Блок контроля и управления скоростью турбины

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Приборостроения»

УТВЕРЖДАЮ Зав кафедрой «Приборостроение»

проф., к.т.н. В.Н.Ананченко

БЛОК КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ ТУРБИНЫ

Дипломный проект по специальности

200 101 «Приборостроение»

200 101.340000. 000

Главный консультант:

Вяликов И.Л.

Разработал студент гр. ПП-51

Медведев Е.Ю.

1 Обзор методов контроля паровых турбин

1.1 Общие положения

1.2 Выбор частоты вращения, числа валов и цилиндров турбины

1.3 Влияние окружающей температуры на расчет и проектирование блока контроля и управления скоростью вращения турбины

1.4 Приборы для измерения скорости и частоты вращения

1.4.1 Механические тахометры

1.4.2 Электрические тахометры

1.5 Методы контроля скорости и частоты вращения

1.6 Миниатюризация блока контроля и управления скоростью вращения турбины

2 Расчетно-конструкторская часть

2.1 Назначение, технические характеристики и область применения блока контроля и управления скоростью вращения турбины

2.2 Описание схемы электрической структурной

2.3 Описание схемы электрической принципиальной

2.3.1 Обоснование выбора элементной базы

2.4 Выбор метода измерения скорости вращения

2.5 Расчет стабилизатора напряжения

2.6 Расчет надежности

2.7 Описание конструкции

2.8 Описание алгоритма работы программы

3 Экономическое обоснование блока контроля и управления скоростью турбины в форме бизнес-плана

3.1 Расчёт численности основных производственных рабочих участка

3.2 Расчет статей производственной себестоимости на базовое изделие и на программу по участку

3.3 Расчет полной себестоимости, прибыли и оптовой цены предприятия

3.4 Расчет налогов с юридических лиц

3.5 Анализ работы маркетинговой службы предприятия

3.6 Основные технико-экономические показатели по участку

4 Безопасность и экологичность проекта

4.1 Монтаж и наладка радиоэлектронного оборудования

4.2 Изготовление печатных плат

4.3 Ручная обработка деталей

4.4 Вибрация

4.5 Защита от производственного шума

4.6 Освещение

4.7 Микроклимат

4.8 Содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны101

4.9 Электромагнитные поля

4.10 Расчет вентиляции

4.10.1 Расчет воздухообмена из условия избытков явного тепла и выделения вредных веществ

4.11 Расчет защиты от электромагнитных излучений

4.11.1 Расчет толщины экрана

4.11.2 Расчет эффективности экрана

Заключение

Список использованных источников

Приложение

В настоящее время одним из важных направлений техники проведения экспериментальных исследований является автоматизация измерительного оборудования. Применение автоматизированных устройств и стендов позволяет упростить проведение экспериментов, получить большие объёмы полезной информации, а также исключить ошибки связанные с человеческим фактором.

Разрабатываемое в дипломном проекте устройство «Блок контроля и управления скоростью вращения турбины» предназначен для измерения частоты входного сигнала, а также напряжения смещения в сигнале, вывода результатов измерения на внутренний и внешний 4-х разрядный дисплей, светодиодную и релейную индикацию порогов измеряемой частоты и напряжения входного сигнала, а также вывод информации о частоте в виде напряжения в диапазоне от 0 до 5 В (диапазон от 0 до 4000 об/мин), и токовой форме в диапазоне от 4 до 20мА (диапазон от 0 до 4000 об/мин).

Важной отличительной особенностью данной разработки является наличие регулятора частоты вращения турбины, что позволяет установке работать не только параллельно с имеющейся электросетью, но и автономно, обеспечивая при этом показатели качества электроэнергии соответствующие нормативным документам.

Высокая надежность и простота в эксплуатации в сочетании с современным уровнем развития информационных технологий позволяют создать на разрабатываемой базе автоматизированные энергетические установки. В работе таких комплексов практически не принимает участие человек, тем самым повышается надежность работы, т.к. исключается фактор возможности совершения ошибки и сводятся к минимуму эксплуатационные затраты.

1 Обзор методов контроля паровых турбин

1.1 Общие положения

Паровая турбина состоит из одной или нескольких последовательно расположенных ступеней, в которых происходит двойное преобразование энергии: потенциальная и внутренняя энергия пара преобразуются в соплах и лопатках в кинетическую энергию, а кинетическая энергия, а также работа сил, возникающих в процессе ее преобразования в рабочем колесе — в механическую энергию, передаваемую непрерывно вращающемуся валу.

По принципу работы паровые турбины классифицируются на активные (расширение пара происходит только в соплах) и реактивные (расширение пара происходит в соплах и на рабочих лопатках).

По типу паровые турбины принято разделять на: конденсационные турбины (тип К); конденсационные с теплофикационным отбором (Т); конденсационные с регулируемыми отборами на промышленные нужды и теплофикацию (ПТ); с противодавлением (тип Р); с противодавлением и отбором (ПР); конденсационные с отбором пара на промышленные нужды (П).

Принципиальная схема паротурбинной установки (ПТУ) приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1- Принципиальная схема паротурбинной установки

Свежий пар из котла 1 и пароперегревателя 2 поступает в турбину 3 и, расширяясь в ней, совершает работу, вращая ротор электрического генератора 5. После выходи из турбины пар поступает в конденсатор 4, где конденсируется. Далее конденсат отработавшего пара конденсатным насосом 6 прокачивается через подогреватель низкого давления 7 в деаэратор 8. Из деаэратора 8 питательным насосом 9 вода подается через подогреватель высокого давления 10 в котел 1.

Паровая турбина и электрогенератор представляют собой турбоагрегат. Подогреватели 7, 10 и деаэратор 8 образуют систему регенеративного подогрева питательной воды с использованием пара из нерегулируемых отборов паровой турбины.

