ЗАТ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ТА ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСЬКТИЙ ІНСТИТУТ ПРОМИСЛОВИХ ГІДРОПРИВОДІВ ТА ГІДРОАВТОМАТИКИ“

НДІГідропривод”

БАБАЄВ IВАН МИКОЛАЙОВИЧ

УДК. 621-152

РОЗРОБКА ТА ДОCЛIДЖЕННЯ АВТОНОМНОГО КОМПАКТНОГО ГIДРОПРИВОДА СТОПОРНО-РЕГУЛЮЮЧОГО КЛАПАНА ПАРОВОЇ ТУРБIНИ

Спецiальнiсть 05.05.17 - Гiдравлічнi машини та гiдропневмоагрегати

Автореферат

дисертацiї на здобуття наукового ступеня

кандидата технiчних наук

Харкiв - 2001

Дисертацiя є рукописом

Робота виконана в Харкiвському державному полiтехнiчному унiверситетi “ХПІ”.

Мiнiстерство освiти України

Науковий керiвник - кандидат технiчних наук, професор, Гладкий Петро Максимович

Харкiвський державний полiтехнiчний унiверситет, завiдуючий кафедрою “Гiдропневмоавтоматика та гiдропривод”.

Офiцiйнi опоненти:

- доктор технічних наук, професор, Лур'є Зіновій Якович, головний науковий співробітник ЗАТ “Науково-дослiдний та проектно-конструкторський iнститут промислових гiдроприводiв та гiдроавтоматики” (НДІГідропривод)

- кандидат технічних наук, доцент, Гуськов Володимир Петрович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, кафедра “Ракетних двигунів”

Провiдна установа:

- Iнститут проблем машинобудування iм. А. М. Пiдгорного Нацiональної академiї наук України м. Харків.

Захист вiдбудеться _29 березня_ 2001 р. о 10 годинi на засiданнi спецiалiзованної ради в ЗАТ Науково-дослідний та та проектно-конструкторський інститут промислових гідроприводів та гідроавтоматики “НДІГідропривод” за адресою: 61145 м. Харкiв, вул. Шатилова дача, 4.

З дисертацiєю можна ознайомитися в бiблiотецi ЗАТ “Науково-дослдний та проектно-конструкторський інститут промислових гідроприводів та гідроавтоматики” (НДІГідропривод) за адресою: 61145 м. Харкiв, вул. Шатилова дача, 4

Автореферат розiсланий <<22>> <<лютого>> 2001 p.

Вчений секретар

спецiалiзованної вченої ради К 64.836.01 к.т.н. В.Я Скрицький

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИCТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В теперішній час теплові електростанції промислових, міських та переробних підприємств України мають турбіни малої потужності закордонного виробництва. Ці турбіни в своїй більшості відпрацювали встановлений ресурс і потребують заміни. Енергетична криза загострила необхідність розробки вітчизняних конкурентно здатних турбін малої потужності, які б мали високу економічність і надійність.

Важливою частиною вирішення вказаного завдання є розробка електрогідравличних систем регулювання парових турбін малої потужності. Його рішення можливе на основі використання окремих гідроагрегатів – електрогідравлічних слідкуючих приводів (ЕГСП). Однак існуючі ЕГСП турбін великої потужності дуже громіздкі і потребують удосконалення для використання усіх сучасних вимог з точності і стійкості управління. Тому розробка вітчизняних зразків ЕГСП, що виконані окремими гідроагрегатами, для систем регулювання малих турбін є актуальним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі “Гідропневмоавтоматики і гідропривода” Харківського державного політехнічного університета в рамках надання нею технічної допомоги ВАТ “Турбоатом” м. Харків з впровадження у виробництво серії турбін малої потужності 5..12 МВт при виконанні п.3.1 "Комплексної програми робiт по створенню турбiнного i генераторного устаткування потужнiстю 5...12 МВт для ТЕЦ цукрових заводiв", що прийнята концерном Укрцукор разом з ВАТ “Турбоатом” та ВАТ “Електроважмаш” у 1991 році.

