книги из ГПНТБ / Толшин В.И. Основы автоматики и автоматизации энергетических установок учебник

Раздел III

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Глава 10

АВТОМАТИЗАЦИЯ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК

§ 10.1. Общие сведения

Система автоматизации дизель-генераторной установки в об­ щем случае включает:

1) системы автоматического регулирования (САР):

—частоты (скорости) вращения (САРС),

—температуры в системах охлаждения и смазки (САРТ),

—напряжения генераторов (САРН);

2)системы автоматического управления (САУ), осуществляю­

щие:

—автоматический пуск дизель-генератора и ввод его под на­ грузку,

—автоматическую сигнализацию о состоянии контролируемых параметров и защиту (остановку) двигателя при достижении кон­ тролируемыми параметрами аварийного значения,

—автоматическую (дистанционную) остановку двигателя,

— автоматическое выполнение операций обслуживания (под­ держание в состоянии горячего резерва и т. д.).

В соответствии с ГОСТ 10032—69, исходя из назначения и усло­ вий эксплуатации, можно применять дизель-генераторы с одной из трех степеней автоматизации.

I степень (наименьшая) сводится к оборудованию дизель-гене­ ратора системами регулирования и устройствами аварийно-преду­ предительной сигнализации и защиты.

.240

При II степени автоматизации, кроме того, обеспечивается:

—автоматический или дистанционный запуск двигателя (с вы­ полнением всех предпусковых операций), управление прогревом и выходом двигателя под нагрузку;

—дистанционный или автоматический ввод в синхронизм;

—автоматическая (дистанционная) остановка;

—автоматическое поддержание двигателя в «горячем ре­

зерве».

III степень автоматизации предполагает работу дизель-генера­ тора без обслуживающего, персонала. Полностью автоматизиро­ ванный агрегат может устанавливаться «под замком» и вклю­ чаться в работу при падении напряжения или частоты в сети, при исчезновении питания от основного источника,' по команде с поста дистанционного управления.

Кроме автоматизации, предусмотренной II степенью, в этом случае автоматизируются все операции обслуживания, а именно: пополнение расходных топливных и масляных, а также водяных баков, подкачка воздушных баллонов, подзаряд стартерных бата­ рей и батарей оперативного питания, автоматический прогрев дизеля для поддержания «горячей готовности» к пуску и автомати­ ческое управление другими вспомогательными, агрегатами и опе­ рациями. Срок работы без обслуживания таких агрегатов должен быть не менее 240 час.

Для вновь проектируемых двигателей, которые вводятся в строй

с1973 г., согласно ГОСТ 14228—69 предусматривается четыре сте­ пени автоматизации (табл. 10.1).

Ниже рассматривается устройство и принцип действия САР и САУ дизель-генераторных установок.

§ 10.2. Автоматическое регулирование частоты вращения

Требования, предъявляемые к САРС, и классификация регуляторов

САРС дизель-генераторов (ДГ) служит для обеспечения:

.1)- автоматического поддержания частоты вращения ДГ в задан­

броса числа оборотов) от установившегося значения н длитель­ ности переходного процесса tn при мгновенном набросе или сбро­ се 100% нагрузки.

Для дизелей с газотурбинным наддувом <ршах и ta при сбросе 100% нагрузки должны также соответствовать данным табл. 10.2. При набросе нагрузки на такие дизели инерционность турбонагне­ тателя не позволяет получить достаточные давления наддува и эффективную мощность в первый момент после выхода рейки па упор. Поэтому для дизелей с газотурбинным наддувом устанавли­ ваются меньшие предельные значения величин набрасываемых на­ грузок, чем для двигателей без наддува и с приводными нагнета­ телями, а именно: при степени повышения давления в турбоком­ прессоре менее 1,5—90%, при степени повышения давления от 1,5 до 2 — 70%. Величины ср и tn должны при этом соотвехствовать табл. 10.2.

Как видно из табл. 10.2, для дизель-генераторов с повышен­ ными требованиями к стабильности частоты вращения необходимо применять САРС 1-го и 2-го класса точности.

В соответствии с назначением САРС и перечисленными требо­ ваниями вытекают частные требования, предъявляемые к объектам регулирования и регуляторам.

К объектам регулирования — дизелям — предъявляется требо­ вание равномерности хода (частоты вращения) на установившемся режиме. Так как амплитуда возмущающих моментов, обусловли­ вающих неравномерность хода, с частотой, равной частоте вспы­

242

шек дизеля, уменьшается с увеличением числа цилиндров и числа оборотов, то применение дизелей с большим числом оборотов и цилиндров для привода ДГ предпочтительно.

К регуляторам скорости (Р,С) предъявляют следующие основ­ ные требования:

а) достаточной работоспособности и необходимой для управ­ ления органами, дозирующими подачу топлива;

б) простоты конструкции и надежности.

Работоспособность регулятора скорости R (в кгс-см) опреде­ ляется по формуле

Р — PH кгс - см,

где Р — средняя поддерживающая сила на муфте измерителя ско­ рости регулятора прямого действия или средняя за ход сила на поршне сервомотора регулятора непрямого дей­ ствия, кгс;

Н — номинальный ход муфты регулятора прямого действия или номинальный ход сервомотора регулятора непрямого действия, см.

