Автоматизация МНУ и ГТУ

Автоматизация МНУ и ГТУ

Автоматизация МНУ и ГТУ

Введение

В связи с развитием автоматики все силовое, электрическое и вспомогательное оборудование современных гидроэлектростанций полностью автоматизировано. Операции по пуску, нормальной и аварийной остановкам, а так же работа агрегатов и их оперативное обслуживание происходят автоматически, без участия эксплуатационного персонала.

Маслонапорная установка является аккумулятором энергии, используемой как для автоматического регулирования скорости мощного гидроагрегата при его нормальной работе, так и для автоматического управления им при пуске в ход, изменениях нагрузки, нормальной и аварийной остановках агрегата. Это требование может быть выполнено только при условии полной автоматизации всех процессов работы самой маслонапорной установки. Так как маслонапорные установки должны всегда обеспечивать работу системы регулирования, их автоматика должна действовать независимо от того, работают ли гидроагрегаты или находятся в резерве. Для осуществления автоматического управления маслонапорная установка снабжена дополнительными механизмами и аппаратурой, занимающей в общей схеме автоматизации агрегата значительное место.

Гидроагрегаты ГЭС обладают чрезвычайно ценными свойствами: возможностью быстрого пуска, быстрого изменения режима работы и остановки агрегата. Это надежно обеспечивает оперативность управления эксплуатационным и аварийным резервом энергосистемы. Автоматические устройства по пуску и включению мощных гидроагрегатов в энергосистему позволяют быстро (в течение 1-2 мин) вводить в действие резервные мощности крупных ГЭС в случае понижения частоты или непредвиденной аварии в системе.

1. Автоматизация управления маслонапорными установками

.1 Конструкция типовой маслонапорной установки

Рассмотрим МНУ в которой аккумулирующая часть вынесена за пределы бака и маслонасосной части (рис. 1). В соответствии с этой компоновкой узлы МНУ разделены на две части. Первая называется аккумулятором давления, вторая - маслонасосным агрегатом.

Для больших типоразмеров МНУ применяются аккумуляторы давления двухкотельного исполнения. Аккумуляторы такой конструкции имеют котлы, равные по объему, но разные по внутреннему содержанию; один из них заполнен маслом и частично воздухом под давлением, другой - только сжатым воздухом. Воздушные полости котлов сообщены трубопроводом. Каждый из котлов аккумулятора имеет самостоятельное основание.

Конструкция маслонасосного агрегата определяется в основном баком подвесного типа. Несущая часть бака усилена рамой, выступающей над отметкой пола.

Принятая конструкция МНУ позволяет размещать ее отдельные части в различных вариантах: рядом, в отдалении друг от друга, а так же на различных отметках здания ГЭС. Целесообразность того или иного варианта определяется расстановкой гидротурбинного оборудования в целом, поэтому монтаж МНУ производиться по установочным чертежам на гидроагрегат.

Применения аккумуляторов двухкотельного исполнения позволяет монтировать МНУ в условиях малогабаритного по высоте помещений ГЭС и станций открытого и полуоткрытого типа.

Рис. 1. Маслонапорная установка

маслонапорный автоматизация гидротурбина

Аккумулятор давления. Аккумулятором давления МНУ называется сосуд или совокупность сосудов, работающих под давлением масловоздушной среды и оснащенных приборами, арматурой и трубопроводом.

В состав двухкотельного аккумулятора (рис. 2) входят: масловоздушный котел 1 с фундаментной рамой 6, манометр с трехходовым краном 3, указатель уровня масла 2, воздушный коллектор с обратным клапаном 5, запорная арматура 4, воздушный котел 7 с фундаментной рамой, манометр с трехходовым краном, запорная арматура и соединительный воздухопровод 8. Каждый котел устанавливается вертикально на фундаментную раму, бетонируемую в полу помещения ГЭС. Крепление котла к раме осуществляется с помощью шести болтов.

Присоединение аккумулятора к напорной магистрали гидравлической системы и маслонасосному агрегату МНУ происходит посредством напорного патрубка, расположенного снизу масловоздушного котла аккумулятора. Подвод воздуха от централизованной магистрали воздушного хозяйства ГЭС в аккумулятор осуществлено через воздушный коллектор с обратным клапаном. Так как на масловоздушных котлах коллектор устанавливается ниже уровня масла, выход воздуха в верхнюю часть котла выполнен с помощью внутренней трубы.