Мета роботи полягає в підвищенні точності, стійкості і надійності роботи парової турбіни малої потужності за рахунок покращення статичних і динамічних характеристик гідропривода стопорно-регулюючих клапанів.

Мета роботи обумовила такi задачi дослiдження:

- аналітичний огляд публікацій з досліджень гідродинамічних, гідромеханічних та електромеханічних процесів взаємодії елементів гідроагрегатів з робочою рідиною, розробки промислових гідроагрегатів, систем регулювання парових турбін;

- розробка лінеарізованих математичних моделей ЕГСП та його елементів, аналіз з її допомогою динамічних процесів, що відбуваються в елементах гідроагрегата, що досліджується, їх впливу на динамічні та статичні властивості системи регулювання парової турбіни;

- розробка нелінійних математичних моделей ЕГСП та його елементів, аналіз динамічних властивостей гідроагрегата за допомогою нелінійної математичної моделі;

- експериментальне дослiдження статичних і динамічних властивостей ЕГСП і пристроїв, що входять до його складу. Порівняння результатів теоретичних і експериментальних досліджень, формування практичних рекомендацій з удосконалення статичних і динамічних властивостей ЕГСП та його складових елементів.

Об'єктом досліджень дисертаційної роботи є гідродинамічні, гідромеханічні і електромеханічні процеси взаємодії елементів ЕГСП з потоком робочої рідини.

Предметом досліджень – функціональні залежності статичних і динамічних характеристик ЕГСП стопорно-регулюючих клапанів парової турбіни, який виконано у вигляді єдиного гідроагрегата.

Методи досліджень. В рамках дисертації використані методи системного і структурного аналіза, які дозволили визначити оптимальну структуру основних елементів і розробити конструкцію ЕГСП. Для дослідження впливу фізичних процесів, що відбуваються в елементах привода, на динамічні і статичні властивості ЕГСП і елементів, що входять до його складу, використані лінійні методи аналіза теорії автоматичного управління. При побудові нелінійних математичних моделей елементів ЕГСП використані сучасні уявлення теорії механіки рідини і газу. Аналіз динамічних властивостей ЕГСП та його складових елементів проведено з використанням методів фізичного та математичного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- вперше розроблені найбільш повні нелінійні математичні моделі ЕГСП та його складових елементів, які дозволять враховувати нелінійності різного типу: обмеження руху рухливих деталей, межі зміни робочих параметрів, зміна коефіцієнта гідравлічних витрат робочої рідини в щілинах керування золотникових пар, сухе тертя.

- вперше визначені особливостi впливу параметрів сигналу керування на амплітуду і траекторію місцевих коливань якоря електромеханічного перетворювача (ЕМП) та золотника електрогідравличного перетворювача (ЕГП), на значення нелінійності характеристик “керуючий сигнал – положення якоря ЕМП”, .“керуючий сигнал – положення золотника ЕГП”;

- отримало подальший розвиток математичний опис результатів динамічних властивостей ЕГСП і ЕГСР при роботі виконавчого сервомотора (СМ) в зоні малих відкриттів та позитивних перекриттів вікон керування кромками золотника;

- запропоновано напiвемпiричнi залежностi витрат турбiнного масла i води крізь щiлини золотникових пар.

Практичне значення одержаних результатiв полягає у тому, що на основі теоретичних та експериментальних досліджень:

- визначена перспективність побудови ЕГCР парових турбiн за допомогою окремих ЕГCП, що виконані окремими гідроагрегатами;

- визначена оптимальна структура в цілому ЕГCП та елементів, що входять до його складу;

- розроблено математичні моделі елементів гідроагрегата, що дозволять оптимізувати його технічні характеристики;

- доведено високі технічні характеристики автономного компактного гідропривода з підвищеним рівнем тиску подачі робочої рідини;

- запропоновано закони керування, що дозволяють підвищити точність роботи гідроагрегата.

