2. СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ГИДРОТУРБИНЫ

Принцип действия системы регулирования скорости гидротурбины поясняется упрощенной схемой, показанной на рис. III. 1.

Чувствительный элемент регулятора скорости — центробежный маятник 2 связан с валом турбины 1. При изменении скорости вращения вала турбины грузы маятника изменяют свое положение.

Их перемещение вызывает перемещение золотника 3, управляющего серводвигателем 4, Серводвигатель перемещает орган 5, изменяющий количество воды, поступающей из водоема 6 по трубопроводу 7 в турбину в единицу времени.

Рассмотрим несколько более детально принципиальную кинематическую схему комплексного регулятора Ленинградского металлического завода, который предназначен для регулирования скорости мощных поворотно-лопастных турбин на электростанциях. Чувствительным элементом регулятора (рис. II 1.2) является центробежный маятник, приводимый во вращение синхронным электродвигателем 1, Последний получает питание от специального синхронного генератора (пендель-генератора), насаженного на вал турбины.

Рис. III. 1. Схема регулирования скорости турбины

Синхронный электродвигатель заменяет механическую передачу от вала турбины к маятнику. Скорость вращения синхронного электродвигателя пропорциональна частоте переменного тока генератора, т. е. скорости вращения вала турбины [3]. Вместе с диском маятника 2 вращаются два цилиндрических груза 3, охваченных гибкой стальной лентой 4. К лапам грузов 5 прикреплены две пружины 6, которые стремятся сблизить грузы друг с другом. Сближению грузов препятствует центробежная сила. При изменениях центробежной силы грузы перекатываются по диску и ленте. Давление ленты передается на пяту и штифт 7 маятника. При возрастании скорости грузы расходятся и лента перемещает штифт 7 вниз. При уменьшении скорости грузы сближаются и пружина 9 поднимает штифт вверх. Трение скольжения при такой конструкции регулятора незначительно и чувствительность маятника очень высока.

Усилия, передаваемые штифтом 7, весьма малы для перестановки громоздкого направляющего устройства турбины, поэтому между чувствительным элементом регулятора и направляющим устройством необходимо включить несколько усилителей. Таким образом, рассматриваемая схема является примером схемы непрямого регулирования.

Первым усилителем служит так называемый побудительный золотник 13, управляющий вспомогательным серводвигателем 18.

Рис. II 1.2. Схема комплексного регулятора скорости

При перемещении тела побудительного золотника 14, например, вверх (при уменьшении скорости) масло, поступающее из маслонапорной установки (не показанной на рисунке), направляется в верхнюю трубку серводвигателя 18 и заставляет поршень 17 перемещаться вниз, вытесняя по нижней трубке масло из нижней полости в сливной бак. Перемещаясь вниз, поршень через тягу обратной связи 15 тянет вниз золотник 14. Одновременно, при движении вниз поршня 17 вспомогательного серводвигателя происходит перемещение главного золотника 16 второго усилителя. При этом по нижней грубке масло поступает в исполнительное устройство — серводвигатель 37 регулирующего органа — направляющего устройства турбины (не показанного на рис. II 1.2), который изменяет (в рассматриваемом случае увеличивает) доступ воды в турбину, в результате чего скорость вращения вала турбины начинает возрастать

Если произошло возрастание скорости, то движения всех рассмотренных элементов происходят в противоположных направлениях, в результате чего подача воды в турбину уменьшается и ее скорость начинает падать.

Одновременно с перемещением направляющего устройства поршень серводвигателя 37 через рычаг 35 поворачивает вал жесткой обратной связи 29 (так называемый вал выключателя). Стрелкой указано направление поворота вала при открытии направляющего устройства. Поворот вала приводит в действие ряд механизмов. Прежде всего с помощью тяг 24, 28 и золотникового рычага 8 перемещается тело золотника 14 в сторону, обратную перемещению маятника, и осуществляется таким образом жесткая отрицательная обратная связь. Благодаря этой связи равновесие наступит не при заданной, а при несколько меньшей скорости.

Таким образом, приведенная выше схема является примером системы статического регулирования. Переставляя ползунок 25, можно изменять соотношения длин плеч рычага обратной связи и тем самым регулировать величину статизма.

