ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ПУБЛИКАЦИИ
Купить

Актуальность темы. В современных условиях непрерывно растут требования к качеству электрической энергии. Определяющую роль в обеспечении этого качества принадлежит паротурбинным генераторам, и их паровым турбинам, системы автоматического регулирования которых (регуляторы частоты вращения - скорости) реализуют функцию первичного регулирования частоты сети. В условиях крайне незначительного в течение длительного периода ввода новых генерирующих мощностей с паровыми турбинами, оснащёнными современными системами автоматического регулирования, такая задача представляется трудно осуществимой. Потому единственной возможностью относительно эффективного продвижения в этом направлении является оснащение электрогидравлическими системами регулирования и защиты (ЭГСРиЗ) турбин, находящихся в эксплуатации. Такие работы могут быть выполнены в период текущих, капитальных и средних ремонтов, при этом количество модернизированных систем регулирования и защиты (СРиЗ) может на порядок превосходить количество вводимого вновь оборудования. Особое значение приобретает модернизация СРиЗ теплофикационных паровых турбин, в силу их конструктивной и технологической сложности.
При реализации работ по оснащению всех (новых и модернизируемых) паровых турбин ЭГСРиЗ основной задачей является внешняя - оптимизация их характеристик с позиций энергосистемных задач регулирования частоты и мощности. Другой не менее важной задачей является внутренняя задача системы регулирования по обеспечению длительной эксплуатационной надёжности турбоагрегата в целом. В итоге, обе поставленные цели объединяются в определении необходимого качества ЭГСРиЗ.
Обеспечение безопасности работы турбогенератора в условиях непрерывно изменяющихся внешних условий и при возникновении аварийных ситуаций является другой чрезвычайно актуальной задачей, тесно переплетающейся с обеспечением эксплуатационной надёжности. Значительная часть процедур, обеспечивающих надёжность систем защиты турбоагрегата, требует проведение их периодических нормативных испытаний (расхаживание, опробование, разгон), представляющих самостоятельную опасность в условиях значительной массовой выработки ресурса оборудовании. В связи с этим актуальной представляется задача оптимизации системы защиты турбоагрегата, позволяющей с одной стороны повысить уровень информационного контроля органов защиты, и с другой стороны - уменьшить необходимое количество её испытаний, снижающих в общем случае ресурс турбоагрегата в целом.
Известно, что надёжность работы теплофикационных турбин при сбросах электрической нагрузки в значительной мере зависит от величины обратных потоков пара из теплообменных аппаратов, подключенных к камерам отборов турбины. Для определения возможности применения того или иного способа защиты от обратных потоков необходим объективный учёт их влияния на результирующее повышение частоты вращения ротора, в особенности - при наличии в подогревателях и их конденсатосборниках значительных количеств конденсата.
Другой характерной особенностью функционирования систем регулирования теплофикационных турбин является применение поворотных регулирующих диафрагм (ПРД) для управления регулируемыми отборами пара. Анализ литературы показал, что вопросы эффективности использования ПРД, в частности их привода, исследованы недостаточно. Значительная часть мощности привода оказывается невостребованной, что снижает в целом эксплуатационные и экономические показатели турбоустановки в целом.
Особенностью современной микропроцессорной системы регулирования и защиты паровых турбин является максимально возможное упрощение гидромеханической части (по сравнению с механогидравлическими и гидродинамическими САР). Важнейшим элементом такого упрощения являются электрические обратные связи, обеспечивающие работу электрической части системы регулирования (ЭЧСР). Заводы-изготовители паровых турбин применяют электрические обратные связи исходя в значительной степени из конструктивных и традиционных представлений. Представляется необходимым проведение комплексных исследований используемых датчиков электрических обратных связей и их приводов, поскольку их длительная надёжная и качественная работа напрямую связана с обеспечением безопасности, надёжности и эффективности турбоагрегата (турбоустановки) в целом.
Опыт практического проектирование ЭГСРиЗ паровых турбин показывает, что для принятия эффективных решений в большинстве случаев недостаточно существующих теоретических и экспериментальных исследований. Значение разработки новых методик расчётов на основе апробированных теоретических методов исследования, в некоторой степени замещающих отсутствие экспериментальных данных, становится в современных условиях особенно актуальным.
Объектом исследования и разработки являются электрогидравлическая система регулирования и защиты паровых теплофикационных турбин и их элементы, методы их моделирования, исследования и расчёта, а также их практическая реализация в серийном производстве заводов-изготовителей паровых турбин и энергоремонтными предприятиями.
