Система регулирования

Функциями агрегатных систем автоматического регулирования и защиты являются:

- поддержание заданного режима эксплуатации ГПА при инди­видуальной и совместной работе с другими агрегатами;

- предохранение ГПА от резких изменений рабочих параметров при переходных процессах;

- обеспечение изменения частоты вращения роторов в рабочем диапазоне;

- поддержание заданного перепада давлений «масло - газ» в уп­лотнении нагнетателя;

- поддержание заданной температуры масла в маслосистеме;

- управление регулирующими органами ГПА и пусковым устрой­ством во время пуска и останова;

- регулирование противообледенительной системы компрессора;

- обеспечение защиты от возможных аварий (превышение часто­ты вращения, осевые сдвиги роторов, падение давления масла на смазку, помпаж нагнетателя или компрессора и др.).

Система автоматического регулирования (САР) взаимосвязана с агрегатными системами: масляной, автоматического управления (САУ) и ее подсистемами (контроля, защиты). В отечественных ГГПА применяют в основном гидравлическую (гидромеханическую, гидродинамическую), электрогидравлическую и электропневмати­ческую системы регулирования. Конструктивный облик используемых систем соответствует сло­жившемуся на заводе-изготовителе и применяемому для других энергетических машин. Конструктивный облик САР ГГПА с транс­портными ГТД заметно отличается от облика САР ГГПА со стацио­нарной ГТУ в связи с требованиями минимальной массы. Гидрав­лические системы регулирования имеют по сравнению с другими типами САР наибольшую массу и наименьшую стоимость. В транс­портных ГТД используют электронные и пневмонические САР. С 1978 г. агрегаты НЗЛ оснащаются пневматической (пневмогидравлической) системой регулирования. Она характеризуется боль­шей пожаробезопасностью и простотой в изготовлении.

К САР ГГПА предъявляют следующие требования: стабиль­ность характеристик в течение всего периода эксплуатации; быст­родействие; технологичность при изготовлении, эксплуатации и ре­монте; легкость настройки и контроля; автономность (независи­мость от внешних источников питания); безопасность; возмож­ность дистанционного управления.

Режим работы ГГПА может быть задан давлением на выходе из нагнетателя, частотой вращения силового вала, температурой продуктов сгорания и т. д. Все приводные ГТУ обычно оснащают регулятором скорости, который поддерживает заданную частоту вращения силовой турбины через передаточную связь путем изме­нения открытия регулирующего (топливного) клапана. Распростра­нены гидравлические регуляторы скорости, представляющие собой либо масляный насос, либо безрасходный импеллер, воздействую­щий на мембранно-ленточную систему (ГТУ ТМЗ), или подпружи­ненный поршень (ГТУ НЗЛ). Достоинства мембранно-ленточного регулятора - большая чувствительность (нет трения) и ненадоб­ность в обслуживании и ремонте; недостаток - зависимость его характеристики от температуры масла. Применяют также элек­трические регуляторы скорости, получающие импульс от звездоч­ки на регулируемом валу.

За счет трения, люфтов и зазоров в передаточных звеньях си­стемы регулирование частоты вращения получает нечувствитель­ность, которая при любой нагрузке не должна превышать 0,3 % номинальных оборотов (ГОСТ 21149-82). В двухвальных ГТУ, имеющих регулируемый сопловой аппарат силовой турбины (РСА СТ), регулируют частоту вращения компрессорного вала за счет воздействия на угол установки лопаток РСА. Это же устройство (РСА СТ) может быть использовано для улучшения динамических характеристик ГТУ, т. е. для повышения качества переходных про­цессов.

Многие ГТУ снабжают регулятором давления, с помощью кото­рого поддерживают заданное давление на выходе из нагнетателя, но чаще его используют как предельный регулятор (ограничение максимального давления).

Газотурбинные установки оснащают также регуляторами темпе­ратуры газа перед КС, которые либо ограничивают максимально допустимую температуру, либо поддерживают заданную темпера­туру за турбиной. Используют малоинерционные регуляторы тем­пературы газа. В качестве датчиков применяют малоинерционные термопары. Поскольку инерционность промышленных термопар все же велика, современные системы реагируют на производную от температуры по времени, что дает снижение запаздывания.

В ГТУ с одним регулирующим фактором (топливным клапа­ном) можно регулировать только один параметр, например тем­пературу газа или частоту вращения силовой турбины или давле­ние за нагнетателем. Если нагрузка ГТУ определяется регулятором скорости, то регуляторы давления и температуры работают в ре­жиме ограничения.

В гидродинамических системах регулирования импульс от ре­гулятора усиливается с помощью золотников и подается на серво­мотор. Для повышения чувствительности золотники выполняют вращающимися, а масло в таких системах должно обязательно проходить через фильтры тонкой очистки. Сервомотор (обычно поршневой) воздействует на регулирующий топливный клапан, а в ГТУ с РСА силовой турбины - второй сервомотор - и на угол установки сопловых лопаток. Сервомоторы бывают односторонни­ми, когда с одной стороны действует давление масла, а с другой - пружина, и двусторонними, когда масло подается с обеих сторон. Последние требуют большего расхода масла. Регулирующий кла­пан, на который непосредственно воздействует сервомотор, изменя­ет количество газа, поступающего к горелкам. Для придания кла­пану характеристики, близкой к линейной (расход клапана), ис­пользуют конусные поверхности в проходных сечениях клапана.

