УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ГИДРОТУРБИНЫ ОТ ВЫХОДА ИЗ СТРОЯ ОПОРНОГО ПОДШИПНИКА
DEVICE FOR HYDRAULIC TURBINE PROTECTION AGAINST JOURNAL BEARING FAILURE

Изобретение относится к устройствам защиты гидротурбины от механических поломок, в частности от выхода из строя опорного подшипника.
Известно устройство защиты гидротурбины в виде автоматизированной системы контроля вибрации, применяемой во всех гидроагрегатах. Вибрационная защита основана на принципе контроля вибрационного состояния агрегата. Измерения вибрации для автоматизированного контроля и зашиты гидротурбин и синхронных генераторов проводятся у следующих узлов турбины: крышка турбины, турбинный подшипник, крышки направляющих подшипников синхронного генератора. В зависимости от места установки в той или иной части гидротурбины возможны сочетания стационарных и нестационарных датчиков контроля вибрации. (Государственный реестр средств измерений. Регистрационный №36537-07 ТУ 4277-001-55181848-06, область применения: непрерывный контроль вибрационного состояния турбоагрегатов, насосов, двигателей и другого промышленного оборудования в энергетической, нефтегазовой и других отраслях промышленности и науки). Датчики состоят из собственно первичных преобразователей и преобразователей сигналов. На объект измерения устанавливается первичный преобразователь, который связан с блоком питания и обработки информации специальным кабелем. Увеличение вибрации в гидротурбине может быть вызвано попаданием инородного тела в рабочее колесо агрегата, поломкой лопастей рабочего колеса турбины, ослаблением крепления узлов турбины, заклиниванием направляющих подшипников гидротурбины и синхронного генератора, нарушением центровки агрегата, гидравлическими ударами в трубопроводе. Диапазон контроля вибрации на каждом участке гидротурбины и синхронного генератора определяется нормативными документами. Если величина вибрации больше нормативных показателей, то вырабатывается аварийный сигнал в схеме управления системами гидротурбины и синхронного генератора.
Недостатком данного устройства защиты является то обстоятельство, что реальный вибрационный процесс представляет сложную аддитивную комбинацию, вызванную действием нескольких факторов. Вычленение спектра вибрации, связанного с конкретной причиной, является затруднительным, а полученные слагающие вибрационного процесса не всегда могут быть однозначно классифицированы как вызванные действием определенного фактора. В совокупности это может привести к неадекватной оценке реального процесса. Случайные ударные процессы, гидравлические шумы, происходящие один за другим с наложением резонансных откликов приводят к тому, что использовать полученные оценки вибрационных процессов, как критерия уровня вибрации гидротурбины из за той или иной аварийной ситуации, не корректно. Поэтому вибрационная зашита будет иметь малую чувствительность, не будет реагировать на значимые процессы в гидроагрегате или окажется слишком чувствительной к кратковременным изменениям, например при переходных процессах, что вызовет ложные срабатывания системы автоматической защиты.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является устройство защиты гидротурбины от перегрева сегментов "подпятника". Смазка опорного подшипника гидротурбины - подпятника - осуществляется циркуляцией масла. В системе подачи смазки предусмотрен контроль температуры и давления масла. (Государственный реестр средств измерений. Регистрационный №38553-08 ТУ 4212-001-70666137-2008, область применения: непрерывный контроль температуры и давления в маслонапорной системе гидроагрегата). В обратном трубопроводе маслостанции установлены датчики температурного контроля, которые измеряют температуру масла на выходе из узлов агрегата. Увеличение температуры зависит от силы трения в подпятнике. Причинами увеличения трения является выработка сегментов подпятника, нарушение масляного клина. При чрезмерном увеличении температуры масла, вырабатывается аварийный сигнал в схеме управления системами гидротурбины и синхронного генератора.
