Именно ограничения, которые налагаются на параметры газотурбинной установки, вызывают необходимость автоматического контроля и управления. Рассмотрим несколько подробнее эти ограничения. На первое место поставим ограничение температуры газа перед ТВД, которое вызвано тем, что рабочее колесо и его лопаточный аппарат 1-й ступени работают в весьма напряженных режимах. Большая скорость вращения рабочего колеса (5000—5500 об/мин) и высокая температура рабочего тела (700—800° С), несмотря на охлаждение лопаток, приводят к тому, что даже относительно небольшое повышение температуры газа перед ТВД может вызвать разрушение лопаточного аппарата 1-й ступени. Это тяжелая авария для ГТУ. Значит, нужно управлять подачей топлива при изменении режимов таким образом, чтобы температура газа перед ТВД не превышала допустимой величины. Иначе говоря, подача топлива и производительность компрессора должны быть строго согласованы. Человеку трудно быстро и точно достичь такого согласования, но это может сделать соответствующий автомат.
При пусках приходится ограничивать не только температуру перед ТВД, но и скорость ее нарастания. Если температура растет слишком быстро, то в рабочем колесе возникают не только механические напряжения, обусловленные вращением, но и температурные, обусловленные разностью температур между ободом рабочего колеса и его ступицей. Суммарное действие этих напряжений также может вызвать разрушение рабочего колеса. И здесь требуется автомат, который бы поддерживал определенный градиент температур на рабочем колесе.
Ограничение нужно накладывать и на скорость вращения рабочего колеса ТНД. При резком сбросе нагрузки скорость вращения ТНД быстро возрастает до очень больших величин, если не принять специальных мер. Резкое и значительное увеличение скорости может вызвать разрушение лопаточного аппарата. Чтобы этого не произошло, нужно быстро уменьшить количество подаваемого рабочего тела, что достигается отравлением его в атмосферу. Это надо делать очень быстро. Столь ответственную операцию также поручают автомату, так как человек физически не может достаточно быстро среагировать на повышение скорости. Кроме того, человеку свойственно ошибаться; вместо того чтобы уменьшать подачу топлива при аварийных ситуациях, он, сам того не замечая, может ее увеличивать. Такие случаи бывают в практике эксплуатации турбин.
Большое внимание уделяется контролю состояния отдельных ответственных узлов ГТУ, в частности подшипников. О состоянии подшипников судят по их температуре, причем здесь также накладываются соответствующие ограничения (70—80° С). Точек контроля температуры много (20—30), причем повышение температуры в любой точке сверх допустимого рассматривается как авария, влекущая за собой остановку машины.
Кроме температуры подшипников контролируются давление масла на смазке, уплотнении, в системе регулирования и целый ряд других параметров. Естественно, что человеку трудно уследить одновременно за состоянием 50—60 параметров. Работу эту также поручают автоматам, которые непрерывно или периодически контролируют параметры и сигнализируют о ненормальных отклонениях. Наконец, для отчетности нужно иметь непрерывную запись отдельных показателей работы ГТУ, например температуры газа перед ТВД. Человек избавляется от этой однообразной и утомительной работы благодаря применению автоматических самописцев.
ГТУ предназначена для перекачки природного газа. В зависимости от характера потребителей давление перед нагнетателем и за ним может меняться в значительных пределах. Это приводит к изменению момента на валу ТНД, а значит, скорости вращения ТНД и производительности нагнетателя. Для обеспечения постоянной производительности нужно стабилизировать скорости вращения ТНД и нагнетателя. Эту задачу также выполняет автоматический регулятор.
Таким образом, ограничения, накладываемые на многие параметры ГТУ, приводят к тому, что для их выполнения необходимо применять автоматы.
Помимо рассмотренных ограничений, контроль за выполнением которых поручается автоматам, имеется целый ряд отклонений в состоянии агрегатов, вызывающих аварийные режимы. К этим отклонениям относятся следующие. 1. Осевой сдвиг валов ТНД и ТВД, так как они испытывают не только радиальную, но и осевую нагрузку. Увеличение осевого сдвига говорит о ненормальности в работе турбины, поэтому его контролируют. 2. Вибрация отдельных агрегатов турбины, служащая мерой их нормальной работы. Контроль вибраций помогает нормально эксплуатировать ГТУ.
- Отсутствие факела в камере сгорания. При поступлении топлива в горячую камеру это может привести к взрыву горючей смеси и тем самым к тяжелой аварии.
Рассмотрение ограничений и контролируемых параметров приводит к выводу, что их отклонение от нормальных значений, как правило, создает аварийные ситуации. Цель автоматики — не допустить развития аварийной ситуации, поэтому, находясь в непрерывной работе, автоматика должна быть чрезвычайно надежной. Затраты на автоматизацию составляют весьма малую часть (4—5%) от общей стоимости ГТУ, а экономия от безаварийной работы может составить весьма значительную сумму (допустим, стоимость лопаточного аппарата).
