3.3 Автоматичні регулятори частоти обертання турбін
3.3.1 Загальні відомості
Для регулювання частоти обертання і потужності, що розвивається, а також для виконання ряду інших функцій всі парові і гідравлічні турбіни забезпечуються автоматичними регуляторами частоти обертання. Регулятори частоти обертання турбін функціонують за різними принципами і мають різноманітні виконання і конструктивні рішення для різного типу турбін. Класифікація регуляторів вельми різноманітна, проте можна виділити три основні групи: гідромеханічні, гідродинамічні і електрогідравлічні регулятори.
Регулятори першої і другої групи застосовуються для парових турбін. Останнім часом для потужних парових турбін регулятори доповнюються електричними приставками для введення в систему регулювання коректуючих параметрів, реалізованих у вигляді електричних сигналів. Для гідравлічних турбін замість регуляторів першої групи, що раніше повсюдно застосовувалися поставляються електрогідравлічні регулятори.
Основні функції регулятора частоти обертання:
1)регулювання частоти обертання по прийнятому закону;2) обмеження можливих збільшень частоти обертання в перехідних процесах; 3) пуск і зупинка турбін; 4) зміни частоти обертання при синхронізації генераторів; 5) розподіл навантаження між паралельно працюючими агрегатами; 6) режимні обмеження потужності турбін; 7) участь в регулюванні потужності турбін.
Рисунок 3.8 ― Функціональна схема АРЧО
Функції, які виконують регулятори, залежать від типу турбін. Для парових турбін основне призначення регулятора визначається його назвою — регулювати частоту обертання в нормальних режимах роботи турбоагрегату. Велика увага при конструюванні регуляторів для парових турбін приділяється другій функції, оскільки лопаточний апарат турбіни може бути пошкоджений при розгоні турбіни під час відключення генератора від мережі. Регулятори парових турбін виконують також четверту, п'яту і сьому функції.
Регулятори частоти обертання гідравлічних турбін виконують всі перераховані функції. Обмеженню частоти обертання в перехідних процесах особливої уваги не приділяється, оскільки гідравлічні турбіни допускають відносно великі швидкості (до 140%).
Структура автоматичних регуляторів частоти обертання (АРЧО) нескладна і відповідає в більшій частині випадків структурі пропорційних регуляторів. Основні елементи АРЧО (рис. 3.8): вимірювальний перетворювач ВП, задаючий елемент ЗЕ, елемент порівняння (суматор) ЕП, перетворювально-підсилюючий елемент ПП, елементи зворотних зв'язків ЗЗ. Впливає АРЧО на сприймаючий елемент СЕ (регулюючий орган) регульованого об'єкту РО турбіни. В парових турбінах — це розподільчий і дросельний клапани, в гідравлічних турбінах — направляючий апарат.
Для агрегатів, забезпечених АРЧО, залежність між швидкісними показниками n, ω, f і потужністю генератора РГ, турбіни РТ або положенням регулюючого органу в сталому режимі називається статичною характеристикою регулювання. Регулювання частоти в залежності від потужності, що може розвивати агрегат, може здійснюватися за законами статичного - характеристика 2 або астатичного - характеристика 1 регулювання (рис. 3.9,а). Для парових турбін як правило, використовується закон статичного регулювання, а в гідравлічних турбінах можуть реалізуватися обидва закони.
Рисунок 3.9 - Статична характеристика агрегату АРЧО:
а - закони регулювання; б - астатичне регулювання частоти статичним АРЧО
Основним показником статичної характеристики регулювання є коефіцієнт статизму, рівний
(3.12)
де Δf* - зміна частоти, відн. од.,
;
ΔР* - зміна потужності, відн. од.,
.
Статичні характеристики регулювання звичайно будуються у відносних координатах. Коефіцієнт статизму може бути змінним, якщо статична характеристика нелінійна.
Окрім коефіцієнта статизму використовується поняття залишкової нерівномірності (δр). Для лінійних статичних характеристик у відносних одиницях поняття коефіцієнта статизму і залишкової нерівномірності, вираженій як відносна зміна частоти при зміні навантаження від нуля до номінального значення (ΔР*=1), співпадають (рис. 3.9,а). З графіка видно, що коефіцієнт статизму, як вказувалося в розділі 2, визначається кутом нахилу α характеристики, κCT = tg α .
Всі регулятори забезпечуються механізмом для зміни уставки, під якою розуміється підтримуюча регулятором (запропонована) частота обертання в режимі холостого ходу. Цей механізм забезпечує переміщення статичної характеристики регулювання відповідно до прийнятої уставки (рис. 3.9,б).
Для зміни уставки регулятора потрібна зовнішня дія на вказаний механізм. При синхронізації генераторів для підгонки його частоти до частоти мережі впливають на механізм зміни уставки вручну або зрівнювачем частот автоматичного синхронізатора (див. розд. 2).
В літературі по регулюванню турбін даний механізм носить різні назви: синхронізатор, механізм керування турбіною (МКТ), механізм зміни частоти обертання (МЗЧО), механізм зміни частоти (МЗЧ). Нижче використовуються назви МЗЧО або МЗЧ і механізм зміни потужності (МЗП), якщо він є в регуляторі, незалежно від першого механізму. Автоматичні регулятори парових турбін мають незмінний коефіцієнт статизму, а регулятори гідравлічних турбін —спеціальний механізм для зміни залишкової нерівномірності (МЗН).
Розглянуті закони регулювання можуть бути уявлені представлені виразом
(3.13)
де РГ - дійсна потужність, що розвивається генератором;
РГ,З - задана потужність.
Під заданою потужністю розуміється її значення при номінальній частоті і даному положенні статичної характеристики, а отже, при заданій уставці АРЧО (рис. 3.9,б). Закон статичного регулювання має місце при РГ,З=const. Закон астатичного регулювання частоти (Δf = 0) реалізується зміною РГ,З шляхом зовнішньої дії на МЗЧО від АСРЧ і П, здійснюючій вторинне регулювання.