При двухкотельном исполнении аккумулятор обычно устанавливается на воздушном котле. Коллектор позволяет не только осуществлять подвод сжатого воздуха, но и производить выпуск воздуха из аккумулятора в атмосферу либо расходовать его на торможение агрегата.

Аккумулятор двухкотельного исполнения имеет выходные патрубки для установки воздухопровода обычно в верхних днищах, однако имеет место и нижний вариант исполнения. В этом случае сообщение воздушного котла с воздушной полостью масловоздушного котла осуществляется с помощью внутренней трубы, введенной во внутрь котла через нижнее днище. Для удаления осадков масла или конденсата в нижнем днище воздушных котлов предусмотрено дренажное отверстие, нормально перекрытое запорным вентилем.

Рис. 2. Аккумулятор давления двухкотельного исполнения:

-масло-воздушный котел, 2-указатель уровня масла, 3-манометр, 4-запорная арматура, 5-обратный клапан, 6-фундаментная рама, 7-воздушный котел, 8-соединительный воздухопровод

Маслонасосный агрегат. Маслонасосный агрегат (рис. 3) является составной частью МНУ и включает в себя масляный сливной бак, насосы с арматурой и аппаратуру контроля и автоматики, образуя взаимосвязанный комплекс узлов; связь его с аккумулятором давления осуществляется через трубопроводы системы регулирования. Маслонасосный агрегат обычно устанавливается в перекрытии машинного зала, для чего бак его снабжен четырьмя опорными лапками, рассчитанными на восприятие полной нагрузки от веса маслонасосного агрегата с маслом. После окончательной установки и выверки маслонасосного агрегата на клиньях, подкладываемых под опорные лапы, просвет между баком и основным бетоном перекрытия заливается вторичным бетоном. На верхней рамной части маслонасосного агрегата установлены два горизонтальных насоса 10, связанных эластичными муфтами 13 с электродвигателями. На напорных патрубках насосов, обращенных к оси агрегата, установлены горизонтально расположенные угловые обратные клапаны 11 с вентилями 9, которые через трубы 7 и 20 присоединены к напорному тройнику 2. Тройник имеет выходной патрубок с наружным присоединительным фланцем на подачу масла в систему регулирования. Вентили 9 предназначены для отключения насосов от аккумулятора при их ремонте без остановки маслонасосного агрегата. Угловой вентиль 8 предназначен для выпуска масла из аккумулятора в бак, что осуществляется через трубу 3, соединенную с напорным тройником 2 и сливной трубой 12. На напорных патрубках насосов, обращенных в противоположную сторону от оси агрегата, размещены предохранительно-разгрузочные клапаны с контактными устройствами 18. Сливные трубы 17 проходят сквозь верхний лист бака и заканчиваются ниже нормального уровня масла в баке. Забор масла насосами из бака производиться через вертикальные всасывающие трубы 19, присоединенные к фланцам всасывающих камер насосов. В местах прохода труб сквозь верхний лист бака установлены уплотняющие резиновые прокладки из маслостойкой резины для предотвращения попадания пыли в бак. Для доступа внутрь маслонасосного агрегата в целях очистки бака имеется лаз, который одновременно служит местом установки рамочного фильтра 15, этим фильтром бак делится на зоны «грязного» и чистого масла.

Для соединения с атмосферой внутренней полости бака агрегата предназначен воздушный фильтр 22. Указатель уровня с контактным устройством 6 позволяет визуально наблюдать за уровнем масла в баке и через контактное устройство давать предупредительный сигнал о его аварийном состоянии.

Блок гидравлических реле 5 с конечными выключателями установлен на опорной площадке бака. Сливная труба 4 блока реле давления отводит отработанное масло в бак в зону грязного масла.

