Система безопасности ВЭУ

8.1. Определение системы безопасности.

 

Функционирование и безопасность ВЭУ должны обеспечиваться совместной работой системы управления и системы безопасности.

Система безопасности ВЭУ представляет собой совокупность устройств, которые при выходе контролируемых параметров за заданные пределы безопасности берут управление на себя с тем, чтобы исключить появление ситуаций, опасных для целостности установки. Это достигается в результате самостоятельно выполняемого торможения. Таким образом, система безопасности ВЭУ представляет собой совокупность всех тормозных систем, включая измерительные устройства и датчики граничных значений.

 

8.2.Тормозная система.

 

Тормозная система - это система, которая в соответствии со своей конструкцией имеет возможность снизить число оборотов ВК и обеспечить его полную остановку или удерживать скорость вращения ВК в заданных пределах. Тормозная система охватывает все устройства, участвующие в торможении ВК, включая исполнительные органы, измерительные устройства, устройства сравнения и вспомогательное энергоснабжение.

Тормозная система может быть аэродинамической, механической, электрической, гидравлической или пневматической, а также работать на основе нескольких вышеперечисленных принципов.

 

8.3.Общая концепция безопасности.

 

Выход из строя отдельного компонента системы безопасности не должен приводить к отказу всей системы безопасности. Одновременный выход из строя двух независимых компонентов системы безопасности считается невероятным событием и поэтому не рассматривается. Если компоненты зависят друг от друга, то одновременный выход из строя этих компонентов рассматривается как простой выход из строя.

Система безопасности должна состоять, по крайней мере, из двух независимых тормозных систем. Две тормозные системы являются независимыми в том случае, если элементы первой тормозной системы не принадлежат второй тормозной системе. В этом случае выход из строя одного элемента может привести к выходу из строя одной тормозной системы, но не всей системы безопасности.

Различают рабочую тормозную систему, которая активируется в первую очередь по сигналам безопасности.

Аварийная тормозная система срабатывает тогда, когда по каким либо причинам не выполнила свою функцию рабочая тормозная система. Аварийная тормозная система в данном случае является резервирующей системой. Резервирующая система – это система, выполняющая свои функции, когда основная система с ними не справляется.

 

8.4.Рабочая тормозная система ВЭУ Р-1

 

Рабочая тормозная система ВЭУ Р-1 в качестве исполнительного механизма использует электрогидравлический привод, который входит в состав контура управления поворотом лопасти. При необходимости провести останов ВЭУ в нештатной ситуации ЦВМ САУ выдает сигнал в гидроусилитель, который переводит золотник в крайнее положение, соответствующее переводу лопасти в флюгерное положение. Жидкость поступает в соответствующую полость гидроцилиндра через полностью открытое окно гидроцилиндра, заставляя его перемещаться с максимальной скоростью в сторону флюгирования. Этот процесс называется «принудительным флюгированием». Источником энергии для этого процесса служат помимо гидронасосов гидроаккумуляторы. Для того, чтобы обеспечить функционирование этой рабочей тормозной системы использованы несколько аккумуляторов, суммарный объём жидкости в которых достаточен для перевода лопасти из рабочего положения во флюгерное.

 

8.5.Аварийная тормозная система ВЭУ Р-1.

 

В состав аварийной тормозной системы ВЭУ Р-1 входит баллон со сжатым под большим давление азотом. Если рабочая система не выполнила свои функции, в ЦВМ формируется признак аварийного останова, по которому подрывается пиропатрон в баллоне со сжатым азотом, и газ поступает непосредственно в соответствующую полость гидроцилиндра, перемещая лопасти во флюгерное положение.

 

8.6. Типы аварийных систем.

 

Кроме описанной выше на ВЭУ могут быть использованы следующие виды аварийных систем:

- механический тормоз;

- отклонение концов лопасти под действием центробежной силы при превышении угловой скорости своего предельного значения.

 

8.7.Общая концепция безопасности (продолжение)

 

Система безопасности должна приводиться в действие (активироваться) автоматически при выходе контролируемых параметров за их предельные значения и вызывать торможение установки.

По крайней мере одна система безопасности должна быть четко отделена от рабочей системы. (для ВЭУ Р-1 – аварийная система).

Выполнение функций безопасности должно иметь наивысший приоритет (для ВЭУ Р-1 это означает, что получение сигнала аварийной или отказной ситуации сразу же останавливает рабочие алгоритмы и включает алгоритмы аварийные или отказные).

 

8.8.Общая концепция безопасности применительно к ВЭУ Р-1

 

На ВЭУ Р-1 осуществлено практически полное разделение рабочей тормозной системы и аварийной тормозной системы. Только гидроцилиндр является у них общим. Для реализации общей концепции безопасности в системе управления ВЭУ Р-1 используются две ЦВМ: ЦВМ САУ и ЦВМ СКД (СКД – система контроля и диагностики).