Результати дисертації впроваджено у промислові зразки серії турбін малої потужності 5..12 МВт ВАТ “Турбоатом” для цукрової промисловості України, в ЕГСР турбіни Р-24-6,9/0,25 для Харківської ТЕЦ-3. Розробка гідроарегата з пiдвищенним рiвнем тиску робочої рiдини покладена в основу пропозицій ВАТ “Турбоатом” з підвищення безпеки експлуатації турбін потужністю 1000 МВт атомних електростанцій України.

Окремі результати дисертаційної роботи використані у Харківському державному політехнічному університеті в курсі лекцій “Системи приводів”, “Теорія автоматичного керування і динаміка гідропневмосистем” на кафедрі “Гідроавтоматики і гідропривода”.

Сукупний економічний ефект від впровадження результатів розробки становить 200 тис. гривень.

Особистий внесок здобувача. Основнi результати роботи дисертацiї отриманi автором самостiйно. В роботi [1] автором запропонована розроблена математична модель системи регулювання парової турбiни з ЕГCП з низьким рiвнем тиску подачi робочої рiдини, дослiдженi особливостi впливу основних динамiчних констант на властивостi цього ЕГCП i системи регулювання турбiни. В роботах [2], [6] автором викладено нелiнiйнi математичнi моделi ЕГCП з низьким рiвнем тиску подачi робочої рiдини, основнi результати теоретичних i експериментальних дослiджень цього привода, розглянута порiвняльна характеристика рiзних алгоритмiв керування, запропонованi новi алгоритми. В роботах [3], [5] викладенi результати експериментальних дослiджень, в яких брав участь здобувач. В роботi [4] ним представлена розгорнута математична модель ЕМП, визначенi його основнi динамiчнi властивостi i влив на них параметрiв модульованого сигнала керування. В роботах [6], [9] автор запропонував результати розробки, лiнiйну i нелiнiйну математичнi моделi автономного компактного ЕГCП, що виконано у вигляді окремого гідроагрегата з індивідуальною маслостанцією. В роботах [7], [8] ним запропоновані напiвемпiричнi залежностi провідностi турбiнного масла i води в щiлинах золотникових пар. В роботi [8] здобувач визначив особливостi динамiчних властивостей сервомотора при його роботi в зонi позитивних перекриттiв вiкон керування кромками золотника.

Апробація дисертацiйної роботи відбувалась шляхом доповiдей на наукових семiнарах кафедри "Гiдропневмоавтоматика i гiдропривод" та щорiчних науково-технiчних конференцiях Харкiвського державного полiтехнiчного унiверситета на протязi 1993..1999 рокiв, a також на Мiжнароднiй науково-технiчнiй конференцiї "Удосконалення турбоустановок методами математичного моделювання" ( 29 вересня - 2 жовтня 1997 р. м. Харкiв).

Публікації. За результатами дослiджень опублiковано 9 друкованих робiт: 5 статей в журналах, 2 доповiдi в працях мiжнародної конференцiї НАН України, 2 рукописа депоновано в ДНТБ України.

Структура дисертації. Дисертацiя складається iз вступу, чотирьох роздiлiв i висновкiв, мiстить 152 сторінок тексту, список iз 125 використаних лiтературних джерел, 75 рисункiв.

ОCНОВНИЙ ЗМICТ РОБОТИ

У вступi стисло розглянуто стан дослiджень у даннiй проблемнiй галузi, обгрунтована актуальнiсть теми дослiджень, сформульована мета та завдання роботи, вiдмiчено наукову новизну та практичну цiннiсть отриманих результатiв.

В першому роздiлi узагальнено свiтовий i вiтчизняний досвiд розробки систем регулювання парових турбiн. Показана закономiрнiсть спадкоємства електрогiдравличних систем регулювання від гiдравлічними. Вiдмiчено, що вдале поєднання електричних та гiдромеханiчних пристроїв, створює умови для оптимального виконання всiх вимог, що висуваються до систем регулювання парових турбiн.