Недостатком устройства защиты от перегрева сегментов подпятника турбины является низкое быстродействие, зависящее от скорости нагрева масла в обратном трубопроводе и собственного времени срабатывания температурного датчика. Полное время срабатывание защиты составляет 7…9 с. Результатом низкого быстродействия являются аварии с тяжелыми последствиями: выплавление баббитового слоя опорных сегментов, разрушение подшипника, нештатное отключение агрегата. Задачей настоящего изобретения является повышение быстродействия и предупреждении аварийных ситуации, связанных с выходом из строя опорного подшипника гидротурбины, на ранних стадиях с целью минимизировать последствия аварий.
Решение задачи достигается тем, что устройство защиты гидротурбины от выхода из строя опорного подшипника включает в себя блок управления системами гидротурбины и синхронного генератора, датчик тока для измерения тока в фазах синхронного генератора, выход которого соединен с блоком сравнения с нормальными значениями тока статора синхронного генератора, блок задания нормальных значений тока статора синхронного генератора, выход которого соединен с блоком сравнения с нормальными значениями тока статора синхронного генератора, датчик давления, для измерения давления в напорном водоводе, выход которого соединен с блоком сравнения с нормальными значениями давления в напорном водоводе, блок задания нормальных значении давления в напорном водоводе, выход которого соединен с блоком сравнения с нормальными значениями давления в напорном водоводе, выход блока сравнения с нормальными значениями тока статора синхронного генератора соединен с блоком сравнения с уставками и определения знака отклонения по току статора синхронного генератора, блок задания уставок по току синхронного генератора, выход которого соединен с блоком сравнения с уставками и определения знака отклонения по току статора синхронного генератора, выход блока сравнения с нормальными значениями давления в напорном водоводе соединен с блоком сравнения с уставками и определения знака отклонения по давлению в напорном водоводе, блок задания уставок по давлению в напорном водоводе, выход которого соединен с блоком сравнения с уставками и определения знака отклонения по давлению в напорном водоводе, выход блока сравнения с уставками и определения знака отклонения по току статора синхронного генератора соединен с блоком выработки аварийного сигнала, выход блока сравнения с уставками и определения знака отклонения по давлению в напорном водоводе соединен с вторым входом блока выработки аварийного сигнала, выход блока выработки аварийного сигнала соединен с входом управления системами гидротурбины и синхронного генератора.Функциональная схема заявленного устройство защиты гидротурбины от выхода из строя опорного подшипника приведена на фиг. 1.
На фиг. 2 (а-д) приведены: а - угловая скорость вращения гидротурбины; б - ток статора синхронного генератора; в - давление воды в напорном водоводе; г - исходный сигнал управления системами гидротурбины и синхронного генератора, д - выход блока 11 выработки аварийного сигнала.
Устройство защиты гидротурбины от выхода из строя опорного подшипника содержит датчики тока 1, выполненные на базе установленных в цепь статора синхронного генератора измерительных трансформаторов тока по одному на каждую фазу; датчик давления 2; блок 3 сравнения с нормальными значениями тока статора синхронного генератора; блок 4 сравнения с нормальным значениям давления в напорном водоводе; блок 5 задания нормального значения тока статора синхронного генератора; блок 6 задания нормального значения давления; блок 7 сравнения с уставкой и определения знака отклонения по току статора синхронного генератора; блок 8 сравнения с уставкой и определения знака отклонения давления в напорном водоводе; блок 9 задания уставки по отклонению тока статора синхронного генератора; блок 10 задания уставки по отклонению давления в напорном водоводе; блок 11 выработки аварийного сигнала; блок 12 управления системами гидротурбины и синхронного генератора.
