

блок; 2 — з а с л о н к а

п е р е п у с к а

в о з д у х а ; 3

п р и е м н ы й

 

 

п а т р у б о к

К Н Д ; 4

сервомотор

з а с л о н к и

 

которое

при подстановке

с

G

и

у

Pi

дает

 

yF

RT,

 

 

 

 

 

"

'

 

 

 

 

Pi

F22g\

 

P l

1

 

 

 

Перепад на входном патрубке и перепад на компрессоре в ка­ честве командных импульсов позволяют реализовать с помощью блока соотношения воздействие на регулирующий орган по линии,

приблизительно соответствующей постоянному коэффициенту запаса

по

помпажу

ky я» const.

При организации

противопомпажной за­

щиты или регулирования

это воздействие осуществляется

по линии,

близкой к ky

= 1,т. е. к границе помпажа и используется

для откры­

тия

органа

перепуска

воздуха

(рис. VIII . 7) .

 

 

 

 

На рис. V I I I . 8 приведены результаты

испытаний

противопом­

пажной

системы Л КЗ

в

составе ГТУ.

 

 

 

 

 

Как показывает практика применения устройств такого типа,

большим

их

недостатком

является

определение

предпомпажного

 

 

ч)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рг,кгс/смг

 

/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

—5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г, о

А

 

 

 

 

 

= 1.0

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

0,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О 100 W 600 800йр,,ммВа

'

о

*

(гУЪ

смг°к°'5-10~!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

р,

сек

Рис. VIII . 8 . Характеристики противопомпажной системы Л К З по результатам ис­ пытаний в составе ГТУ: а, б — режимы срабатывания системы соответственно в координатах настройки командного блока и характеристики компрессора НД :

1 — л и н и я настройки; 2 — г р а н и ц ы п о м п а ж а ; 3,4 — срабатывание на р а б о т а ю щ е й Г Т У при м е д л е н н о м и быстром п о д х о д а х к л и н и и настройки; 5 — с р а б а т ы в а н и е на н е р а б о т а ю щ е й Г Т У пр и подаче и м п у л ь с о в на к о м а н д н ы й б л о к от с п е ц и а л ь н о г о п р и с п о с о б л е н и я

состояния по косвенным параметрам. Основные трудности при этом следующие. Из условий экономичности ГТУ запас по помпажу на установившихся режимах при спецификационных условиях выби­ рается обычно небольшим (ky = 1,15-^1,25).

Впроцессе эксплуатации за счет заносов проточных частей турбин и компрессоров, изменения атмосферных условий, динамики переходных режимов и других причин режимная линия на характе­ ристике компрессора может значительно приближаться к границе

помпажа (до 10% и более по ky). С другой стороны, сама граница помпажа из-за загрязнения компрессоров, повышенной влажности воздуха, увеличения радиальных зазоров и т. п. может изменять свое положение, перемещаясь в сторону рабочих режимов. Таким образом, зона между режимной линией и границей помпажа может заметно уменьшаться.

Вэтих условиях приобретает важнейшее значение точность и стабильность настройки, быстродействие исполнительных органов, точность тарировки расхода. В частности, колебания столбов дифма-

нометров на работающей машине приводят при тарировке к зна­ чительной погрешности за счет неодновременности замера. Это дает разброс точек, достигающий нескольких процентов. Особенно за­ метно это проявляется при тарировке патрубков КВД (см. рис. VIII.6).

В сочетании с отклонением зависимости, реализуемой блоком соотношения, от изменения параметров вдоль действительной гра­ ницы помпажа указанные факторы приводят либо к необходимости большого исходного запаса относительно границы помпажа (за счет снижения экономичности), либо4 обусловливают ненадежную ра­ боту системы: ложные срабатывания при настройке, выполненной

6

5

6

5

9

8

Рис. VIII . 9 . Принципиальные

схемы командных

устройств

противопомпажной системы,

срабатывающей

при

возник­

 

новении

помпажа

 

 

 

близко к линии рабочих режимов, или возможность помпажа1 при настройке вблизи помпажной границы. Все это вызывает большие практические трудности, если указанные факторы своевременно не учитываются при проектировании,, отработке и эксплуатации си­ стем этого типа.

Рассмотрим принцип действия противопомпажных устройств, срабатывающих непосредственно по импульсу, сопровождающему начало помпажа. В схеме на рис. VIII . 9, а обе мембранные полости соединены с нагнетанием компрессора 4: одна напрямую, вторая через дроссель 3 и емкость 2. Последнее приводит к тому, что на мембране 5 (связанной со штоком 6, действующим на противопомпажное устройство) в переходном режиме возникает перепад, прибли­ зительно пропорциональный скорости изменения давления за ком­ прессором. Пружиной / и дросселем 3 обеспечивается настройка срабатывания при скорости падения давления, соответствующей на­ чалу помпажа, но превышающей значения на любых неаварийных переходных режимах ГТУ. На рис. VIII . 9, б мембрана 5 воспри­ нимает перепад давлений, возникающий на датчике скоростного напора 7 при изменении направления потока с нормального 8 на срывное 9 (в начале помпажа). Это приводит к перемещению мем­ браны 5 со штоком 6, воздействующим на срабатывание противопомпажного устройства.

Общим недостатком схем на рис. VIII . 9 (и им подобных) является возможность работы, хотя и кратковременной, ГТУ в помпаже.

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