Однако, если бы система состояла только из указанных устройств, процесс регулирования был бы или неустойчивым, или неудовлетворительным по качеству. Для обеспечения устойчивости в регуляторе имеется дополнительный корректирующий элемент — гибкая, или изодромная, обратная связь. При повороте вала 29 с помощью рычагов 28 и 24 производится перемещение стакана изодрома 11. Движение стакана через заполняющее его масло передается на поршень 12 изодрома, который, в свою очередь, воздействует на золотниковый рычаг 8. В процессе движения масло в изодроме под давлением пружин 10 перегоняется по узкой трубке (байпасу) 23 из одной половины стакана в другую. Сопротивление перетеканию масла может регулироваться вручную винтом 22. Изодромная обратная связь называется гибкой, потому что действие ее возрастает с возрастанием скорости движения серводвигателя. При неподвижном серводвигателе пружина 10 приводит постепенно поршень 12 в исходное состояние и действие гибкой обратной связи прекращается.

Если исключить действие механизма изменения статизма, убрав, например, рычаг 28, то система регулирования станет астатической, так как установившийся режим будет возможен лишь при строго определенном положении золотникового рычага 8, при котором пружина 10 будет находиться в ненапряженном состоянии. Но на практике всегда настраивают регулятор так, чтобы он имел определенный статизм. Объясняется это тем, что на электрических станциях электроэнергия вырабатывается несколькими агрегатами, работающими на общую электрическую сеть. Нагрузка каждого из параллельно работающих агрегатов будет обратно пропорциональной статизму его регулировочной характеристики. На рис. III. 3, а показаны характеристики зависимости мощности от частоты для двух агрегатов (турбогенераторов).

Очевидно, что при одной и той же частоте нагрузка между турбогенераторами и II будет распределяться неодинаково: агрегат II с более пологой характеристикой (т. е. с меньшим статизмом) примет на себя большую часть нагрузки. Таким образом, если требуется равномерно распределять нагрузку между агрегатами, то необходимо их статическим характеристикам 1 и 2 придать одинаковый наклон. Минимальная величина этого наклона определяется допустимой шириной зоны нечувствительности (заштрихованная зона на рис. III.3, а), внутри которой нагрузка агрегата будет оставаться неопределенной. Обычно статизм выбирается в пределах 3—6%.

Однако частота электростанции в нормальном режиме должна поддерживаться строго постоянной, т. е. в конечном итоге регулирование должно быть астатическим.

Совместить эти два противоречивых требования можно путем введения так называемой астатической коррекции.

Рис. III.3. Характеристики регулирования двух параллельно работающих агрегатов

Величина статизма определяется соотношением плеч рычага и (рис. III.2), т. е. положением ползунка 25.

Если, сохраняя положение ползунка, изменить положение точки С, то тем самым характеристика регулятора сместится параллельно самой себе.

Пусть в некоторый момент времени нагрузки агрегатов были а частота точно равнялась заданной (рис. III.3, б). Предположим, что произошло увеличение нагрузки в сети так, что агрегаты стали отдавать мощности Из рисунка видно, что это будет возможно, если характеристики 1 и 2 останутся в прежнем положении, лишь при уменьшении частоты до значения Установим теперь на агрегате I астатический корректор, который при уменьшении частоты начнет перемещать точку С, а следовательно, и всю характеристику вверх до тех пор, пока частота не восстановится (характеристика 3). Тогда нагрузка агрегата II вернется к прежнему значению а агрегат 1 примет на себя весь избыток нагрузки, и его мощность станет равной

Астатическая коррекция может осуществляться на одном агрегате — такой метод регулирования называется методом ведущего агрегата. При этом все колебания нагрузки будет воспринимать агрегат с астатической коррекцией, нагрузка остальных будет оставаться постоянной. Астатическую коррекцию можно

осуществлять на группе агрегатов или на всех агрегатах станции; в последнем случае данная станция принимает на себя все изменения нагрузки (метод ведущей станции). Возможны установки астатических корректоров на нескольких станциях, входящих в энергосистему, или на всех станциях.

Обычно астатическая коррекция осуществляется с помощью регулятора частоты, который измеряет отклонение частоты от заданного значения и включает электродвигатель 26 (электродвигатель механизма изменения частоты; см. рис. II 1.2), смещающий точку С в нужном направлении. Кроме электродвигателя 26, в механизме изменения частоты предусмотрен сельсин-приемник 27, с помощью которого возможно осуществлять одновременное групповое управление агрегатами с пульта, С последнего возможно и ручное управление отдельными агрегатами. Для этого предусмотрены кнопки, которыми можно изменять направление вращения электродвигателя 26.

