Регулируемые параметры и способы регулирования

Задача автоматизации паротурбинных установок и основы регулирования частоты вращения ротора турбины

Автоматизация судовых паротурбинных установок

Регулируемые параметры и способы регулирования. Современные паротурбинные установки оснащают средствами автоматики, обеспечи­вающими управление, регулирование, защиту и контроль работы главных, вспомогательных турбин и обслуживающих их систем. Сис­тема управления позволяет дистанционно либо автоматически произ­водить пуск, остановку, реверсирование и изменение режимов работы различных турбоагрегатов в соответствии с алгоритмом их функциони­рования.

Составной частью системы управления паровой турбины является АСР частоты вращения и давления пара в концевых уплотнениях ро­тора, давления и температуры масла.

Автоматическая защита обеспечивает закрытие БЗК, управляю­щего подводом пара к турбине, при предельных отклонениях крити­ческих параметров, что позволяет предотвратить аварию турбины.

Одним из основных регулируемых параметров турбины является частота вращения ротора, которая должна поддерживаться на задан­ном уровне. При установившемся режиме крутящий момент Мд, раз­виваемый турбиной, и момент сопротивления Мс (необходимый для привода гребного винта, электрического генератора, насоса и т.д.) равны, а частота вращения n0 неизменна.

В условиях эксплуатации момент сопротивления может изменяться произвольно, в зависимости от нужд потребителей. Тогда для поддержания заданной частоты вращения необходимо однозначно изменять крутящий момент турбины. Для этого изменяют количество подаваемого пара (открытием либо закрытием отдельных групп сопел) — количественное регулирование или изменением параметров пара пу­тем его дросселирования (изменения степени открытия маневрового клапана) — качественное регулирование. Первый способ более эконо­мичен, однако не обеспечивает высокой точности поддержания часто­ты вращения; его применяют при работе турбин на продолжительных установившихся режимах с частичной нагрузкой. Второй способ мо­жет обеспечить высокую точность поддержания частоты вращения, однако менее экономичен. При автоматизации ТГ иногда применяют од­новременно оба способа автоматического регулирования, но в этом случае необходимо устанавливать специальный РО, довольно сложный по устройству.

В главных турбинах обычно количественное регулирование осу­ществляют изменением числа работающих сопел вручную, а качест­венное — автоматически путем дросселирования пара. Рассмотрим работу ГТЗА с прямой передачей мощности на гребной ВФШ.

Предельная схема включения регулятора

При полном открытии маневрового и сопловых клапанов зависимость развиваемых турбиной крутящих моментов от частоты вращения ротора (рис. 6, а) опреде­ляется характеристикой mн подвода. Характеристикой отвода являет­ся «нормальная» винтовая характеристика ОВ, показывающая зависи­мость крутящего момента, необходимого для вращения винта с часто­той п. Тогда установившийся режим ГТЗА — ВФШ при номинальной скорости судна определится параметрами точки В (Мд.н =Мс.н: nn) — точки пересечения этих характеристик.

С увеличением сопротивления движению корпуса судна (движение во льдах, против ветра, по мелководью и т. д.) возрастает нагрузка и характеристика отвода смещается в положение ОА, что соответствует характеристике «тяжелого» винта. Тогда при том же открытии клапа­нов на подводе пара появляется разность крутящих моментов, под дей­ствием которой скоростной режим ГТЗА — ВФШ изменяется по харак­теристике АВ турбины и в точке А (Мд1=Мс1: n1) наступает уста­новившийся режим. Несмотря на снижение частоты вращения турбина работает с большей нагрузкой по крутящему моменту.

С уменьшением нагрузки (при оголении винта в штормовых усло­виях) винтовая характеристика смещается в положение ОД («легкий» винт) и скоростной режим изменяется по характеристике BD. Если ус­ловно принять, что характеристика винта останется на некоторое время в этом положении, то в точке D (МД4=МС4: n4) наступит устано­вившийся режим.

Рисунок 6 – Статические характеристики комплекса ГТЗА – ВФШ – АСР.

Следовательно, комплекс ГТЗА — ВФШ с точки зрения частоты вращения обладает положительным саморегулированием, т. е. являет­ся устойчивым объектом. Однако при сбросе нагрузки частота враще­ния n4 может достичь недопустимых пределов, грозящих аварией, т. е. ГТЗА может пойти вразнос. Предотвратить это можно установкой регу­лятора частоты вращения, выполняющего функции ограничителя. Его настраивают таким образом, чтобы при росте частоты вращения на 3-5 % сверх номинальной nп он вступал в работу и ограничивал пода­чу пара в турбину. Тогда при сбросе нагрузки вначале скоростной ре­жим изменяется по линии ВС, а затем при частоте вращения n2 в ра­боту вступает регулятор и по регуляторной характеристике СЕ воздействует на РО в сторону уменьшения подачи пара к турбине. Ус­ловный установившийся режим наступает в точке Е (Мд3=Мс3: n3) пересечения регуляторной характеристики СЕ с «легкой» винтовой характеристикой 0D, а регулятор устанавливает РО в промежуточное положение, что соответствует работе ГТЗА по характеристике m1. С ростом нагрузки (при погружении винта в воду) частота вращения сни­жается, и при значении n2 регулятор увеличивает подачу пара до но­минальной, а сам выключается из работы.

