МНОГОКАНАЛЬНАЯ СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ТУРБОАГРЕГАТА
MULTI-CHANNEL PROTECTION SYSTEM OF TURBOSET

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано при автоматизации процесса защиты турбомашин от недопустимого повышения частоты вращения ротора.
Известна многоканальная система защиты турбоагрегата, каждый канал которой содержит датчик частоты вращения и формирователь сигнала защиты, источник тестового сигнала и переключатель поочередного подключения тестового сигнала к одному из каналов защиты, а также логическую схему голосования подключения выходов каналов защиты к электромагнитному исполнительному золотнику [А.С. СССР 1257246, кл. A01D 21/02. Многоканальная система защиты агрегата].
Недостатком известной системы защиты является недостаточная надежность при отказе или ложном срабатывании электромагнитного исполнительного золотника защиты, а также невозможность его проверки при тестировании без останова турбоагрегата.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является многоканальная система защиты турбоагрегата, содержащая зубчатое колесо, несколько каналов защиты, каждый из которых включает в себя датчик частоты вращения и формирователь сигнала защиты, источник тестового сигнала, переключатель поочередного подключения тестового сигнала к одному из каналов защиты и блок электромагнитных золотников защиты, в котором каждый электромагнитный золотник защиты имеет в своем составе электромагнитный клапан, гидравлический золотник и дроссельную шайбу [Патент РФ на изобретение №2272153, кл. F01D 21/02. Система защиты турбоагрегата].
Недостатком известной многоканальной системы защиты является наличие в составе каждого электромагнитного золотника защиты кроме электромагнитного клапана гидравлического золотника и шайбы, что существенно усложняет саму систему и ее изготовление, а также понижает ее надежность в целом вследствие возможности отказа гидравлических золотников в работе.
Предлагаемая многоканальная система защиты турбоагрегата позволяет упростить систему и ее изготовление, а также повысить надежность ее работы. Для этого известная система защиты, содержащая зубчатое колесо, несколько каналов защиты, каждый из которых включает в себя датчик частоты вращения и формирователь сигнала защиты, источник тестового сигнала и переключатель поочередного подключения тестового сигнала к одному из каналов защиты, дополнительно содержит блок электромагнитных клапанов, включающий несколько трехходовых двухпозиционных электромагнитных клапанов, имеющих каждый по одному электрическому входу, одному гидравлическому входу и по два гидравлических выхода; причем в каждом канале электрический вход электромагнитного клапана соединен с выходом соответствующего формирователя сигнала защиты; гидравлические входы электромагнитных клапанов объединены и соединены с линией подачи рабочей жидкости от насоса системы регулирования; соответствующие гидравлические выходы электромагнитных клапанов объединены: один с линией защиты турбоагрегата, другой - с линией слива рабочей жидкости в бак системы регулирования; при этом в каждом электромагнитном клапане при отсутствии сигнала на электрическом входе гидравлический вход внутри клапана отсоединен от гидравлических выходов, которые соединены между собой, а при наличии сигнала на электрическом входе гидравлический вход внутри клапана соединен с гидравлическим выходом, соединенным с линией защиты турбоагрегата, а гидравлический выход, соединенный с линией слива рабочей жидкости в бак системы регулирования, отсоединен от гидравлического входа и другого гидравлического выхода; в результате гидравлический выход блока электромагнитных клапанов, соединенный с линией защиты турбоагрегата представляет собой общий гидравлический выход системы защиты, реализованный по логической схеме голосования; причем для реализации логической схемы «(n-1) из n» необходимое количество каналов защиты определяется соотношением:
,
н
где n - количество каналов защиты, определяемое как целое число, удовлетворяющее приведенному соотношению; р - значение давления рабочей жидкости, подаваемой на гидравлические входы электромагнитных клапанов от насоса системы регулирования;  - значение давления в линии защиты при срабатывании системы защиты, необходимое для обеспечения надежного закрытия стопорных клапанов турбины.
аск
лз
На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемой многоканальной системы защиты турбоагрегата от разгона, на фиг.2 представлен один из возможных вариантов конструктивного исполнения блока электромагнитных клапанов (БЭК) для реализации логической схемы голосования «(n-1) из n» в обесточенном состоянии (турбоагрегат остановлен), на фиг.3 - тот же БЭК во взведенном состоянии (турбоагрегат работает), на фиг.4 - тот же БЭК в состоянии тестирования или ложного срабатывания одного из каналов, на фиг.5 -тот же БЭК при отказе срабатывания одного из каналов, на фиг.6 - типичная характеристика положения автозатвора стопорного клапана от значения давления рабочей жидкости в линии защиты Н(р).
