Регулиране на скоростта на турбогенератора - Автоматично управление и защита

Всяка турбина има регулатор на скоростта1 (SCR), който се доставя с турбината. Този регулатор има чувствителен елемент, свързан към вала на турбината и генериращ сигнал, пропорционален на отклонението на скоростта на въртене от зададената, като зададената честота за този тип турбина винаги е постоянна (в СССР е прието 3000 или 1500 об/мин). Сигналът за отклонение на честотата се подава към регулатора, който действа върху HPC сервомотора, който управлява движението на управляващите клапани на турбината. С увеличаване на скоростта на въртене клапаните се покриват и с намаляване се отварят, докато потокът на парата към турбината се променя и следователно нейната мощност. Зависимостта на електрическата мощност на турбината N от положението на вала на сервомотора z при номинално налягане пред турбината се нарича пароразпределителна характеристика и има вида, показан на фиг. 8.19 а. Когато налягането се отклонява от номиналната стойност, електрическата мощност на турбината се променя приблизително пропорционално на налягането:

(8.21) където N (z, p) е електрическата мощност при позицията на вала на сервомотора z и налягането p \ NH (z, /? H) е електрическата мощност при номиналното налягане p. Към работата на RCV се налагат редица строги изисквания, дължащи се на режима на работа на турбогенераторите:

висока скорост и динамична точност: при намаляване на електрическия товар на турбогенератора от номиналната мощност до нивото на спомагателните нужди (около 10% от номинала), контролерът не трябва да позволява увеличаване на скоростта на въртене с повече от 5-10% за повече от 1-2 s;
големи развити сили (до 300 000 N) и бързо движение на стеблата на клапаните, които регулират дебита на парата до 300kg/s;
малка статична мъртва зона, необходима за висококачествен контрол на мрежовата честота: в съвременните системи тя е 1,5–5 rpm (т.е. 0,05–0,15% от стойността на контролираната стойност).

На тези изисквания отговарят специални хидравлични или електрохидравлични автоматични системи за управление, разработени и доставени с турбината. Клапаните се задвижват от хидравлични бутални сервомотори, работещи при налягане на работния флуид (масло или вода) до 1 MPa. Всички турбинни контролери прилагат пропорционален закон за управление, т.е. движението на вала на сервомотора z е пропорционално на отклонението на скоростта на въртене n от номиналната стойност и следва линейна зависимост (фиг. 8.19, b). Обемът на сервомотора с промяна на n може да се изчисли по уравнението

(8.22) където n3 е номиналната скорост; b — степен на неравномерност, %, zо — номинално отваряне на клапана при n=n3. За да може да променя мощността на турбината при постоянен брой нейни обороти n, RFC има механизъм за управление на турбината (MUT) или синхронизатор. Когато се действа върху MUT, е възможно да се промени стойността на n3 в уравнение (8.22) (или, еквивалентно, стойността на Zo), измествайки зависимостите от фиг. 8.19.6 Паралелно на себе си Обикновено с помощта на MUT е възможно да се промени n3 с 10-12% (този диапазон понякога се нарича граници на синхронизация). Ролята на RFC значително зависи от това дали турбогенераторът е свързан към мрежата или работи изолирано (за собствени нужди). Ако турбогенераторът работи в мрежата, тогава неговата скорост на въртене n е твърдо зададена от мрежовата честота f и е равна на n=60f (за турбини с n==3000rpm) или n=30/(за турбини с n=1500rpm)За простота разглеждаме случая, когато общата мощност на генераторите, работещи в мрежата, е много по-голяма от мощността на разглеждания генератор). Такова въздействие върху MUT може да се извърши дистанционно от оператора или автоматичните регулатори (виж Глава 9). Ефектът на MUT може да се проследи на фиг. 8.19.6, където при промяна на характеристиките на сервомотора (редове 1 и 2) с помощта на MUT, неговото положение r при постоянен брой обороти се променя от 0,2 до 0,5. Ако произведената и консумираната мощност в мрежата не съвпада, честотата се променя и следователно (виж § 2.2) и позицията на управляващите клапани на всички турбини в съответствие с фиг. 8.19.6 и уравнение (8.22). Когато честотата намалее, клапаните се отварят и мощността на турбогенераторите ще се увеличи. Турбините, проектирани за работа в основен режим (виж § 2.2), обикновено имат по-голяма степен на неравномерност и движението на клапана им е по-малко от това на турбините, работещи в режим на управление и имащи по-малко степени на неравномерност. Обърнете внимание, че при постоянна мощност на реактора, увеличаването на мощността на турбината ще бъде временно, тъй като с увеличаване на потока на пара към турбината, нейното налягане ще падне, което в съответствие с (8. 21) ще доведе до намаляване на мощността, докато потокът на пара се върне към предишната стойност. Следователно, ако е необходимо даден турбогенератор да поддържа дълго време нова мощност с честотно отклонение, трябва да се промени и мощността на реактора. Краткосрочната промяна на мощността на всички турбини (включително тези, работещи в базов режим), която възниква при резки колебания в честотата на системата, е полезна, тъй като помага за обработка на смущенията от турбините, работещи в режим на управление. Това е една от причините неравномерността да не надвишава горната стойност от 6%. При прекъсване на връзката сгенератор, турбината работи или в режим на празен ход (не се генерира електричество), или за собствени нужди (виж § 2.1). Режимът на празен ход обикновено се осъществява при стартиране на турбогенератора, когато роторът се задейства и скоростта се повишава до номиналната, съответстваща на честотата на мрежата. В този случай скоростта на турбината зависи от съотношението на въртящия момент Mkr, определен от дебита на парата, и момента на съпротивление на въртене Ms (фиг. 8.19, c). Моментът на съпротивление се увеличава с увеличаване на скоростта, а въртящият момент намалява. Следователно при дадено отваряне на управляващите клапани се задава скоростта на въртене, при която тези моменти са равни (точка а на фиг. 8.19, в). Ако отварянето на управляващите клапани се увеличи, потокът на парата и въртящият момент ще се увеличат, което ще доведе до увеличаване на скоростта на въртене, докато моментът на съпротивление балансира въртящия момент (точка b). И точка a, и точка b са стабилни, тъй като в тях MKr = Ms и при случайно увеличаване на скоростта на въртене моментът Ms става по-голям от Mcr, което ще доведе до спиране на ротора на турбината и връщане към предишната стойност. Когато скоростта на ротора намалява Ms Ако напрежението или честотата на мрежата се отклоняват от номиналната стойност с недопустими стойности, генераторът се изключва от мрежата чрез специални защити. В този случай мощността и моментът на съпротивление на генератора рязко намаляват и роторът на турбината увеличава скоростта. В този режим RCV трябва бързо (за по-малко от 1 s) да затвори управляващите клапани до стойност, съответстваща на нивото на спомагателните нужди r = 20h-25% (фиг. 8.19, а), като не позволява увеличаване на скоростта на въртене с повече от 5-10%, след което RCV поддържа постоянна скорост на въртене, а оттам и честотата на напрежението на спомагателната мрежа с всякакви колебания в нейния товар.Поради падането на регулатора, честотата на спомагателната мрежа ще бъде зададена малко по-висока от номиналната честота на електроенергийната система. Наистина, оставете турбината да работи на максимална мощност при z0= 1st p=pzh преди да изключите генератора. Нека да определим честотата на въртене, която ще има при z=zs.n. От (8.22) получаваме откъдето Например при zsn=0.25, т.е. увеличението на честотата ще бъде 3%. След края на преходния процес чрез въздействие върху MUT е възможно да се постигне честотата на спомагателната мрежа да стане равна на номиналната стойност.

