Л.И. Чернявский. Автоматическое регулирование паровых и газовых турбин: повышение надежности и точности систем с проточными гидроусилителями. - СПб: Энерготехника.- (Серия «Проблемы энергетики», вып. 4)
Изложены результаты исследований причин возникновения колебаний, пульсаций и нарушений линейности статических характеристик гидравлических узлов систем автоматического регулирования паровых и газовых турбин. Вызываемые действием дроссельных устройств на рабочую жидкость в проточных линиях гидроусилителей, пульсации препятствуют первичному регулированию частоты и мощности в энергосистемах. Уделено внимание физике возникновения этих отклонений, указаны способы подавления пульсаций давлений и золотников, спрямления статических характеристик гидроусилителей.
Предложены мероприятия, обеспечивающие низкий уровень пульсаций, линейность статических характеристик систем регулирования и точность регулирования в соответствии с рекомендуемыми РАО “ЕЭС России” нормами. Внедрение при проектировании и наладке разработанных мероприятий, обеспечивает одновременно повышение надежности турбинного оборудования в целом.
Для инженерно-технического персонала заводов, электростанций, пуско-наладочных организаций и научно-исследовательских институтов. Книга будет полезна специалистам по гидросистемам и гидроприводу, а также студентам и аспирантам энергомашиностроительного направления, специализирующимся в области турбостроения.
Предисловие
Системы автоматического регулирования энергетических паровых и газовых турбин, способные обеспечить надежную и экономичную работу теплоэнергетического оборудования и устойчивость межсистемных связей энергосетей, должны обладать высокой надежностью и повышенной точностью характеристик. Эти свойства характеристик должны закладываться в конструкции при проектировании и разработке технологии изготовления на заводах-изготовителях и в дальнейшем поддерживаться на требуемом уровне при работе электростанций за счет грамотной эксплуатации и квалифицированных ремонтов.
На качество работы гидравлических систем регулирования могут оказывать отрицательное влияние как нечувствительность, так и пульсации, колебания золотников и сервомоторов регулирующих органов, возникающие даже при установившихся режимах работы турбоагрегатов. Будучи значительными, эти колебания приводят к снижению экономичности и преждевременному выходу из строя турбинного и другого тепломеханического оборудования энергоблоков. Связанные с этими пульсациями изменения генерируемой мощности вызывают нерегулярные колебания частоты, нарушают нормальную работу межсистемных связей, уменьшают экономическую эффективность их использования.
Однако полное отсутствие пульсации золотников недопустимо, вследствие появления облитерации, способствующей заносу зазоров между буксами и золотниками неотфильтрованными частицами, что приводит к увеличению нечувствительности и, в конечном итоге, также к изменениям регулируемого параметра. Нежелательными являются как чрезмерная пульсация, так и ее полное отсутствие.
Всё это свидетельствует о важности и сложности проблемы влияния указанных пульсаций. С ней столкнулись все турбостроительные заводы при создании и эксплуатации своих систем регулирования, несмотря на различие схем, конструкций узлов и применение различных рабочих жидкостей (нефтяного масла, воды или огнестойкой жидкости).
На определение причин и источников колебаний, пульсаций, на их устранение (уменьшение) были направлены многочисленные исследования и наладочные работы турбостроительных заводов, ВТИ, МЭИ, ОРГРЭС и других наладочных организаций. В результате многие источники колебаний были выявлены, и некоторые причины возникновения пульсаций сервомоторов регулирующих органов могли быть устранены. Это относится к способам снижения пульсации золотников гидроусилителей и поршней сервомоторов регулирующих органов из- за пульсации давления за датчиком-насосом (импеллером) - первичным измерительным преобразователем частоты вращения. Были установлены возможности улучшения конструкции его проточной части и предложено применение значительных перекрыт специальной конфигурации по окнам отсечных золотников сервомоторов.
Широко освещено влияние на пульсацию золотников проточных гидроусилителей упругости рабочей жидкости из-за присутствия в ней нерастворённого воздуха. Выявлены условия возникновения колебаний сервомоторных устройств при существовании положительной образной связи по напорному давлению и в зависимости чувствительного элемента регулятора или управляющего органа от действующего на него давления.
Несмотря на отмеченные многочисленные работы по устранению колебаний в АСР, из поля зрения исследователей и наладчиков выпал существенный источник значительных пульсаций случайного характера, исследования которого и будут рассмотрены в данной книге. Анализ практики эксплуатации АСР турбоагрегатов разных заводов и результаты специальных исследований, выполненных автором, позволили выявить и изучить ещё один источник существенных пульсаций золотников гидроусилителей и, в связи с этим, поршней сервомоторов регулирующих органов - пульсацию давления в проточных линиях гидроусилителей из-за действия дроссельных устройств, на протекающую через них рабочую жидкость. Одновременно с изучением этого источника колебаний была обнаружена и исследована причина возникновения нелинейности статических характеристик гидроусилителей.
В последние годы, одновременно с ростом требований по обеспечению надёжной работы теплоэнергетического оборудования, возрастают требования к качеству первичного регулирования частоты, что теперь будет являться приоритетной обязанностью электростанций при подключении к ЕЭС России. На реализацию мероприятий по выполнению этих условий в последнее время (2000...2002 гг.) направлены требования приказов РАО “ЕЭС России” № 368, 553, 401 и 524.
