РЕГУЛЯТОР ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ГИДРОТУРБИНЫ С ХОЛОСТЫМ ВЫПУСКОМ

Заявляемая полезная модель относится к регуляторам частоты вращения гидротурбины (гидроагрегата) с холостым выпуском.
При регулировании работы гидротурбин (гидроагрегатов) обязательным является обеспечение заданных гарантий регулирования, то есть не допускать превышения критических значений угонных скоростей вращения турбины (генератора) и чрезмерного повышения давления в водоводе при сбросах полной или частичной мощности.
В низконапорных станциях, имеющих короткие водоводы, гарантии регулирования по скорости вращения турбины обеспечиваются за счет программного закрытия направляющего аппарата. В высоконапорных станциях, при напоре более ста метров, имеющих трубопроводы протяженностью более пятисот метров, при заданной величине момента инерции агрегата, время закрытия направляющего аппарата, обеспечивающее гарантии регулирования по скорости вращения турбины при сбросе полной мощности, приводит к недопустимому повышению давления в подводящем водоводе.
Для выдерживания давления в водоводе в допустимых пределах и недопущения угонной скорости применяют холостой выпуск, который присоединяют к спиральной камере или напорному водоводу. При быстром движении направляющего аппарата на закрытие холостой выпуск также быстро открывается, а затем постепенно закрывается.
Суммарный расход через турбину и холостой выпуск, определяющий скорость течения воды в напорном трубопроводе, изменяется сравнительно медленно, вследствие чего повышение давления не превосходит допустимой величины.
Известен регулятор частоты вращения гидротурбины (ГТ) с холостым выпуском, включающий в себя: собственно регулятор частоты вращения гидротурбины, состоящей из механизма задания частоты вращения гидротурбины, датчика фактической частоты вращения гидротурбины, механизма управления сервоприводом направляющего аппарата, датчика положения направляющего аппарата, сумматора регулятора частоты вращения гидротурбины, усилителя регулятора частоты вращения гидротурбины, сервопривода, обеспечивающего открытие (закрытие) направляющего аппарата и заданный расход воды через гидротурбину, а также управление холостым выпуском. Холостой выпуск включает в себя выходной патрубок клапана холостого выпуска, клапан холостого выпуска, шток, уравновешивающий поршень, масляный сервомотор, золотник, рычажную передачу, катаракт и кулачок, который жестко связан с положением направляющего аппарата (см. Турбинное оборудование гидроэлектростанций. Руководство для проектирования. Под ред. А.А.Морозова. Госэнергоиздат, Москва, Ленинград, 1958) [1].
Давление масла от маслонапорной установки (МНУ) на поршень масляного сервомотора и давление воды на уравновешивающий поршень удерживает клапан холостого выпуска в закрытом положении. При смещении золотника вниз нижняя полость масляного сервомотора соединяется с верхней, постоянно сообщенной со сливом, а клапан холостого выпуска, за счет большей площади, чем площадь уравновешивающего поршня, открывается давлением воды на поверхность клапана холостого выпуска. Катаракт соединен с рычажной передачей, связывающей золотник и поршень масляного сервомотора со штоком, на котором также размещены уравновешивающий поршень и клапан холостого выпуска.
Катаракт получает перемещение от кулачка, приводимого в движение от сервопривода регулятора частоты вращения гидротурбины, чем обеспечивается открытие холостого выпуска при закрытии направляющего аппарата. Время закрытия холостого выпуска определяется временем неретекания масла из одной полости катаракта в другую, которое может быть отрегулировано дросселем.
Катаракт и кулачок с рычажной передачей, при помощи которых осуществляются требуемые зависимости открытия (закрытия) клапана холостого выпуска при сбросах полной и частичной мощности - сложные механические и пневматические устройства. Очевидно, что для каждой проектируемой станции потребуется иная профилировка кулачка, иное соотношение рычажных передач, перенастройка катаракта и дросселей.