Для эффективной работы пар в турбину должен подаваться с высоким давлением и температурой (от 13 кг/см2/190 oC до 240 кг/см2/550оС). Такие условия предъявляют повышенные требования к котельному оборудованию, что приводит к существенному росту капитальных вложений.

Преимуществом паротурбинной технологии является возможность использования в котле самого широкого спектра топлив, включая твердые. Однако использование тяжелых нефтяных фракций и твердого топлива снижает экологические показатели системы, которые определяются составом отходящих из котла продуктов горения.

На существующих тепловых электростанциях новые ПТУ целесообразно использовать при отсутствии возможности внедрения на них газотурбинных и парогазовых технологий.

Паровые турбины с противодавлением целесообразно использовать для модернизации котельных с промышленными паровыми котлами распространенных типов ДКВР, ДЕ (рабочее давление 1,3−1,4 МПа), у которых давление пара на выходе из котлов значительно выше, чем это необходимо для производственных нужд.

При установке в таких котельных паровых противодавленческих турбоагрегатов малой мощности, пропускаемый через ПТУ пар будет срабатываться от начальных параметров на котлах до давления, нужного потребителю, и в результате бесполезно теряемый до этого потенциал пара будет использоваться для выработки малозатратной электрической энергии.

Вырабатываемая ПТУ электроэнергия пойдет на покрытие собственных нужд котельной и предприятия, а ее избыток может продаваться в энергосистему. При этом основной задачей модернизированной котельной продолжает оставаться производство тепла, а электроэнергия является полезным сопутствующим продуктом его производства, значительно улучшающим технико-экономические показатели работы котельной, и может стать дополнительной статьей доходов.

КПД ПТУ в части генерации электроэнергии самый низкий из всех рассматриваемых технологий и составляет от 7 до 39%, но в составе теплофикационных систем суммарная эффективность паротурбинной установки может достигать 84% в расчете на условную единицу израсходованного топлива.

Для обеспечения высокого КПД турбина должна вращаться с высокой скоростью, однако число оборотов ограничивается прочностью материалов турбины и оборудованием, которое находится на одном валу с ней. Электрогенераторы на тепловых электростанциях рассчитывают на 1800 или 3600 об/мин и обычно устанавливают на одном валу с турбиной. На одном валу с турбиной могут быть установлены центробежные нагнетатели и насосы, вентиляторы и центрифуги. Низкоскоростное оборудование соединяется с высокоскоростной турбиной через понижающий редуктор, как, например, в судовых двигателях, где гребной винт должен вращаться с частотой от 60 до 400 об/мин.

Сложность комплексной оценки информации по паротурбинным установкам заключается в их большом разнообразии как по типу (К, П, ПТ, Т, Р, ПР), так и по начальным параметрам (от 13 кг/см2 и ниже до 240 кг/см2). В теплофикационных ПТУ электрическая мощность, расход пара на турбину определяется величиной тепловой нагрузки в паре и в сетевой воде. Технико-экономические показатели каждой турбины должны определяться по диаграммам режимов с учетом всех особенностей ее работы.

Рисунок 1.2- Изменение электрического КПД при изменении единичной мощности паротурбинных установок

1.2 Выбор частоты вращения, числа валов и цилиндров турбины

блок контроль управление турбина Выбор частоты вращения, числа валов и цилиндров турбины является определяющим для последующего детального проектирования агрегата и решающим образом влияет на надежность работы турбины и ее технико-экономические показатели. Перечисленные характеристики агрегата взаимосвязаны и поэтому рассматриваются комплексно.

(четырехполюсный генератор). При (редко встречающемся) соединении турбины с генератором через редуктор частота вращения турбины может быть выбрана произвольно.

В широком диапазоне выбирается частота вращения турбин, служащих для привода насосов, компрессоров, эксгаустеров, вентиляторов и других машин. Выбор частоты вращения в этом случае определяется многими факторами, в первую очередь характеристиками приводимых машин. Также широки возможности выбора частоты вращения судовых и иных транспортных турбин.

В турбинах повышенной частоты вращения концевые уплотнения обычно также имеют меньший диаметр и, следовательно, меньшие зазоры, что заметно снижает утечку пара. В то же время усложняются условия проектирования последних ступеней конденсационных турбин, что влечет ухудшение их экономичности.

Это объясняется следующими причинами:

— трудностью изготовления качественного редуктора очень большой мощности; большими его размерами и тем самым удорожанием всего агрегата;

— увеличением напряжения в их лопатках. Поэтому если повышение частоты вращения приводит к снижению экономичности последних ступеней, то при большой мощности это снижение становится настолько значительным, что может компенсировать выигрыш в КПД части высокого давления и лаже превысить его.

В связи с этим переход на частоту вращения больше, требующий редукторной связи с электрическим генератором, производится, как правило, при мощностях конденсационных турбин средних параметров4МВт, а для турбин с противодавлением из-за увеличенных расходов пара—при еще меньших мощностях.

В настоящее время энергетические, для привода электрогенератора, паровые турбины с редукторной передачей не изготавливаются.

Рассмотрим эту альтернативу с нескольких точек зрения: тепловой экономичности, стоимости и т. д. Главная причина перехода на тихоходные турбоагрегаты связана с надежностью последней ступени, ее экономичностью и вообще экономичностью части низкого давления.

В этом случае число потоков ЦНД уменьшится также вчетверо (и соответственно сократится число цилиндров низкого давления). Если при удвоении размеров ступени число потоков / сократить не в 4, а, скажем, в 2 или 3 раза или оставить тем же, то возрастет суммарная площадь последних ступеней При том же числе потоков минимальные усредненные потери с выходной скоростью:

(1.1)

Дополнительные возможности повышения КПД цилиндра низкого давления связаны с более плавным очертанием проточной части из-за меньших теплоперепадов ступеней и, следовательно, меньшей разницей высот лопаток соседних ступеней. Кроме того, увеличение 0 при той же корневой реактивности. Согласно выше указанной формуле ведет к меньшей реактивности на периферии для части низкого давления КПД на 0,5—1,5% выше в тихоходном варианте. Однако в тихоходных ЦНД могут несколько возрасти потери (или ухудшится восстановление давления) в выходном патрубке. Это объясняется тем, что при столь больших размерах последних ступеней конструктивно труднее сохранить оптимальные соотношения размеров последней ступени, патрубка и входа в конденсатор.

