книги из ГПНТБ / Переходные процессы в газотурбинных установках

йем сервомотора и рычагом. Рычаг обратной связи соединен с йружиной, один конец которой закреплен неподвижно, а другой — соеди­

и точка а занимает определенное фиксированное положение, не за­ висящее от положения поршня сервомотора. Золотник сервомотора тоже занимает вполне определенное положение, т. е. положение отсечки. Поэтому рычаг в состоянии равновесия будет всегда на­ ходиться в одном положении, что соответствует единственному зна­ чению регулируемого параметра.

При изменении регулируемого параметра импульс через рычаг передается на золотник. Изменение положения золотника приводит к перемещению поршня сервомотора. Вместе с поршнем сервомотора перемещается цилиндр катаракта, увлекая за собой и поршень ка­ таракта. Рычаг обратной связи поворачивается и смещает золотник в среднее положение, т. е. в положение отсечки. По мере перетека­ ния жидкости из одной полости в другую и постепенного уравнивания давлений в этих полостях, воздействие пружины на поршень ката­ ракта уменьшается, а затем снимается совсем. При этом рычаг, поворачиваясь вокруг точки Ь, возвращается в первоначальное по­ ложение. К концу процесса статическая ошибка регулирования практически исключается.

Сила торможения в катаракте пропорциональна скорости отно­ сительного перемещения поршня в цилиндре катаракта.

Движение сервомотора с гибкой обратной связью описывается совокупностью трех уравнений [9, 47]:

сервомотора

Tsp\i = а;

изодрома

{Т,р +1)1 = Р,Г,р|і;

рычага

о = Т] — I ,

где Tt — время изодрома; | — относительное перемещение поршня изодрома; р\-— постоянный коэффициент; р — оператор.

Совместно решая эти уравнения, получим

с разной величиной статичности. Такие сервомоторы называются сервомоторами с комбинированной обратной связью.

Таким образом, особенностью изодромной обратной связи яв­ ляется наличие дифференцирующего звена в цепи обратной связи, охватывающей астатическое звено — сервомотор, входящий в си­ стему регулирования. Это дифференцирующее звено при соответ­ ствующем выборе параметров повышает точность регулирования и улучшает динамические характеристики сервомотора. Кроме

рассмотренных стабилизирующих обратных связей в системах регу­ лирования используют стабилизирующие звенья с дополнительным воздействием по производной и по нагрузке.

Регуляторы с дополнительным импульсом по ускорению или по нагрузке

Известно, что для повышения быстродействия и качества пере­ ходных процессов в современных системах регулирования ГТУ используют дополнительные импульсы либо по ускорению, либо по нагрузке. Проведенные исследования комбинированных регу­ ляторов [25, 26] показывают их положительное влияние на процесс регулирования. Объясняется это тем, что введение дополнительных импульсов в систему регулирования значительно ускоряет реакцию регулятора в первоначальный момент на участке возрастания изме­ нения регулируемого параметра и замедляет действие на участке его уменьшения, т. е. компенсирует присущее системам регулиро­ вания инерционное запаздывание.

Комбинированные регуляторы в первый момент нарушения установившегося режима учитывают характер изменения регули­ руемого параметра и позволяют системе регулирования незамедли­ тельно реагировать на изменения параметра в направлении восста­ новления нарушенного установившегося режима, улучшая тем самым качество переходного процесса.

Дополнительные импульсы по ускорению большей частью вво­ дятся путем включения в систему регулирования дифференцирую­ щего устройства. Выходной сигнал дифференцирующего устройства суммируется с выходным импульсом регулятора скорости. Сум­ марный сигнал по скорости и ускорению является управляющим сигналом регулирующего органа ГТУ.

Имеются также регуляторы, в которых производится совместное измерение как скорости, так и ускорения. К таким регуляторам следует отнести регуляторы, в которых грузы измерителя скорости кинематически связаны с массой, перемещающейся под действием тангенциальных сил инерции, которые возникают при изменении скорости вращения агрегата. Как известно [101], действие регуля­ тора по ускорению может быть описано уравнением вида

Суммируя выходные сигналы регулятора скорости и регулятора по ускорению т]= т Іі + получим уравнение комбинированного регулятора

(71P2 + 7 V + 1 ) T I = [7, 2 р2 + (7,2 + а^)р + 1]ф. (VIII.9)

регулятора скорости будет соответствовать в первый момент величине а2к. Под действием импульса регулирующий орган пойдет на закры­ тие, что приведет к уменьшению перерегулирования.

