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

неравномерности распределения активных мощностей относитель­ но малы;

3) относительно низкое быстродействие по сравнению с двухимпульсным регулятором скорости.

Анализ устойчивости системы регулирования параллельно работающих ДГ

Как показывает опыт эксплуатации, при параллельной работе ДГ с сетью бесконечной мощности могут возникать нежелатель­ ные явления, называемые обменными колебаниями или «перели­ ваниями» мощности. При общей постоянной нагрузке электро­ станции активная и реактивная нагрузки одного из ДГ возрастают, в то время как активная и реактивная нагрузки второго умень­ шаются с частотой 3—5 гц и значительной амплитудой. Обменные колебания свидетельствуют о неустойчивости систем регулирова­ ния параллельно работающих ДГ, приводят к нестабильности на­ пряжения, частоты тока и снижают надежность работы ДГ.

Поставим задачу исследовать устойчивость системы регулиро­ вания частоты вращения параллельно работающих ДГ. Для упро­ щения анализа рассмотрим устойчивость системы регулирова­ ния ДГ, работающего с сетью бесконечной мощности (БМ). Как показывают результаты экспериментальных и теоретических ис­ следований, причины и характер обменных колебаний для этого случая такие же, как и при параллельной работе двух ДГ.

При работе ДГ параллельно с сетью БМ частота последней постоянна. Средняя частота вращения ДГ за длительный проме­ жуток времени должна быть также постоянна и равна частоте сети. Однако мгновенная частота вращения ДГ, так же как и угол 0 между вектором напряжения сети и положением ротора ДГ, может изменяться в определенных пределах.

равно сумме приращений инерционного момента, демпферного мо­ мента, пропорционального производной от'угла G, и синхронизи­ рующего момента, пропорционального приращению угла 0:

демпферными обмотками; для современных генерато­ ров типа МСК М ар —0,05-^0,07;

Z■изменение хода рейки, равное приращению эффектив­ ного момента дизеля, о. е.

280

Перейдем от уравнения (10.15), в левой части которого две переменные (ср и Д0), к уравнению с одной переменной. Для этой дели опишем зависимость между ср и Л0:

(10.16)

Ш НОМ Ш НОМ Р dt

где р — число пар полюсов.

Для генераторов частотой 50 гц щт,р — 314.

Уравнение (10.16)— уравнение дифференцирующего звена.. Уравнение объекта регулирования получим в виде

Это уравнение соответствует уравнению колебательного звена.

Изменение хода рейки z определяется действием регулятора числа оборотов.

Уравнение регулятора представим в виде уравнения регуля­ тора прямого действия без упруго присоединенного катаракта:

Структурная схема регулирования ДГ, работающего парал­ лельно с сетью БМ, включает последовательно соединенные звенья: дифференцирующее Д, колебательные PC и ротор ДГ (рис. 10.15). Одно колебательное звено соответствует регулятору скорости, частота собственных колебаний которого при отсутствии демпфи­

колебание в поступательном перемещении грузов измерителя, муфты и рейки топливных насосов.

Рис. 10.15. Структурная схема САРС ДГ, работающего параллельно с сетью бесконечной мощности

Второе колебательное звено соответствует ротору ДГ, частота собственных колебаний которого при отсутствии демпфирования составляет

281.

Определим устойчивость системы с помощью ЛАХ и ЛФХ. Рассмотрим два случая: 2р-с > 2 рот и Sp с = йрот.

Система будет устойчива, если при частоте со*, соответствую­ щей сдвигу фаз —180°, ордината ЛАХ разомкнутой системы отри­ цательна (Z.M< 0). Так как сдвиг фаз в дифференцирующем звене составляет +90°, то по ЛФХ колебательных звеньев установим величину со*, соответствующую сдвигу фаз в двух колебательных звеньях —270°. Для простоты будем считать, что относительная величина демпфирования в обоих колебательных звеньях одина­ кова, что модуль дифференцирующего звена близок единице и его ЛАХ можно не учитывать. На конечный результат анализа эти допущения не влияют.