Рис. 3. Маслонасосный агрегат МНУ:

-масляный бак, 2-тройник напорный, 3-труба напорная, 4-труба сливная, 5-блок реле давления, 6-указатель уровня масла, 7-труба правого насоса, 8 и 9-вентили, 10-насос, 11-клапан обратный, 12-труба сливная, 13-муфта эластичная, 14-электродвигатель, 15-фильтр рамочный, 16-крышка лаза, 17-труба сливная, 18-клапан предохранительный, 19-трубка всасывающая, 20-труба левого насоса, 21-коробка для ввода электропроводки, 22-фильтр воздушный, 23-крышка лючка для электропроводки, 24-канал для электропроводки, 25-фланец к дренажному трубопроводу регулятора, 26-термометр сопротивления, 27-вентили к трубопроводам наполнения и опорожнения бака, 28-фланец к сливному трубопроводу системы регулирования, 29-фланец к трубопроводу от лекажного агрегата, 30-труба для ввода кабеля к электродвигателю, 31-электроконтактный термометр, 32-кран для пробы масла, 33-пробка для удаления остатков масла.

.2 Принцип действия маслонапорной установки

Рис. 4. Гидромеханическая схема МНУ:

-масляный бак, 2-вентиль, 3-термометр сопротивления, 4-фильтр, 5-электродвигатель, 6 - муфта, 7-масляный насос, 8-обратный клапан, 9-указатель уровня, 10-вентиль, 11-бак-вентиль, 12-вентиль, 13,15 - дросели, выключатель, 17-разгрузочное устройство, 18-краны, 19-привод, 20-датчик, 21-контактное устройство, 22-реле, 23,24,25 - датчики давления, 26-масляный фильтр, 27-масловоздушный котел, 28-манометр, 29-трехходовой кран, 30-указатель уровня, 31,34 - вентили, 32 запорный вентиль, 33-обратный клапан, 35-вентиль, 36-вентиль, 37-фильтр

В процессе работы системы регулирования гидроагрегата или системы управления затвором из аккумулятора МНУ расходуется масло под давлением, благодаря чему происходит увеличение воздушного пространства и расширение воздуха.

Задачей МНУ является систематическое восстановление и поддержание запаса энергии в аккумуляторе за счет периодической подачи в него рабочей жидкости насосами и воздуха из воздушной магистрали высокого давления.

Процесс восстановления в аккумуляторе происходит в следующем порядке. Масляный насос, приводимый во вращение электродвигателем, засасывает масло из бака и нагнетает его через обратный клапан в масловоздушный котел аккумулятора давления. При достижении верхнего предела давления подача масла от насоса прекращается, обратный клапан закрывается. Этим заканчивается восстановительный процесс. Процесс потребления масла сопровождается снижением давления и уровня масла в аккумуляторе вследствие протечек и расхода масла на работу силовых органов системы.

В процессе управления гидроагрегатом масло под давлением из аккумулятора поступает в замкнутую гидравлическую систему и совершает путь через распределительные золотники к напорной части сервомоторов и обратно из сливной полости сервомоторов и гидравлической системы в масляный бак МНУ.

При снижении давления до величины, равной нижнему пределу нормального давления, процесс восстановления повторяется, насос включается на подачу масла в аккумулятор.

Восстановительный процесс в аккумуляторе давления при нормальном режиме работы гидроагрегата обеспечивается подачей одного насоса. Второй насос является резервным и автоматически включается в действие либо при интенсивном регулировании, когда расход масла превышает подачу одного насоса, либо при непредвиденной остановке основного насоса.

Каждый из насосов имеет возможность работать в двух режимах - рабочем или резервном, благодаря чему обеспечивается равномерная нагрузка насосного оборудования в процессе эксплуатации.

Схема управления предусматривает следующие основные положения ключей: ручное, автомат и резерв. Ручное управление применяется при первоначальной зарядке маслом МНУ и гидравлической системы в период пуско-наладочных работ и в случае неисправности автоматической части управления. Управление насосами по схеме автомат прерывистого режима для одного и резерв для другого является нормальной и основной схемой управления.

Запасенная энергия а аккумуляторе расходуется на процессы регулирования, аварийного закрытия регулирующих и запорных органов, а также на подготовку механизма к последующему пуску агрегата. При этом предусматривается, что процесс регулирования происходит при самых тяжелых условиях, когда имеет место полный сброс нагрузки с последующим набором полной мощности. Давление после завершения такого процесса регулирования называется аварийно низким, при достижении которого дальнейшая эксплуатация гидроагрегата невозможна.