При набросе нагрузки дополнительный импульс по нагрузке в первоначальный момент, когда ф = 0, ускорит открытие регули­ рующего органа.

Добавив в систему уравнений, описывающих ГТУ как объект регулирования (см. гл. II), уравнения элементов системы регули­ рования, можно рассчитать действительный переходный процесс

бинной установки НЗЛ типа ГТ-700-12М, предназначенной для ра­

зовая турбина, компрессоры высокого и низкого давлений, электри­ ческий генератор с возбудителем. Последний одновременно исполь­ зуется в качестве разгонного двигателя при запуске. В схему уста­ новки включены регенератор и воздухоохладитель.

Основная задача регулирования состоит в поддержании скорости вращения и ограничении предельной температуры газа перед тур­ биной.

Система регулирования ГТ-700-12М—гидравлическая с тремя усилениями. Изменение мощности агрегата осуществляется путем изменения температуры газа перед турбиной.

Регулирование скорости вращения осуществляется центро­ бежным регулятором скорости, воздействующим через золотник на сервомотор топливного регулирующего клапана. Измеритель­ ным органом регулятора скорости служат его грузы. Перемещение грузов вызывает смещение буксы регулятора скорости, вследствие чего изменяется давление масла в проточной системе. Изменение давления масла в проточной системе вызывает смещение золотника сервомотора регулирующего топливного клапана. Движение топлив­ ного клапана будет происходить до тех пор, пока золотник не возвра­ тится в среднее положение.

Масло в систему регулирования подается основным центро­ бежным насосом, находящимся на одном валу с регулятором

достижении предельного числа оборотов воздействует на закрытие стопорного и регулирующего клапанов и на открытие воздушных клапанов.

Для сброса воздуха из линии нагнетания компрессоров преду­ смотрены выпускные воздушные клапаны за КВД и КНД. Эти кла­ паны открываются от контроллера при срабатывании защиты. Кроме того, воздушный клапан за КНД находится под управлением ско­ ростного золотника, обеспечивающего при пуске агрегата открытие данного клапана до определенного числа оборотов с целью защиты компрессора от попадания в зону помпажа.

Воздушный клапан за КВД при достижении предельных оборо­ тов открывается под действием регулятора скорости, что значительно способствует уменьшению заброса оборотов при сбросах нагрузки.

Пуск агрегата производится контроллером, а управление на хо­ лостом ходу и под нагрузкой — синхронизатором.

Агрегат также снабжен следующими защитными устройствами: реле предельной температуры газа перед турбиной; гидравлическим реле осевого сдвига; реле противопомпажной защиты, останавли­ вающим агрегат при попадании компрессора в помпаж; фотореле,

который предназначен для ограничения температуры газа перед турбиной при набросе нагрузки и для частичного ограничивания указанной температуры при пуске агрегата, что достигается соответ­ ствующим ограничением хода регулирующего клапана. Импульсом для регулятора приемистости служит давление воздуха после ком­ прессора ВД.

Рассмотрим действие системы регулирования при увеличении нагрузки. В этом случае букса регулятора скорости смещается вправо, вследствие чего повышается давление в проточной системе. Золотник сервомотора регулирующего клапана под действием изме­ нившегося давления перемещается вниз, благодаря чему силовое масло поступает под поршень сервомотора регулирующего клапана. Поршень сервомотора регулирующего клапана идет на открытие, увеличивая расход топлива в камере сгорания. Движение поршня сервомотора происходит до тех пор, пока золотник не возвратится

всреднее положение.

Регулятор приемистости ограничивает повышение температуры газа перед турбиной в случае падения частоты в сети, однако точность ограничения в значительной степени зависит от температуры на­ ружного воздуха и давления топливного газа перед стопорным кла­ паном. Для более точного ограничения температуры газа перед турбиной в систему регулирования включен малоинерционный ре­ гулятор температуры МИРТ, который работает следующим образом

[83]. При появлении рассогласования между фактической и задан­ ной температурой появляется управляющий сигнал, передающийся через заслонку на следящий золотник, воздействующий на положе­ ние топливного клапана. При увеличении температуры клапан при­

тической скоростью вращения и заданной. Усилитель имеет большой коэффициент усиления, поэтому даже малое отклонение регулируе­ мой величины от заданной настройки будет вызывать движение сервомотора. Таким образом достигается высокая точность регули­ рования. Для стабилизации регулируемого параметра используется электрическая обратная связь по положению клапана. От датчика положения клапана через звено 12 сигнал подается на вход усили­ теля 15.