На рис. 10.16, а представлены ЛАХ двух колебательных звеньев

сдвиге фаз ф = —270° и тех же'параметрах колебательных звеньев пик суммарной ЛАХ располагается значительно выше, Lu > 0, САР неустойчива.

В реальной системе регулирования при этом могут возникнуть незатухающие колебания угла 0 и мощности ДГ, которая изме­ няется с изменением угла 0. При параллельной работе двух ДГ суммарная мощность электростанции будет постоянна, в то время как приращение мощности и угла 0 на одном ДГ будет сопровож­ даться уменьшением мощности и угла 0 на другом:

AOj - — ДО, и APj - — ДР2.

На основании изложенного можно сделать следующий вывод: при совпадении собственных частот колебаний ротора и регуля­ тора числа оборотов САР может быть неустойчива. Следовательно, в реальной САР могут возникнуть автоколебания.

Другой причиной «переливаний» мощности при параллельной работе могут быть вынужденные колебания. Момент, развиваемый дизелем, непостоянен. Вследствие нестабильности в подаче топ­ лива на режимах малых нагрузок при совпадении частот собствен­ ных колебаний ротора и низкочастотных возмущающих моментов, обусловленных нестабильностью работы топливной аппаратуры, могут возникнуть резонансные вынужденные колебания.

Для повышения запаса устойчивости параллельно работающих ДГ и ликвидации обменных колебаний могут быть предложены способы, ведущие к снижению коэффициентов усиления и сдвига фаз в роторе, дизеле и регуляторе скорости, а именно: введение обратных связей в регуляторе скорости и повышение частоты его собственных колебаний, увеличение демпфирования в генераторе. Уменьшить амплитуду низкочастотных возмущающих моментов можно путе:у[ рационального подбора топливной аппаратуры.

.282

б)

Рлс. 10.16. ЛАХ и ЛФХ САРС ДГ, работающего параллельно с сетью бесконечной мощности

283

Проведенный анализ устойчивости параллельной работы ДГ правомерей и в случае, если распределение активных нагрузок происходит с помощью устройств типа УРАМ, которые имеют от­ носительно низкое быстродействие и не влияют на обменные коле­ бания с частотой 2—4 гц и выше.

Настройка системы регулирования скорости и напряжения для обеспечения параллельной работы.

Мероприятия по улучшению качества регулирования на установившихся и переходных режимах

Настройка регуляторов скорости и напряжения для обеспече­ ния заданной степени неравномерности распределения нагрузок сводится к таким мероприятиям, как:

1.Проверка и установка одинаковой для всех ДГ заданной степени неравномерности (наклона) статической характеристики системы регулирования. Установка производится изменением коэф­ фициента усиления жестких обратных связей регуляторов скорости непрямого действия или изменением положения дополнительной пружины в PC прямого действия.

2.Совмещение статических характеристик систем регулирова­ ния по уровню, для чего необходимо ослабить или затянуть пру­ жину измерителя скорости.

Кмероприятиям, уменьшающим степень неравномерности рас­ пределения нагрузки, относятся:

—уменьшение величины сухого трения в PC и рейке топлив­ ных насосов, а также зазоров в приводе и рейке;

—применение двухимпульсных PC с импульсом по нагрузке. Благодаря тому, что эти PC могут иметь повышенный «внутрен­ ний» наклон регуляторных характеристик, величина ДР может быть снижена;

—применение специальных устройств для спрямления стати­ ческих характеристик регулирования;

—применение устройств автоматического распределения на­ грузок (типа УРАМ).

