2.1.2. Гидродинамические регуляторы частоты вращения турбогенераторов

Регуляторы тепловых электростанций. Типовой гидродинами­ческий АРЧВ паровых турбин ТЭС выпускается АО ЛЭМЗ для турбогенераторов мощностью от 200 до 1200 МВт [11]. Он выполнен из унифицированных гидродинамических функциональных элементов: цен­тробежного измерительного преобразователя частоты вращения (ИПЧВ см. рис. 3.2) в давление масла, гидромеханического элемента сравнения давлений, усилителя в виде гидравлического двигателя двухстороннего действия, охваченного местной жесткой отрицательной обратной связью [Н_0.С(р)=К_о.с. - см. рис. 3.5] и наименее инерционного исполнитель­ного механизма в виде гидравлического усилителя одностороннего дей­ствия, т.е. с поступлением масла в цилиндр с одной стороны поршня, удерживаемого противодействующей пружиной (рис. 3.6).

Динамические свойства таких элементов описываются передаточны­ми функциями апериодических звеньев, различающихся только посто­янными времени, поэтому автоматический регулятор является статиче­ским пропорционального действия (П-регулятор).

Упрощенная гидрокинематическая схема автоматической системы регулирования частоты вращения конденсационной паровой турбины с указанным гидродинамическим регулятором приведена на рис. 3.6.

Показан исполнительный механизм ИМ только одного из регулирую­щих клапанов РК турбины. Центробежный измерительный преобразо­ватель ИПЧВ имеет облегченную ленточную конструкцию и расположен непосредственно на валу турбины. Он состоит из ленточной пружины F_л с грузами G, удерживаемыми радиальными пружинами F_p. С из­менением частоты вращения турбины под воздействием центробежной силы, развиваемой грузами, ленточная пружина деформируется, сокра­щаясь и удлиняясь по горизонтальной оси и изменяя просвет δ между отбойным кольцом К и выходным концом (соплом) трубки λ, через ко­торый вытекает масло из камеры 0 (отверстие α) цилиндра струйного следящего золотника СЗ. Таким образом, частота вращения преобразу­ется в давление масла (сигнал Х_сω — см. рис. 3.2).

Следящий золотник выполняет функцию элемента сравнения давле­ния масла ЭСНД, пропорционального частоте вращения (в камере 0) с давлением, установленным дросселирующими шайбами ДШ напорной масляной линии Н1 в камере 1 золотника и моделирующим установлен­ную, в частности, номинальную частоту вращения ω_ном = π * 10² рад/с. При указанных изменениях просвета δ давление в камере 0 увеличива­ется (при снижении частоты вращения) или уменьшается (при ее возра­стании). В результате букса Б_с.э золотника перемещается по горизонтальной оси и том же направлении, что и кольцо К ленточной пружины ИПЧВ [11]. Следящий золотник производит и значительное усиление слабого сигнала Х_сω за счет сильно различающихся площадей поверх­ностей буксы, подвергающихся давлению в камерах 0 и 1.

Перемещаясь, букса Б_с.з изменяет открытие окон 2 и 4, через кото­рые масло под давлением р_у уходит к промежуточному золотнику ПЗ по линии управления УПЗ и на слив С1. Управляющее давление р_у опре­деляется разностью давлений в камерах 0 и 1 следящего золотника, т.е. моделирует сигнал Х_Δω (см. рис. 3.2) об отклонении частоты вращения.