Схема включения регулятора, при которой он вступает в работу и ог­раничивает подвод энергии к ОР только при росте частоты вращения выше номинальной, называется предельной.

На турбинах по предельной схеме включаются обычно однорежим­ные ограничительные регуляторы частоты вращения и предельные вы­ключатели системы защиты, воздействующие на БЗК.

Однорежимным называется регулятор, который может поддержи­вать только одну заданную частоту вращения в пределах статической неравномерности. В таких регуляторах предусматривается подстройка (изменение задания) в очень узком диапазоне частоты вращения. При этом статическая характеристика АСР (регуляторная) смещается па­раллельно самой себе.

На некоторых паровых турбинах установлены однорежимные ста­тические ограничительные регуляторы непрямого действия с ЖОС, об­ладающие неравномерностью δ=5%. Причем при значительном сбро­се нагрузки они не обеспечивают полного закрытия БЗК и остается некоторый минимальный подвод пара к турбине.

Для полного исключения аварии турбины предусматривается авто­матическая защита по максимально допускаемой частоте вращения. Рост частоты вращения на 13—15% сверх номинальной приводит к срабатыванию предельного выключателя (регулятора безопасности) и полному закрытию БЗК. При правильной настройке и нормальной ра­боте ограничительный регулятор должен удерживать частоту вращения в пределах, при которых предельный выключатель не вступает в работу.

Всережимная схема включения регулятора.

Для перехода судна с ПТУ и ВФШ с одного скоростного режима на другой необходимо изме­нять частоту вращения винта, а следовательно, и турбины. В совре­менных ПТУ этот процесс автоматизирован — производится через всережимный регулятор частоты вращения изменением уставки его задания.

Всережимным называется регулятор, который может поддерживать любой заданный скоростной режим от минимально устойчивой частоты вращения вала двигателя до номинальной с точностью, определяемой его нечувствительностью и неравномерностью. Возмущением в таких регуляторах может быть изменение как частоты вращения, так и зада­ния.

Всережимный регулятор паротурбинной установки с ВФШ, дрос­селируя пар в маневровом клапане, может поддерживать заданную частоту вращения вала в диапазоне от режима полного хода судна до 1—2 % этого значения на режимах самого малого хода. В этом случае всережимный регулятор включается в работу по всережимной схеме, при которой непрерывным воздействием регулятора на РО объекта ре­гулирования стабилизируется заданная частота вращения.

Рассмотрим работу ГТЗА — ВФШ с все режимным регулятором, включенным по всережимной схеме. На режиме малого хода судна (рис. 6, б) установившийся режим характеризуется точкой L пере­сечения регуляторной характеристики R1 с нормальной винтовой ха­рактеристикой 2. Регулятор поддерживает заданную частоту вращения n1, удерживая приоткрытым маневровый клапан, что соответствует работе турбины по частичной характеристике m1.

Для перехода на режим среднего хода необходимо увеличить уставку задания регулятора. Чтобы понять сущность переходного процесса, мгновенно увеличим задание регулятору, что приведет к смещению регуляторной характеристики в положение R2. В этом случае регулятор, стремясь поддержать вновь заданную частоту вращения, полностью от­крывает маневровый клапан, и ГТЗА с ВФШ будут разгоняться внача­ле по характеристике FG турбины, затем регулятор начинает умень­шать подачу пара, и разгон продолжается по регуляторной характе­ристике R2. В точке К после того, как закончится разгон ГТЗА с ВФШ и корпуса судна, наступает установившийся режим. Регулятор поддерживает частоту вращения n2, а турбина работает по частичной характеристике m2.

При изменении нагрузки винтовая характеристика может сместить­ся в положения 1 или 3, а регулятор поддерживает заданную частоту вращения в пределах статической неравномерности и нечувствитель­ности, непрерывно воздействуя на маневровый клапан.

Для перехода на режим полного хода увеличивают задание регуля­тору до номинального значения, что приводит к смещению регулятор­ной характеристики в положение RH. Переходный процесс происходит аналогично рассмотренному.

В условиях эксплуатации разгон турбины во времени производят медленно постепенным увеличением задания регулятору, с тем чтобы исключить механическую и тепловую перегрузки ГТЗА.

При работе ГТЗА в комплексе с гребным ВРШ установка всережимного регулятора, включенного по всережимной схеме, обязательна. Объясняется это тем, что скоростной режим судна меняется не только изменением частоты вращения ВРШ, но и изменением угла разворота его лопастей. С уменьшением шага винтовые характеристики стано­вятся пологими, а нагрузка уменьшается. При нулевом развороте ло­пастей ВРШ нагрузка минимальная, а регулятор поддерживает задан­ную частоту вращения в пределах неравномерности АСР.

В автоматической системе регулирования частоты вращения турбо­генератора устанавливают однорежимные регуляторы, обеспечивающие поддержание заданной частоты вращения вала и частоты тока в элект­рической сети в пределах допускаемой статической неравномерности, а включают их по всережимной схеме.