Совершенствование конструкций и режимов работы гидравлических приводов в системах регулирования гидротурбин

В последние годы конкуренция на мировом и отечественном рынках энергетических машин резко возросла. Это связано с тем, что турбины различных типов, в том числе и гидравлические, а также вырабатываемая ими электрическая энергия, играют все более важную роль в экономике любого государства.

К качеству электрической энергии предъявляются определенные требования, которые регламентируются отечественными и зарубежными нормативными документами. Одним из важнейших требований является точность поддержания заданной частоты, значение которой согласно ГОСТ 13 109–97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» составляет ±0,2 Гц [18].

Устройством, призванным поддерживать частоту вращения ротора гидротурбины в заданных пределах, служит автоматический регулятор скорости [19]. Для выполнения поставленной задачи регулятор формирует управляющее воздействие, призванное компенсировать влияние возмущений на режим работы данного агрегата. Отклонения регулируемого параметра системы регулирования гидравлическими турбинами — частоты вращения — возникают, главным образом, при изменениях режима потребления электрической энергии. Обеспечить высокое качество стабилизации указанного параметра оказывается трудной задачей. И дело здесь не только в приемах разработки алгоритма, учитывающего все разнообразие возможных режимов функционирования. Не меньшее значение имеют проблемы создания средств регулирования, реализующих разработанный алгоритм наиболее эффективно. Вместе с тем пути создания эффективных аппаратных средств регулирования решающим образом зависят от требований, предъявляемым к их динамическим характеристикам.

Все проблемы, возникающие при проектировании и испытании системы регулирования, могут быть разделены на две группы. Одна включает в себя принцип работы регулятора, устойчивость, точность и скорость его действия, влияние различных факторов на эти свойства. Вторая касается технологических и эксплуатационных характеристик и охватывает крайне многообразные вопросы. Указанные проблемы объединяются общим понятием динамики регулирования. Факторы, определяющие эффективность системы регулирования, находятся в диалектической взаимосвязи с ее динамическими свойствами, которые непосредственно отражают качество выполнения задачи регулирования, то есть качество функционирования системы по своему назначению.

Увеличение быстродействия, надежности, уменьшение габаритов и возможность высококачественной отработки быстро и медленно изменяющихся сигналов являются* основными требованиями развития современных систем автоматического регулирования гидравлическими турбинами.

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют системы, построенные на основе электрогидравлических элементов — электрогидравлические регуляторы скорости (ЭГР).

Структура" современных ЭГР гидравлических турбин включает командную — электрическую и исполнительную — гидромеханическую части, которые связаны между собой через электрогидравлический усилитель (ЭРУ). Гидромеханическая часть с ЭГУ, охваченная обратной) связью по положению поршня сервомотора направляющего аппарата, образует внутренний контур регулятора — электрогидравлическую следящую систему (ЭГСС).

Широкое применение электрогидравлических следящих систем в гидротурбиностроении требует проведения большого объема работ, связанных с их проектированием, изготовлением, наладкой и освоением.

В процессе проектирования возникают многочисленные вопросы, связанные с теоретическими и экспериментальными исследованиями ЭГСС. Объясняется это большим числом элементов, входящих в их структурные схемы, высоким порядком дифференциальных уравнений, описывающих их движение, наличием нелинейных характеристик и различных ограничений.

Решение этих вопросов требует знания динамических свойств элементов системы, а также глубокого понимания протекающих в них процессов. Поэтому теоретическое изучение и обоснование рабочих процессов отдельных звеньев системы, является актуальной задачей.

Мировые тенденции, направленные на снижение габаритов регуляторного оборудования и повышения устойчивости его работы, требуют применения надежных узлов гидроавтоматики в ЭГР. Существуют два объективных пути разрешения этого вопроса. Первый путь связан с конструированием нового или доработкой имеющегося регуляторного гидрооборудования применительно к новым условиям работы. Второй путь предусматривает освоение типовой гидроаппаратуры, главным образом типовых электрогидравлических усилителей, в системах регулирования гидротурбин. В обоих случаях указанные проблемы требуют специального изучения.

