Амплитуды и характер пульсации золотников и сервомоторов турбин на электростанциях
Изучение пульсации гидроусилителей систем регулирования турбин ЛМЗ типа К-50-90 (5 турбин), ПТ-60-90 (130) (10 турбин), К-200-130 (24 турбины) проводилось на Василевической ГРЭС, Ворошиловградской ГРЭС, Змиевской ГРЭС, Рижской ТЭЦ, Салаватской ТЭЦ, Краматорской ТЭЦ и на других электростанциях [21, 40]. Схемы и описания указанных АСР приведены в [1,2, 5,21,37]. На рис. 3.1 изображена интересующая нас часть контура регулирования скорости турбины типа К-200-130 с дифференциатором.
Рис. 3.1. Система регулирования скорости (с дифференциатором) турбин типа К-50-90...К-200-130 ЛМЗ: 1 - блок золотников регулятора скорости, 2 - промзолотник, 3 - сервомотор регулирующих клапанов, 4 - дифференциатор
В АСР турбин ПТ-60-90 (130) место промежуточного золотника занимает суммирующий золотник №1, в турбинах К-50-90 сервомотор регулирующих клапанов управляется непосредственно золотником регулятора скорости.
Амплитуда пульсации золотников и поршней сервомоторов определялась (на работающих и остановленных агрегатах) как визуально (по индикатору часового типа ИЧ-10, ценаделе- н и я 0,01 мм), так и при помощи записи на фотобумаге шлейфного осциллографа сигнала датчика малых перемещений ( см. рис. 2.1, 2.2). Методика измерений и обработки осциллограмм с целью получения статистических характеристик процесса пульсации приведена в гл. 2. Погрешность δх = 0,03...0,05.
Зафиксированная величина пульсации золотника регулятора скорости на работающих агрегатах не превышала 0,02 мм, на остановленных - пульсация отсутствовала. Объёмное со- держание нерастворённого в масле воздуха не превышало 1% и чистом отсеке маслобака. Температура масла марки Л-22 находилась в пределах 40...50 °C, пульсация напорного давления за насосом 20...40 кПа.
Нечувствительность золотников проверялась при статических испытаниях систем регулирования. В случае её обнаружения она при возможности устранялась. Следует заметить, что нечувствительность отсечных золотников сервомоторов турбин типа К-50-90...К-200-130 (см. рис. 1.1,д и 3.1 - схема с охватывающей диагональной обратной связью) может вызывать автоколебания поршня сервомотора с амплитудой 8...10 мм, Такие периодические колебания существенно отличаются ОТ исследуемых пульсаций, носящих случайный характер.
Рис. 3.2. Осциллограмма (фрагмент) пульсации золотника и поршня сервомотора турбины К-200-130:
1 - золотник (М=0,09 мм.хода/мм.осц.), 2 - поршень сервомотора (М=0,04 мм.хода/мм.осц.)
Это хорошо видно на рис. 3.2, где в качестве примера приведены типичные осциллограммы пульсации поршня сервомотора и его золотника на турбине К-200-130 Змиевской ГРЭС, когда нечувствительность отсечного золотника отсутствует. Аналогичный характер носила пульсация сервомоторов турбин К-50-90 и ПТ-60-90.
Определение амплитуд пульсации золотника и поршня главного сервомотора турбин типа ПТ-60-90 (130), К-200-130 производилось как при пульсирующем промежуточном золотнике (суммирующем золотнике №1), так и при установке промежуточного золотника на ограничитель мощности, что полностью исключало его пульсацию и, следовательно, её влияние на "собственную" пульсацию поршня сервомотора и его золотинка. При отсутствии нечувствительности все промежуточные золотники пульсируют.
Рис. 3.3. Зависимость амплитуды пульсации промежуточного золотника турбины К-200-130 от его перемещения:
1 - амплитуда пульсации X', 2 - ход сервомотора регулирующих клапанов
На рис. 3.3 приведена зависимость амплитуды пульсации промежуточного золотника турбины К-200-130 (см. рис. 3.1) от его положения. Там же нанесена зависимость хода сервомотора. Амплитуда пульсации плавно возрастает по мере открытия дроссельного окна (движение к "0") и имеет ярко выраженный непериодический, случайный характер. Максимальная величина этой пульсации в зоне больших открытий дроссельного окна составляет примерно 0,12 мм (ход на неравномерность 2,5 мм). Однако в зоне от начала движения сервомотора до положения на холостом ходу (140 мм) она не превышает 0,09...0,06 мм, а в зоне номинальных нагрузок - 0,02 мм.