Так как частота пропорциональна скорости вращения вала турбины, то в системе обеспечивается двойное регулирование одной и той же величины с помощью двух регуляторов — регулятора скорости (первичное регулирование) и регулятора частоты (вторичное регулирование). Очевидно, что принципиально можно осуществлять регулирование с астатической коррекцией и от одного измерительного элемента. Использовать для этой цели центробежный маятник неудобно из-за чисто конструктивных трудностей. Поэтому в последние годы начали получать распространение единые электро-гидравлические регуляторы, у которых чувствительным элементом является схема для измерения частоты, а центробежный маятник отсутствует. Чувствительный элемент по одному каналу воздействует на электромагнит, управляющий движением побудительного золотника, а по другому — на электродвигатель механизма изменения частоты. Наличие электрического измерительного элемента дает возможность легко вводить различные дополнительные воздействия — по производным изменения скорости, по нагрузке и по другим величинам, что делает более гибким и совершенным закон регулирования.

В поворотно-лопастных турбинах, кроме рассмотренного выше процесса регулирования скорости, используется еще поворот лопастей рабочего колеса турбины с целью получения наивысшего к.п.д. турбины. В существующих в настоящее время регуляторах скорости требуемая установка лопастей в функции угла открытия направляющего устройства вычисляется заранее на основе экспериментов на модельной турбине. Для осуществления поворота лопастей в соответствии с этими данными к регулятору скорости пристраивается дополнительно система программного управления поворотом лопастей рабочего колеса. Она состоит из датчика программы (программирующего устройства) и следящей системы, обрабатывающей заданную программу.

Датчиком программы служит механический функциональный преобразователь — профилированный кулачок 34, насаженный на вал 29. Профиль кулачка выполнен в соответствии с требуемой зависимостью угла поворота лопастей рабочего колеса от угла открытия направляющего устройства. Через ролик 32 и систему рычагов 33, 30, 31 кулачок воздействует на золотник 21, который через вспомогательный серводвигатель 19 управляет телом главного золотника 20 серводвигателя рабочего колеса. Золотники и серводвигатель рабочего колеса образуют собой следящую систему, отрабатывающую заданное кулачком 34 угловое перемещение.

Рис. III.4. Схема взаимодействия элементов регулятора скорости гидротурбины

Серводвигатель рабочего колеса встроен в вал турбины и на схеме не показан. Через трос 36 осуществляется обратная связь от серводвигателя к золотниковому рычагу 31, который служит в качестве органа сравнения следящей системы.

Так как наиболее экономичные характеристики турбины и ее модели не совпадают точно друг с другом, установка лопастей рабочего колеса с помощью жесткой программы не обеспечивает действительно оптимального режима. Более совершенной в данном случае была бы схема экстремального регулирования, осуществляющая замер отношения полезной мощности генератора к мощности водяного потока и устанавливающая такое значение угла поворота лопастей рабочего колеса, при котором это отношение было бы максимальным. Однако из-за трудности достаточно точного измерения расхода воды в турбине такие схемы оптимизации пока еще не нашли применения.

Схема взаимодействий между отдельными элементами регулятора показана на рис. II 1.4.

Турбина Т, приводящая во вращение главный генератор ГГ, имеет два регулирующих органа: направляющий аппарат НУ и лопасти рабочего колеса ЛPK. Регулятор скорости состоит из вспомогательного генератора электродвигателя центробежного маятника ДЦМ, центробежного маятника ЦМУ побудительного золотника ПЗН и вспомогательного серводвигателя направляющего аппарата ВСН, главного золотника ГЗН и серводвигателя направляющего аппарата; ЖОС — жесткие обратные связи, ГОС - гибкая обратная связь (изодром).

Цепь управления положением лопастей рабочего колеса включает кулачок К, побудительный золотник ПЗР, вспомогательный серводвигатель ВСД рабочего колеса, главный золотник ГЗР и серводвигатель СР рабочего колеса.

Цепь астатической автоматической коррекции состоит из регулятора частоты РЧ и электродвигателя механизма изменения частоты ДЧ. Ручная коррекция осуществляется с помощью кнопки Сельсин для группового регулирования обозначен СС.