§10.5. Автоматическое регулирование температуры

всистемах охлаждения и смазки дизелей

Назначение СAPT и требования, предъявляемые к ним

Температура воды и масла существенно влияет на работу ди­ зеля. Так, например, с возрастанием температуры охлаждающей воды растет температура стенок цилиндров и уменьшается коли­ чество тепла, уходящего в воду. С ростом температуры стенок цилиндров несколько снижаются механические потери вследствие уменьшения вязкости масла, растет механический к. п. д. Поэтому удельный расход топлива может снижаться. Уменьшаются потери

284

на трение и на износ; Такая тенденция наблюдается при росте температур охлаждающей воды до определенного предела. Вместе с тем при повышении температуры воды увеличивается количество тепла, отдаваемого поверхностью дизеля в окружающую среду. С увеличением температуры воды до 90—95° растет вероятность возникновения паровых подушек или вскипания воды. В случае разомкнутых одноконтурных систем охлаждения повышение тем­ пературы охлаждающей воды выше 45—55° С невозможно из-за интенсивного отложения накипи.

Для поддержания температуры охлаждающей воды и смазоч­ ного масла дизеля в заданных пределах, соответствующих опти­ мальным значениям, служат системы регулирования температуры воды и масла.

ГОСТ 12709—67 следующим образом формулирует требования к системам регулирования температур воды и Масла в дизельных установках.

Для систем регулирования температуры воды;

при этом целесообразно для замкнутых систем охлаждения прддерживать температуру 75—85° С, а для разомкнутых — 45—55° С.

Для систем регулирования температуры масла:

система должна обеспечивать постоянство температуры масла на входе в двигатель в пределах зоны неравномерности регулиро­ вания Д£р= 10-М2° С;

в быстроходных двигателях, где используются высококачествен­ ные масла, можно поддерживать температуру на входе в двига­ тель в пределах 80—90°С (в некоторых случаях 85—95°С);

в двигателях тихоходных и средней быстроходности, где обычно применяют более дешевые сорта масел, температура масла на входе лежит в пределах 40—50°, 50—60° и 60—70° С.

Динамические отклонения температуры при ступенчатых изме­ нениях нагрузки от нового установившегося значения должны быть не более 5—6° С, время установления процесса — мини­ мальным.

Перечисленные требования ГОСТ устанавливаются для дизе­ лей, системы охлаждения Которых работают на принципе про­ точного, а не испарительного охлаждения.

Особенности поддержания постоянства температуры в дизелях, системы охлаждения которых работают по испарительному прин­ ципу, состоят в следующем:

а) системы низкотемпературного (вакуумно-испарительного) охлаждения (ВИСО) обеспечивают постоянство температуры охлаждающей воды на выходе из дизеля с относительно малой зоной неравномерности регулирования (по результатам ряда испытаний — д о —6°С). Постоянство температуры воды на выходе из дизеля обеспечивается благодаря поддержанию постоянного вакуума в испарителе и изменению коэффициента теплопередачи

285

в испарителе. С увеличением нагрузки и температуры воды на выхрде из дизеля увеличивается интенсивность кипения воды в испа­ рителе (при постоянном вакууме) и коэффициент теплопередачи в испарителе. Таким образом, ВИСО обладает свойствами термо­ регулирования и не требует установки специальных терморегуля­ торов;

б) системы высокотемпературного охлаждения (ВТО) также обеспечивают постоянство температуры охлаждающей воды на выходе из дизеля и не требуют специальных терморегуляторов по причинам, изложенным в п. а. Однако в связи с тем, что темпе­ ратуры охлаждающей воды и смазочного масла дизеля при ВТО высоки, к стабильности температуры смазочного масла предъяв­ ляются повышенные требования. Поэтому при охлаждении смазоч­ ного масла, которое осуществляется, как правило, с помощью отдельной системы воды наружного контура, должно предусматри­ ваться его терморегулирование.

Увеличение перепада температуры воды, выходящей из дизеля и входящей в дизель, приводит к увеличению температурных на­ пряжений в узлах дизеля, например во втулках цилиндров. По­ этому целесообразно, чтобы разность между температурами воды, выходящей из дизеля и входящей в дизель, составляла не более 10—12° С. Это обеспечивается выбором водяного насоса внутрен­ него контура достаточной производительности при проектировании систем охлаждения.