Целью исследования является разработка методов анализа, расчёта и проектирования электрогидравлической системы регулирования и защиты паровых теплофикационных турбин и их отдельных элементов.
Задачи исследования
• Разработка методов исследования и анализ на их основе контура регулирования частоты вращения ЭГСРиЗ паровой турбины семейства Т-100-130 с целью его оптимизации.
• Разработка обобщённых методов исследования контура регулирования частоты вращения электрогидравлической системы регулирования и защиты паровой турбины с произвольной динамической характеристикой, анализ контура с целью определения диапазонов его оптимальных характеристик.
• Разработка и исследование многоканальных систем защиты паровой турбины, имеющих различное конструктивное исполнение и работающих по различным логическим схемам.
• Разработка уточнённой методики исследования и расчёта работы «вскипающего» пара из подогревателей паровой турбины при сбросе электрической нагрузки и отключении генератора от сети.
• Разработка методики исследования и расчёта привода регулирующей поворотной диафрагмы теплофикационной паровой турбины с целью оптимизации использования его силовой характеристики.
• Разработка методики расчёта и исследования кинематической рычажной схемы привода датчика положения сервомотора регулирующего органа паровой турбины, выполненного на основе электрического энкодера.
• Апробация и реализация результатов перечисленных выше исследований в серийной ЭГСРиЗ паровых турбин ЗАО «Уральский турбинный завод», в структуре оборудования турбоустановок с турбинами УТЗ, в проектах модернизации СРиЗ паровых турбин любых типов (Т, ПТ, К, Р и др.) различных заводов-изготовителей (ЛМЗ, КТЗ, ТА и др.), разрабатываемых и внедряемых энергоремонтными предприятиями.
Научная новизна работы заключается в следующем:
• Разработаны математические модели контура регулирования частоты вращения (РЧВ) паровой теплофикационной турбины семейства Т-100-130 для гидродинамических и электрогидравлических систем регулирования; определены области оптимальных параметров РЧВ. Выявлена роль усиления в регуляторе положения сервомотора регулирующих клапанов: показано, что повышение усиления математически эквивалентно повышению быстродействия поршня сервомотора, что может быть эффективно использовано в процессах регулирования (в малых колебаниях) для повышения устойчивости контура.
• На основе разработанных автором моделей РЧВ в составе ЭГСРиЗ паровой турбины семейства Т-100-130, разработаны обобщённые математические модели контура ЧВ для турбин с различными динамическими характеристиками роторов. Предложен метод обобщения моделей, позволяющий существенно сократить количество её переменных параметров: в качестве базовой (масштабной) постоянной времени выбрана постоянная времени поршня сервомотора. Выполнены исследования контура ЧВ для турбин с различными постоянными времени роторов и РЧВ с различными законами регулирования: П, ПИ, ПД. Получены области оптимальных значений параметров РЧВ, соответствующие наилучшему соотношению быстродействия и устойчивости контура ЧВ.
• Выполнен анализ различных структурных схем систем защиты турбины с позиций количества каналов защиты, конструктивных особенностей (золотниковая - беззолотниковая, проточная - отсечная) и логической схемы системы формирования сигнала защиты. Показано, что минимально возможной логической схемой, позволяющей выполнять поканальную проверку системы защиты в любых вариантах исполнения, является «2 из 3». Разработаны, исследованы, прошли апробацию и практически реализованы различные конструктивные системы защиты паровых турбин. Доказано, что для турбин УТЗ наиболее простой и надёжный вариант системы защиты, выполняемый по беззолотниковой отсечной схеме, может быть реализован минимально в 4-х канальном исполнении: практически такая система реализована 5-канальной.
• Разработана методика расчёта работы «вскипающего» пара подогревателей паровой турбины при сбросе турбоагрегатом электрической нагрузки с отключением генератора от сети; выполнено уточнение методики с учётом переменности количества воды в подогревателе и параметров воды и пара на линии насыщения. Показана практическая возможность точного определения работы «вскипающего» пара как для парового объёма с сосредоточенными параметрами с использованием усредняющего коэффициента. На основе предложенной автором уточнённой методики выполнены вариантные расчёты применительно к отдельным теплообменным аппаратам турбины семейства Т-100-130.