Устройство защиты гидротурбины от выхода из строя опорного подшипника содержит блок 12 управления системами гидротурбины и синхронного генератора, датчик 1 тока в цепи статора синхронного генератора, сигнал от датчика тока подается в блок 3 сравнения с нормальным значениям тока, в блоке 3 сравнения с нормальным значениям тока сравнивается текущее значение тока с нормальными значениями тока статора синхронного генератора и определяется величина отклонения тока статора синхронного генератора, в блок 3 сравнения с нормальным значением тока статора синхронного генератора нормальное значение тока подается с блока 5 задания нормального значения, выход блока 3 сравнения с нормальным значением тока статора синхронного генератора соединен с блоком 7 сравнения с уставкой и определения знака отклонения по току статора синхронного генератора, в блоке 7 сравнения с уставкой и определения знака отклонения по току статора величина отклонения сравнивается с уставкой тока статора синхронного генератора и определяется знак отклонения тока статора синхронного генератора, задание уставки в блок 7 сравнения с уставками и определения знака отклонения подается с блока 9 задания уставки по отклонению тока статора синхронного генератора, выход блока 9 сравнения с уставкой и определения знака отклонения соединен с блоком 11 выработки аварийного сигнала, датчик 2 давления для непрерывного измерения давления в напорном водоводе, выход датчика 2 давления соединен с блоком 4 сравнения с нормальными значениями давления в напорном водоводе, в блоке 4 сравнения с нормальным значением давления в напорном водоводе сравнивается текущее значение давления с нормальным значением давления в напорном водоводе и определяется величина отклонения давления, в блок 4 сравнения с нормальным значением давления значение нормального давления в напорном водоводе задается с блока 6 задания нормального значения давления, выход блока 4 сравнения с нормальным значением давления в напорном водоводе соединен с блоком 8 сравнения с уставкой и определения знака отклонения давления в напорном водоводе, в блоке 8 сравнения с уставкой и определения знака отклонения давления в напорном водоводе величина отклонения давления сравнивается с уставкой давления и определяется знак отклонения давления в напорном водоводе, величина уставки по давлению в напорном водоводе в блок 8 сравнения с уставкой и определения знака отклонения задается с блока 10 задания уставки по давлению в напорном водоводе, выход блока 8 сравнения и определения знака отклонения давления в водонапорной трубе соединен с вторым входом блока 11 выработки аварийного сигнала, выход блока 11 выработки аварийного сигнала соединен с блоком 12 управления системами гидротурбины и синхронного генератора.
Устройство защиты гидротурбины от выхода из строя опорного подшипника работает следующим образом.
Включение системы (условно принято с момента времени t=0) происходит по сигналу "(Пуск гидротурбины)", поступающему с управляющего входа схемы управления гидротурбины. Сигнал управления подается с пульта управления оператором.
На фиг. 2а приведен график изменения угловой скорости вращения гидротурбины и синхронного генератора. Весь цикл работы состоит из шести участков:
0
1
1
1. Первый участок (t до t) - участок разгона, где гидроагрегат движется с ускорением до момента t набора номинальной скорости вращения гидроагрегата.
1
2
2. Второй участок (t до t) - участок включения синхронного генератора параллельно с сетью и нагружения синхронного генератора до номинального или заданной нагрузки. При нагружении скорость вращения не изменяется, но изменяется напор воды в напорном водоводе и тем самым изменяется механический момент на валу гидроагрегата. Ток статора на этом участке возрастает от нуля до установившегося значения.
2
3
3. Третий участок (от t до t) - установившийся режим работы гидроагрегата и синхронного генератора.
3
4
4. Четвертый участок (от t до t) - режим работы при выходе из строя опорного подшипника.
4
5
5. Пятый участок (от t до t) - снятия нагрузки синхронного генератора и отключения его от сети. Для снятия нагрузки синхронного генератора уменьшается напор в напорном водоводе, тем самым уменьшается ток статора синхронного генератора до нуля, а когда ток статора достигнет нуля, синхронный генератор отключается от сети.
5
6. Шестой участок (от t) - остановка гидротурбины путем закрывания затвора в напорном водоводе.
