Регуляторы частоты вращения турбин

Регулятор, стабилизирующий частоту вращения, является первичным ре­гулятором турбины. Он автоматически изменяет движущий момент тур­бины, воздействуя через регулирующий орган на изменение расхода энерго­носителя (пара, газа, воды). В качестве регулирующего органа тепловой турбины при­меняются регулирующие клапаны, гидротурбины – направ­ляющий аппарат, поворотно-лопастной гидротурбины – направляющий ап­парат и лопасти рабо­чего колеса.

Первоначально, когда электростанции с небольшим количеством генерато­ров работали на изолированную нагрузку, первичный регулятор имел одно целевое назначение – поддержание в заданных пределах частоты вращения (угловой скорости) турбины и, следовательно, частоты перемен­ного напряже­ния генератора при изменениях нагрузки.

В современных энергосистемах первичный регулятор турбины является одним из основных элементов (по существу, исполнительным устройством) общей многофункциональной системы автоматического и оперативного регу­лирования режима энергосистемы по частоте и активной мощности.

Автоматические регуляторы частоты вращения – АРЧВ выполняются как регуляторы косвенного действия с гидравлическими усилителями, но на раз­личных элементных базах с существенными конструктивными отли­чиями. Однако, все они входят в состав САР «по отклонению» и имеют оди­наковую функциональную схему (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Функциональная схема системы регулирования

частоты вращения

На схеме обозначено:

Т – турбина – объект регулирования; стрелками указаны: регулируемая вели­чина – частота вращения, возмущение – активная мощность генератора, – управляющее воздействие, определяющее механическую мощность турбины;

ИУ – исполнительное устройство, состоящее из гидравлического исполни­тельного механизма (ГИМ) и регулирующего органа (РО).

Регулятор содержит следующие основные функциональные элементы:

ИО – измерительный орган – датчик отклонения частоты вращения от задан­ного значения; его выходной сигнал:

;

У – усилительно-преобразовательное устройство – полупроводниковый, маг­нитный, гидравлический усилитель;

ЖОС, ГОС – жесткая и гибкая местная обратная связь по положению глав­ного или вспомогательного ГИМ; в установившемся режиме выходной сиг­нал - отклонение от первоначального значения:

;

ЗУ – задающее устройство – механизм изменения частоты вращения – МИЧВ (иначе – механизм изменения скорости вращения – МИСВ, числа оборотов – МИЧО, механизм регулирования оборотов – МРО, механизм управления тур­биной – МУТ); выходной сигнал .

Особенностью АРЧВ является то, что У с ИУ представляют собой интег­рирующее звено, т.е. в конце процесса регулирования сигнал на его входе равен нулю:

.

Отсюда условие установившегося режима – закон регулирования:

.

При первичном регулировании , и закон регулирования имеет вид (см. 5.6.):

,

где . Если отключить ЖОС, то , s = 0, и закон регулирования имеет вид , при этом ГОС обеспечивает устойчивость регулирования.

В конце стадии вторичного регулирования и ЗУ используется для из­менения мощности:

.

При работе на изолированную сеть и с помощью ЗУ изменяют час­тоту:

.

К вспомогательным функциональным элементам, которые на рис. 5.6 не показаны, относятся: механизм ограничения открытия направляющего аппа­рата, механизм управления комбинатором поворотно-лопастной гидротур­бины и др.

По роду используемых приборов (элементной базе) различают следую­щие типы регуляторов частоты вращения:

· механогидравлические,

· электрогидравлические.

Механогидравлические регуляторы подразделяются на центробежные и гидродинамические в зависимости от вида датчика отклонения частоты враще­ния. В центробежных – это центробежный маятник, сигналы – меха­нические перемещения; в гидродинамических – центробежный насос, соз­дающий давле­ние масла, зависящее от частоты вращения турбины.

Электрогидравлические регуляторы (ЭГР) используют электрические элементы (магнитные усилители, транзисторные усилители, интегральные микросхемы, микроконтроллеры) для построения измерительных преобра­зова­телей, предварительного усилителя, устройства коррекции в виде жест­кой и гибкой местных обратных связей, задающего устройства.

