Статическая характеристика

Рассмотрим схему простейшей системы регулирования частоты вращения (рис.97).

Валик регулятора приводится в движение от вала турбины. На нем расположена муфта, которая может перемещаться вдоль него под действием приложенных сил. Грузы регулятора при вращении под действием центробежных сил стремятся разойтись и сдвинуть муфту влево. Фиксированное положение муфты на регуляторном валике будет тогда, когда центробежная сила, развиваемая грузами, уравновесится усилием в пружине растяжения. Если частота вращения увеличивается, то грузы расходятся, если уменьшается – пружина 2 перемещает муфту вправо. Совокупность муфты, грузов и пружины представляет собой регулятор скорости.

К муфте через шарнир присоединен рычаг, поворачивающийся вокруг неподвижного шарнира и, тем самым, перемещающий регулирующий клапан, впускающий пар в турбину.

Рисунок 97 - Принципиальная схема регулирования частоты вращения

турбоагрегата: 1 – валик регулятора частоты вращения; 2 – пружины; 3 – грузики; 4 – муфта; 5 – рычаг; 6 – шарнир; 7 – регулирующий клапан; 8 – маховичок; 9 – пружина механизма управления

Предположим, что положение регулятора скорости и клапана турбины отвечает некоторой частоте вращения и мощности турбины. Если, например, нагрузка турбины увеличивается, то ротор турбины начнет замедлять свое вращение, центробежная сила грузов уменьшится, муфта сдвинется вправо, вследствие чего клапан турбины откроется для того, чтобы увеличить мощность турбины в соответствии с ее возросшей нагрузкой. Таким образом, турбина автоматически увеличит свою мощность до необходимой, однако ее частота вращения не вернется к прежнему значению. При изменении положения клапана изменяется положение муфты регулятора и, следовательно, натяжение пружины 2, которое может уравновесить только центробежная сила грузов при другой частоте вращения. При максимальной нагрузке турбины клапан полностью откроется, муфта займет крайнее правое положение, а частота вращения будет наименьшей.

Связь между мощностью турбины и частотой вращения n называют статической характеристикой системы регулирования. Для ее построения нужно отложить по оси абсцисс нагрузку турбины, а по оси ординат – частоту вращения. Эта зависимость изображена на рис.98 сплошной линией.

Рисунок 98 - Статическая характеристика системы регулирования

Рассмотренная схема регулирования пригодна лишь для очень маленьких турбин по причинам, которые будут рассмотрены ниже. Реальные системы регулирования характеризуются большей сложностью, однако у любой из систем имеется статическая характеристика регулирования. Характеристика называется статической потому, что она отражает установившиеся положения органов парораспределения и частот вращения (статику регулирования), не давая самих процессов перехода от одной нагрузки к другой (динамика регулирования).

Если обозначить частоту вращения турбины на холостом ходу (когда =0) через n_х.х, а при максимальной нагрузке – через n_м.н, то разность этих частот вращения, отнесенная к средней частоте вращения n₀, называется степенью неравномерности или просто неравномерностью системы регулирования:

.

Согласно ПТЭ неравномерность регулирования частоты вращения конденсационных турбин должна составлять 4,5±0,5%. Это означает, что если, например, δ=5%, а номинальная частота вращения равна 50 1/с, то при изменении нагрузки от холостого хода до максимальной частота вращения будет изменяться от 51,25 до 48,75 1/с.

Допустим, что точка А на статической характеристике (рис.98) отвечает какому-то положению системы регулирования. Представим, что внешняя нагрузка турбоагрегата растет; тогда частота вращения должна уменьшаться, клапан 7 должен открываться, однако с уменьшением частоты вращения и опусканием грузов 3 клапан начнет открываться не сразу, во-первых, потому, что центробежная сила грузов должна измениться на величину, достаточную для преодоления сил трения и, во-вторых, потому, что во всех шарнирах должны быть выбраны люфты. Таким образом, движение клапана начнется не в точке А, а в точке . Подобным же образом при уменьшении нагрузки движение клапана начнется в точке . Иными словами, действительная статическая характеристика регулирования представляет собой не линию, а область, нижняя граница которой соответствует непрерывному постепенному возрастанию мощности (нагружению турбины), а верхняя – уменьшению мощности (разгружению турбины).

Отношение ширины области Δn к номинальной частоте вращения n₀, выраженное в %, называется степенью нечувствительности регулирования:

.

Чем меньше , тем выше качество регулирования, так как малому отвечает, во-первых, большая быстрота реакции на изменение условий работы и, во-вторых, меньшая неопределенность в мощности при фиксированной частоте вращения. Действительно, нечувствительность по существу означает, что при фиксированной частоте вращения n₀ мощность турбины может произвольно изменяться на величину . В ПТЭ оговаривается, что степень нечувствительности не должна превышать 0,3% для турбин мощностью свыше 50 МВт. Однако даже при такой нечувствительности колебания нагрузки могут быть весьма существенны: если, например, турбина мощностью 800 МВт имеет неравномерность регулирования =4%, то возможные колебания нагрузки составят:

.

Тщательное изготовление, монтаж и наладка системы регулирования, а также постоянное поддержание чистоты рабочей жидкости позволяют уменьшить степень нечувствительности до 0,1-0,15%.