1
2
3
4
4
5
5
На фиг. 2б приведен график изменении действующих значений тока статора синхронного генератора. С момента t начинается процесс нагружения синхронного генератора до номинальной или заданной нагрузки, далее с момента времени t до t установившийся режим работы на установленной нагрузке синхронного генератора. В момент времени 13 происходит выход из строя опорного подшипника и увеличивается момент сопротивления на валу гидротурбины. Это приводит к тому, что уменьшается механический момент на валу синхронного генератора и уменьшается ток статора. Одновременно увеличивается давление в напорном водоводе. В момент времени t вырабатывается аварийный сигнал устройством зашиты. Далее, в период времени от t до t снимается нагрузка синхронного генератора и в момент времени t генератор отключается от сети.
Выходное напряжение U датчика 1 тока, пропорционально току статора синхронного генератора
тт
где  k - передаточный коэффициент трансформатора тока;
дт
k - передаточный коэффициент схемы датчика тока.
сг
График изменения напряжения U датчика тока повторяет динамику изменения действующих значений тока статора синхронного генератора I. Выход датчика тока является информационным входом устройства защиты гидротурбины от выхода из строя опорного подшипника.
0
1
1
2
2
3
3
3
4
4
4
На фиг. 2в приведен график изменения давления в напорном водоводе. Начиная с момента времени t и до t, разгон гидротурбины до номинальной скорости происходит за счет постепенного открытия затвора напорного водовода и плавного роста давления. С момента времени t до t, также за счет увеличения давления в напорном водоводе производится нагружение синхронного генератора до установленной мощности. В промежутке времени от t до t генератор работает в установившемся режиме и давление остается неизменным. В момент времени t происходит выход из строя опорного подшипника и в период времени от t до t давление в напорном водоводе возрастает. Это связано с увеличением момента сопротивления на валу гидротурбины. В момент времени t происходит срабатывание устройства защиты. С момента времени t начинается снятие нагрузки синхронного генератора. Напряжение и частота тока статора синхронного генератора, скорость гидротурбины не изменяется потому, что синхронный генератор работает параллельно с сетью бесконечно большой мощности.
5
5
6
В момент времени t производится отключение синхронного генератора от сети. Торможение гидротурбины вплоть до полной ее остановки происходит в период времени от t до t. Выход датчика 2 давления в напорном водоводе является информационным входом устройства защиты гидротурбины от выхода из строя опорного подшипника.
4
На фиг. 2г, 2д приведены выходные сигналы блока 12 управления системами гидротурбины и синхронного генератора и сигнал блока 11 выработки аварийного сигнала. В момент времени t блок 11 выработки аварийного сигнала вырабатывает аварийный сигнал на снятие нагрузки, отключение синхронного генератора и остановку гидротурбины.
0
2
0
Запуск гидроагрегата производится посредством релейной схемы, блока 12 управления системами гидротурбины и синхронного генератора. Время пуска - это участок от t до t. Начиная с момента времени t, сигналы датчика 1 тока статора синхронного генератора и датчика 2 давления в напорном водоводе подаются в блоки 3, 4 сравнения с нормальными значениями тока статора и давления.
В блоке 3 сравнения с нормальным значением тока статора сигнал, пропорциональный действующему значению тока статора, сравнивается с нормальным значением и определяется величина отклонения тока статора.
В блоке 3 сравнения с нормальным значением тока статора синхронного генератора реализуется следующая функция:
д
где I - действующее значение тока статора синхронного генератора;
н
I - нормальное значение тока статора синхронного генератора;
1
ΔI - выходной сигнал блока 3 сравнения с нормальным значением по току статора, показывает величину отклонения тока статора синхронного генератора.
В блоке 4 сравнения с нормальным значением давления в напорном водоводе сигнал, пропорциональный действующему значению давления в напорном водоводе, сравнивается с нормальным значением и определяется величина отклонения давления.
В блоке 4 сравнения с нормальным значением давления реализуется следующая функция:
д
где Р - действующее значение давления в напорном водоводе;
н
Р - нормальное значение давления в напорном водоводе;
1
ΔР - выходной сигнал блока 4 сравнения с нормальным значением по давлению в напорном водоводе, показывает величину отклонения давления в напорном водоводе.
Нормальные значения тока статора и давления в зависимости от величины нагрузки синхронного генератора подаются с блоков 5 и 6 задания нормальных значении тока статора и давления в напорном водоводе.
