ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ КОЛОНКА РЕГУЛЯТОРА ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ГИДРОТУРБИНЫ

Заявленная полезная модель относится к гидромашиностроению и предназначена для преобразования электрических сигналов, поступающих от электрической и гидравлической частей системы регулирования, в соответствующие перемещения регулирующих органов гидротурбины - сервомоторов направляющего аппарата (для случаев радиально-осевых или пропеллерных гидротурбин) и рабочего колеса (для случая поворотно-лопастной гидротурбины). Полезная модель может использоваться в системах управления гидротурбин любого типа.
Известна электрогидравлическая колонка регулятора скорости гидротурбины (патент на полезную модель RU 176944 U1, МПК F03B 15/06, опубл. 02.02.2018), содержащая один фильтр грубой очистки, соединенный с внешним источником давления и фильтром тонкой очистки, пропорциональный гидравлический распределитель с электрической обратной связью, вход которого соединен с выходом фильтра тонкой очистки, блок пуска-останова, вход которого соединен с выходом фильтра тонкой очистки, гидравлический распределитель с ручным управлением, вход которого соединен с выходом фильтра тонкой очистки, кран выбора режима управления, первый вход которого соединен с выходом гидравлического распределителя с ручным управлением, а второй вход соединен с выходом пропорционального гидравлического распределителя, главный золотник, первый вход которого соединен с внешним источником давления, второй вход соединен с выходом блока пуска-останова, при этом пропорциональный гидравлический распределитель, блок пуска-останова, гидравлический распределитель с ручным управлением и кран выбора режима управления выполнены на едином гидравлическом блоке, причем пропорциональный гидравлический распределитель выполнен с возможностью автоматического перевода ЭГК в состояние закрытия направляющего аппарата при потере управляющего сигнала, а блок пуска-останова - при потере электропитания.
Основным недостатком данной электрогидравлической колонки регулятора скорости гидротурбины является его малая функциональность.
Задачей, на выполнение которой направлено заявляемое техническое решение, является создание электрогидравлической колонки регулятора частоты вращения гидротурбины, обладающей значительно большими управляющими и защитными функциями по сравнению с известным аналогом, что позволит обеспечить автоматическое регулирование текущего положения регулирующих органов гидротурбины в режиме местного управления, в том числе, с соблюдением комбинаторной зависимости угла разворота лопастей рабочего колеса от текущего положения направляющего аппарата гидротурбины и действующего напора, создать независимую автоматическую защиту гидротурбины от угонной скорости.
Техническая проблема решается за счет того, что электрогидравлическая колонка регулятора частоты вращения гидротурбины, содержащая один фильтр грубой и один фильтр тонкой очистки масла, пропорциональный гидравлический распределитель направляющего аппарата с электрической обратной связью, вход которого соединен с выходом фильтра тонкой очистки, гидравлический распределитель с ручным управлением направляющим аппаратом, вход которого соединен с выходом фильтра тонкой очистки, кран выбора режима управления главным золотником направляющего аппарата, первый вход которого соединен с выходом гидравлического распределителя с ручным управлением, а второй вход соединен с выходом пропорционального гидравлического распределителя направляющего аппарата, главный золотник направляющего аппарата, первый вход которого соединен с внешним источником давления, второй вход соединен с выходом гидрораспределителя аварийного закрытия главного золотника направляющего аппарата, дополнительно содержит, по меньшей мере, один