• Выполнено исследование кинематической схемы привода сервомотора поворотной регулирующей диафрагмы (ПРД). Автором предложена и исследована «нелинейная» кинематическая схема привода ПРД. Разработана математическая модель парового нагружения кольца ПРД и методика расчёта силовых характеристик сервомотора ПРД. Доказано, что применение «нелинейного» привода ПРД эффективно как при новом проектировании (уменьшение объёма сервомотора ПРД), так и при модернизации (реконструкции) привода (повышение запаса усилия в наиболее нагруженном состоянии ПРД).
• Разработана математическая модель рычажного привода датчика положения сервомотора регулирующего органа турбины (ДПС) на основе поворотного электрического энкодера. Автором разработана методика исследования рычажного привода ДПС на линейность. Выполнено исследование и найдена оптимальная конфигурация рычажного привода ДПС, сочетающая компактность и линейность передачи прямолинейного движения поршня сервомотора в поворотное движение вала энкодера (нелинейность не превышает 0,44 % от величины хода сервомотора) при угле поворота вала датчика ~ 90°, что практически не требует применения процедуры линеаризации сигнала обратной связи для задач управления, отображения и контроля паровой турбины. Результаты исследования рычажного привода ДПС могут быть использованы в любых конструкциях с рычажной кинематической схемой, когда имеется необходимость наиболее точного преобразования линейного движения во вращательное и наоборот.
Все основные научные результаты реализованы и используются в системах и узлах регулирования паровых теплофикационных турбин ЗАО УТЗ (вновь изготавливаемых и модернизируемых), а также в модернизированных системах регулирования и защиты паровых турбины, реализованных ОАО «Уралэнергоремонт» (УЭР) и другими энергоремонтными предприятиями. Результаты исследований подтверждены натурными испытаниями на стендах ЗАО УТЗ, при наладке систем регулирования и защиты на ряде ТЭЦ, а также в процессе их эксплуатации.
Основные положения, выносимые на защиту:
• Результаты комплекса исследований по определению оптимальных параметров контура РЧВ паровой турбины семейства Т-100-130 с ЭГСРиЗ.
• Концепцию обобщения способа исследования контура регулирования частоты вращения паровых турбин с произвольными динамическими характеристиками ротора турбоагрегата и результаты исследований для различных в динамическом отношении турбоагрегатов и различных законов РЧВ.
• Структурные и конструктивные решения по организации многоканальной системы защиты турбины, работающей по логической схеме, позволяющей автоматизировать проверку защиты на работающей турбине под нагрузкой без её останова, а также методики их расчёта и выполненные на их основе исследования различных вариантов защиты.
• Уточнённые методики расчёта работы «вскипающего» пара подогревателей паровой турбины при сбросе нагрузки турбоагрегатом с отключением генератора от сети, учитывающие переменность количества воды в подогревателе и параметров воды и пара на линии насыщения.
• Концепцию и конструктивные решения по оптимизации привода поворотного кольца регулирующей диафрагмы паровой теплофикационной турбины по нелинейной кинематической схеме и методику расчёта характеристик такого привода, а также результаты исследований привода с целью его оптимизации.
• Концепцию и методику исследования и расчёта характеристик рычажного привода датчика положения сервомотора ЭГСРиЗ паровой турбины, выполненного на основе электрического энкодера, а так же результаты исследования работы привода с целью его оптимизации.
• Результаты апробации и реализации перечисленных выше исследований в серийное производство новых и модернизацию действующих теплофикационных паровых турбин, в разработку серийной микропроцессорной ЭГСРиЗ паровых турбин ЗАО «Уральский турбинный завод».
Достоверность и обоснованность работы обеспечивается использованием апробированных методов аналитического исследования устойчивости и качества системы регулирования; использованием достоверных данных о параметрах системы регулирования, принятых из известных расчётных, эксплуатационных и экспериментальных данных заводов- изготовителей паровых турбин; использованием известного надёжного прикладного программного обеспечения для выполнения комплексных расчётных исследований; использованием уточнённых расчётных моделей, приближающих математическое описание объектов исследования к их реальному физическому состоянию; апробацией и подтверждением результатов исследования в работе новых и модернизируемых паровых турбин в различных условиях эксплуатации; участием в пусконаладочных работах и приёмосдаточных испытаниях турбин на электростанциях, подтверждающих результаты исследований; длительным опытом надёжной эксплуатации большого числа паровых турбин, на которых реализованы результаты исследований.