1
Далее сигнал ΔI от блока 3 сравнения с нормальным значением тока статора подается в блок 7 сравнения с уставкой и определения знака отклонения по току статора. В блоке 7 сравнения с уставкой и определения знака отклонения по току статора, сравнивается входное значение отклонения с заданным отклонением.
В блоке 7 сравнения с уставкой и определения знака отклонения по току статора реализуются следующие функции:
I
где x(t) - выходной сигнал блока 7 сравнения с уставкой и определения знака отклонения по току статора синхронного генератора;
у
ΔI - величина уставки по изменению тока статора синхронного генератора;
1
ΔI - величина изменения тока статора синхронного генератора;
2
ΔI - величина и знак отклонения по току статора синхронного генератора.
1
Одновременно сигнал ΔР с блока 4 сравнения с нормальным значением давления, подается блок 8 сравнения с уставкой и определения знака отклонения по давлению в напорном водоводе. В блоке 8 сравнения с уставкой и определения знака отклонения по давлению в напорном водоводе сравнивается входное значения отклонения с заданным отклонением.
В блоке 8 сравнения с уставкой и определения знака отклонения по давлению в напорном водоводе реализуются следующие функции:
p
где x(t) - выходной сигнал блока 8 сравнения с уставками и определения знака отклонения по давлению в напорном водоводе;
у
ΔР - величина уставки по давлению в напорном водоводе;
1
ΔP - величина изменения давления в напорном водоводе;
2
ΔР - величина и знак отклонения давления в напорном водоводе.
Величина уставок по току статора синхронного генератора и давлению в напорном водоводе задается блоками 9, 10 задания уставок.
Далее сигнал с блоков 7, 8 сравнения и определения знака отклонения по току статора и давления в напорном водоводе поступает в блок 11 выработки аварийного сигнала.
В блоке 11 выработки аварийного сигнала реализуются следующие логические функции:
1
1
где x(t) - нормальный режим работы, аварийный сигнал на выходе блока 11 выработки аварийного сигнала не вырабатывается;
1
2
x(t) - режим увеличения вырабатываемой мощности синхронного генератора, аварийный сигнал на выходе блока 11 выработки аварийного сигнала не вырабатывается;
1
3
x(t) - режим снижения вырабатываемой мощности синхронного генератора, аварийный сигнал на выходе блока 11 выработки аварийного сигнала не вырабатывается;
1
4
x(t) - комбинация сигналов на входе блока 11 выработки аварийного сигнала соответствует аварийной ситуации выхода из строя опорного подшипника гидротурбины. В этом случае увеличивается давление в напорном водоводе. Это связано с увеличением момента сопротивления, вызванным выходом из строя опорного подшипника гидротурбины. Ток статора уменьшается потому, что вращающий момент на валу синхронного генератора уменьшается. На выходе блока 11 выработки аварийного сигнала вырабатывается аварийный сигнал.
Далее аварийный сигнал поступает в блок 12 управления системами гидротурбины и синхронного генератора и происходит процесс разгрузки, отключения синхронного генератора от сети и остановки гидротурбины.
-6
-5
Появление аварийного сигнала обеспечивается последовательным срабатыванием пяти блоков при контроле величины тока статора и пяти блоков, одним из которых является датчик 2 давления, при контроле величины отклонения давления. При собственном срабатывании аналоговых блоков 5*·10…10, полное время срабатывания устройств будет определятся, в основном, собственными временами срабатывания блока 12 управления системами гидротурбины и синхронного генератора, составляющими 0,07…0,09 с, и датчика 2 давления. Время срабатывания датчика давления составляет 0,12…0,14 с, а полное время срабатывания устройства составит 0,19…0,23 с.
Таким образом, предлагаемое устройство защиты гидротурбины от выхода из строя опорного подшипника позволяет распознать аварийную ситуацию на ранних стадиях и увеличивает быстродействие срабатывания защиты, что позволит минимизировать последствие аварии.