фильтр тонкой очистки масла с более высокой степенью фильтрации, пропорциональный гидравлический распределитель управления лопастями рабочего колеса с электрической обратной связью, вход которого соединен с выходом фильтра тонкой очистки, гидравлический распределитель с ручным управлением лопастями рабочего колеса, вход которого соединен с выходом фильтра тонкой очистки, кран выбора режима управления главным золотником рабочего колеса гидротурбины, первый вход которого соединен с выходом гидравлического распределителя с ручным управлением лопастями рабочего колеса, а второй вход соединен с выходом пропорционального гидравлического распределителя рабочего колеса, главный золотник рабочего колеса, первый вход которого соединен с внешним источником давления, второй вход соединен со сливным маслобаком маслонапорной установки, два сервомотора управления главными золотниками направляющего аппарата и рабочего колеса с датчиками текущего положения, блок электрогидравлических распределителей управления «2 из 3», вход которого соединен с выходом фильтра тонкой очистки, механизм противоразгонной защиты, вход которого соединен с выходом блока «2 из 3», гидравлический распределитель ручного аварийного закрытия направляющего аппарата гидротурбины, вход которого соединен с выходом механизма противоразгонной защиты, а выход соединен с входом управляющего гидрораспределителя золотника аварийного закрытия направляющего аппарата, при этом пропорциональные электрогидравлические распределители с электромагнитами и обратными связями по положению своих золотников позволяют контролировать отработку задания, поступающего от контроллера ЭГК или контроллера вышестоящей системы управления, а также периодически, в установившихся режимах работы гидротурбины, формировать сигналы осцилляции, препятствующие возможному залипанию тела золотников. В одном из вариантов осуществления настоящей полезной модели ЭГК дополнительно содержит реле частоты вращения гидротурбины с возможностью запуска алгоритма аварийного останова и перевода ЭГК в состояние закрытия направляющего аппарата при повышении частоты вращения выше заданного значения.
В одном из вариантов осуществления настоящей полезной модели ЭГК дополнительно содержит стрелочные приборы для измерения частоты вращения, положения сервомоторов направляющего аппарата и рабочего колеса, положения главных золотников управления направляющего аппарата и рабочего колеса, светосигнализаторы для контроля положения стопора направляющего аппарата, исправности блоков питания и засоренности маслофильтров, ключи и кнопки для контроля состояния и управления гидротурбиной в местном ручном режиме.
В одном из вариантов осуществления настоящей полезной модели ЭГК обеспечивается безударный переход, выбор, реализация одного из режимов управления: дистанционный, местный механический, местный электрический с сохранением комбинаторной зависимости и местный электрический с раздельным управлением направляющим аппаратом и рабочим колесом.
Достигаемый технический результат заключается в расширении функционала системы регулирования гидротурбины.
Устройство электрогидравлической колонки поясняется следующими чертежами, схемами и графиком, где:
- на фиг. 1 приведен вид спереди электрогидравлической колонки с дверной створкой;
- на фиг. 2 приведен вид спереди электрогидравлической колонки без дверной створки;
- на фиг. 3 изображен вид А-А;
- на фиг. 4 изображен вид Б-Б;
- на фиг. 5 представлена принципиальная гидравлическая схема;
- на фиг. 6 представлено продолжение принципиальной гидравлической схемы;
- на фиг. 7 представлено продолжение принципиальной гидравлической схемы;
- на фиг. 8 представлена схема электрических и гидравлических связей регулятора скорости вращения гидротурбины;
- на фиг. 9 представлен график формирования сигналов осцилляции.