Система защиты, изображенная на фиг.1, содержит зубчатое колесо 6, n каналов 1, 2, …, (n-1), n защиты, каждый из которых включает в себя датчик 1.1, 2.1, (n-1).1, n.1 частоты вращения и формирователь 1.2, 2.2, (n-1).2, n.2 сигнала защиты; источник тестового сигнала 3 и переключатель 4 поочередного подключения тестового сигнала к одному из каналов защиты, а также БЭК 5, имеющий в своем составе n трехходовых двухпозиционных электромагнитных клапанов (ЭК) 1.3, 2.3, …, (n-1).3, n.3. В каждом канале электрический вход ЭК 1.3, 2.3, …, (n-1).3, n.3 соединен с выходом соответствующего формирователя 1.2, 2.2, …, (n-1).2, n.2 сигнала защиты, а БЭК 5 имеет один гидравлический вход 7, соединенный с линией подачи рабочей жидкости от насоса, и два гидравлических выхода: 8, соединенный с линией защиты турбоагрегата, и 9, соединенный линией слива рабочей жидкости в бак.
БЭК 5, изображенный на фиг.2-5, содержит n трехходовых двухпозиционных ЭК 1.3, 2.3, …, (n-1).3, n.3, имеющих каждый по одному электрическому входу E, одному гидравлическому входу P и по два гидравлических выхода A, R; причем в каждом канале электрический вход E ЭК 1.3, 2.3, …, (n-1).3, n.3 соединен с выходом соответствующего формирователя 1.2, 2.2, …, (n-1).2, n.2 сигнала защиты; гидравлические входы Р ЭК 1.3, 2.3, …, (n-1).3, n.3 объединены и соединены с гидравлическим входом 7 БЭК 5 (с линией подачи рабочей жидкости от насоса системы регулирования); соответствующие гидравлические выходы A, R ЭК 1.3, 2.3, …, (n-1).3, n.3 объединены и соединены: A - с гидравлическим выходом 8 БЭК 5 (с линией защиты турбоагрегата), R - с гидравлическим выходом 9 БЭК 5 (с линией слива рабочей жидкости в бак системы регулирования).
аск
лз
н
лз
лз
На фиг.6 в качестве примера представлена типичная характеристика положения автозатвора стопорного клапана паровой турбины ЗАО УТЗ от давления в линии защиты Н(р), в которой источником рабочей жидкости (турбинного масла) является силовой насос, расположенный на валу турбины и развивающий давление р=1,4 МПа. Из фиг.6 видно, что для открытия стопорного клапана необходимо выполнение условия р>0,85-0,9 МПа, а для закрытия стопорного клапана турбины необходимо выполнение условия р<0,3-0,35 МПа. Фиг.6 приводится для описания работы системы защиты и БЭК 5, представленных на фиг.1-5.
Система, изображенная на фиг.1, работает следующим образом. При вращении зубчатого колеса 6 датчики частоты вращения 1.1, 2.1, …, (n-1).1, n.1 воспринимают сигнал текущего значения частоты вращения путем считывания последовательности зубцов и впадин зубчатого колеса 6. Сигналы по частоте вращения поступают на входы формирователей 1.2, 2.2, …, (n-1).2, n.2 сигнала защиты. При частоте вращения, не превышающей установленного граничного значения, на выходах формирователей сигнала защиты 1.2, 2.2, …, (n-1).2, n.2 не вырабатывается дискретный сигнал защиты, и он не поступает на электрические входы ЭК 1.3, 2.3, …, (n-1).3, n.3 БЭК 5, в результате ЭК 1.3, 2.3, …, (n-1).3, n.3 находятся в рабочем состоянии (под напряжением), в котором они соединяют гидравлический вход 7 линии подвода рабочей жидкости от силового насоса с гидравлическим выходом 8 подачи рабочей жидкости в линию защиты турбоагрегата и отсекают гидравлический выход 8 от гидравлического выхода 9 слива рабочей жидкости в маслобак. В результате давление рабочей жидкости в линии защиты турбоагрегата поддерживается равным давлению за силовым насосом, что соответствует открытому положению стопорных клапанов (см. фиг.6). При частоте вращения, превышающей установленное граничное значение, на выходах формирователей 1.2, 2.2, …, (n- 1).2, n.2 сигнала защиты вырабатываются дискретные сигналы защиты, которые поступают на электрические входы ЭК 1.3, 2.3, …, (n-1).3, n.3 БЭК 5, в результате ЭК 1.3, 2.3, …, (n-1).3, n.3 переходят в сработанное (обесточенное) состояние, в котором они отсекают гидравлический вход 7 линии подвода рабочей жидкости от силового насоса от гидравлического выхода 8 подачи рабочей жидкости в линию защиты турбоагрегата, и соединяют гидравлический выход 8 с гидравлическим выходом 9 слива рабочей жидкости в маслобак. В результате давление рабочей жидкости в линии защиты турбоагрегата устанавливается равным нулю, что соответствует закрытому положению стопорных клапанов (см. фиг.6).