Существующие правила технической эксплуатации электрических станций и сетей (ПТЭ), устанавливающие степень нечувствительности АСР по частоте вращения ε не более 0,3%, допускают неоднозначность величины мощности турбоагрегата ε/δ не более (5...7,5)% Νном. Теперь согласно более жёстким нормам западноевропейских систем (UCTE) регулирование частоты нормируется следующими величинами: первичное регулирование (время мобилизации до 30 с) рекомендуется обеспечивать при коэффициенте статизма δ = 4...6% и зоне нечувствительности ε = 0,04% , что соответствует величине неоднозначности ε/δ не более (1... 1,5%) Nном.
Несмотря на то, что в ПТЭ и UCTE отсутствуют требования, определяющие величину “самопроизвольных” колебаний мощности в связи с пульсацией элементов АСР, очевидно, что эта величина не должна превышать допустимых значений ε/δ, определяемых нечувствительностью.
Ленинградский металлический завод в процессе совершенствования систем регулирования с учётом данных об отрицательных особенностях проточных линий, начиная с 70...80-х гг., пошёл на существенное сокращение числа проточных гидроусилителей. В настоящее время в новых электрогидравлических АСР завода вообще отсутствуют проточные гидроусилители с переменным расходом рабочей жидкости в. статических условиях.
Однако существует большое число турбин других заводов, продолжающих выпуск систем регулирования на базе прогонных гидроусилителей. В эксплуатации находится огромный парк турбин ЛМЗ прежних выпусков с АСР на базе проточных гидроусилителей. Поэтому для выполнения квалифицированных наладок и испытаний, устранения причин, вызывающих колебания регулирующих органов из-за пульсаций давления в проточных линиях в гидравлической части АСР, требуется знание особенностей этого источника колебаний.
Монография посвящена подробному рассмотрению источника пульсаций золотников и сервомоторов - пульсации давления в проточной линии гидроусилителя у рабочей поверхности золотника, вызванной действием дроссельных устройств на протекающую через них жидкость и причинам возникновения нелинейности статических характеристик.
В первой главе кратко рассматриваются известные ранее источники и причины колебаний в системах регулирования паровых и газовых турбин, указываются способы снижения уровня этих колебаний до допустимого по нормам эксплуатации. Упоминаются работы по исследованию пульсаций скоростей и давлений в гидроканалах, возникающих из-за действия на поток жидкости местных сопротивлений.
Во второй главе рассматривается измерительная аппаратура, разработанная автором и применяемая для регистрации пульсаций давлений и перемещений в гидроусилителях АСР на электростанциях и заводских стендах, описаны методики измерений и обработки результатов опытов с целью получения статистических характеристик процессов пульсаций.
Третья глава посвящена исследованию пульсации золотников и сервомоторов паровых и газовых турбин в связи с действием на рабочую жидкость дроссельных устройств в условиях эксплуатации на электростанциях, а также исследованию пульсаций штатных гидроусилителей на стенде регулирования лаборатории паровых и газовых турбин АО ЛМЗ.
В четвёртой главе даётся описание экспериментальной установки, приведены результаты экспериментальных исследований пульсации давления на модели проточной линии между двумя дроссельными диафрагмами, даны вероятностные характеристики процесса пульсаций, показано влияние на амплитуду пульсации величины давления, конфигурации входа и параметров диафрагм, а также дроссельных сопротивлений за первой диафрагмой.
Пятая глава посвящена исследованию пульсаций давления в реальной проточной линии гидроусилителя и связанной с ней пульсации его золотника. Приводятся вероятностные характеристики пульсации давления и золотника. Даны экспериментально обоснованные зависимости, которые могут быть использованы при проектировании гидроусилителей АСР турбин для предварительной оценки амплитуды пульсации золотников по известным параметрам гидроусилителя и процесса пульсации давления.
В шестой главе рассматривается влияние различных конструктивных факторов и специальных устройств на пульсацию золотников и сервомоторов регулирующих органов, даны параметры гидроусилителей и устройств, обеспечивающие снижение уровня пульсации золотников и сервомоторов из-за воздействия дроссельных диафрагм.
В седьмой главе рассматривается влияние параметров и конфигурации проточных окон на линейность статических характеристик гидроусилителей.
Книга предназначена для заводских специалистов по системам регулирования паровых и газовых турбин, занимающихся проектированием, наладкой и доводкой гидравлической части новых и штатных систем регулирования. Она может быть использована конструкторскими, монтажными и наладочными отделами ремонтных организаций, выполняющих модернизацию, ремонт и наладку систем регулирования. Материалы книги могут оказать помощь эксплуатационному и, особенно, ремонтному персоналу электростанций при проведении ремонтных и наладочных работ. Отдельные ее разделы будут полезны студентам, аспирантам и преподавателям вузов, а также сотрудникам научно-исследовательских организаций.
Основные обозначения
ε - степень нечувствительности, статистическая ошибка
μ - коэффициент расхода
Σ — символ суммы
σ - среднее квадратическое значение
τ - время
ω - частота вращения, колебаний
φβ — относительное содержание воздуха в масле
Индексы
в - воздух
кр - критическое значение
max - максимальное значение
н - номинальное значение
о - начальные параметры
1,2,3 - номер датчика, опыта и проч.
Сокращения в тексте
АСР - автоматическая система регулирования
ВВС - фирма Броун-Бовери
ВТИ - Всероссийский теплотехнический институт
ГУ - гидравлический усилитель
ЛМЗ - Ленинградский Металлический завод
МЭИ - Московский энергетический институт
МЭК - международная электротехническая комиссия
НЗЛ - Невский машиностроительный завод
ОРГРЭС - трест по организации и рационализации электрических станций и сетей
ПТЭ - правила технической эксплуатации электрических станций и сетей
ХТГЗ - Харьковский турбинный завод