Если собственный автоконтроль покажет, что ЦВМ САУ неисправна (а методы такого контроля существуют, включая периодическое тестирование), то управление передается второй ЦВМ, в которой заложена логика управления при отказных ситуациях.

С точки зрения системы безопасности ЦВМ СКД является резервирующей системой.

После срабатывания системы безопасности новый запуск может осуществляться только после обследования ВЭУ.

Пользователь или ремонтники должны недвусмысленно убедиться, что остановка ВЭУ произошла по вполне определённой причине. Если в работе ВЭУ встречается ошибка неизвестного происхождения либо не исключено повреждение или неправильное функционирование элементов, участвующих в обеспечении безопасности, то ВЭУ должна автоматически прекратить работу и перейти в безопасное состояние. Под обследованием (квитированием) понимают вмешательство человека в смысле проведения необходимого ремонта и устранения причины возникновения нарушения с последующим переводом ВЭУ в рабочее состояние.

 

8.9. Требования к тормозной системе.

 

1). Тормозная система должна включаться без временной задержки. «Без временной задержки» означает, что после получения сигнала на торможение должны начаться операции по приведению в действие тормозной системы.

2). Тормозная система должна оставаться в рабочем состоянии даже при выходе из строя внешнего энергоснабжения.

3). Тормозная система должна действовать автоматически.

4). Функции безопасности должны иметь приоритеты. Если одна и та же система используется как рабочая и как тормозная, то функциям торможения должно отдаваться предпочтение. В частности, при выполнении функции торможения управляющие сигналы от привода должны быть отключены.

5) По крайней мере одна из тормозных систем должна использовать аэродинамическое торможение.

6) Система измерения угловой скорости должна быть установлена на медленно вращающейся части. Такие же требования предъявляются к тормозу.

7). При торможении, связанным с выполнением функций безопасности, СГЭЭ должна отключаться (по крайней мере, при использовании асинхронного генератора).

 

 

8.10. Сигналы безопасности.

 

Сигналы безопасности – это сигналы, которые вырабатывает система безопасности при выходе контролируемых параметров за установленные пределы.

Каждый из сигналов безопасности формируется путём контроля за определённым параметром, величина которого измеряется соответствующим датчиком.

Контролируемые параметры.

 

8.10.1. Число оборотов (угловая скорость).

 

Это один из самых основных контролируемых параметров. Измеряется датчиком оборотов и датчиком угловых скоростей. Иногда нет необходимости в каждой тормозной системе использовать датчик оборотов. Например, в системе торможения может быть использован центробежный регулятор, который сам является и измерительным и исполнительным органом.

Характерные скорости вращения ВК:

- п ₁ - минимальное рабочее число оборотов ВК;

- п ₂ – максимальное рабочее число оборотов ВК;

- [ п _1, п ₂] – рабочая область оборотов ВК;

- п ₀ – число оборотов отключения, такое число оборотов, при которых задействуется рабочая тормозная система.

- п _а – аварийное число оборотов, при достижении которых со стороны системы безопасности должно осуществляться немедленное торможение;

- п _max – максимальное число оборотов системы, это число оборотов не должно достигаться ни при каких условиях даже на короткое время, максимальное число оборотов используется при прочностных расчётах, при этом величина п _max должна учитывать возможный резонанс системы.

Эти характерные частоты можно представить на диаграмме:

 

 

 

 

      

8.10.2_. Мощность.

Под контролируемым параметром мощности будем понимать электрическую мощность, измерение которой осуществляется соответствующим датчиком – датчиком мощности. Будем различать среднее значение мощности (за 10 с) и мгновенное значение, которое должно измеряться, как минимум, один раз в секунду.

       Измеренное значение средней мощности рассматривается в совокупности с числом оборотов как мера загрузки всей установки. Оно может быть использовано в качестве дополнительного сигнала к началу мероприятий безопасности. Если значение средней мощности или максимальной мощности превысят заданные пределы безопасности, то автоматически должны выполняться защитные мероприятия. Эти мероприятия зависят от концепции безопасности установок, однако в любом случае ВЭУ должна быть выключена, т.е. должна быть прекращена выработка электроэнергии и выполнены дополнительные мероприятия (торможение, перевод лопасти во флюгерное состояние и т.д.).

       В качестве пределов безопасности может быть принято 20% превышение средним значениям и 50% превышение мгновенным значениям максимальной мощности.

 

8.10.3. Скорость ветра.

 

       В случае, когда система управления использует в качестве входной величины скорость ветра, должна быть предусмотрена надежная система измерения скорости ветра, а сама величина скорости ветра используется в качестве контролируемой в системе безопасности. Как и для мощности, в качестве контролируемого параметра может использоваться мгновенная скорость ветра и средняя скорость ветра как значение горизонтальной составляющей скорости ветра за выбранный промежуток времени, определяемая как отношение суммы измеренных значений мгновенной скорости ветра к числу измерений.

 

8.10.4. Вибрации.