Список позиционных обозначений:
1 - главный золотник направляющего аппарата;
2 - фильтр грубой очистки масла;
3 - фильтр тонкой очистки масла с датчиком засоренности (тонкость фильтрации - 100 мкм);
4 - фильтр тонкой очистки масла с датчиком засоренности (тонкость фильтрации - 20 мкм);
5 - датчик положения главного золотника рабочего колеса;
6 - датчик положения главного золотника направляющего аппарата;
7 - электромагнитный гидрораспределитель аварийного закрытия главного золотника направляющего аппарата;
8 - пропорциональный гидравлический распределитель электрического управления направляющим аппаратом гидротурбины (управление в автоматическом и ручном режимах);
9 - гидравлический распределитель механического управления направляющим аппаратом гидротурбины (управление в ручном режиме);
10 - дроссель (регулировка скорости открытия/закрытия главного золотника направляющего аппарата гидротурбины при ручном механическом управлении);
11 - кран выбора режима управления главным золотником направляющего аппарата гидротурбины (механическое ручное или электрическое) с датчиками контроля позиций;
12 - тестовый манометр контроля давления в контрольных точках;
13 - манометр давления в магистрали открытия НА;
14 - манометр давления в магистрали закрытия НА;
15 - манометр электроконтактный (визуальный контроль и сигнализация низкого и аварийно-низкого давления в управляющей магистрали);
16 - стрелочный щитовой прибор (указатель текущего положения главного золотника рабочего колеса);
17 - стрелочный щитовой прибор (указатель текущего положения главного золотника направляющего аппарата);
18 - цифровой щитовой прибор (тахометр с встроенным реле контроля высокой частоты вращения гидроагрегата);
19 - стрелочный щитовой прибор (указатель текущего открытия направляющего аппарата);
20 - стрелочный щитовой прибор (указатель текущего положения лопастей рабочего колеса);
21 - сигнальная лампа "Стопор направляющего аппарата освобожден", зеленая;
22 - сигнальная лампа "Стопор направляющего аппарата наложен", желтая;
23 - кнопка "Аварийный останов" с фиксацией и защитным колпачком, красная;
24 - переключатель трехпозиционный, с возвратом в положение "0" (регулирование текущего открытия НА в режиме ручного местного электрического управления);
25 - клеммные зажимы для электрического подключения ЭГК;
26 - переключатель выбора режима управления трехпозиционный с фиксацией (выбор режима дистанционого управления, местного управления направляющим аппаратом с сохранением комбинаторной зависимости рабочего колеса или местного управления направляющим аппаратом и рабочим колесом без сохранения комбинаторной зависимости);
27 - переключатель трехпозиционный, с возвратом в положение "0" (регулирование текущего разворота лопастей рабочего колеса в режиме ручного местного электрического управления без сохранения комбинаторной зависимости);
28 - сигнальная лампа "Электрическое управление ЭГК", зеленая;
29 - сигнальная лампа "Исправность блоков питания ЭГК", зеленая;
30 - сигнальная лампа "Главный золотник направляющего аппарат закрыт", красная;
31 - сигнальная лампа "Маслофильтр ЭГК засорен", желтая;
32 - сигнальная лампа "Защита ЭГК включена", красная;
33 - сигнальная лампа "Золотник аварийного закрытия направляющего аппарата сработал", красная;
34 - кнопка "Деблокировка защит ЭГК" с без фиксации, черная;
35 - пропорциональный гидравлический распределитель электрического управления лопастями рабочего колеса гидротурбины (управление в автоматическом и ручном режимах);
36 - гидравлический распределитель механического управления лопастями рабочего колеса гидротурбины (управление в ручном режиме);
37 - главный золотник рабочего колеса;
38 - кран выбора режима управления главным золотником рабочего колеса гидротурбины (механическое ручное или электрическое) с датчиками контроля позиций;
39 - сервомотор управления главным золотником направляющего аппарата;
40 - сервомотор управления главным золотником рабочего колеса;
41 - дроссель (регулировка скорости аварийного закрытия главного золотника направляющего аппарата гидротурбины);
42 - дроссель (регулировка скорости открытия/закрытия главного золотника рабочего колеса гидротурбины при ручном механическом управлении);
43 - датчик контроля закрытого положения главного золотника направляющего аппарата;
44 - кран напорной магистрали ЭГК;
45 - кран сливной магистрали ЭГК;
46 - манометр давления в магистрали закрытия (сворачивания) ЛРК;
47 - манометр давления в магистрали открытия (разворачивания) ЛРК;
48 - гидравлический распределитель ручного аварийного закрытия направляющего аппарата гидротурбины, с фиксацией;
49 - контроллер управления с модулями ввода-вывода;
50 - блоки резервированного электропитания ЭГК;
51 - гидравлический распределитель механизма противоразгонной защиты гидроагрегата;
52 - гидравлический распределитель управления контуром срабатывания защиты 1 и 3 каналов или 2 и 3 каналов;
53 - гидравлический распределитель управления контуром срабатывания защиты 1 и 2 каналов;
54 - гидрозамок управления 3 канала;
55 - гидравлический клапан логический «или» для 1 и 2 каналов;
56 - электромагнитный гидрораспределитель управления золотником аварийного закрытия направляющего аппарата (2 канал);
57 - электромагнитный гидрораспределитель управления золотником аварийного закрытия направляющего аппарата (1 канал);
58 - гидрозамок управления 1 канала;
59 - гидравлический клапан логический «или» для 2 и 3 каналов;
60 - электромагнитный гидрораспределитель управления золотником аварийного закрытия направляющего аппарата (3 канал).