С уменьшением частоты вращения экономичность в ЦВД может несколько снизиться. Это объясняется главным образом увеличением концевых потерь в решетках из-за меньших высот лопаток и роста утечек в уплотнениях, в том числе в концевых. Это снижение КПД связано с тем, что в тихоходной турбине существенно больше и диаметры ступеней, и диаметры концевых и диафрагменных уплотнений. Практически пропорционально диаметрам выбираются и зазоры в уплотнениях.

Опыт изготовления тихоходных турбин показал, что имеются определенные трудности изготовления последних лопаток с цельнофрезерованным бандажом. Другие же формы бандажа и соединения его с лопаткой обычно ведут к некоторому снижению эффективного обтекания периферийной зоны. В то же время отметим, что по некоторым, пока еще, правда, недостаточно полным и детальным опытам в тихоходных турбинах оказываются несколько меньшими потери от влажности.

МВт снижение экономичности тихоходных ЦВД может быть настолько значительным, что с учетом большой относительной мощности ЦВД при переходе к тихоходному варианту КПД всей турбины практически не возрастет.

В высокооборотных турбинах в отличие от тихоходных не всегда удается по условиям надежности и унификации (использования ЦНД, применяемых в турбинах ТЭС) иметь разделительное давление на уровне термодинамически оптимального.

Анализируя экономичность всей турбинной установки, отметим, что дополнительные потери, которые могут иметь место в ЦВД, частично компенсируются из-за возврата теплоты и сокращения затрат теплоты в промежуточном перегревателе. Повышение же КПД части низкого давления реализуется полностью.

В турбинах насыщенного пара уменьшение вдвое частоты вращения повышает экономичность установки, начиная примерно с мощности 500—800 МВт. Надежность тихоходных турбин в большинстве элементов оказывается выше.

Поскольку при переходе к тихоходному варианту окружная скорость на периферии последних лопаток уменьшается, следует ожидать меньшей эрозии лопаток, что подтверждается опытом эксплуатации турбин АЭС .

Благоприятно на надежности турбин сказывается уменьшение числа цилиндров в тихоходном варианте в связи с сокращением числа ЦНД. Меньшее число цилиндров означает большую надежность валопроводасистемы роторов агрегата. Чем больше число элементов валопровода, тем более густой спектр собственных частот он имеет, тем труднее (с учетом неизбежной податливости опор и упругости масляной пленки в подшипниках)-обеспечить требуемый запас между частотой вращения турбины и одной из собственных частот ротора. Кроме того, большее число опор и соединений роторов также снижает надежность агрегата.

Для динамической надежности агрегата небезразличны моменты инерции валопровода, которые из-за больших радиальных размеров выше в тихоходной турбине. При этом увеличивается время разгона турбины после сброса нагрузки с отключением генератора от сети. Особенно это важно для турбин насыщенного пара, где из-за испарения и вскипания влаги, а также большого объема тракта сепаратор — перегреватель опасность такого разгона довольно велика. Для турбин АЭС выбег турбины после прекращения доступа пара в нее в ряде случаев используется для обеспечения надежности реактора. В тихоходных турбинах это время выбега больше.

В то же время следует отметить, что в турбинах высоких параметров увеличение размеров корпусов высокого давления, присущее тихоходным машинам, требует заметного увеличения толщин корпуса. Кроме того, неблагоприятно возрастают в ЦВД размеры фланцев.

Технико-экономические расчеты показывают, что для турбин высоких параметров пара, где возможный выигрыш в экономичности существенно ниже, чем в турбинах насыщенного пара, а увеличение стоимости значительнее, тихоходные конструкции нецелесообразны.

В настоящее время такие турбины не выпускает ни одна фирма в мире. В то же время для энергетики США рядом фирм выполнены предварительные проработки турбин сверхкритического начального давления мощностью 1600—2000 МВт как в быстроходном, так и в тихоходном варианте. Необходимо учитывать, что в связи с частотой 60 Гц электрической сети в США переход к низкооборотным турбинам при прочих равных условиях целесообразнее при меньших мощностях, чем при частоте сети 50 Гц.

В настоящее время турбины АЭС мощностью 800— 1000 МВт строятся как быстроходными, так и тихоходными (в США, Японии и Франции все турбины насыщенного пара выполняются тихоходными). Турбины большей мощности (более 1000 МВт) для АЭС, как правило, проектируются тихоходными для привода четырехполюсного генератора. В то же время работают на АЭС быстроходные турбины К-1000−5,9 ЛМЗ; спроектирован агрегат и большей мощности.

При выборе частоты вращения для агрегатов АЭС следует учитывать полные технико-экономические показатели, в том числе стоимость электрического генератора и строительной части, характеристики надежности, возможность и опыт изготовления деталей больших. габаритов, трудности перевозки негабаритных грузов, а также унификацию с другими турбинами. Последнее относится и к унификации с проектируемыми агрегатами еще больших мощностей.

Эта переходная мощность зависит от многих факторов, ее значение повышается с ростом начальных параметров, с ухудшением расчетного вакуума, с уменьшением стоимости топлива.

Мощные турбины могут выполняться как одновальными, так и двухвальными. Двухвальные агрегаты представляют собой многоцилиндровую турбину с двумя электрическими генераторами, несколько цилиндров которой связано с одним, а остальные — с другим генератором. Подвод пара в турбину один, разделение потоков пара между валами, число цилиндров могут быть различными.