На фиг.2 представлен БЭК 5 в описанном выше сработанном (обесточенном) состоянии ЭК 1.3, 2.3, …, (n-1).3, n.3, при этом стопорные клапаны турбины закрыты.
На фиг.3 представлен БЭК 5 в описанном выше рабочем состоянии ЭК 1.3, 2.3, …, (n-1).3, n.3 (под напряжением), при этом стопорные клапаны турбины открыты.
На фиг.4 представлен БЭК 5 в состоянии тестирования (расхаживания) одного из каналов системы защиты или появления в нем ложного сигнала защиты. При этом (n-1) ЭК (в примере на рисунке 2.3, …, (n-1).3, n.3) подают рабочую жидкость в линию защиты, а один ЭК (в примере на рисунке 1.3) сливает ее из линии защиты в бак. Поскольку все ЭК 1.3, 2.3, …, (n-1).3, n.3 одинаковы, в этом случае в линии защиты устанавливается давление , определяемое из исходного уравнения:
,
откуда
.
н
В таблице 1 представлены значения давления  в линии защиты для различного n при р=1,4 МПа:
Таблица 1
n
1
2
3
4
5
6
<img file="00000003.tif" he="7" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
0
0,7
1,12
1,26
1,318
1,346
Из таблицы 1 видно, что для зависимости, представленной на фиг.6, для обеспечения поканального тестирования (расхаживания) защиты достаточно трех каналов защиты (n=3), при этом не произойдет прикрытия автозатвора стопорного клапана турбины.
На фиг.5 представлен БЭК 5 в состоянии срабатывания защиты при отказе одного из каналов системы защиты, т.е. случай, соответствующий наиболее распространенной логике «(n-1) из n». При этом (n-1) ЭК (в примере на рисунке 2.3, …, (n-1).3, n.3) сливают рабочую жидкость в бак, а один ЭК (в примере на рисунке 1.3) подает ее в линию защиты. В этом случае в линии защиты устанавливается давление , определяемое из исходного уравнения:
,
откуда
.
н
В таблице 2 представлены значения давления  в линии защиты для различного n при р=1,4 МПа:
n
1
2
3
4
5
6
<img file="00000009.tif" he="7" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
1,4
0,7
0,28
0,14
0,082
0,054
лз
Формально система защиты обеспечивает закрытие стопорных клапанов также при n=3. Однако запас по давлению в линии защиты крайне незначителен, а в процессе эксплуатации турбины зависимость (фиг.6) может несколько смещаться в сторону более низких значений р. Для надежной работы защиты (гарантии закрытия стопорного клапана) необходимо, чтобы при срабатывании защиты давление в линии защиты снижалось существенно ниже значения, вытекающего из фиг.6 (0,35 МПа), например до 0,15-0,2 МПа. Если обозначить такое значение как , то для нахождения необходимого количества ЭК (каналов) необходимо выполнение условия:
,
т.е. должно выполняться неравенство:
,
из которого получается выражение для количества ЭК n (n>0):
.
В рассмотренном примера для турбин УТЗ (фиг.6) для предложенного значения  получается n≥3,89 и с учетом того, что n должно быть целочисленным, получается n=4, 5, 6, ….
Приведенный пример показывает, что условие надежного срабатывания защиты требует большего количества ЭК, чем условие тестирования (расхаживания) ЭК. Количество ЭК выбирается по максимальному из этих условий, т.е. в данном случае n=4, 5, 6, … Минимально достаточно n=4, т.е. при отказе одного ЭК из 4-х достаточно срабатывания 3-х оставшихся ЭК, чтобы надежно закрыть стопорный клапан турбины (т.е. достаточно логики «3 из 4»). Решение об увеличении количества ЭК до n=5 или n=6 для дополнительного повышения надежности защиты следует принимать с учетом общего усложнения и удорожания системы.