Электрогидравлическая колонка работает следующим образом.
От напорного трубопровода маслонапорной установки, выступающей в роли внешнего источника давления, масло последовательно поступает к сдвоенным фильтрам грубой очистки, тонкой очистки 1 ступени (100 мкм) и тонкой очистки 2 ступени (20 мкм) соответственно. Конструкция с встроенным фильтром 2 грубой очистки и каскадом фильтров тонкой очистки 3, 4 позволяет использовать данную ЭГК с устаревшими маслонапорными установками, не оборудованными фильтрами. В данной ЭГК используются фильтры с индикаторами загрязнения, контролирующими фильтроэлемент, находящийся в работе. Каждый фильтр выполнен двойным, в одном корпусе имеются два независимых фильтрующих элемента, тем самым обеспечивается замена любого из фильтрующих элементов без остановки гидротурбины. Далее масло подводится к управляющим гидрораспределителям стыкового монтажа, установленным на единой плите, предназначенной для монтажа гидравлического оборудования и реализации гидравлических систем без применения трубопроводов. Гидрораспределители 8 и 9 выполняют функции управления направляющим аппаратом путем воздействия на сервомотор управления главным золотником направляющего аппарата 39, механически воздействующим на шток вспомогательного сервомотора главного золотника направляющего аппарата 1. Управление может осуществляться в механическом ручном, электрическом автоматическом и электрическом ручном режимах. Переключение между механическим и электрическими режимами управления направляющим аппаратом осуществляется краном 11 выбора режима управления с контролем выбранного режима, а переключение между механическим и электрическими режимами управления лопастями рабочего колеса осуществляется краном 38 выбора режима управления с контролем выбранного режима. В автоматическом режиме регулирования, электрические сигналы 4-20 мА от системы регулирования преобразуются в пропорциональные перемещения золотника электромагнитного пропорционального гидравлического распределителя 8, в свою очередь пропорциональный гидравлический распределитель 8 передает электрические сигналы 4-20 мА о физическом положении своего золотника обратно в систему регулирования, тем самым осуществляется регулирование потока масла, подаваемого в управляющую линию вспомогательного сервомотора главного золотника 1, что вызывает требуемое перемещение главного золотника 1 и сервомоторов направляющего аппарата. Обратная связь пропорционального гидравлического распределителя 8 служит для управления и анализа полученных данных с возможностью предоставления в виде графиков, таблиц или любом ином графическом и текстовом варианте, что позволяет оценивать отработку заданного сигнала пропорциональным гидравлическим распределителем 8, обеспечивая более высокую точность регулирования и диагностику состояния пропорционального гидравлического распределителя 8 для предупреждения выхода из строя или проведения ремонта. Для изменения режима работы гидрораспределителя 8 в контроллере ЭГК применяются специальные алгоритмы, формирующие сигналы осцилляции, представленные на фиг. 9, что предотвращает возможные залипания тела золотника при длительной работе в установившихся режимах или на остановленном гидроагрегате. При потере электропитания или сигнала управления 4-20 мА, золотник пропорционального гидравлического распределителя 8 автоматически переводит поток масла в полость закрытия управляющего сервомотора 39 главного золотника 1, что обеспечивает перекладывание главного золотника 1 в положение, обеспечивающее закрытие лопаток направляющего аппарата.