Рассмотрим конкретные примеры.

Центробежный регулятор частоты вращения. Принципиальная кине­матическая схема простейшего центробежного регулятора частоты враще­ния с жесткой обратной связью показана на рис. 5.7,а. Обозначения функ­циональ­ных элементов соответствуют рис. 5.6. Передача сигналов-переме­щений – рычажно-шарнирная.

Рис. 5.7. Кинематическая схема центробежного регулятораnчастоты вращения:

а – с жесткой обратной связью; б – гибкая обратная связь

Регулятор по кинематической схеме работает следующим образом. При изменении частоты вращения турбины Т, например в сторону уменьшения, измерительный преобразователь ИО (центробежный маятник) перемещает муфту из А₀ в положение , а поршень золотникового усилителя У из сред­него положения (N₀) вниз (N΄). Масло под давлением подается в нижнюю по­лость гидравлического исполнительного механизма – ГИМ, а из верхней по­лости идет на слив. Поршень ГИМ, перемещаясь, воздействует на регули­рую­щий орган – РО турбины, увеличивая впуск энергоносителя. Это регу­лирую­щее воздействие увеличивает P_мех и частоту вращения, что приводит к пере­мещению точек А и С рычага АВ из и вверх. Одновременно на перемеще­ние точки С оказывает влияние перемещение поршня ГИМ благо­даря жесткой обратной связи ЖОС.

Связь между перемещениями точек А, В и С из исходного положения оп­ределяется выражением

^.

Регулирование будет продолжаться до тех пор, пока поршень золотнико­вого усилителя, а следовательно, и точка С не займут вновь ней­тральное поло­жение, при котором окна золотника закрыты. Поэтому в уста­новившемся ре­жиме:

.

Можно принять, что

, .

Тогда условие установившегося режима – закон регулирования агре­гата:

где – положительный коэффициент статизма.

Для смещения характеристики регулирования частоты вращения (зави­си­мости f от P) вдоль оси f служит задающее устройство ЗУ. Перемещая с помо­щью ЗУ точку М вверх (вручную или автоматически с использованием двига­теля Д), воздействуют на поршень золотника, перемещая его вниз. Увеличение впуска энергоносителя приведет к увеличению частоты враще­ния при работе генератора на изолированную нагрузку. При работе генера­тора в энергосис­теме (при неизменной частоте) с помощью ЗУ можно изме­нять нагрузку агре­гата в пределах его регулировочного диапазона – вторич­ное регулирование (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Влияние задающего устройства АРЧВ

а – в изолированной сети; б – в энергосистеме

Для астатического регулирования частоты применяют вместо жесткой гибкую обратную связь ГОС (рис. 5.7,б), состоящую из гидравлического демп­фера (цилиндр, заполненный маслом, с поршнем; верхняя и нижняя полости цилиндра сообщаются через трубку с малым регулируемым отвер­стием) и пружины, образующих так называемое изодромное устройство (ГОС).

При перемещении поршня ГИМ изодромное устройство в начале про­цесса регулирования ведет себя как жесткая обратная связь (поршень не может бы­стро переместиться в цилиндре демпфера), чем предотвращается перерегули­рование. Затем под действием пружины, стремящейся вернуться в первона­чальное недеформированное состояние, поршень демпфера посте­пенно пере­мещается, вытесняя масло из одной полости демпфера в другую. Процесс ре­гулирования закончится тогда, когда поршень золотника и изо­дромное уст­ройство займут первоначальное положение, т.е. , , а следова­тельно, . Последнее свидетельствует о том, что частота враще­ния тур­бины вернулась к первоначальному значению.

Гибкая обратная связь может применяться вместе с жесткой обратной свя­зью для улучшения качества процесса регулирования и обеспечения за­данного статизма.

Электрогидравлический регулятор (ЭГР) частоты вращения.

Упрощенная схема варианта ЭГР приведена на рис. 5.9. Обозначения функциональных элементов соответствуют рис. 5.6. Сигналами в электриче­ской части ЭГР являются напряжения и токи.