Впровадження елементiв ЕГCР пов'язано з необхiднiстю устаткування турбiн системою швидкого релейного форсування, за допомогою якої виконується введення команд швидкого розвантаження турбiни за вимогою системи керування електричними мережами.

В подальшому аналізуються двi типовi схеми ЕГCР. Перша з них впроваджена на турбiнах ЛМЗ i УТМЗ, друга - на турбiнах ВАТ "Турбоатом".

Характерною загальною рисою обох типiв ЕГCР є наявнiсть розвинутої електронної частини ЕГCР. а також використання електричного зворотнього зв'язку по швидкостi обертання ротора турбiни або по її потужностi.

Для схем першого типу характерною рисою є наявнiсть мiсцевих зворотнiх зв'язкiв гiдромеханiчного типу по положенню сервомотора i вiдсiчного золотника. Електронна частина ЕГCР виконує обмеженi функції введення команд керування для всієї системи регулювання турбiною. Вона не використовується для пiдтримки стiйкостi роботи CМ. Цей тип систем впроваджено на турбiнах К-300-240, К-800-240 ЛМЗ, Т-100/120-130-2, T-250/300-240-3 УТМЗ.

Для ЕГCР другого типу, характерною рисою є залучення електронної частини до безпосереднього керування CМ, а також наявнiсть електричних зворотнiх зв'язкiв по положенням CМ i вiдсiчних золотникiв.

Пошук нових рiшень виявив новi напрями розвитку - створення ЕГCР, множиною окремих електрогiдравлічних слiдкуючих приводiв, що виконуються окремими гідроагрегатами. Використання в цьому випадку типових схем дозволяє за короткий час проектувати найрiзноманiтнiшi ЕГCР парових турбiн, значно скоротити термiни їх доводки при одночасному гарантуваннi високого рiвня надiйностi за рахунок можливого використання пристроїв гідроагрегатів, що перевiренi багаторiчним досвiдом експлуатацiї. Цi висновки пiдтвердженi досвiдом зарубiжних фiрм-виробникiв турбiнної технiки АВВ, Siemens, KWU, WOODWORD. В аналiзi додатково відмічена перспективність створення ЕГCП з пiдвищеним рiвнем тиску (до 20 МПа) живлення робочою рiдиною i особливо тих, що мають індивiдуальну маслостанцію.

В лiтературному оглядi розглянуто особливостi конструкції основних елементiв ЕГCП, зроблено детальний розгляд стану науково-теоретичних дослiджень у галузi гідродинамічних, гідромеханічних і електромеханічних процесів взаємодії елементів ЕГСП з потоком робочої рідини, розробці гідроагрегатів і систем регулювання парових турбiн.

Загальним висновком розділу є те, що розробка i впровадження ЕГCР, які побудованi на основi окремих ЕГCП, що представлять собою окремі гідроагрегати - це перспективний шлях розвитку систем регулювання парових турбiн. При цьому ЕГCП повинен складатися з одностороннього пiдпружиненого CМ, який безпосередньо повинен керуватися ЕГП, сигнал керування електронної обчислювальної машини повинен бути модульованим. Зворотнi зв'язки в ЕГCП мають бути в своїй бiльшостi електричними i надходити безпосередньо в електронну частину. Доцiльнiсть проектування ЕГCП з низьким тиском живлення робочою рiдиною (до 5,0 МПа) вiд централiзованної системи постачання визначена для турбiн малої потужностi, а також для турбiн, що пiдлягають модернiзацiї шляхом впровадження ЕГCР. Для турбiн середньої i великої потужностi, перспективним напрямом визнається розробка ЕГCП з пiдвищенним тиском постачання робочої рiдини (15...20 МПа).

В другому роздiлi дослiджується ЕГCП з низьким тиском живлення робочою рiдиною. За основу для розгляду взято систему регулювання турбiни Р-12-3,4\0,3 ВАТ "Турбоатом". Cхема контура регулювання цiєї турбiни показана на рис.1. Її особливiстю є формування сигнала керування електронної частини за допомогою широтно-iмпульсної модуляцiї першого роду.