КЛ
Напротив, функции механических и пневматических устройств, устанавливающих скорость перемещения клапана холостого выпуска на открытие (закрытие), могут быть реализованы в вычислительных блоках. Слежение за заданным значением уставки равной S=, где  - скорость перемещения клапана холостого выпуска, t - время с начала открытия (закрытия) клапана холостого выпуска, традиционным образом может быть реализовано следящим приводом с помощью масляного сервомотора, датчика обратной связи по перемещению клапана холостого выпуска и электрически управляемого золотника (гидрораспределителя), обеспечивающего заданную скорость перемещения поршня масляного сервомотора.
Задачей, на выполнение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание регулятора частоты вращения гидротурбины с холостым выпуском, обладающего лучшими техническими характеристиками: простота реализации закона перемещения клапана, точность поддержания скорости перемещения клапана, а также уменьшение габаритно-массовых характеристик регулятора частоты вращения гидротурбин с холостым выпуском.
Технический результат заключается в улучшении технических и регулировочных характеристик, простоте обслуживания и отладки.
Технический результат достигается тем, что в известный регулятор частоты вращения гидротурбины с холостым выпуском, который включает в себя собственно регулятор частоты вращения гидротурбины, состоящий из механизма задания частоты вращения гидротурбины, датчика фактической частоты вращения гидротурбины, датчика положения направляющего аппарата, механизма управления сервоприводом направляющего аппарата, сумматора регулятора частоты вращения гидротурбины, усилителя регулятора частоты вращения гидротурбины и сервопривода, выход которого связан с направляющим аппаратом и холостым выпуском, состоящим из выходного патрубка клапана холостого выпуска, клапана холостого выпуска, штока, уравновешивающего поршня, масляного сервомотора, поршень которого вместе с уравновешивающим поршнем и клапаном холостого выпуска жестко закреплен на штоке, золотника введены датчик положения клапана холостого выпуска, дифференцирующий блок, вычислительный блок формирования заданной скорости и заданного положения клапана холостого выпуска, механизм управления холостым выпуском, сумматор холостого выпуска и усилитель холостого выпуска, причем дифференцирующий блок соединен с датчиком положения направляющего аппарата и с вычислительным блоком формирования заданной скорости и заданного положения клапана холостого выпуска, соединенным с сумматором регулятора частоты вращения гидротурбины и сумматором холостого выпуска, который соединен с механизмом управления холостым выпуском, датчиком положения клапана холостого выпуска, усилителем холостого выпуска, датчик положения клапана холостого выпуска соединен с вычислительным блоком формирования заданной скорости и заданного положения клапана холостого выпуска и штоком холостого выпуска, а усилитель холостого выпуска соединен с золотником, в качестве которого применен электрически управляемый гидрораспределитель.
На фигуре представлен регулятор частоты вращения гидротурбины с холостым выпуском в соответствии с заявленным техническим решением, где:
1 - регулятор частоты вращения гидротурбины включающий в себя:
2 - механизм задания частоты вращения гидротурбины;
3 - датчик фактической частоты вращения гидротурбины;
4 - механизм управления сервоприводом направляющего аппарата;
5 - датчик положения направляющего аппарата;
6 - сумматор регулятора частоты вращения гидротурбины;
7 - усилитель регулятора частоты вращения гидротурбины;
8 - сервопривод;
9 - холостой выпуск, включающий в себя:
10 - выходной патрубок клапана холостого выпуска;
11 - клапан холостого выпуска;
12 - шток;
13 - уравновешивающий поршень;
14 - масляный сервомотор;
15 - золотник;
16 - датчик положения клапана холостого выпуска;
17 - дифференцирующий блок;
18 - вычислительный блок формирования заданной скорости и заданного положения клапана холостого выпуска;
19 - механизм управления холостым выпуском;
20 - сумматор холостого выпуска;
21 - усилитель холостого выпуска.
Предлагаемый регулятор частоты вращения гидротурбины с холостым выпуском работает следующим образом.