Пульсация поршня сервомотора регулирующих клапанов зависит, очевидно, от результата суммы двух составляющих пульсации: пульсации промежуточного золотника и собственной пульсации отсечного золотника.
Рис. 3.4. Зависимость амплитуды пульсации золотника Υ' и поршня Ζ' сервомотора турбины К-200-130 от его положения: 1 - золотник на упоре, 2 — золотник снят с упора
(при промежуточном золотнике, находящемся на упоре), что составляет 1,5...2% от хода на неравномерность.
Максимальная амплитуда пульсации при пульсирующем промежуточном золотнике увеличивается до 4. ..5 мм. Однако в зоне номинальной нагрузки пульсация у большинства сервомоторов не превосходит 1...2 мм. Это относится также и к сервомоторам регулирующих клапанов турбин типаК-50-90, ПТ-60-90, ПТ-60-130 и др., выполненных по той же конструктивной схеме (см. рис. 3.1), что и сервомотор К-200-130, и имеющих близкие параметры (см. табл. 3.1).
Вместе с тем у некоторых из обследованных турбин вст речались сервомоторы, у которых наряду с пульсацией поршня 1 ...3 мм наблюдались броски от установившегося положения с размахом до 4...5 мм. Например, на графике пульсации поршня сервомотора регулирующих клапанов ЧВД одной из турбин ПТ-60-130 (рис. 3.5,а) наряду с пульсациями в полном диапазоне перемещений сервомотора, не превышающими 1,0... 1,5 мм, имеется узкая зона (160...180 мм) повышенной амплитуды пульсации (до 5 мм). Обращает на себя внимание факт резкого возрастания амплитуды пульсации отсечного золотника этого сервомотора с 0,25 мм до 1 мм у нижнего упора (рис. 3.5,б), при этом поршень сервомотора находится на своём нижнем упоре.
Было зафиксировано несколько случаев, когда пульсация поршня сервомотора регулирующих клапанов турбины К-200-13 0 в полном диапазоне перемещений достигала 25...40 мм, что исключало возможность эксплуатации агрегата. Установкой демпфирующей шайбы диаметром 3 мм в линию подвода напорного масла на верхний торец отсечного золотника (см. рис. 3.1) удалось снизить пульсацию поршня.
Рис. 3.5. Зависимость амплитуды пульсации поршня сервомотора Ζ' (а) и его золотника Υ' (б) от их перемещений Ζ и Υ
На рис. 3.4 приведены типичные характеристики пульсации золотника и поршня сервомотора К-200-130 (см. рис. 3.1). Максимальная амплитуда пульсации поршня равна 2...3 мм ещё велика (10... 15 мм). Дальнейшее уменьшение диаметра демпфирующей шайбы невозможно ввиду того, что, как показали специальные исследования, резко увеличивается время движения сервомотора на закрытие (рис. 3.6). Понять это аномальное явление и ликвидировать возможность возникновения столь больших пульсаций удалось лишь после проведения специальных исследований (см. гл. 4).
Осциллографирование пульсации золотников и поршней сервомоторов регулирующих клапанов турбины К-200-130, проведённое помимо Змиевской ГРЭС на большинстве турбин Ворошиловградской ГРЭС, подтвердило случайный характер пульсации. Обработка реализации процесса пульсации золотника и поршня сервомотора регулирующих клапанов К-200-130 позволили получить статистические характеристики процесса, которые представлены на рис. 3.7 и 3.8. Обращает на себя внимание близость кривых плотности вероятности к нормальному закону распределения (рис. 3.7,а). Исключение составляют режимы, на которых наблюдаются броски поршней сервомоторов до 4...5 мм и более.
На рис. 3.7,в представлены оценки нормированных автокорреляционных функций золотника и поршня сервомотора К- 200-130. Отметим, что оценки корреляционной функции близки к экспоненциальному закону
, хотя в некоторых случаях прослеживается наличие небольшой периодической составляющей в процессе пульсации золотника и поршня сервомотора, и более верной была бы аппроксимация вида 
, где β - резонансная частота.
На рис. 3.8 представлены спектральные плотности процесса пульсации золотника и поршня, полученные как преобразование Фурье ряда корреляционных функций вида
В этом случае
, где
Т = 1/а с .
Близки к этим
статистические характеристики процесса пульсации сервомоторов регулирующих клапанов (см. рис. 3.1) других турбин ЛМЗ этого типа (К-50- 90...К-200-130).