Запас энергии в аккумуляторе, предназначенный для аварийной остановки гидроагрегата, предусматривает такой процесс, когда понижение давления совершается от аварийно низкого до минимального давления в результате израсходованного объема масла на закрытие направляющего аппарата и соответствующего действия сервомотора рабочего колеса в случае поворотнолопастной турбины.

После остановки гидроагрегата в аккумуляторе сохраняется некоторой запас энергии и масла, необходимый для разворота лопастей рабочего колеса на пусковой угол с целью подготовки агрегата к последующему пуску. При этом минимальное давление для разворота лопастей не регламентируется.

Полный объем масла в аккумуляторе предусматривает некоторый мертвый объем масла, выполняющий роль гидрозатвора, который препятствует прорыву сжатого воздуха в напорную магистраль гидравлической системы. Полный объем масла в гидравлической системе состоит из постоянного объема, необходимого для нормальной работы всех сервомоторов и некоторого запаса масла, предусмотренного для компенсации протечек в механизмах и уплотнениях.

2. Автоматизация управления гидротурбинными установками

.1 Элементы автоматизации гидротурбин

Для автоматизации управления гидроагрегатом применяется комплекс устройств, воздействующих на гидроагрегат посредством электрических, механических и гидравлических связей. По своему назначению эти устройства можно подразделить на группы:

1) автоматического регулирования - скорости вращения ротора агрегата, давления и уровня масла, количества воздуха в котле МНУ;

) автоматического управления пуском и отключением насосов МНУ, лекажного масляного, а также дренажного насоса откачки воды с крышки турбины и т.д.;

) дистанционного управления (управление на расстоянии) с пульта ГЭС механизмами изменения числа оборотов и ограничения открытия, а также открытием и закрытием затворов или щитов на подводящем трубопроводе воды к турбине и пр.;

) защиты турбины от аварий в случае снижения давления в котле МНУ; при разгоне агрегата до 140-160%;

) сигнализации: положения механизмов управления и регулирования (открыто - закрыто), а также состояния их объектов (температура, уровень, давление, вакуум); предупредительной - повышение температуры подшипников, подъема уровня воды на крышке турбины и др.; аварийной - звуковой и световой (табло) об аварии;

) блокировки - электрические, гидравлические и механические (запретно-разрешающие), автоматически обеспечивающие правильную последовательность процесса управления агрегатом.

2.2 Особенности автоматического пуска и остановки агрегата

Пуск и остановка мощного автоматизированного гидроагрегата с котельным регулятором возможны при рабочем состоянии МНУ. Первоначальная зарядка ее котла маслом и сжатым воздухом не автоматизируется, так как эта операция производится лишь однажды, при подготовке агрегата к вводу в постоянную эксплуатацию.

Последовательность операций при пуске и остановке агрегата зависит от типа турбины и конструкции ее регулятора и схемы управления.

Для осуществления операций автоматического управления требуется фиксация скорости вращения ротора агрегата и включение тех или иных механизмов в нужный момент. В этих целях применяются реле оборотов - механические или электрические.

В настоящее время преимущественно применяются электрические реле оборотов(ЭРО). Они имеют 4 регулируемых уставки, дающих электрический импульс при следующей скорости вращения:

) в конце вращения или полной остановке ротора агрегата;

) 95% от нормальной для ввода в действие автоматического синхронизатора при включении агрегата на параллельную работу под нагрузку;

) 140-150% от нормальной для сброса щитов или затворов при разгоне агрегата и подачи аварийной сигнализации.

Существует множество конструкций реле. Механические реле конструктивно подобны центробежным маятникам, но работают астатически, т.е. центробежные силы грузов преодолевают натяжение пружины лишь при определенной скорости вращения. Муфта или штифт реле связаны с контактным устройством.

Электрические реле оборотов разработаны на базе стандартных элементов реле типа (МКУ-48, РП-4, нормальных конденсаторов и пр.) и монтируются на панелях автоматики и защиты агрегата. Эти реле питаются от генератора маятника или от специального тахогенератора, установленного на валу агрегата. Напряжение и частота, подводимые к реле от этих источников, пропорциональны скорости вращения ротора агрегата.

Реле оборотов с механическими контактами (Рис. 5) является прибором индукционного типа. Его работа основана на взаимодействии между постоянно вращающимся короткозамкнутым ротором 1 и постоянным магнитом 2 статора реле.