Конструктивная схема турбины показана на рисунке 1.3, а.

а)-К-1300−26,5, фирмы АББ; б) К-800−23,5−1 ЛМЗ; в) К-1000−24,1 фирмы «Мицубиси»

Рисунок 1.3- Схемы двухвальных турбин

— два двухпоточных ЦНД, показаны на рисунке 1.3, в. Мощность турбин 1000— 1100 МВт. Такая конструкция позволяет уменьшить число ЦНД.

Применение двухвальных турбин вызвано главным образом двумя причинами: во-первых, невозможностью в момент создания агрегата изготовления электрического генератора столь большой мощности, во-вторых — техническими трудностями создания, монтажа и эксплуатации агрегата с большим числом цилиндров и большой длины.

Экономичность двухвального агрегата не отличается от экономичности одновального при том же числе цилиндров. Если в двухвальном варианте имеется возможность установки еще одного ЦНД, то экономичность такой турбины будет, естественно, выше, главным образом из-за уменьшения выходных потерь.

Особенно существенно возрастает экономичность двухвального агрегата высоких начальных параметров пара, если первый вал с ЦВД и соответственно с относительно небольшими проходными сечениями решеток первых двух ступеней выполнить быстроходным, а ЦНД с большими объемными пропусками пара в конденсатор расположить на тихоходном валу.

Большим успехом отечественного паротурбостроения является, пока нигде не превзойденным за рубежом быстроходный электрогенератор этого агрегата, созданный на заводе «Электросила».

Стоимость двухвального агрегата выше, главным образом, за счет второго генератора. Однако и стоимость собственно турбины оказывается также выше. Если сравнивать две турбины К-800−23,5 ЛМЗ на одинаковые параметры пара, выполненные в двухвальном и одновальном вариантах, то двухвальная турбина, состоящая из шести цилиндров, имеет массу больше пятицилиндровой одновальной на 300 т и соответственно дороже.

Разделение мощностей между валами зависит в первую очередь от конструкции электрогенераторов. Возможно разделение па равные части с одинаковыми генераторами (при равной частоте вращения обоих валов) или на разные, как это сделано в турбине К-800−23,5−1 ЛМЗ, когда использовались генераторы 300 и 500 МВт.

Выбор числа цилиндров также определяется надежностью, экономичностью и стоимостью турбины. В турбине заданных параметров пара и мощности при выбранной частоте вращения число цилиндров связано с конструкцией ЦНД. Увеличение размеров последней ступени, применение полуторного выхода и большие выходные потери позволяют через один ЦНД пропустить больший расход пара и, следовательно, сократить число цилиндров турбины.

Увеличение высоты последней ступени вызывает увеличение наклона меридионального обвода. Таким образом, эти и другие (например, потери от влажности) факторы не позволяют однозначно оценить изменение экономичности ЦНД при изменении его конструкции и требуют детальной проработки.

Кроме того, с увеличением напряжений в элементах ЦНД, присушим турбине с меньшим числом ЦНД, в большей степени может проявиться снижение надежности, определяемое коррозией под напряжением: коррозионным растрескиванием материала, усталостной коррозией. С другой стороны, сокращение числа цилиндров может обеспечить большую надежность всего агрегата (меньше число рядов лопаток и число подшипников—наиболее повреждаемых элементов турбин), сокращается длина турбины и соответственно удлинение ее ротора и статора; меньшее число участков валопровода — системы роторов многоцилиндровой турбины и электрогенератораобычно ведет к повышению его динамической надежности. При меньшем числе цилиндров, подшипников, ступеней и, следовательно, общего числа лопаток сокращается время, требуемое для ремонта турбины.

Очевидно, что увеличение числа цилиндров, особенно дорогостоящих ЦНД, сказывается на стоимости турбины. Таким образом, выбор числа цилиндров, как и рассмотренный выше выбор числа валов, является технико-экономической задачей. Упрощение конструкции агрегата и, следовательно, больший расход топлива, а в случае заданной паропроизводительности котла или парогенератора (реактора) снижение мощности турбины, оправдано лишь в том случае, когда при расчете стоимости одного киловатт-часа оно будет перекрываться снижением капитальных затрат. Очевидно, что технико-экономический выбор того или иного варианта конструкции будет зависеть от мощности энергоблока, его параметров, стоимости топлива (или для региона, где располагается проектируемая электростанция, — стоимости замещаемой электроэнергии), числа часов использования мощности энергоблока в году, цен па металл и от ряда других факторов.

При конкретных условиях электростанции соответствует изменение стоимости не только собственно турбины, но и конденсатора, и источников водоснабжения. Выбирая число цилиндров, следует учитывать изменения в строительной части электростанции.

При очень высоком давлении пара перед ЦНД высота лопаток первых ступеней ЦНД может оказаться относительно небольшой с соответствующим снижением КПД этих ступеней из-за значительных концевых потерь при обтекании их решеток. В то же время в предшествующем ЦНД цилиндре, где расход пара всегда разделен на меньшее число потоков, в последних ступенях высоты лопаток будут выше, чем в первых ступенях ЦНД. При выборе теплоперенада ЦНД, от которого может зависеть число цилиндров, следует учитывать, что с изменением длины цилиндра меняется жесткость и ротора, и корпуса; при большой длине может возникнуть коробление корпуса. Весь этот комплекс вопросов надежности, экономичности, в том числе при неременных режимах работы, стоимости и т. д., должен исследоваться в предварительных проработках варианта турбоагрегата и турбоустановки.

1.3 Влияние окружающей температуры на расчет и проектирование блока контроля и управления скоростью вращения турбины Особое внимание в процессе проектирования и расчета блока контроля и управления скоростью вращения турбины должно быть обращено на диапазон изменений температуры окружающей среды, местные нагревы и перегревы отдельных элементов схемы, режим работы, производственный разброс параметров элементов и, наконец, на необходимые запасы по отношению к предельно допустимым электрическим параметрам примененных в схеме элементов.