Как показывает зарубежная практика [66,71], типовая гидроаппаратура, в том числе и ЭГУ, отвечает всем условиям, необходимым для ее использования в регуляторах скорости гидротурбинных установок. Однако она наиболее эффективно работает при рабочем давлении в гидравлическом приводе не менее 12 МПа, против традиционных для ЭГР 4−7 МПа. Поэтому в международной практике наметилась тенденция на увеличение рабочего давления в регуляторах гидроагрегатов. Примерами могут служить ГЭС А1ЛМР088 (Норвегия), ГЭС М.1СЕ (Босния и Герцеговина) у которых рабочее давление в гидроприводе ЭГР составляет 18 и 16 МПа соответственно.

Увеличение рабочего давления в системе регулирования, вызывает новые проблемы, связанные с влиянием сжимаемости жидкости, утечками, устойчивостью и с необходимостью изменения структуры ЭГСС.

К сожаление в отечественной и зарубежной специальной технической литературе практически нет работ, посвященных исследованию особенностей работы внутреннего контура регуляторов гидроагрегатов в условиях повышенного давления, а также нет сведений о поведении этой системы с типовым ЭГУ. Поэтому возникает необходимость развития старых и создания новых методов теоретического исследования динамических свойств ЭГР, и в частности ЭГСС.

При рассмотрении динамики системы регулирования гидравлическими турбинами наиболее важное значение имеют проблемы устойчивости системы и качества процессов управления. Поскольку ЭГУ является связующим звеном между электрической и гидромеханической частями ЭГР, то качество его функционирования и работа ЭГСС в целом значительно влияеют на качество процессов управления системы регулирования гидравлическими турбинами. Таким образом, исследование динамики внутреннего контура регуляторов скорости гидроагрегатов имеет немаловажное значение и является актуальным.

Теоретическое исследование ЭГСС ведется методами математического моделирования. Основные узлы, входящие во внутренний контур регулятора описываются дифференциальными уравнениями и составляют единую систему, называемую математической моделью. Решение такой модели с минимальными упрощающими допущениями до последнего времени было довольно сложно получить.

Традиционным способом анализа математической модели ЭГСС была ее линеаризация одним из известных способов [7,12,44] и исследование методами теории линейных систем, которая к настоящему времени хорошо разработана.

Однако, на практике идеализация ЭГСС часто не допустима, т.к. при замене нелинейных уравнений линейными уменьшается не только точность расчетов процессов регулирования, но искажаются и даже могут исчезнуть качественные особенности процессов, возникающих во внутреннем контуре [45]. Последнее связано с наличием в системе регулирования гидротурбин элементов с существенно нелинейными характеристиками, к которым относят характеристики, не линеаризуемые при переходе к малым отклонениям переменных. Одна из важнейших особенностей нелинейности ЭГСС заключается в том, что, в ней могут возникать автоколебания. Численный расчет нелинейного внутреннего контура регуляторов скорости гидроагрегатов.

25,36,41] можно вести, используя метод конечных элементов Рунге-Кутта или аналогичными.

В связи с ранее существовавшими трудностями в решении нелинейной математической модели ЭГСС, которые были вызваны необходимостью обрабатывать большое количество математических вычислений при отсутствии быстродействующих вычислительных устройств и необходимого программного обеспечения, анализ динамических свойств внутреннего контура производился либо без учета, либо с учетом одной существенной нелинейности. Основное внимание было уделено влиянию положительных перекрытий исполнительного золотника на характер движения сервомотора направляющего аппарата [48,56]. Характер изменения рабочих процессов в ЭГСС вследствие наличия положительных перекрытий на управляющем золотника, а также сил сухого трения в золотниковых парах исследован еще не достаточно.

Анализ показывает, что дальнейшее совершенствование теоретических методов исследования систем регулирования гидравлическими турбинами требует более полного учета нелинейных свойств элементов этих систем и разработки уточненных методов решения.