 

       Под вибрацией следует понимать вынужденные колебания ВЭУ, вызванные дисбалансом, а также работой установки вблизи резонансных частот. Дисбаланс может быть вызван повреждениями, ошибками (например, разные углы установки лопастей) или внешними причинами (такими, как обледенение лопастей ветроколеса).

       Колебания должны постоянно измеряться и сравниваться по амплитуде с предельным значением. Устройство измерения должно быть расположено на уровне гондолы эксцентрично к оси башни. Главной целью замера колебаний является своего рода контроль общего состояния ВЭУ. Если получен слишком высокий уровень вибраций, то можно сделать заключение о неисправности ВЭУ.

 

8.10.5. Температура.

 

       Превышение граничного значения температуры на отдельных частях электрической машины (например, статоре, подшипниках генератора и т.д.) свидетельствуют о нерасчетном режиме работы ВЭУ и требуют соответствующей реакции со стороны системы безопасности.

 

 

8.10.6. Параметры гидросистемы.

 

       В качестве контролируемых следует использовать основные параметры гидросистемы, такие как давление в гидросистеме, уровень рабочей жидкости в баке, температура масла в баке и т.д.

 

8.11. Отказные ситуации.

 

Определение: под отказной ситуацией понимается такое состояние ВЭУ, при котором обнаружены неисправности систем ВЭУ или выход контролируемых параметров за заданные пределы безопасности.

Отказные ситуации не всегда приводят к задействованию системы безопасности. Поэтому поведение системы в отказных ситуациях охватывает более широкий круг режимов работы ВЭУ, чем режимы, связанные с задействованием системы безопасности.

Отказных ситуаций может быть очень много, но возможные реакции на них весьма ограничены:

1). Аварийный останов.

2). Принудительное флюгирование.

3). Работа в режиме пониженной мощности.

4). Работа при частичном отказе.

Отказные ситуации и реакции их возникновения применительно к ВЭУ Р-1 приведены в таблице.

 

 

Отказные ситуации

Таблица

Реакция системы	Условия появления	Действия	Сигнал ВЭС	Обследование	Примеч.
1	2	3	4	5	6
Аварийный останов Формируется на всех режимах работы, кроме режима ожидания	1. Признак пожара 2.n>n a –превыш. оборотов. 3. Отсутствие напряжения ССН 4. Уровень масла и давление в гидросистеме ниже критического 5. Не стопорится лопасть	Отключается СГЭЭ. Задействуются одновременно принудительное флюгирование и аварийный останов. Выключаются управляющие сигналы на ОПУ и снимается питание. Выключаются все остальные подсистемы, снимается питание ССН. Отключается САУ через 20 с.	«Авария»	+
Принуди-тельное флюгирование	1. Отказ ЦВМ САУ 2. Отказ ЦВМ СКД 3. Обледенение 4. Авария СГЭЭ 5. Превышение температуры (генерат., масла) 6. Неисправн. более одного насоса 7. n2 < n <n a 8. Отсутствует расстопорение гондолы 9. Ускорение гондолы >2 м/с2	Задействуется принудительное флюгирование. Торможение заканчивается переходом в режим останова, последовательно отключаются все системы ВЭУ.	«Авария»	+	При отказе ЦВМ САУ управление осуществляет ЦВМ СКД
Пониж. мощность	Авария преобразователя частоты	СГЭЭ переходит в асинхронный режим с постоянной частотой вращения. Алгоритмы САУ переключаются на режим работы Nmax = 800 квт.	Неисправность	+
Частичный отказ	1. Отказ одного насоса. 2. Отказ в измерении температуры и скоростного напора СИПВ	Функции отказавшего насоса передаются другому. В алгоритмах работы САУ задействуются режимы работ без использования информации о температуре и скоростном напоре	Неисправность	+

8.12.Диаграмма характерных частот

 

       В курсовой работе необходимо изложить идеологию построения системы безопасности применительно к рассматриваемой ВЭУ (при этом нет необходимости переписывать весь материал по системе безопасности, который изложен в этой главе настоящего пособия; необходимость его приведения связана с отсутствием доступной литературы по этому вопросу).

       Кроме того, в разделе «Система безопасности» должна быть приведена диаграмма характерных угловых скоростей ВК, построенная по статическим характеристикам ВЭУ и величины перерегулирования, полученной при расчете режима торможения.

 

Литература

1. Сабинин Г.Х. Промышленная аэродинамика, сборник № 8. Ветродвигатели. - М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1957.

2. Синица С.П. Аппроксимация однопараметрического семейства кривых при построении модели объекта для исследования систем управления ветроэнергетическими установками. Международный университет природы, общества и человека «Дубна», 2006.

3. ГОСТ Р51237-98. Ветроэнергетика. Термины и определения. – М.: Госстандарт России, 1999.

4. Ветровые турбогенераторные системы. Требования безопасности. – М.: Госстандарт Росси, 2003.