Чем больше работоспособность регулятора, чем легче преодоле­ ваются инерционные силы, силы сухого трения и силы, необходи­ мые иа перестановку дозирующих устройств, тем проще выполнить требования к качеству переходных процессов.

Увеличение размеров дизеля приводит к необходимости уста­ новки топливной аппаратуры большей производительности и раз­ меров и, следовательно, необходимости увеличения R. В свою оче­ редь увеличение R обусловливает необходимость увеличения массы грузов измерителя и габаритов регуляторов прямого действия, что отрицательно сказывается на быстродействии системы, устойчи­ вости и качестве переходных процессов. Поэтому если R превышает 20—30 кгс-см, то, как правило, используют регуляторы непрямого действия.

В качестве дополнительных требований к конструкции регуля­ тора, вытекающих из назначения САРС, отметим следующие. Ре­ гулятор должен быть оборудован:

а) устройством для изменения наклона регуляторной характе­ ристики в пределах от 2 до 4%, что необходимо для согласования регуляторных характеристик при параллельной работе ДГ;

б) устройством, которое позволяло бы, не изменяя наклона статической характеристики, изменять динамические свойства САРС (упруго присоединенным катарактом или изодромной обрат­ ной связью);

в) устройством для изменения настройки скорости работаю­ щего дизеля, без изменения наклона регуляторной характеристики; под настройкой скорости понимается координата органа задания регулятора, определяющая скоростной режим;

г) другими устройствами (например, устройствами для мест­ ной или дистанционной остановки дизеля, ограничения нагрузки,

ускоренного срабатывания сервомотора, изменяющего затяг пру­ жины и число оборотов двигателя при пуске, выключения подачи топлива для защиты и остановки дизеля и т. п.).

Для дпзель-генераторов применяются в основном регуляторы скорости, работающие по принципу отклонения регулируемой вели­ чины. Они называются одноимпульсными.

В последнее время начали внедряться регуляторы, работающие по комбинированному принципу: по принципу отклонения регули­ руемой величины и по принципу возмущения. Эти регуляторы на­ зываются двухимпульснымн.

Регуляторы, предназначенные для ДГ переменного тока и ра­ ботающие практически при постоянной частоте вращения, назы­ ваются однорежимнымй. Они подразделяются на однорежимные прямого действия (ОРП) и однорежимные непрямого дейст­ вия (ОРН).

Помимо однорежимных регуляторов для дизелей применяются всережимные регуляторы, обеспечивающие заданные параметры регулирования в диапазоне от минимальной настройки скорости до номинальной. Минимальная настройка соответствует минимально устойчивым числам оборотов дизеля под нагрузкой, максималь­ ная — максимальным числам оборотов дизеля на холостом ходу. Всережимные регуляторы прямого действия обозначаются ВРИ, непрямого действия — ВРН.

Регуляторы непрямого действия различаются также по типу обратной связи: с жесткой обратной связью, гибкой обратной связью или с комбинированной, т. е. гибкой н жесткой, обратной связью.

Рассмотрим особенности настройки наиболее распространенных типов регуляторов скорости (PC).

Особенности настройки регулятора прямого действия с упруго присоединенным катарактом

Схема регулятора прямого действия с упруго присоединенным катарактом, нашедшего наиболее широкое применение в ДГ малой мощности, приведена на рис. 10.1. Регулятор работает следующим образом.

При уменьшении нагрузки на генератор число оборотов дизеля и регулятора увеличивается. Грузы 9, преодолевая сопротивление основной пружины 3, а также пружины катаракта 6, расходятся и передвигают рейку 7 в положение, соответствующее уменьшен­ ной подаче топлива. Поршень катаракта со временем выдавит масло через отверстие, и пружина 6 не будет воздействовать на измеритель регулятора. Таким образом, пружина катаракта соз­ дает дополнительный временный наклон регуляторной характе­ ристики, уменьшая коэффициент усиления PC в первый период переходного процесса. В установившихся режимах наклон регуля-

244

торной характеристики будет определяться суммарной жесткостью основной пружины 3 и дополнительной пружины 5.

Уравнение центробежного измерителя скорости без катаракта, согласно гл. 3, имеет вид

Е — приведенная к муфте центробежная сила грузов. Обычно б составляет 0,03—0,02% (3—2%).

Рис. 10.1. Схема регулятора скорости пря­ мого действия с упруго присоединенным катарактом:

1 ■=- рычаг управления; 2 — тарелка; 3 — ос­ новная пружина; 4 — муфта; 5 — дополнитель­ ная пружина; 6 — катаракт; 7 — рейка топлив­ ных насосов; '8 — крестовина; 9 — грузы

В регуляторах скорости прямого действия измеритель соединен непосредственно с регулирующим органом — топливным насосом. Поэтому уравнение измерителя (10.1) одновременно служит урав­ нением регулятора скорости прямого действия (без упруго присое­ диненного катаракта). В этом случае величина т] есть координата

245

конца выходного рычага регулятора, соединенного с рейкой, млн координата рейки.