Особенности дизеля как объекта регулирования температуры воды

Воспользуемся выражением для количества тепла, передавае­ мого воде в единицу времени, в виде

можно принять регулируемую температуру на выходе из дизеля zip.

С увеличением температуры воды температура стенок цилинд­ ров дизеля увеличивается практически по линейной зависимости. Поэтому

(7под ~ & ^ Р !

где а = «дв^дв^; ^ ^Сдв^дв*

Так как адп и tr зависят от нагрузки, то величины а и b также зависят от нагрузки. Однако tv и а зависят от нагрузки в значи­ тельно большей степени, чем Ь.

286

На рис. 10.17 показан ряд зависимостей <7П0Д от tр и К. При изменении tp в относительно небольших пределах они представ­ ляют собой паралЛельные прямые.

Рассмотрим выражение для количества тепла, которое'уносится из зарубашечного пространства двигателя:

qor= cGB0 (tp— t{) ккал\час,

где с — теплоемкость воды;

Gb0— количество охлаждающей воды; tp — температура выходящей воды;

tx — то же воды, поступающей в двигатель.

На рис. 10.17 показано семейство параллельных сплошных ли­ ний <7от Для различных величин t\. Если принять, что t" < t\, то зависимость q0J, показанная на графике, располагается ниже, чем

287

одной и той же температуры t\, т. е. регулятор температуры от­ сутствует. В этом случае по графикам рис. 10.17 определяем точку

Хотя величина tp«может быть и далека от оптимальной, однако, как видно из графиков, она будет вполне определенной. Каждому значению нагрузки X будет соответствовать свое значение tp. Сле­ довательно, дизель как объект регулирования температуры яв­ ляется объектом1с саморегулиро­

ванием (с самовыравниванием)

вести к столь значительному повышению tp, что работа дизеля ухудшится. Поэтому с изменением нагрузки целесообразно изме­ нять количество отведенного тепла таким образом, чтобы диапа­ зон температуры охлаждающей воды не превышал 10—12° С. Эта задача может быть решена с помощью регулятора температуры, действие которого должно приводить либо к изменению темпера­

вых <7под(Хном) и <7от(^)- Температура tp3 может быть также достигнута, если при увеличении нагрузки количество подаваемой в двигатель воды GB0 будет увеличено до GB]. При этом линия q0T повернется вокруг точки 1 (на рис. 10.17 этот случай Доказан штрихпунктиром).

Можно рассчитать систему регулирования таким образом, чтобы было Мр ~ 10-5-12° С. •

На рис. 10.18 приведена статическая характеристика системы регулирования температуры дизеля. С увеличением нагрузки тем­ пература охлаждающей воды на выходе tp несколько возрастает

(в пределах 10—12°).

288

Принципы и способы автоматического регулирования температуры охлаждающей воды

На рис. 10.19 приведена схема замкнутой системы охлажде­ ния дизеля и элементов системы регулирования температуры охлаждающей воды. К основным элементам системы регулирова­ ния относятся: объект регулирования Д, т. е. сам двигатель, и ре­ гулятор температуры, включающий чувствительный элемент 6, установленный в месте выхода охлаждающей воды из дизеля, ре­ гулирующий орган 7, который регулирует количество воды, иду­ щей на перепуск и в водомасляный холодильник 4.

Рис. 10.19. Схема автоматического регулирования температуры охлаждаю­ щей воды дизеля по способу перепуска:

J — насос охлаждающей воды внутреннего контура; 2 — насос охлаждающей воды внешнего контура; 3 — термометры; 4 — водомасляный холодильник; 5 — расшири­

холодильника

Показанная на рис,- 10.19 система регулирования температуры называется регулированием по способу перепуска. Регулятор изме­ няет количество тепла, отводимого в воду, и температурный уро­ вень объекта. Различают два принципа регулирования темпе­ ратуры.

а) способом перепуска, при котором температура воды ty на входе в дизель зависит от соотношения количества воды, прошед­ шей через холодильник и на перепуск. Расход воды через дизель при постоянном числе оборотов дизеля и насоса практически не изменится (см. рис. 10.19);