Практическая значимость заключается в том, что все результаты исследований реализованы в конструкциях новых паровых теплофикационных турбин ЗАО «Уральский турбинный завод» и их систем регулирования, а также использованы в проектах модернизации паровых турбин УТЗ, находящихся в эксплуатации; результаты исследований уже использованы и могут быть в дальнейшем использоваться для паровых турбин всех типов других заводов- изготовителей; уточнённые методики расчётов позволяют объективно обосновать выбор средств защиты турбоагрегата в аварийных ситуациях и, тем самым, снизить соответствующие затраты на их реализацию.
Реализация результатов работы. Результаты работы уже используются в проектах новых и модернизируемых турбин всех типов, выпускаемых ЗАО «Уральский турбинный завод», в проектах модернизируемых систем регулирования, выполненных ОАО «Уралэнергоремонт». ЭГСРиЗ, разработанные на основе исследований автора уже установлены и эксплуатируются более чем на 50 турбоагрегатах более чем 40 ТЭС России и др. стран, в частности: Минской ТЭЦ-3, Выборгской ТЭЦ. Василеостровской ТЭЦ, Невинномысской ГРЭС, Тольяттинской ТЭЦ, Краснодарской ТЭЦ, Новосибирской ТЭЦ-4, Улан-Уденской ТЭЦ, Павлодарской ТЭЦ-3, Астанинской ТЭЦ-2 и мн. др.
Разработанные и уточнённые автором методики расчётов уже используются при проектировании паровых теплофикационных турбин и их систем регулирования и защиты в ЗАО «Уральский турбинный завод», в ОАО «Уралэнергоремонт» и др. организациях. Основные результаты диссертационной работы вошли в монографию «Паровые турбины и турбоустановки Уральского турбинного завода» (два издания), в учебное пособие «Регулирование и автоматизация паровых турбин и газотурбинных установок»; ряд учебно-методических пособий; используются при чтении спецкурсов студентам вузов, а также специалистам - энергетикам в системе переподготовки и повышения квалификации.
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований качества системы регулирования, разработке математических моделей системы регулирования частоты вращения в различных конструктивных исполнениях и исследовании на их основе качества системы с различными законами регулирования; в разработке и обосновании методов обобщения математических моделей системы регулирования для турбоагрегатов с различными динамическими характеристиками; в уточнении методики расчёта работы вторичного («вскипающего») пара подогревателей паровой турбины при сбросе турбоагрегатом электрической нагрузки; в разработке различных вариантов многоканальной защиты турбоагрегата; в разработке концепции и методики расчёта и исследования нелинейной кинематической схемы привода регулирующей диафрагмы паровой теплофикационной турбины; в разработке методики расчёта и исследовании рычажной кинематической схемы привода датчика положения сервомотора паровой турбины на основе электрического энкодера; в проведении на основе разработанных и уточнённых методик и моделей исследований, направленных на оптимизацию качественных и надёжностных характеристик паровых турбин; в непосредственной реализации результатов исследований в проектах паровых турбин и их систем регулирования ЗАО «Уральский турбинный завод» и в проектах реконструкции систем регулирования и защиты ОАО «Уралэнергоремонт»; в переводе системы регулирования и защиты паровых турбин ЗАО «Уральский турбинный завод» из гидродинамической в электрогидравлическую.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 1-й, 2-й, 3-й, 4-й и 5-й Международной научно-практической конференции «Совершенствование теплотехнического оборудования ТЭС, внедрение систем сервисного обслуживания, диагностирования и ремонта» (Екатеринбург, 1995, 1998, 2001, 2004, 2007 г.г.); 1-м, 2-м, 3-м, 4-м, 5-м и 6-м совещаниях по повышению надёжности систем автоматического регулирования паровых турбин (Екатеринбург: 1998, 1999, 2000, 2001; Среднеуральск: 2001, 2003 г.г.), Международной выставке «Russia Power, 14-16 March 2006, Expocentr, Moscow, Russia», ряде региональных конференций, совещаний и семинаров.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 42 различных изданиях (из них 21 относятся к изданиям, рекомендуемым ВАК для опубликования результатов при защите докторских диссертаций), в том числе: в монографии (2 издания), 11 авторских свидетельствах на изобретения, 1 свидетельстве на полезную модель, а также вошли в 1 учебное пособие (2 издания) и несколько учебно-методических пособий.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературных источников, насчитывающего 311 наименований. Весь материал изложен на 417 страницах машинописного текста, содержит 154 рисунка и 16 таблиц.

Купить