Например, при повышении частоты вращения и увеличении просве­та δ букса Б_с.з под воздействием уменьшающегося давления в камере 0 перемещается влево (по расположению на схеме) и приоткрывает окно 4 на слив масла С1. Поэтому давление р_у в линии УПЗ и в камере 7 промежуточного золотника ПЗ гидравлического усилителя ГУ снижа­ется. Его букса Б_п.з смещается вверх. При этом отсечным поршнем 1П золотника приоткрываются окна 8, соединяющие через просвет β1 ок­но 9 с линией слива С2. В результате давление масла в камере 12 цилиндра отрицательной обратной связи ЦОС и в камере 15 золотника исполнительного механизма ИМ падает. Под воздействием избыточно­го давления пружины 16 букса золотника Б_з.и.м. перемещается вверх и, приоткрывая отсечным поршнем 5П окно и его просвет 17, соединяет через окно 19 и масляную линию камеру 18 цилиндра гидравлическо­го двигателя ИМ одностороннего действия с линией слива масла С3. Давление в камере 18 надает, и под воздействием избыточного усилия пружины 20 поршень 7П и сочлененный с ним через раму 21 регулиру­ющий клапан турбины РК перемещаются вниз, уменьшая впуск пара в турбину. Частота ее вращения уменьшается.

Прикрывание регулирующего клапана происходит за счет усилия пружины исполнительного механизма, что обеспечивает надежность и быстроту действия регулятора при опасных для турбины разгонах и эф­фективность противоаварийной импульсной ее разгрузки. Этим и обу­словливается, как указывалось, применение исполнительного механизма в виде гидравлического усилителя одностороннего действия.

Новое состояние вращения турбины наступает благодаря действию местной жесткой отрицательной гидромеханической обратной связи — рычаг ОБВ с поршнем ЦОС, охватывающей гидравлический двигатель двухстороннего действия ГД (промежуточный золотник ПЗ). В связи с уменьшением давления в камере 12 ЦОС, под воздействием пружи­ны поршень 4П перемешается вверх и через рычаг ОБВ приподнимает поршни 1П-ЗП, закрывая поршнем 1П окно 8 в цилиндре ПЗ и, тем самым, останавливая дальнейшее снижение давления масла р_у в линии, подводящей его к исполнительным механизмам ИМ. Указанная обратная связь является функциональной, определяющей согласно формуле (3.10) при Н_о.с(р) = К_о.с и структурной схеме на рис. 3.5,а пропорциональ­ный алгоритм автоматического регулирования. Коэффициент обратной связи К_о.с, определяемый соотношением плеч АБ и АВ рычага, может дискретно изменяться перестановкой положений А', А" его опоры. Соот­ветственно изменяется и статизм [см. (3.1)] характеристики регулиро­вания. Перестановка производится в процессе пуска для устойчивости АСРЧВ: при малых оборотах требуется большой статизм. Поэтому ха­рактеристика регулирования частоты вращения 4 (см. рис. 3.1) имеет излом.

Механическая жесткая отрицательная обратная связь в виде рыча­га ГДЕ, охватывающая гидравлический двигатель одностороннего дей­ствия ИМ (см. рис. 3.5,6), способствует его действию как апериодиче­ского усилителя.

Механизм управления турбиной МУТ служит задающим элементом установки предписанной частоты вращения ω_пр (уставки АСРЧВ). Она изменяется смещением поршня следящего золотника СЗ рычагом, пово­рачиваемым червячным редуктором электродвигателя М пли вручную. При смещении поршня, например влево (по чертежу), окно 4 буксы Б_с.з на слив С1 масла прикрывается, частота вращения ω_пр увеличивается У_в, поскольку давление в камере 1 возрастает и для его восстановления требуется большее перемещение влево буксы, т.е. смещение влево коль­ца К ленточного центробежного маятника ИПЧВ, что происходит при большей частоте вращения турбины.

Электродвигатель служит исполнительным элементом автоматиче­ской системы регулирования частоты и мощности электростанции и является исполнительным механизмом с постоянной скоростью движе­ния, который замещается интегрирующим звеном при дискретном воз­действии от позиционного регулятора.

На рис. 3.6 показана также масляная линия пропорционального воз­действия на гидравлический усилитель ГУ от электрогидравлического преобразователя ЭГП электрического регулятора мощности синхронно- го генератора. Показан и механический ограничитель мощности тур­бины ОМ в виде перемещаемого ручным или электрическим приводом упора У, препятствующего дальнейшему перемещению вниз буксы Б_п.з.