Ротор реле постоянно вращается от вала гидроагрегата и при этом в магнитном поле, создаваемом кольцевым четырехполюсным магнитом (подвижным статором реле), увлекает его за собой и поворачивает на определенный угол. Вращающий момент, воздействующий на магнитную систему (подвижной статор), уравновешивается пружиной 4. Через зубчатую пару 3 вращение магнитной системы передается кулачковому валику 5. Эксцентричные кулачки 6, в нужные моменты по заданным уставкам скорости вращения ротора переключают механические контакты 7 и замыкают или размыкают электрические цепи автоматики и защиты гидроагрегата.

Таким образом, величина угла поворота магнитной системы находится в прямой зависимости от скорости вращения ротора реле.

Реле снабжается контактами 7, обеспечивающими замыкание или размыкание цепей автоматики при изменениях скорости вращения ротора гидроагрегата в процессах пуска, остановки аварийного разгона.

Рис. 5. Схема реле оборотов с механическими контактами:

-ротор, 2-магнит, 3-зубчатая пара, 4-пружина, 5-кулачковый валик, 6-эксцентричные кулачки, 7-механические контакты.

2.3 Средства автоматической защиты агрегата от аварий

Защитные устройства турбины и регулирующей системы отключают и останавливают агрегат при следующих ненормальностях в его работе:

) разгоне ротора агрегата до 150%;

) аварийном снижении давления в гидравлической системе управления и регулирования турбины до 60-70%;

) прекращении смазки турбинного подшипника;

) прочих авариях в электрическом оборудовании ГЭС.

Автоматические устройства противоразгонной защиты агрегата. Наиболее распространенная и надежная противоразгонная защита - золотник аварийного закрытия с питанием маслом под давлением от основной или от дополнительной (аварийной) маслонапорной установки (А М НУ) - Он устанавливается на масляных трубопроводах, соединяющих главный золотник регулятора с сервомотором направляющего аппарата турбины. При подаче аварийного импульса от реле оборотов (или другого контрольного устройства) золотник аварийного закрытия отключает главный золотник системы регулирования от давления и подает его в полость сервомотора, соответствующую закрытию направляющего аппарата турбины непосредственно из котла МНУ (или АМНУ). В результате направляющий аппарат полностью закрывается независимо от положения главного золотника системы регулирования.

Электрическая релейная защита агрегата от разгона. Релейная защита агрегата от разгона основана на действии электромагнитных реле, включенных в цепи управления и системы автоматики агрегата.

Электромагнитные реле разделяются на нейтральные и поляризованные. В тех и других рабочий магнитный поток создается с помощью обмоток катушки. Работа нейтральных реле зависит не от направления тока, обтекающего обмотку катушки, а от его величины. В системах автоматики управления ЭГР и защиты агрегата от разгона применяются многоконтактные унифицированные реле типа МКУ-48. Эти реле наиболее распространены и предназначаются для управления электрическими цепями постоянного или переменного тока. Поляризованные реле имеют два независимых друг от друга магнитных потока - поляризующий и рабочий (управляющий). Поляризующий магнитный потокобразуется постоянным магнитом, а рабочий - обмоткой катушки, обтекаемой управляющим током. В системе защиты от разгона применяется поляризованное реле типа РП-7; при отсутствии тока в обмотке катушки якоря, последний всегда прижат к одному из контактов. Однако, противоразгонная защита работает лишь в том случае, если по каким-либо причинам направляющий аппарат не закрывается в момент разгона агрегата.

При автоматизации часто применяются дистанционное гидравлическое управление элементами агрегата и механические блокировки между отдельными операциями, в системе этого управления. Введение гидромеханических блокировок в систему дистанционного управления предупреждает неправильные и несвоевременные включения и выключения механизмов.

Дистанционное гидравлическое управление и устройства гидромеханических блокировок осуществляются введением вспомогательных сервомоторов и блокировочных золотников, связанных с управляемыми механизмами с помощью масла под давлением, поступающего из МНУ.

Литература

1. Барков К.Н., Бабин. Маслонапорные установки. «Энергия», Ленинградское отделение, 1968. 186 с.

2.       Барков К.Н. Автоматизация мощных гидротурбин. «Машиностроение», 1964. 256 с.