При правильном учете всех перечисленных факторов существенно повышаются срок службы, надежность и стабильность работы разрабатываемого устройства. Весьма чувствительны к резким перепадам окружающей температуры такие элементы схемы, как конденсаторы, полупроводниковые вентили и стабилитроны, транзисторы, тиристоры и резисторы.

От изменения параметров перечисленных элементов в значительной степени зависит стабильность работы, а иногда и работоспособность. Так, например, электролитические конденсаторы типов К50-ЗА и К50-ЗБ при предельно допустимых для них по техническим условиям значениях отрицательных температур теряют до 50% своей емкости при частоте пульсации 50— 100 Гц. У тех же конденсаторов при частоте пульсации 2400 Гц и предельной отрицательной температуре (это соответствует работе их в схеме фильтра выпрямителя, выполненного по трехфазной мостовой схеме с питанием от сети с частотой тока 400 Гц) эффективная емкость уменьшается в 8—10 раз, при этом соответственно возрастают и пульсации на выходе фильтра выпрямителя. С повышением температуры в блоке до значения, близкого к предельно допустимому для примененных элементов (транзисторов, тиристоров и др.) мощность, рассеиваемая на них, и напряжения должны быть снижены. Надежная и стабильная работа аппаратуры может быть обеспечена при условии учета всех дестабилизирующих факторов, одним из которых является температурное воздействие. Повышение надежности работы аппаратуры достигается выбором элементов с запасом по сравнению с предельно допустимыми для них мощностями, напряжениями, токами и т. д. Можно рекомендовать следующие коэффициенты запаса по отношению к предельно допустимым:

— для резисторов (по мощности) 0,5;

— для конденсаторов, полупроводниковых диодов (по напряжению) 0,7;

— для транзисторов (по температуре перехода) 0,8 и т. д.

Можно гарантировать взаимозаменяемость элементов, высокую надежность и стабильность работы аппаратуры, если с учетом данных рекомендаций расчет будет вестись на крайние значения параметров всех примененных в схеме элементов с учетом возможного разброса и старения их в течение срока службы в соответствии с техническими условиями на них.

1.4 Приборы для измерения скорости и частоты вращения

1.4.1 Механические тахометры Под скоростью вращения U (об/мин) обычно понимают число оборотов n твердого тела за единицу времени t = 1 мин:

U = n t (1.2)

В числе производных единиц Международной системы единиц (СИ) отсутствует термин «скорость вращения» и имеются только следующие термины: угловая скорость w рад/с как отношение угла j (в радианах) поворота тела к времени вращения t (в секундах):

w = j / t (1.3)

«частота вращения» f Гц, обозначающая число полных оборотов за единицу времени t = 1 с:

f = n/t (1.4)

В машиностроении и во многих других областях техники необходимо точно определять частоту вращения, например, для контроля и регулирования работы машин. Неудивительно поэтому, что имеется много разнообразных типов тахометров, тем более, что в основу измерения частоты вращения могут быть положены разные физические явления.

Наиболее простой конструкцией отличаются механические тахометры. Они выпускаются в очень больших количествах в виде неподвижно встроенных в агрегаты приборов, используемых для непрерывной индикации усредненного мгновенного значения скорости, или в виде ручных приборов, применяемых иногда для единичных измерений. Характерным для них является то, что показание получается непосредственно у места измерения или на небольшом от него расстоянии. Указатель потребляет энергию от самого объекта измерения (энергия, затрачиваемая на потери в подшипниках, может быть значительной, если невозможно применить гибкое сцепление). Объект измерения должен быть доступен и должен обеспечивать возможность установки тахометра или подключения его вручную. Механические тахометры могут быть снабжены электрическими или пневматическими преобразователями, позволяющими использовать их для целей управления и контроля.

Механические тахометры делятся на стационарные, т. е. неподвижно монтируемые и портативные. Стационарные механические тахометры по принципу своего действия представляют собой приборы с индикацией в непосредственной близости от объекта измерения. Они соединяются с ним либо непосредственно, либо при помощи гибкого вала, ременной или цепной передачи. Поэтому измеренная величина может быть передана только на близкое расстояние.

В отношении физического принципа, положенного в основу измерения, имеются два типа механических тахометров: тахометр на вихревых токах и центробежный тахометр.

Тахометр на вихревых токах имеет вращающийся постоянный магнит, поле которого возбуждает вихревые токи в алюминиевом диске, соединенном с указателем. Возникающий при этом вращающий момент пропорционален частоте вращения магнита и перемещает указатель до тех пор, пока момент, создаваемый вихревыми токами, не уравновесится моментом, созданным возвратной пружиной. Тахометры этого типа применяют преимущественно в тех случаях, когда показания должны начинаться с нуля, соответствовать определенному направлению вращения и охватывать широкий диапазон измерения. Силы, создающие перемещение, сравнительно невелики, что ограничивает возможности использования этого типа тахометров для других целей, кроме индикации. Погрешности составляют около ± 1% и в простейших приборах достигают ± 3% от конечного значения. Тахометры на вихревых токах выпускаются серийно и рассчитаны на скорости до 5000 об/мин.

В центробежных тахометрах вращающийся маятник отклоняется под действием центробежной силы и через рычажную передачу приводит в движение стрелочный механизм. Отклонения стрелки являются мерой частоты вращения. Центробежные тахометры показывают частоту вращения не от нулевого, а от некоторого минимального и до максимального значения, соотношение которых может находиться в пределах от 1:3 до 1:10. Показание не зависит от направления вращения. Достаточные по величине силы, сообщающие движение стрелочному механизму, допускают приведение в действие дополнительных управляющих и регулирующих устройств. Погрешности измерения <1%; в специальных исполнениях составляют 0,3%. Так как центробежный тахометр представляет собой колебательную систему, он должен быть снабжен демпфирующим устройством, в особенности при использовании его для измерения низких частот вращения. Максимальная частота вращения серийно впускаемых центробежных тахометров составляет 10 000 об/мин.