Особенности регуляторов атомных электростанций. Выра­ботка ядерными реакторами насыщенного (влажного) пара обусловли­вает как указанные особенности конструкции паровых турбин [о] и их разворота в процессе пуска, так и соответствующие особенности авто­матических регуляторов частоты вращения турбин [12]. Прежде все­го потребовался более динамичный измерительный преобразователь ча­стоты вращения, в частности лучше приспособленный к изменяющейся по временной программе частоте вращения при пуске турбогенерато­ра. Во-вторых, пришлось повысить быстродействие гидродинамических элементов АРЧВ, из-за значительной инерционности турбины, обусло­вленной аккумулируемой влажным паром тепловой энергией, способной быстро разгонять турбину при скачкообразных уменьшениях (сбросах) ее мощности.

На рис. 3.7 [12] приведена упрощенная схема гидродинамического АРЧВ турбогенератора мощностью 500 МВт атомной электростанции. В качестве измерительного преобразователя частоты вращения ИПЧВ применяется центробежный масляный насос 1, расположенный на валу турбины. Развиваемое им давление масла определяется частотой вра­щения.

Элементом сравнения непрерывного действия служит гидродинами­ческое поршневое устройство одностороннего действия с пружиной с из­меняемой затяжкой 2. Снижение инерционности гидравлического уси­лителя достигнуто применением дроссельных золотников 3. Отсеч­ный золотник 6 как абсолютно необходимый для функционирования гидравлического двигателя 7 двухстороннего действия оставлен толь­ко в исполнительном механизме, а охватывающая его жесткая отрица­тельная обратная связь — гидродинамическая с двумя дросселями мас­ла 8 и 9.

При отклонениях частоты вращения от предписанной изменяется да­вление масла, развиваемое насосом 1, под поршнем 2, и он перемещается вверх или вниз (по чертежу) соответственно, изменяя открытие масля­ного дросселя 3 и давление масла в линии Сив камере а под порш­нем 5 гидравлического усилителя. Вследствие перемещения поршня 5 изменяется открытие дросселя 8 на слив масла из камеры b над поршнем золотника 6. При этом, вследствие перемещения поршней отсечного золотника 6, сочлененного с поршнем 5, соответственно изменяются от­крытия окон его цилиндра, через которые поступает масло из линии А под давлением, развиваемым рабочим масляным насосом 4, в верхнюю или нижнюю камеры цилиндра гидравлического двигателя 7, или сли­вается соответственно из нижней или верхней камер .

Рис. 3.7. Гидравлическая часть системы регулирования турбин ХТЗ

Перемещение поршня двигателя 7 изменяет открытие дросселя 9 ма­сляной линии В отрицательной обратной связи гидравлического двига­теля на слив масла, противодействующее изменению давления в каме­ре b, вызванному изменением открытия дросселя 8. Поршни отсечного золотника возвращаются в исходное состояние. Наступает установив­шийся режим вращения с частотой в соответствии со статической ха­рактеристикой ее регулирования.

На рис. 3.7 показаны два гидравлических усилителя и исполнитель­ных механизма соответственно двух регулировочных клапанов турбины.

Автоматический регулятор — статический пропорционального дей­ствия, поскольку содержит только элементы, замещаемые апериоди­ческими структурными звеньями, в том числе и исполнительный ме­ханизм, функционирующий как гидравлический усилитель благодаря жесткой отрицательной обратной связи, охватывающей гидравлический двигатель. Структурная схема регулятора получается из приведенной на рис. 3.5,б при отсутствии функциональной обратной связи, охваты­вающей усилитель.

Разработан и совершенствуется электрогидравлический АРЧВ. Тех­ническая целесообразность применения электрической части регулято­ра [12] обусловливается не только прогрессом интегральной электрони­ки, но и необходимостью программного непрерывного изменения пред­писанной частоты вращения в процессе пуска турбины.

Электрогидравлический АРЧВ органически входит в состав АСУ турбогенератором атомной электростанции, обеспечивающей программ­ное изменение мощности турбины после синхронизации генератора и ав­томатическое регулирование мощности турбогенератора .