Таким образом, из изложенного выше следует, что развитие теоретических методов исследования систем автоматического регулирования гидротурбинами представляет собой актуальную задачу, имеющую большое научное и практическое значение.

Исходя из вышесказанного, сформулированы следующие положения диссертационной работы.

Основная задача диссертации заключается в обосновании возможности совершенствования систем регулирования гидротурбин путем применения в них типовых электрогидравлических усилителей и повышения давления питания гидравлического привода ЭГСС.

Современное развитие вычислительной техники и прикладного программного обеспечения достигло уровня, позволяющего методом математического моделирования исследовать нелинейные системы. В настоящей работе исследование динамических свойств ЭГСС регуляторов скорости гидротурбин велось в среде Ма1−1аЬ БтиНпк.

Теоретическое моделирование должно быть подкреплено опытными данными, которые в условиях ограниченного финансирования науки нелегко получить. Однако в данной работе удалось провести экспериментальные исследования, которые подтвердили теоретические вычисления.

Конкретные задачи работы:

— разработка математических моделей ЭГР, содержащего гидравлический привод необходимой структуры, позволяющих повысить точность при расчетах динамики процессов регулирования и учитывающих характер нагрузки на поршень сервомотора направляющего аппаратаразработка методики и программы расчета на ЭВМ электрогидравлической следящей системы ЭГР гидротурбины радиально-осевого типа;

— исследование на основе разработанной методики влияния отдельных конструктивных и физических параметров устройств ЭГСС на качество процессов регулирования гидроагрегатами;

— обоснование предложенных расчетных методик путем сравнения результатов экспериментальных исследований и математического моделирования ЭГСС регулятора скорости гидротурбин;

— исследование возможности применения в ЭГСС регуляторов скорости гидротурбин, типовых ЭГУ общепромышленного назначения;

— исследование динамики ЭГСС, работающей в условиях повышенного рабочего давления.

На основе теоретических исследований и экспериментальных данных получены следующие новые научные результаты:

— составлена система нелинейных дифференциальных уравнений, учитывающая как специфику нагрузки на поршень СМ НА, так и практически все значимые факторы, влияющие на свойства ЭГСС ЭГР гидротурбин. Эта система решена численными методами в среде Ма1:1аЬ БтпШпк;

— разработана методика расчета ЭГР гидротурбин радиально-осевого типа, которая обеспечивает удовлетворительное совпадение теоретических результатов с экспериментальными и пригодна для использования в инженерной практике;

— изучено влияние ряда конструктивных и физических параметров устройств, входящих в состав ЭГСС на рабочие процессы регулятора скорости гидротурбины;

— исследована в широком диапазоне частот полоса пропускания управляющей гидравлической части ЭГСС с ЭГУ, широко применяемом в гидротурбиностроенииисследованы основные проблемы, связанные с применением повышенного давления в ЭГСС регулятора скорости гидротурбинпоказано, что при этом может быть обеспечено необходимое качество процессов управления, в том числе регулирование скорости гидроагрегатов, в пределах, устанавливаемых международными стандартами.

Практическая ценность:

— обоснованы практические рекомендации по расчету и проектированию ЭГСС регулятора скорости гидротурбин, обеспечивающего требуемое качество управления, соответствующее международным стандартам, и имеющего увеличенный запас устойчивости;

— определена возможность оперативной оценки неисправностей ЭГР на основе разработанной методики и программы расчета;

— показана целесообразность и техническая возможность перехода на повышенные давления питания в системах регулирования гидротурбин;

— введен в опытную эксплуатацию регулятор на Красноярской ГЭС, построенный на базе типового электрогидравлического усилителя.

Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

В первой главе на основании обзора научно-технической литературы проведен анализ принципиальных схем регуляторов гидравлических турбин, основных проблем их эксплуатации и обоснованы цели и задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена разработке усовершенствованной методики расчета динамики ЭГР, обеспечивающей получение более точных и надежных результатов. Проведено теоретическое исследование влияния параметров внутреннего контура регулятора на динамику процессов регулирования гидроагрегатами.