Фиг. 8 20. Регулиране на налягането на парата пред турбината чрез въздействие върху регулатора на скоростта: a - верига за управление, b - преходни процеси с рязко увеличаване на честотата на мрежата, c - характеристика на статично разтоварване

В блокове, работещи в основен режим, чиято мощност на реактора е постоянна и не зависи от колебанията на честотата на мрежата, RFC често се използва за управление на налягането на парата пред турбината (фиг. 8.20, а). RCV 1, който получава сигнал от скоростта на въртене 2, действа върху управляващите клапани на турбината 3. Зададеното положение на клапаните се определя от MUT 4. MUT се въздейства от регулатора на налягане 5, който получава сигнал от манометъра 6, монтиран на тръбопровода пред турбината. С увеличаване на налягането регулаторът 5 действа върху MUT в посока на увеличаване на отварянето на клапаните 3, с намаляване в посока на намаляване на отварянето. Нека разгледаме работата на тази система (фиг. 8.20.6) с рязко увеличаване на честотата на мрежата. Това смущение се възприема от RFC и почти мигновено води до капака на клапана d. Намаляване на потока пара към турбината при същия капацитет на параNPU предизвиква повишаване на налягането P. Поради повишаването на налягането потокът на пара към турбината и нейната мощност N се увеличават донякъде. Отклонението на налягането се възприема от регулатора 5, който чрез MUT променя характеристиката на управляващите клапани (фиг. 8.19.6), премествайки го надясно, така че при нов, увеличен брой обороти, клапаните заемат предишното си положение и налягането и мощността се връщат към стойностите, които са имали преди прилагането на смущението. Трябва да се отбележи, че дори и без регулиране, потокът пара към турбината се връща към предишната стойност, равна на изхода на пара от NPU. Описаната схема за управление е работоспособна само когато турбината работи на мощна мрежа, в която има голям брой генератори, които променят мощността си в съответствие с действителната консумация на енергия в системата. При работа в мрежа с ниска мощност или в спомагателна мрежа въздействието върху MUT ще доведе до несъответствие между произведената и консумираната мощност, т.е. до неприемливо отклонение на честотата на мрежата. Следователно във веригата (фиг. 8.20, а) трябва да бъде осигурен превключвател 7, който изключва регулатора 5 от MUT, когато генераторът е изключен от мрежата чрез сигнал от системата за защита на генератора 8. Когато регулаторът 5 е изключен, регулаторът 1 осигурява такъв поток на пара към турбината, при който неговата електрическа мощност е равна на консумацията в мрежата. Тъй като капацитетът на парата на NSPU в този случай може да бъде по-голям от потока на пара към турбината, налягането трябва да се поддържа чрез изхвърляне на излишната пара през модулите за намаляване на налягането в приемниците на пара (вижте § 8.7). При намаляване на налягането на парата пред турбината при висока мощност съществува опасност от нарушаване на правилния режим на нейната работа. Поради това в много турбини има предпазен регулатор (независим от регулатора на налягането), който намалява мощността на турбината, когато налягането на парата падне додопустимо ниво Ndop в съответствие със статичната характеристика (фиг. 8.20, c). Ако действителната мощност на турбината е по-малка от Ndop, тогава предпазният регулатор не пречи на работата на други системи за управление. Ако по време на работа на предпазния регулатор капацитетът на парата на NSPU надвишава потреблението му от турбината, излишната пара се изпуска през редукторите.