Анализ способов управления гидроагрегатом

Изучение систем управления показало, что основной задачей регулирования гидротурбиной является поддержание постоянной частоты вращения ротора, что обусловлено работой электрических генераторов на сеть со стандартной частотой 50 или 60 Гц.

Из механики известно, что вращение ротора гидроагрегата определяется основным уравнением машины [3]:

,                                                                                                                    (1.1)

где  – момент инерции ротора;

 – угловая скорость;

 – момент турбины;

 – момент генератора.

Из выражения (1.1) следует, что для поддержания постоянной скорости вращения ротора агрегата, когда ускорение , необходимо равновесиемежду моментом турбины и моментом генератора . Момент генератора   определяется электрической нагрузкой генератора и трением в подвижных узлах регулирующих органов; а момент турбины   зависит от расхода воды через турбину, ее напора и определяется по формуле

,                                                                                                                                      (1.2)

где  – плотность воды;

 – ускорение свободного падения;

 – напор воды;

 – расход воды;

 – КПД турбины.

Из этого выражения видно, что при  момент турбины можно изменять путем изменения расхода воды Q или напора Н. В реальных условиях практически невозможно автоматически изменить действующий напор, поэтому момент турбины регулируют изменением расхода воды. Расход воды Q является так называемым параметром регулирования, с помощью которого регулируемая величина (скорость вращения агрегата) поддерживается в заданных пределах. Изменение расхода воды осуществляется регулирующими органами, которые соответствуют типу гидротурбины.

Для перестановки регулирующих органов в крупных и средних гидротурбинах применяются исключительно гидравлические сервомоторы, позволяющие создать необходимые усилия в несколько сот тонн и более.

Поддержание частоты вращения гидроагрегата в заданных пределах при различных нагрузках генератора осуществляется автоматическим регулятором скорости, который, перемещая регулирующий орган, соответствующим образом изменяет расход воды через турбину.

Автоматическим регулятором скорости гидротурбины или просто регулятором скорости называют совокупность устройств и приборов, осуществляющих измерение регулируемой величины (скорости вращения) и ее сравнение с заданным значением, формирование управляющего воздействия и перестановку регулирующего органа, то есть к регулятору скорости относят все устройства от измерителя скорости до сервомоторов направляющего аппарата и рабочего колеса включительно.

Большинство систем автоматического регулирования построено на принципе регулирования по отклонению регулируемой величины  от ее заданного значения. Регуляторы, основанные на этом принципе, называются регуляторами с воздействием по скорости. При этом регулятор должен так воздействовать на регулирующий орган турбины, чтобы уменьшить или полностью ликвидировать отклонение регулируемой величины.

На гидростанциях с высокими напорами и относительно длинными подводящими трубопроводами гидравлический удар в момент сброса нагрузки может достигнуть особенно большой величины, опасной для трубопровода [4]. Поэтому для предотвращения или значительного уменьшения гидравлического удара к спиральной камере радиально-осевых гидротурбин присоединяют особый клапан, называемый холостым выпуском.

При быстром закрытии направляющего аппарата турбины в момент сброса нагрузки клапан холостого выпуска автоматически открывается и выпускает часть воды из спиральной камеры турбины мимо рабочего колеса. Вследствие этого в подводящем трубопроводе изменение расхода воды в процессе регулирования будет меньше, а поэтому гидравлический удар будет значительно смягчен. В целях экономии воды холостой выпуск к концу процесса регулирования вновь медленно закрывается со скоростью, обеспечивающей отсутствие опасного для подводящего трубопровода гидравлического удара. Таким образом, холостой выпуск работает лишь при внезапном сбросе нагрузки, а в остальное время он закрыт.

Другим принципом регулирования является регулирование по возмущению. В этом случае командой для перестановки регулирующего органа может служить, например, появление разности моментов. Однако необходимо заметить, что регулирование гидротурбин только по возмущению невозможно, так как в этом случае не выполняется основная задача регулирования – поддержание в заданных пределах угловой скорости вращения ротора. Для полного решения задачи автоматического регулирования скорости гидроагрегата воздействия по возмущению обязательно должны вводиться вместе с самим отклонением скорости вращения. Такие регуляторы называются комбинированными.

В последнее время гидротурбинные фирмы многих стран широко применяют регуляторы скорости с различными видами дополнительных воздействий: по производной (ускорению), по интегралу, по производной и интегралу, по второй производной и так далее. Начинают применяться и комбинированные регуляторы с воздействием по скорости и нагрузке [1].

Следует отметить, что введение в регулятор скорости дополнительных воздействий производится не для выполнения задачи регулирования, а для улучшения качественных показателей работы регулятора скорости и системы автоматического регулирования.