Запуск гидротурбины в режим холостого хода осуществляется с помощью программы или вручную путем изменения управляющего сигнала на входе сумматора регулятора частоты вращения гидротурбины 6 механизмом управления сервоприводом направляющего аппарата 4 до величины минимального открытия направляющего аппарата, соответствующего режиму холостого хода. Вывод гидротурбины на режим отдаваемой мощности также осуществляется либо с помощью программы, либо вручную путем постепенного увеличения сигнала с механизма управления сервоприводом направляющего аппарата 4. Установившийся расход воды через направляющий аппарат и гидротурбину при данном открытии соответствует заданной располагаемой мощности гидротурбины при заданной частоте ее вращения, поддержание которой осуществляется регулятором частоты вращения гидротурбины 1. Регулятор частоты вращения гидротурбины 1 стабилизирует частоту вращения турбины.
x
При диаметре седла D клапана холостого выпуска 11 его ход обычно выбирают из соотношения ([1] стр.157)
Действительный расход через клапан холостого выпуска равен:
0
где Н- номинальный напор;
ζ - относительное повышение давления в трубопроводе (допустимо ζ=0,15÷0,2);
x
0
x
- приведенный расход через холостой выпуск, то есть расход при D=1 м и Н=1 м, в зависимости от хода S клапана.
Необходимый максимальный расход воды через холостой выпуск при сбросе полной мощности определяется [1] стр.158 формула (5-11)
0
где Q - максимальный расход воды через турбину;
з
Т - время закрытия направляющего аппарата турбины от полного его открытия, обеспечивающее при наличии холостого выпуска допустимое повышение давления и частоты вращения;
Т - время закрытия направляющего аппарата турбины от полного его открытия, обеспечивающее допустимое повышение давления при отсутствии холостого выпуска.
Аналогично зависимости (3) для максимального потребного расхода через клапан холостого выпуска при сбросе частичной мощности
где Q - расход воды через турбину в момент сброса частичной мощности;
- время закрытия направляющего аппарата турбины от начального его открытия, обеспечивающее при наличии холостого выпуска допустимое повышение давления и частоты вращения;
x
Q - максимальный потребный расход через клапан холостого выпуска при сбросе частичной мощности;
*
Т - время закрытия направляющего аппарата турбины от начального его открытия, обеспечивающее допустимое повышение давления при отсутствии холостого выпуска.
Приближенно время Т можно определить, воспользовавшись формулой непрямого гидравлического удара по постоянной характеристике трубопровода а и допустимого повышения давления ζ=0,15÷0,2, например, в последней фазе гидравлического удара, то есть
откуда
где: ;
ΣL·V - сумма произведений длин участков водовода на скорость воды в них;
g - ускорение свободного падения;
НА
τ - начальное относительное открытие направляющего аппарата , характеризующее начальный относительный расход воды через турбину, то есть ;
max
Y, Y - соответственно начальное и максимальное открытие направляющего аппарата.
HA
0
x
КЛ
xmax
С учетом того, что Q=τ·Q и Q=τ·Q, выражение (4) будет иметь вид:
Из (6) и (7), обозначив  и , получим:
x
Ix
КЛ
Но между действительным расходом воды через клапан холостого выпуска Q и перемещением клапана, как это следует из [1] рисунок 5-27, существует связь, обусловленная нелинейностью приведенного расхода Q, которая может быть аппроксимирована квадратичной функцией от перемещения клапана S.
Тогда действительный расход через клапан холостого выпуска из выражения (2) можно представить в виде
1
2
0
x
где b; b - коэффициенты, при постоянных значениях Н, D; ζ.
Тогда относительная скорость расхода воды через клапан холостого выпуска
а с учетом (8) скорость перемещения клапана холостого выпуска на открытие должна находиться в соотношении
Выражение (11) устанавливает связь между скоростью открытия клапана холостого выпуска и относительной скоростью закрытия направляющего аппарата.
Определить скорость закрытия клапана холостого выпуска можно следующим образом.
HA
0
КЛ
xmax
Время закрытия клапана холостого выпуска из условия не превышения допустимой величины давления в водоводе можно определить, воспользовавшись соотношением (6), где вместо расхода через направляющий аппарат τ·Q взять расход через клапан холостого выпуска τ·Q.
Тогда
где:
откуда , а с учетом (10)
Выражение (13) устанавливает зависимость скорости закрытия клапана холостого выпуска от положения клапана 8кд, из условия не превышения допустимой величины давления в водоводе.
НА1
Анализируя выражение (11) можно видеть, что при скорости закрытия направляющего аппарата  скорость перемещения клапана на открытие равна нулю независимо от начального открытия направляющего аппарата, то есть клапан должен быть закрыт.Кроме этого имеется начальное открытие направляющего аппарата τ, соответствующее части мощности, при сбросе которой не произойдет жесткого гидроудара при любой скорости закрытия направляющего аппарата.