В третьей главе изложены цели, методика и результаты экспериментальных исследований рабочих процессов во внутреннем контуре регуляторов гидротурбин с традиционными и типовыми ЭГУ. Приведено описание технических средств, используемых в этих исследованиях.

Четвертая глава посвящена теоретическим исследованиям особенностей поведения электрогидравлической следящей системы регуляторов скорости радиально-осевых гидротурбин в условиях повышенных рабочих давлений.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете. В основу диссертации положены результаты теоретического и экспериментального исследования электрогидравлической следящей системы гидравлических турбин, полученные на ОАО «СМ"-"ЛМЗ» при разработки комплекса прикладных программ для инженерных расчетов.

Основные результаты диссертации содержатся в 5 работах, приводимых в списке литературы, и доложены на: Международной научно-технической конференции «Научно-технические проблемы современного гидромашиностроения и методы их решения» (5−7 июня 2001 г., г. С-Петербург) — на НТС кафедры «Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» ГОУ СПБИМАШ (1999;2002гг.) — на НТС ПК ЗАО «Гидроавтоматика» (2000I.

2002гг.) — на НТС кафедры «Гидромашиностроение» ГОУ СПбГПУ (20 032 004гг.) — на НТС ОАО «СМ"-"ЛМЗ» (2002;2004гг.), на Международной научно-технической конференции «Современное состояние и перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке» (4−6 июня 2003 г, г. С-Петербург).

Работа включает 165 листов машинописного текста, 54 иллюстрации, приложения и библиографию из 72 наименований.

Результаты работы внедрены в практику проектной и исследовательской работы ОАО «СМ"-"ЛМЗ» и применялись при расчете и проектировании систем регулирования ГЭС Памир-1 (Таджикистан), ГЭС Хорог (Таджикистан), ГЭС Джердап-1 (Югославия) и при вводе в эксплуатацию опытного регулятора гидроагрегата № 4 Красноярской ГЭС, в структуру которого входит типовой ЭГУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Изложенные в диссертационной работе теоретические и экспериментальные материалы, посвященные исследованию особенности применения типовых ЭГУ в гидравлическом приводе ЭГР гидротурбин радиально-осевого типа и целесообразности, при этом, повышения давления питания в 2−3 раза позволяют сформулировать следующее заключение.

1. Разработана методика расчета электрогидравлической следящей системы ЭГР гидротурбин радиально-осевого типа, основанная на нелинейной математической модели, обеспечивающая высокую расчетную точность вследствие более полного и точного учета особенностей реальной системы, таких как сжимаемость рабочей жидкости, перекрытия и силы сухого трения в золотниковых механизмах, ограничения по перемещению подвижных элементов в золотниках и сервомоторе, изменения давлений раздельно для каждой гидролинии и нагрузки на поршень сервомотора направляющего аппарата.

2. На основе разработанной методики расчета проведены теоретические исследования (математический эксперимент) влияния ряда конструктивных и физических параметров узлов ЭГСС на динамические свойства регулятора скорости гидротурбин с использованием лицензированных программных пакетов МаОаЬ и БитшИпк.

3. Проведены экспериментальные исследования рабочих процессов ЭГСС ГЭС Аль-Адаим в широком диапазоне частот, подтверждающие достоверность результатов теоретического моделирования.

4. Впервые на основе разработанной методики расчета были исследованы особенности динамических процессов, происходящих в ЭГСС ЭГР гидротурбин, если в ее структуре применяются типовые электрогидравлические усилители взамен специализированных ЭГУ единичного изготовления. По результатам этих исследований был введен в опытную эксплуатацию гидроагрегат № 4 Красноярской ГЭС.

5. Проведены исследования основных проблем, связанных с применением повышенного давления в ЭГСС. Показано, что при этом может быть обеспечено необходимое качество процессов управления, в том числе регулирование скорости гидроагрегатов в пределах, устанавливаемых международными стандартами. Применение типовых ЭГУ в данном случае оказывается наиболее эффективным.

6. На базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложены рекомендации по совершенствованию специализированных электрогидравлических усилителей ЭГСС ЭГР гидротурбин.