Этот сигнал вычитается из сигнала, поступающего из сум­ мирующего устройства, что уменьшает скорость сервомотора. Равновесие наступит, когда сигнал рассогласования станет равным нулю. Динамические свойства системы определяются цепью доба­ вочной обратной связи 12.

Статические свойства системы определяются цепью обратной связи. Сигнал обратной связи, пропорциональный ходу клапана, вычита­ ется из сигнала, поступающего на суммирующее устройство. Важным звеном схемы является суммирующее устройство (селектор), на вход которого подаются сигналы от регулятора температуры, пере­ мещения клапана и скорости вращения. Селектор предназначен для пропуска сигнала с наименьшим значением, т. е. будет регулироваться тот параметр, который вызывает самый малый ход регулирующего клапана и требует наименьшего расхода топлива.

При нормальной температуре сигнал от регулятора температуры поступает на селектор положительным. Селектор пропускает мини­ мальный из двух сигналов. Этим минимальным сигналом будет ско­ рость вращения. В том случае, если сигнал от регулятора темпера­ туры будет уменьшаться и станет отрицательным, селектор будет пропускать сигнал от регулятора температуры, воздействуя на топ­ ливный клапан до тех пор, пока сигнал не станет равным нулю.

Положение регулирующего клапана определяется настройкой. Любое изменение сигнала настройки вызывает изменение положения регулирующего клапана. Поэтому, изменяя сигнал настройки, можно легко изменять нагрузку агрегата. Сигнал настройки, а сле­ довательно, и нагрузку можно изменять путем подачи электрического напряжения от потенциометра, расположенного на удалении.

В последнее время в ГТУ стали внедрять и системы регулиро­ вания, построенные на современной электронной аппаратуре. При­ мером может служить система автоматического управления типа

Применение электронной аппаратуры дает возможность сделать систему универсальной и гибкой для разного класса и назначения газотурбинных установок. Она позволяет легко вводить в систему и формировать требуемое количество входных и выходных сигналов. Электронная система «Speedtronic» обладает высокой надежностью. Коэффициент готовности такой системы составляет 99,9%. Расчет­ ное время наработки на отказ составляет 10 тыс. ч [102]. Она хорошо приспособлена к дистанционному управлению. Система защиты выполнена с резервированием. Все параметры ГТУ, подлежащие регулированию (скорость, производная по скорости, температура), преобразуются в электрические сигналы, которые управляют гидрав­

На рис. VIII.20 показана структурная схема достаточно типич­ ной системы регулирования ГТ-6-750 Уральского турбомоторного завода, предназначенной для газоперекачивающих станций маги­ стральных газопроводов. Она выполнена гидродинамической с пря­ мыми и обратными гидравлическими связями.

Процесс поддержания скорости вращения ГТ-6-750 состоит в сле­ дующем [33].

Масло от расположенного на валу ТНД главного насоса, который является одновременно и измерителем скорости, воспринимается мембранно-ленточным регулятором. Этот регулятор изменяет в зависимости от скорости вращения ротора силовой турбины давле­ ние в проточной системе. Изменение давления масла в проточной системе воспринимается золотником, управляющим регулирующим

К пусковому насосу и эжекторам

Воздух из линии наг­ нетания компрессора.

топливным клапаном. При повышении скорости клапан идет на закрытие, а при понижении — на открытие.

Система регулирования обеспечивает поддержание скорости вра­ щения ротора силовой турбины с неравномерностью ~ 5 % . Настройка регулятора скорости на требуемую скорость вращения произво­ дится за счет смещения сопла регулятора.

Для предохранения турбонагнетателя от перехода в неустойчи­ вую область работы в схеме предусмотрены автоматические антипомпажные устройства циклового компрессора и регулятор приеми­ стости. На режимах, близких к пограничной зоне, противопомпажные клапаны обеспечивают выпуск воздуха за шестой ступенью ком­ прессора в выхлопной патрубок турбины. Открытие противопомпажных клапанов производится автоматически устройством, работающим от давления воздуха за компрессором.

Регулятор приемистости ограничивает ход регулирующего кла­ пана при пуске и наборе нагрузки, импульсом для которого служит

давление воздуха за компрессором. Мембранно-ленточный регуля­ тор, воспринимающий изменение давления воздуха за компрессором, воздействует через проточную систему на перемещения регулирую­ щего топливного клапана, обеспечивая тем самым определенное соот­ ношение между расходом топлива и воздуха, поступающего в ка­ меру сгорания.