1.4.2 Электрические тахометры Существуют разнообразные способы для определения частоты вращения электрическими средствами измерения.

Принципиально различные методы измерения могут быть разделены на две основные группы: аналоговые и дискретные. Различие этих двух методов обусловлено в основном применяемыми измерительными преобразователями (датчиками). Однако по техническим и экономическим причинам выбор того или иного из этих методов зависит от применения тех или иных показывающих приборов, хотя использование соответствующих согласующих элементов позволяет перейти от одного способа измерения к другому. Достоинством как аналогового, так и дискретного способов является возможность размещения показывающего прибора на расстоянии от места измерения, т. е. дистанционное измерение частоты вращения. При аналоговом методе с измерительного преобразователя скорости (датчика скорости) снимается выходной сигнал в виде напряжения (или тока), пропорционального измеряемой скорости. Чаще всего в качестве таких преобразователей применяют генераторы переменного тока, так называемые тахогенераторы переменного тока. Их особое достоинство заключается в том, что в них нет подвижных токонесущих деталей и поэтому они работают практически без износа.

При дискретном методе измерения частота вращения определяется подсчетом числа импульсов, создаваемых при каждом обороте за единицу времени, или числа единиц времени между двумя импульсами. Съем данных измерения может осуществляться механически (в результате срабатывания контактов), но основное преимущество дискретного метода заключается в возможности бесконтактной передачи данных (индуктивной, фотоэлектрической) и, как следствие, устранение износа трущихся частей и в высокой точности. Так как в основу этого метода измерения положен цифровой принцип, то, как правило, используется цифровая индикация и обработка данных измерения.

Значительно удобнее как по возможности использования для измерения различных физических эффектов, так и по возможности дальнейшей обработки измерительных сигналов являются электрические тахометры. Под ними понимаются все тахометры, дающие на выходе электрический сигнал. Сюда относятся, в частности, различные типы тахогенераторов, которые должны быть жестко связаны с объектом измерения и, как и механические тахометры, приводимые во вращение энергией, потребляемой от объекта измерения. Они вырабатывают непрерывный сигнал, пропорциональный частоте вращения объекта измерений, и могут быть также с успехом использованы для определения изменений частоты вращения.

Еще большие возможности использования различных физических эффектов дают электрические тахометры, взаимодействующие с объектом измерения без непосредственного контакта с вращающимся телом и потребляющие от объекта незначительное количество энергии, либо работающие совсем без затраты энергии объекта. Связь такого тахометра с объектом измерения осуществляется индукционным, магнитным или фотоэлектрическим путем. Такие тахометры пригодны для измерения вплоть до очень высоких скоростей и на очень малых объектах. Их достоинством является дистанционная передача выходных сигналов. Частота импульсов, снимаемых с таких тахометров, пропорциональная частоте вращения, менее восприимчива к помехам, чем напряжение, пропорциональное частоте вращения. Тахометры этого типа, как правило, требуют источник вспомогательной электрической энергии. Между чувствительным элементом прибора, воспринимающим измеряемую величину, и его выходным устройством находятся элементы согласования, преобразующие измерительный сигнал в форму, пригодную для дистанционной передачи измеренной величины.

Общим для всех электрических тахометров является возможность дистанционной передачи результатов измерений и их контроля и протоколирования совместно с результатами измерения других параметров. Возможно преобразование выходного сигнала в цифровой код, допускающий дальнейшую обработку в вычислительных машинах. В заключение следует также отметить возможность стробоскопического измерения частоты вращения. Хотя стробоскопический эффект используется преимущественно для исследования характера движения вращающихся тел, однако он может быть использован и для измерения частоты вращения. Это мобильный, лишенный обратной реакции на объект способ измерения.

Для бесконтактного измерения частоты вращения могут применяться ручные приборы преимущественно с аналоговой или цифровой индикацией. В таких приборах съем сигнала осуществляется оптическим методом, для чего на вращающуюся деталь наносят светлую метку.

1.5 Методы контроля скорости и частоты вращения Контроль за изменением скорости и частоты вращения различных по своему назначению устройств, движущихся элементов промышленного оборудования и конструкций является одной из основных диагностических функций. По аномальному отклонению значения скорости вращения от документального можно вовремя предотвратить будущие необратимые последствия, связанные с выходом данного устройства из строя.

Скорость вращения характеризуется числом полных оборотов, совершаемых телом при равномерном его движении по окружности в единицу времени и называется частотой вращения. Частота вращения измеряется в герцах или в оборотах в минуту.

Приборы, измеряющие частоту вращения называются тахометрами. Существует несколько типов приборов, позволяющих получить значения частоты вращения. По способу получения информации от вращающихся частей приборы делятся на механические, оптические и стробоскопические.

При механическом способе измерения требуется непосредственный контакт с поверхностью контролируемого объекта. Датчик прибора (ввиде резинового колеса или конического заостренного наконечника) прислоняется к поверхности, при этом прибор начинает анализировать передавшийся вращательный момент от вращающегося объекта контроля. В основном данный метод используется для контроля небольших скоростей, находящихся между 20 и 20 000 об/мин. Кроме измерения частоты вращения, механическим методом можно измерить еще и длину движущегося объекта.

Оптический и стробоскопический методы выгодно отличаются от механического тем, что не требуют прямого контакта с поверхностью объекта контроля, поэтому их еще называют не контактными (бесконтактными)методами. В оптическом методе информация о частоте вращения передается прибору через инфракрасный световой луч, исходящий из прибора, который затем отражается от поверхности объекта. Если луч плохо отражается от поверхности, то на нее наклеивают небольшую отражательную пленку. Диапазон частот вращения измеряемый такими приборами составляет от 0 до 100 000 об/мин.