Если к измерителю скорости присоединен катаракт, уравне­ ние (10.1) должно учитывать силу пружины катаракта с жест­ костью с . Сила пружины катаракта, действующая на муфту,

246

Обычно величина TL лежит в пределах 1—0,01 сек.

Таким образом, дифференциальные уравнения рассматриваемой системы для объекта без саморегулирования имеют вид

d<s

dt = rfl

dt

Т, dt = '») — £•

Из системы уравнений (10.6) можно получить систему уравне­ ний регулятора прямого действия без упруго соединенного ката­ ракта в виде

На установившихся режимах система уравнений (10.6) приво­ дится к виду 8т]= —ф, т. е. описывает статическую зависимость между моментом дизеля-и отклонением числа оборотов. Величи­ на б равна наклону статической характеристики САРС.

При настройке системы регулирования можно варьировать двумя параметрами: степенью неравномерности б, изменяемой по­ воротом дополнительной пружины 5 (см. рис,- 10.1), и постоянной времени катаракта 7), регулируемой путем ввинчивания (или вы­ винчивания) иглы катаракта. Величина б составляет обычно 2—3% и определяется, как правило, требованием равномерного распре­ деления нагрузки между параллельно работающими агрегатами. Постоянная времени катаракта Т-,. влияет на качество переходных процессов.

Оценим качество регулйрования на переходных режимах с по­ мощью диаграммы Вышнеградского (см. рис. 6.20). Для упроще­ ния предположим, что дизель работает на холостом ходу (Х = 0). Вначале исследуем процесс регулирования при выключенном ка­ таракте (7^ = 0).

Характеристическое уравнение системы регулирования и пара­

А = ТКТ 3 Тг 4; В = 87а3 Тг 3 .

247

Если величину 6 выбрать достаточно малой, то параметр Выш­ неградского В и степень устойчивости г|о будут также малыми. Процесс регулирования (при Л >1) будет соответствовать об­ ласти I диаграммы Вышнеградского, т. е. будет колебательным. Время переходного процесса tn достаточно велико.

Проанализируем теперь процесс регулирования при включен­ ном катаракте. Будем последовательно ввертывать иглу катаракта. Величина а в уравнении (10.3) при этом уменьшится, a Tt воз­ растет. При 7) -э- оо

6 = Т’/А + 1 -*■ о,

d

ГАе р = -зг

Для такого случая характеристическое уравнение примет вид

Тат%8 + ТкТа\» + Та (о + 8С) X+ 1 = о.

Так как суммарная степень неравномерности возрастает и со­ ставляет 8 + 8С) то степень устойчивости системы цо становится выше, чем в предыдущем случае.

Таким образом, увеличение Т1 в конечном счете приводит к повышению степени устойчивости САРС прямого действия. После включения катаракта (при ввертывании иглы) устойчивость про­ цесса регулирования начинает возрастать уже при малых значе­ ниях Т При движении муфты 2 поршень катаракта вследствие сопротивления вытесняемой им жидкости первое время практи­ чески не двигается. Поэтому процесс регулирования происходит так же, как в системе с регулятором прямого действия, без упруго присоединенного катаракта и с жесткостью основной пружины ре­ гулятора, равной суммарной жесткости основной и дополнительной пружин, а также пружины катаракта. Однако увеличение сте­ пени неравномерности регулятора (8 -f- 8С) является лишь времен­ ным, так как поршень 1, медленно перемещаясь, разгружает пру­ жину 6. Остающаяся степень неравномерности определяется лишь жесткостью основной и дополнительной пружин. Устойчивость та­ кой системы в основном зависит от временной степени неравно­ мерности 8 + 8С.

При значительном увеличении Tt возрастает величина перере­ гулирования. Одновременно может возрастать и длительность переходного процесса tn, определяемая временем вхождения регу­ лируемой величины в заданную зону (нечувствительности).

Практически наладка САРС осуществляется эксперименталь­ ным путем-. С этой целью необходимо найти такое положение иглы катаракта, при котором максимальное отклонение числа оборотов не должно превышать величину, предельно допустимую по ТУ на поставку агрегата, процесс регулирования должен успокаиваться за отрезок времени, установленный ТУ.

248

Особенности настройки регулятора непрямого действия

сизодромной и оюесткой обратной связью

ВДВС нашли широкое применение регуляторы непрямого дей­ ствия с жесткой и изодромной обратной связью. На рис. 10.2 пред­ ставлена схема регулятора типа Д-100 с комбинированной (изо­ дромной и жесткой) обратной связью.

'Рис. 10.2. Схема регулятора непрямого действия с комбини­ рованной обратной связью (типа Д-100):

поршня (ГОС); 10 — игла изодрома

При набросе нагрузки поддерживающая сила грузов умень­ шается с уменьшением числа оборотов, золотник 7 опускается, от­ крывая доступ маслу в нижнюю полость сервомотора. Сервопор­ шень 2 идет вверх, увеличивая подачу топлива и восстанавливая

249