Переходя на механический ручной режим, поворотом рукоятки крана 11 выбора режима управления, пропорциональный гидравлический распределитель 8 выключается из схемы управления, и управление осуществляется перемещением рукоятки гидравлического распределителя 9 с ручным управлением независимо от состояния сигналов регулирования скорости и сигналов датчиков положения регулирующих органов гидротурбины. При перемещении рукоятки в одно из крайних положений гидрораспределитель 9 обеспечивает соответственно подачу масла и смещение главного золотника в сторону открытия или закрытия направляющего аппарата с максимальной скоростью. При отпускании рукоятки гидрораспределителя 9 происходит ее возврат в нейтральное положение, а золотник 1 остается в текущем положении. Регулирование скорости перемещения главного золотника 1 обеспечивается выбором оптимального угла наклона рукоятки гидрораспределителя 9. Кран 11 выбора режима управления снабжен датчиками контроля позиций со световой индикацией, за счет чего не возникает сомнения в том, что кран находится в крайнем положении, так как оно всегда однозначно диагностируется визуально. Кроме этого, при переводе крана 11 в положение электрического управления формируется сигнал в контроллер ЭГР и включается сигнальная лампа 28 на двери шкафа ЭГР.
Для обеспечения возможности управления главным золотником направляющего аппарата в любом из режимов на гидрораспределитель аварийного закрытия главного золотника направляющего аппарата 7 должно быть постоянно подано электропитание. При снятии или потере электропитания гидрораспределитель 7, представляющий собой двухпозиционный золотниковый гидравлический распределитель и оснащенный пружинным возвратом, воздействуя на вспомогательный сервомотор главного золотника направляющего аппарата 1, обеспечивает его смещение в положение закрытия, что приводит к закрытию самого направляющего аппарата гидротурбины. Таким образом реализуется дополнительный контур независимой защиты гидротурбины, причем воздействие гидрораспределителя 7 на перемещение главного золотника направляющего аппарата 1 в сторону закрытия имеет наибольший приоритет по сравнению с любыми воздействиями гидравлических распределителей 8 и 9.
Гидравлический распределитель 9, в зависимости от величины и направления смещения рукоятки, подает давление на "открытие" или "закрытие" направляющего аппарата. Это позволяет, при необходимости, выполнять любые ремонтные и профилактические работы на регуляторе скорости, а также обеспечить ручное закрытие направляющего аппарата в аварийной ситуации. Механическое ручное управление также используется при настройке и проверке привода направляющего аппарата гидротурбины при пуско-наладочных работах и после капитальных ремонтов. В контуре ручного управления установлен дроссель 10, позволяющий регулировать максимальную скорость перекладывания главного золотника 1.
Электрогидравлическая колонка может быть снабжена кнопкой аварийного останова 23 с защитным колпачком, электрически связанной с электромагнитным гидрораспределителем аварийного закрытия главного золотника направляющего аппарата 7, золотниками управления блока «2 из 3» и контроллером системы управления, что позволяет незамедлительно запустить алгоритм аварийного останова при выходе параметров гидротурбины за пределы допустимых значений.
Манометры контроля давления в полостях сервомоторов (фиг. 5 поз. 13, 14, 46 и 47) могут быть снабжены аналоговым выходом 4-20 мА, что дает возможность диагностировать работу главного золотника и самих сервомоторов. На фиг. 9 представлен график формирования сигналов осцилляции главных золотников направляющего аппарата (рабочего колеса), где:
ΔS - сигнал отклонения (рассогласования) текущего положения привода ГТ от заданного, сформированного контроллером управления ЭГК.
Losc - переменная контроллера, управляющая режимом осцилляции главного золотника.
Iу - сигнал управления пропорциональным гидравлическим распределителем направляющего аппарата гидротурбины 8 (рабочего колеса 35).
Iosc - предельная величина тока управления, формируемая контроллером, при которой отключается режим осцилляции главного золотника. Действие алгоритма формирования сигналов осцилляции обеспечивает:
- формирование режима осцилляции Losc_on при вхождении сигнала |ΔS| в заданный диапазон (отрезок 0 - |ΔS1|) с задержкой по времени t>Tosc (отрезок 3-4 фиг. 9);
- скачкообразное уменьшение сигнала управления главным золотником Iу при формировании режима осцилляции Losc_on (отрезок 4-5 фиг. 9);
- отключение режима осцилляции Losc_on при снижение сигнала управления главным золотником Iу менее величины Iosc (отрезок 5-6 фиг. 9).