Рис. 3.6. Влияние диаметра демпфирующей шайбы на пульсацию поршня сервомотора Ζ' (1) и время его движения на закрытие Тзакр (2)
Были рассмотрены также результаты испытаний по изучению пульсаций в АСР турбин других заводов.
Рис. 3.7. Статические характеристики (оценки) процесса пульсации отсечного золотника Υ и поршня Ζ сервомотора регулирующих клапанов турбины К-200-130:
а) плотность вероятности, б) нормированная корреляционная функция, линии - теоретические кривые
Рис. 3.8. Спектральные плотности пульсации золотника К и поршня Ζ сервомотора регулирующих клапанов турбины К-200-130
В частности, были обработаны приведенные в [11] осциллограммы пульсации отсечного золотника сервомотора регулирующих клапанов (см. рис. 1.1,в) турбины типа К-160-130 ХТГЗ Приднепровской ГРЭС. Выполненный сотрудниками Союзтехэнерго перед осциллографированием комплекс работ позволил устранить пульсацию давления за импеллером. Однако и после этого хаотичная пульсация отсечного золотника достигала 1,3 мм. Пульсация поршня сервомотора при этом не превышала 2 мм только благодаря перекрышам 2 мм по отсечным окнам. Полученные в результате расчёта корреляционная функция (рис. 3.9,а) и спектральная плотность (рис. 3.9,б) также описываются выражениями
соответственно.
Испытания устройства, обеспечивающего воздействие по ускорению ротора -дифференциатора, (см. рис. 3.1) турбин
Рис. 3.9. Корреляционная функция (а) и спектральная плотность (б) пульсации отсечного золотника сервомотора турбины типа К-160-13 О ХТГЗ
ЛМЗ К-50-90, ПТ-60-90 (130), К-200-130 и других также выявили существование пульсации его проточного золотника, управляемого золотником регулятора скорости.
На рис. 3.10 представлена характеристика пульсации золотника дифференциатора. Обращает на себя внимание резкое увеличение амплитуды пульсации до величины 1 мм в зоне больших открытий дроссельного окна (около 26 мм). При этом до 26 мм пульсация золотника, как и промежуточного золотника (см. рис. 3.3), возрастала примерно пропорционально открытию окна и в зоне открытий 24 мм ещё не превышала 0,2...0,25 мм.
Положение золотника дифференциатора (26 мм), где резко скачкообразно повышается его пульсация, достаточно далеко отстоит от рабочей зоны и не препятствует нормальной работе узла, однако понимание физики явления скачкообразного возрастания амплитуды представляется важным для конструктора и наладчика систем регулирования турбин.
Таким образом, исследование работы проточных гидроусилителей (промежуточных золотников, сервомоторов регулирующих клапанов, дифференциатора) всех обследованных 39 турбоагрегатов выявило не связанную с известными причинами (см. гл. 1) "самопроизвольную" пульсацию золотников и поршней. Отмечен рост её амплитуды по мере увеличения расхода через дроссельные окна. Зафиксированы случаи значительного повышения амплитуд пульсаций как на узком участке, так и во всём диапазоне перемещений. Статистические характеристики процесса пульсации золотников и сервомоторов свидетельствует о его, как правило, стационарном, эргодическом, нормальном характере.
Рис. 3.10. Зависимость амплитуды пульсации проточного золотника дифференциатора (см. рис. 3.1) от его перемещения
Анализ приведённых результатов подтверждает наше предположение о наиболее вероятном источнике этих пульсаций золотников - пульсации давления в проточной линии, вызванной действием дроссельных устройств на рабочую жидкость. При этом следует учесть некоторые особенности испытаний в условиях работы турбоагрегатов на электростанциях. Поскольку испытаниям подвергались, как правило, длительно работавшие (после монтажа, ремонта) турбины, то следовало считаться с возможностью заноса механическими примесями и шламом разгрузочных канавок на золотниках и отверстий для выпуска воздуха из тупиковых полостей проточных линий. Появление из-за этого нечувствительности в отсечных золотниках сервомоторов, ухудшение динамических качеств проточных гидроусилителей при имеющей место пульсации напорного давления могли способствовать возникновению колебаний, пульсаций и по другим причинам (см. гл. 1).
В связи с этим исследование было продолжено в условиях завода в лаборатории паровых турбин ЛМЗ, где при гарантированном отсутствии нечувствительности, воздуха в тупиковых полостях импульсных линий и пульсации напорного давления была применена более чувствительная аппаратура для регистрации пульсации золотников.