Стробоскопический метод основывается на том, что объекты в глазах наблюдателя являются неподвижными, когда частота высокоскоростных вспышек от них синхронно совпадает со скоростью вращения (движения) объекта. Стробоскопическим методом можно измерять частоту очень маленьких вращающихся объектов. Также стробоскопическим методом помимо скорости вращения можно измерить частоту колебаний объекта.

1.6 Миниатюризация блока контроля и управления скоростью вращения турбины Одной из важнейших проблем при проектировании блока контроля и управления скоростью вращения паровой турбины является максимально возможное уменьшение его массы и габаритов. Для решения этой задачи необходимо, в первую очередь, иметь диодные и транзисторные сборки; транзисторы высокочастотные средней и большой мощности; конденсаторы высокочастотные малогабаритные на большие емкости; диоды высокочастотные на токи до нескольких десятков ампер с малым временем рассасывания (до 20 не) и прямым падением напряжения (до 0,5 В); дроссели фильтров высокочастотные для работы в цепях с протеканием через них постоянного тока до нескольких десятков ампер.

Располагая всей необходимой элементной базой, разработчик должен правильно обосновать выбор структурной, а затем и электрической принципиальной схемы, удовлетворяющей всем заданным техническим требованиям.

Следующим, немаловажным этапом на пути создания блока контроля и управления скоростью вращения паровой турбины, имеющего минимальные массу и габариты, является конструирование. Здесь важно не только разместить все элементы схемы в определенном объеме, но также решить задачу ремонтопригодности, механической прочности и теплового режима элементов схемы. Всякий раз, когда речь идет о миниатюризации, имеют в виду применение интегральных схем. Однако необходимо иметь в виду, что в большинстве случаев для питания РЭА требуются устройства с низкими выходными напряжениями (3— 12 В) при токах нагрузки от нескольких единиц до десятков ампер.

Стабилизаторы напряжения с непрерывным регулированием в микросхемном исполнении при выходных напряжениях Uп от 3 до 30 В имеют допустимое значение тока нагрузки до 0.15 А (142ЕН1, 142ЕН2) и до 1А (142ЕНЗ, 142ЕН4). При Uп равных 5 и 6 В (142ЕН5А. 142ЕН5Б), предельно допустимое значение тока равно 3 А. Суммарный ток нагрузки па блок РЭА по каждой выходной цепи может быть получен от одного выполненного на дискретных элементах стабилизатора или от большого количества интегральных стабилизаторов, каждый из которых обеспечивает питанием отдельные каскады, каналы и другие функциональные узлы РЭА. Стабилизаторы, устанавливаемые в блоки РЭА, обычно монтируются на печатных платах типовых элементов замены (ТЭЗ). Объем, занимаемый стабилизатором с непрерывным регулированием, смонтированным на ТЭЗ, составляет обычно до 10—20% объема РЭА в блоке.

Для питания стабилизаторов необходимо иметь выпрямители. Количество их в общем случае должно соответствовать количеству номиналов выходных напряжений. Размещать их в блоках РЭА по конструктивным соображениям, а также из-за возможных наводок напряжения сети на РЭА нецелесообразно, поэтому выпрями тел и размещают в блоки питания, устанавливаемые в шкафы РЭА. В результате такого построения системы электропитания суммарный объем, занимаемый устройством в составе комплекса РЭА. составляет не менее 30%. Основной причиной является то, что к. п. д. стабилизаторов с непрерывным регулированием невысок.

Несколько лучше обстоит дело с миниатюризацией, если при питании их используется повышенная частота сети 400, 1000 или 2000 Гц. Наиболее эффективным способом, с помощью которого сравнительно просто может быть реализована задача миниатюризации при низких выходных напряжениях и больших токах нагрузки, является применение схем стабилизаторов с бестрансформаторным входом. Такие стабилизаторы должны состоять из микросхемы управления, включающей в себя модулятор длительности, усилитель, защиту от к. з. и перегрузки, схему плавного подъема выходного напряжения, усилителя мощности (однотактной, мостовой или полумостовой схемы) и выпрямителя с фильтром.

Применение в микросхемном исполнении повышает надежность и улучшает параметрыустройства, но не дает заметного выигрыша в габаритах.

2 Расчетноконструкторская часть

2.1 Назначение, технические характеристики и область применения блока контроля и управления скоростью вращения турбины

Блок контроля и управления скоростью вращения турбины (тахометр) (далее устройство) предназначен:

— автоматизации регулирования частоты и мощности в нормальных и аварийных режимах работы блока и энергосистемы. Может применяться для всех видов паровых турбин с целью обеспечения участия энергоблоков в первичном и вторичном регулировании частоты и мощности, а также для выполнения быстродействующего автоматического управления с применением резервирования.

— непрерывного измерения и цифровой индикации частоты вращения ротора или вала любых механизмов в об/мин;

— формирования выходного токового сигнала 0.5, 0.20 или 4.20 мА, преобразуемого из измеряемой частоты вращения;

— релейной и светодиодной сигнализации о достижении заданных значений частоты вращения, в том числе о наличии вращения;

— регистрации в памяти прибора максимального значения частоты вращения, частоты вращения в момент срабатывания автоматов безопасности либо других концевых выключателей;

— вычисления на основе измеренной частоты вращения ротора турбины частоты переменного электрического тока в сети.

— измерения напряжения смещения в сигнале, вывода результатов измерения на внутренний и внешний 4-х разрядный дисплей, светодиодную и релейную индикацию порогов измеряемой частоты и напряжения входного сигнала;

— вывода информации о частоте в виде напряжения в диапазоне от 0 до 5 В (диапазон от 0 до 4000 об/мин), и токовой форме в диапазоне от 4 до 20мА (диапазон от 0 до 4000 об/мин).