В связи с тем, что газотурбинные установки с разрезным валом обладают худшими, чем блокированные, динамическими характе­ ристиками, для уменьшения заброса оборотов ротора ТНД в схеме предусмотрен дифференциатор, ускоряющий открытие сбросных клапанов для стравливания воздуха, расположенных за компрес­ сором. Одновременно дифференциатор ускоряет прикрытие регули­ рующего клапана. При этом подача топлива в камеру сгорания резко уменьшается, что приводит к падению температуры газа перед тур­ биной высокого давления.

Наличие дифференциатора существенно улучшило качество ре­ гулирования например по сравнению с ГТ-700-5 НЗЛ, где такой дифференциатор не был предусмотрен [49, 75].

Открытие сбросных клапанов производится дифференциатором при резком увеличении скорости вращения ротора турбины низкого давления. При медленном изменении скорости вращения ротора турбины низкого давления дифференциатор не воздействует на от­ крытие сбросных клапанов.

В случае аварийной ситуации закрываются одновременно регу­

Кроме регулирования скорости система может поддерживать постоянным давление транспортируемого газа на стороне нагнета­ ния с неравномерностью —5% [33]. Регулятор давления также мембранно-ленточного типа воздействует через проточную систему на регулирующий топливный клапан, обеспечивая его открытие, необходимое для данного режима. Величина открытия топливного клапана определяется давлением газа на стороне нагнетания центро­ бежного нагнетателя. При увеличении давления газа клапан идет на закрытие, а при уменьшении — на открытие. Настройка его на требуемое давление транспортируемого газа производится за счет смещения сопла регулятора. В связи с тем что регулятор давления допускает широкий диапазон настройки, он может обеспечивать ра­ боту турбонагнетателя на любом давлении газа при изменении потребления в значительных пределах.

При работе одного из регуляторов другой работает в режиме ограничения, исключая тем самым дальнейшее повышение соответ­ ствующего параметра.

Таким образом, регулятор давления позволяет работать на лю­ бом давлении в диапазоне регулируемых режимов от максимального до минимально возможного режима. Пределы устойчивых регули­ руемых режимов ограничиваются помпажными явлениями и макси­ мальной температурой газов перед турбиной.

Системы регулирования других газотурбинных установок, пред­ назначенных для привода центробежных нагнетателей, типа ГТ-700.-5, ГТ-750-6, ГТК-Ю НЗЛ, ГТН-9 ЛМЗ хотя и отличаются конструк­ тивно от приведенной системы ГТ-6-750, однако имеют много общего.

Прежде всего все системы регулирования приводных ГТУ вы­ полнены гидравлическими с прямыми и обратными связями с исполь­ зованием бесшарнирных, мембранно-ленточных и поршневых регу­ ляторов скорости, имеют необходимые защитные устройства, обеспе­ чивающие безаварийную работу агрегата на всех возможных режимах. Оснащаются автоматической системой пуска и останова. Несмотря на это, имеются и существенные отличия. Так, например, только

с выходом на холостой ход; осуществление переходов с одного уста­ новившегося режима на другой в области рабочих режимов без пре­ вышения допустимых значений параметров; поддержание (например, в некоторых судовых ГТУ) на всех стационарных режимах регули­ руемых параметров в заданных пределах и с требуемой точностью и обеспечение тем самым необходимой мощности установки; защита установки от аварийных ситуаций, связанных с недопустимым по­ вышением (понижением) параметров; осуществление реверса [35, 56, 89].

Основными параметрами, определяющими режим работы транс­ портных ГТУ, являются: температура газа перед турбиной, состав горючей смеси (коэффициент избытка воздуха), число оборотов тур­ бокомпрессора и тяговой (силовой) турбины. В схемах с независи­ мой силовой турбиной условия работы ГТУ определяются прежде всего режимом работы турбокомпрессора, поэтому система регули­ рования должна воздействовать на турбокомпрессорный агрегат.

Для схем с одной степенью свободы режим работы турбокомпрес­ сора однозначно определяется одним параметром: числом оборотов ротора птк или температурой газа перед турбиной t\. Оба параметра взаимно связаны, и регулирование их можно осуществить измене­ нием подачи топлива в камеру сгорания. Таким образом, расход топлива и является тем регулирующим фактором, с помощью ко­ торого можно изменять параметры режима ГТУ. Для газотурбовозов с электроподачей таким фактором может быть также ток в системе возбуждения генератора.