Таким образом, клапан должен открываться при одновременном выполнении условий:
НА
НА1
τ≥τ и
При невыполнении одного из этих условий клапан холостого выпуска должен быть закрыт или находиться в стадии закрытия. Величина  существенно больше скорости перемещения направляющего аппарата в режиме стабилизации частоты, поэтому клапан холостого выпуска в этом режиме должен оставаться закрытым.
KЛуст
Поскольку скорости перемещения направляющего аппарата при выходе на холостой ход и нагрузку небольшие, клапан холостого выпуска 11 остается закрытым. В вычислительном блоке формирования заданной скорости и заданного положения клапана холостого выпуска 18 согласно условию (14)  на его выходе формируется уставка по перемещению клапана холостого выпуска S=0. На выходе золотника 15 формируется сигнал, который с помощью масляного сервомотора 14 удерживает клапан холостого выпуска 11 в закрытом положении.
В критических ситуациях быстрого останова гидротурбины при сбросах полной или частичной мощности происходит быстрое закрытие направляющего аппарата Y из условия не превышения допустимого разгона гидротурбины и одновременно с этим происходит быстрое открытие клапана холостого выпуска 11 для того, чтобы повышение давления в водоводе не превосходило допустимую величину.
НА
НА1
В вычислительном блоке формирования заданной скорости и заданного положения клапана холостого выпуска 18 непрерывно оценивается состояние направляющего аппарата, то есть величина его относительного открытия τ и относительная скорость перемещения , которые сравниваются, соответственно, с расчетными постоянными τ и .
КЛ
При одновременном выполнении условий (14) в вычислительном блоке формирования заданной скорости и заданного положения клапана холостого выпуска 18 при S=0 согласно зависимости (11) вычисляется требуемая скорость открытия клапана холостого выпуска 11, а на его выходе формируется уставка по перемещению клапана холостого выпуска на открытие равная
где t - время с начала открытия клапана холостого выпуска. По сигналу механизма управления холостым выпуском 19 в сумматоре холостого выпуска 20 уставка по формуле (15) сравнивается с показаниями датчика положения клапана холостого выпуска 16. По разности показаний на вход золотника 15, в качестве которого использован электрически управляемый гидрораспределитель, через усилитель 21 подается сигнал, который устанавливает соединение полости под поршнем масляного сервомотора 14 со сливом, давление в этой полости уменьшается, и клапан холостого выпуска 11 за счет большей площади по сравнению с площадью уравновешивающего поршня 13 открывается давлением воды в водоводе с расчетной скоростью открытия клапана.
При невыполнении хотя бы одного из условий (14) клапан холостого выпуска 11 закрывается со скоростью равной установленной соотношением (13) в момент начала закрытия клапана.
Для обеспечения заданных гарантий регулирования с большей надежностью, следует найденную скорость открытия клапана холостого выпуска несколько увеличить, а найденную скорость закрытия клапана холостого выпуска наоборот - уменьшить.
Предложенный регулятор частоты вращения гидротурбины с холостым выпуском выгодно отличается от известных, а именно: простотой отладки, уменьшением габаритно-массовых характеристик, снижением затрат на обслуживание и отладку регулятора.
Например, при изменении каких-либо параметров водовода или исходных данных по гарантиям регулирования, ведущих к изменению законов открытия (закрытия) клапана холостого выпуска 11, задача в предлагаемом устройстве решается путем перепрограммирования вычислительного блока формирования заданной скорости и заданного положения клапана холостого выпуска 18, а не с помощью перенастройки и изменения рычажных передач, перепрофилирования кулачка, настройки катаракта и прочих элементов известного механического холостого выпуска.
Исключение механических элементов - рычажной передачи, катаракта, кулачка, входящих в холостой выпуск уменьшает его высоту более чем на полметра, что существенно уменьшает массу, обеспечивает простоту реализации закона перемещения клапана и точность поддержания скорости его перемещения, повышает его регулировочные способности, а также гарантирует простоту обслуживания и отладки.