Для запуска ГТУ служит специальный пусковой или дежур­ный клапан. Управляет этим клапаном специальный регулятор пус­ка, который дозирует подачу топлива в КС в зависимости от дав­ления воздуха за компрессором, следовательно по расходу возду­ха. Начальное открытие пускового клапана определяет темпера­туру воспламенения, а последующее его открытие - температуру при разгоне газогенератора. Открытие регулирующего клапана, проходные сечения которого значительно больше, чем пускового, начинается после полного открытия последнего, когда расход воздуха велик.

Система автоматического регулирования имеет также регуля­тор или ограничитель приемистости (у ГТУ ТМЗ - регулятор со­отношения), который ограничивает ход регулирующего клапана при переходных процессах, исключая чрезмерные забросы темпе­ратур. Он работает стабильно только при постоянном давлении топливного газа.

При запуске ГПА система регулирования включает, а по окон­чании работы пускового двигателя выключает расцепную муфту от турбодетандера к ротору компрессора.

Система автоматического регулирования выполняет функции регулирования осевого компрессора на пусковых режимах, откры­вая и закрывая клапаны выпуска воздуха из промежуточной ступени компрессора и за ним. Такие клапаны называют сбросными, так как их открытие при полном сбросе нагрузки позволяет сни­зить динамический заброс оборотов силового вала и уменьшить температурные напряжения в высоконагретых деталях ГТУ. Вы­пускные воздушные клапаны из промежуточной ступени в стацио­нарных ГТУ выполняют односедельными; конструктивному уст­ройству их свойственно большое разнообразие. За компрессором в связи с большим давлением воздуха клапаны - двухседельные, разгруженные от больших усилий.

Как низконапорные, так и высоконапорные одновальные осевые компрессоры, имеющие обычно регулируемый входной направляю­щий аппарат и поворотные лопатки первых ступеней, управляются в зависимости от давления воздуха за компрессором или по физи­ческой (иногда приведенной) частоте вращения. Регулируемый входной направляющий аппарат позволяет улучшать динамиче­ские характеристики ГТУ. При наличии регулируемых направляю­щих аппаратов нескольких ступеней целесообразно осуществлять управление ими на всех режимах, что позволяет за счет оптимиза­ции к. п. д. компрессора и турбины привода компрессора несколько снизить расход топлива.

Противообледенительную систему компрессора регулируют пу­тем изменения количества подмешиваемого горячего воздуха или продуктов сгорания к засасываемому атмосферному воздуху. Противопомпажное регулирование нагнетателя заключается в том, что при опасности помпажа открывают кран рециркуляции газа. Само­стоятельное ответвление САР - регулирование перепада давлений «масло - газ» в уплотнениях нагнетателя. Желательно поддержи­вать перепад в пределах 3-5 % давления газа. Это осуществляют с помощью специального регулятора гидравлического типа. Слив загазованного масла из уплотнений нагнетателя происходит через автоматически действующую поплавковую камеру. Регулирование температуры масла представляет собой также самостоятельно функционирующую подсистему САР. Регулирующие средства были отмечены выше.

Недостаток гидродинамических систем регулирования - необхо­димость использования масла повышенного давления, чем создает­ся потенциальный источник повышенной пожарной опасности. По­этому большое внимание уделяют электрогидравлическим и элек­тропневматическим, а также электронным САР.

Неотъемлемая часть САР - механические и гидравлические за­щитные устройства. Главная исполнительная часть всех защит - стопорный клапан, перекрывающий подачу топливного газа при аварийных и нормальных остановах. Он представляет собой двухпозиционный клапан с небольшим гидравлическим сопротивлени­ем, управляемый простым сервомотором. Одновременно со стопор­ным закрывают регулирующий и дежурный клапаны, а система защиты воздействует на краны обвязки нагнетателя. Стопорный, регулирующий и дежурный клапаны обычно конструктивно объеди­няют в единый блок.

Механические (бойковые) автоматы безопасности представляют собой устанавливаемые на валах и удерживаемые пружиной стер­жни из закаленной стали, резко выдвигающиеся из своих гнезд при превышении частоты вращения и воздействующие на рычаги си­стемы защиты. В связи с большой важностью этой защиты для силового вала ее дублируют электрической или гидродинамической.

Масляное реле осевого сдвига ставят на каждом из роторов ГГПА. Оно представляет собой сопло, из которого вытекает масло через кольцевой зазор на специально предназначенную торцевую поверхность ротора. При изменении зазора между соплом и по­верхностью меняется и давление масла перед соплом, на что реа­гирует реле давления или электроконтактный манометр. Такая за­щита имеет нелинейную характеристику, но является очень надеж­ной. Используют и электрические реле осевого сдвига.

Функции САР и защиты тесно переплетаются с функциями САУ.