Входным сигналом устройства является напряжение, приходящее от датчика. В состав датчика входит собственно первичный преобразователь и схема линеаризации. Первичный преобразователь — это бесконтактный измеритель перемещения, основанный на вихретоковом эффекте, поскольку полученный сигнал с такого преобразователя принципиально не линеен, далее стоит линеаризатор который преобразует антиквадратичный закон изменеия выходного напряжения первичного преобразователя в линейный. Датчик позволяет измерять расстояние от вала турбины в диапазоне перемещений от примерно 0 мм до 2,5 мм, при этом напряжение на выходе датчика изменяется от 0 до 5 В.

Для фиксации скорости вращения вала таким датчиком в вале фрезерован паз глубиной примерно 3…5мм. В момент прохождения паза мимо датчика им формируется импульс амплитудой примерно 5 В. Период такого импульса зависит от скорости вращения вала, скважность импульсов зависит от ширины паза и примерно равна 250…800.

Областью применения тахометров являются системы автоматического контроля, управления и регулирования технологическими процессами на объектах энергетики (АЭС, ТЭС, ГЕС и др.), пищевой, химической, нефтегазовой и других отраслей промышленности.

Таблица 2.1- Основные параметры устройства

2.2 Описание схемы электрической структурной

Схема электрическая структурная блока контроля и управления скоростью вращения турбины приведена на листе графической части дипломного проекта.

Условно схему электрическую структурную можно разделить на следующие блоки:

— входной ограничитель;

— микроконтроллер (главный элемент схемы);

— блок питания;

— преобразователь напряжения-ток;

— ключ останова турбины;

— ключи порогов вращения турбины;

— индикация;

— формирователь импульсов;

— клавиатура;

— дисплей.

Более подробно работу схемы электрической структурной рассмотрим на примере схемы электрической принципиальной, представленной в следующем параграфе.

2.3 Описание схемы электрической принципиальной

Схема электрическая принципиальная блока контроля и управления скоростью вращения турбины приведена на листе графической части дипломного проекта.

Входной сигнал поступает на схему ограничения, которая играет защитную роль и не допускает понижения входного сигнала ниже -0,6 В и превышения +15,6 В. После ограничения сигнал поступает на вход схемы выделения и формирования импульсов, а также на вход делителя напряжения. Схема выделения и формирования импульсов состоит из последовательно включенных усилителя и компаратора. Усилитель имеет коэффициент усиления 1, основное назначение этого усилителя это выделение импульса на фоне постоянного напряжения. Компаратор из выделенных импульсов, амплитуда которых должна быть не меньше 3 В, формирует импульсы с малыми длительностями фронта и среза, что необходимо для точного измерения скорости вращения. Делитель напряжения имеет коэффициент деления 6,15 и необходим для приведения максимально возможного напряжения сигнала к максимально допустимому входному напряжению АЦП (2,45В).

После схемы выделения и формирования импульсов сигнал поступает на вход таймера, с помощью которого измеряется период входных импульсов.

Устройство управления обрабатывает входную информацию о скорости вращения вала и зазоре между датчиком и валом, а также информацию о состоянии клавиатуры. Измеренная и обработанная информация выводится из устройства управления по трем последовательным шинам. Одна из последовательных шин используется для управления восемью ключами, из которых пять ключей это уставки, а остальные три это соответственно ключ контроля максимума, ключ останова турбина, ключ нормы зазора. Параллельно сигналы управления ключами используются для индикации состояния ключей. Вторая и третья последовательные шины управляют выводом измеренной информации на встроенный внутренний дисплей и на вынесенный внешний дисплей. Сигналы последовательной шины управляющей внешним дисплеем поступают на вход преобразователя уровня, который из логических уровней ТТЛ логики преобразует их в уровни КМОП логики с питанием 9 В.

Кроме цифровой формы вывода информации устройство управления имеет возможность вывода информации о скорости вращения в аналоговой форме, в виде управления значениями напряжения в диапазоне 0−5 В и тока в диапазоне 4−20мА, что соответствует скоростям вращения от 0 до 4000 об/мин.

Схема устройства питается от внешнего стабилизированного двухполярного источника питания ±15 В, который используется для питания аналоговых узлов. Для питания цифровых схем используется два стабилизатора напряжения +5 В и 3,3 В. Напряжение 3,3 В поступает на микроконтроллер, а источник +5 В питает регистры, ключи, индикацию состояния ключей и встроенный 4-х разрядный дисплей.

2.3.1 Обоснование выбора элементной базы

В качестве управляющего устройства выбран 8-ми разрядный микроконтроллер C8051F330 фирмы Silicon Laboratories. Микроконтроллер имеет улучшенное ядро CIP-51, которое имеет быстродействие 25MIPS на частоте 25МГц и совместимо с семейством MCS-51 по командам. Семейство микроконтроллеров MCS-51 является одним из старейших на рынке (первый микроконтроллер семейства был выпущен в 1980 г.), столь долгое существование ему обеспечила очень удачная архитектура и развитая периферия.

Данный микроконтроллер в своем составе следующие периферийные устройства:

— 10 битный АЦП со скоростью до 200 тысяч преобразований в секунду, до 16 каналов одиночных или 8 дифференциальных каналов;

— Встроенный температурный сенсор;

— 10 битный ЦАП;

— Компаратор с программируемым гистерезисом;

— Встроенный источник опорного напряжения;

— 17 портов ввода/вывода;

— Аппаратный усовершенствованный UART;

— Последовательный порт SMBus (I2C);

— Улучшенный последовательный порт SPI;

— Четыре 16-ти битных таймера/счетчика общего назначения;

— 16 битный программируемы массив счетчиков PCA с тремя модулями сравнения/захвата;

— Встроенный тактовый низкочастотный генератор (80/40/20/10 кГц);

— Встроенный тактовый высокочастотный генератор (24,5 МГц ± 2%);

— Внешний генератор: кварцевый или керамический резонатор, RC-цепочка или внешние тактовые импульсы;