Схема питается от вспомогательного генератора ВГ, установленного на одном валу с турбиной. Частота напряжения ВГ пропорциональна час­тоте вращения агрегата.

Рис. 5.9. Упрощенная принципиальная схема ЭГР

В качестве измерительного органа ИО используются параллельно вклю­ченные L1, C1, настроенные в резонанс при номинальной частоте , с транс­форматором Тр1 и конденсатором С2.

На рис. 5.10 показаны частотные характеристики ИО – зависимости то­ков резонансного контура от частоты (рис. 5.10,а) и векторные диаграммы напря­жений и токов при различных знаках отклонения частоты: и .

Токи резонансного контура:

; ; .

При значение I₁ = 0; при имеет емкостный харак­тер, т.е. опережает на 90 эл.град; при имеет индук­тивный характер, т.е. отстает от на 90 эл.град. Индексы (п) и (с) означают повышение и снижение частоты. Напряжение на конден­саторе С2, по которому проходит трансформированный ток , пропор­ционально этому току и отстает на 90 эл.град. Как видно из рис. 5.10, совпадает по фазе с , находится в противофазе с , а их значения пропорцио­нальны , следовательно,

.

Рис. 5.10. Частотные характеристики ИО

Потенциометрический датчик П1 с трансформатором Тр2 образуют за­дающее устройство ЗУ:

.

Изменение задания осуществляется двигателем Д (вторичное регули­ро­вание).

Датчик П2 с трансформатором Тр3 являются элементами жесткой обрат­ной связи ЖОС по положению гидравлического исполнительного ме­ханизма ГИМ, изменяющего мощность турбины:

.

В исходном установившемся режиме настройкой П1 и П2 обеспечива­ется равенство:

.

Гибкая обратная связь ГОС образована дифференцирующей цепью С3, R1, подключенной через сглаживающий фильтр Ф, выпрямитель В3, транс­форма­тор Тр5 и потенциометрический датчик П3 к ГИМ.

Суммирование сигналов в СЭ алгебраическое, так как все напряжения коллинеарны :

.

Это напряжение подается в диагональ фазочувствительной схемы (Тр4, В1, В2):

; .

Если , то выходные токи усилителя У тоже не равны . Если , то элек­тромагнитный привод (ЭП), уравновешенный пружиной П, перемещается вверх; если , то вниз. Через гидравлические усилители ГУ1, ГУ2 и ГИМ воздей­ствие передается на регулирующий орган (РО). По­скольку ГУ являются интегрирующими звеньями, то регулирование прекра­тится, т.е. наступит уста­новившийся режим при условии : .

Следовательно, закон регулирования:

.

При первичном регулировании , и закон регулирования имеет вид

, .

Если отключить ЖОС, то k_ЖОС = 0 и s = 0, т.е. регулирование астатиче­ское, а ГОС обеспечивает устойчивость регулирования.

При вторичном регулировании, когда ,

.

При работе на изолированную сеть и с помощью ЗУ изменяют час­тоту:

Анализ устойчивости САР с АРЧВ выполним, используя структурно-ал­горитмическую схему на рис. 5.11.

Эквивалентная передаточная функция встречно-параллельного соедине­ния звеньев – интегрирующего, соответствующего усилителю и исполни­тель­ному устройству, и реального дифференцирующего, соответствующего ГОС– имеет вид

,

Рис. 5.11. Структурно-алгоритмическая схема САР с АРЧВ

где ; при всех значениях парамет­ров.

Передаточная функция разомкнутой системы имеет вид

, где .

Характеристическое уравнение замкнутой системы представим в виде

,

после раскрытия скобок

.

Необходимое условие устойчивости – положительность всех коэффи­циен­тов – выполняется.

Достаточное условие устойчивости – положительность определителя Гур­вица 2-го порядка также выполняется:

Поскольку при всех значениях параметров , то ,что озна­чает, что система устойчива при любых значениях параметров, что яв­ляется её достоинством.