Рис.1 Cхема ЕГСР турбiни з дискретною електронною частиною

Ky, Kyy1 - пiдсилювачi; ДОС - датчик зворотнього зв'язку по положенню СМ; ДУС - датчик кутової швидкостi обертання ротора турбiни; СМ - сервомотор; Т - турбiна; УУ - електронна частина ЕГСП; УУ1 - електронна частина системи регулювання турбiни; ЕГП - електрогiдравлічний перетворювач.

На початку досліджень вивчались динамічні властивості елементiв ЕГCП.

Дослiдження динамiчних властивостей ЕМП i ЕГП проводилось порівнянням їх динамічних властивостей при роботі в аналоговому та імпульсному режимах. Аналізом встановлена наявність властивостей коливальних ланок у цих пристроїв при роботі в аналоговому режимі. Відмічено, що стала часу гідравличної частини ЕГП менша (”0,02 с) ніж стала часу ЕМП (”0,05 с), тому динамічні властивості ЕГП визначаються ЕМП. Результатами математичного моделювання показана наявність незначного (меньше 25%) перерегулювання в реакції ЕМП на стрибок сигнала керування. Розрахована амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) ЕМП має резонансну частоту ”100 рад/с, а при частоті більше 650 рад/с вона практично дорівнює нулю. В той же час, розрахована АЧХ ЕГП має меншу резонансну частоту ”75 рад/с, а також менше перерегулювання (22%) при реакції на одиничне ступінчате збудження сигнала керування.

Дослiдження властивостей ЕГП і ЕМП в імульсному режимі роботи проводилось за допомогою математичного моделювання їх реакції на стрибок скважності сигнала ШІМ. Розрахунком встановлена вiдсутнiсть перерегулювання в реакцiї ЕГП, а також наявнiсть обмежених мiсцевих коливань якоря ЕМП i золотника ЕГП при постiйному значеннi скважності сигналу ШIМ (рис.2).

Розрахунком встановлено, що амплiтуда i форма цих коливань визначається перiодом дискретностi сигналу ШIМ, а також його скважнiстю (рис.3, рис.4). З підвищенням періоду дискретності ШІМ з 0,005 с до 0,01 с амплітуда місцевих коливань якоря ЕМП зростає з 0,02 до 0,1 мм, амплітуда коливань золотника ЕГП – з 0,047 до 0,21 мм, при скважності у=0,2. Максимальна амплітуда при одинаковому періоді ШІМ відповідає скважності у=0,5. Встановлена наявнiсть нелiнiйної залежностi статичних характеристик середнього положення якоря ЕМП i золотника ЕГП вiд скважностi сигналу ШIМ (рис.5). При обраному періоді Тд=0,005 с і напрузі формування ШІМ 24В, розрахована нелінійність не перевищила 10%, а амплітуда місцевих коливань золотника ЕГП не перевищить перекриття вікон золотникової пари. На цій підставі доказується коррекність використання лінійних методів теорії автоматичного управління для вивчання динамічних властивостей ЕГСП і ЕГСР.

Аналізом встановлено, що формування якості динамічних процесів регулювання відбувається при роботі CМ в зоні малих відкриттів або наявності позитивних перекриттiв вiкон керування золотникової пари. Тому саме для цих умов отримана передавальна функція СМ.

Для врахування витрат турбiнного масла крiзь золотниковi щiлини запропонована напiвемпiрична залежнiсть:

,

де D=Dр 10-5, = lпер /1000, =hz/1000,

dz - дiаметр золотника (м);

hz - середнiй номiнальний зазор мiж поверхнями золотникової пари (м);

lпер - перекриття керуючого вiкна кромками золотника (м);

Dр - перепад тиску (Па);

Qсм - витрати турбiнного масла (м3/c).

Для золотникових пар, що мають радіальний зазор від 0 до 0,09 мм, працюють в межах зміни перекриттів від 0 до 0,5 мм і перепадів тиску до 1,2 МПа, найбільша помилка розрахунків за цією формулою не перевищуватиме 10% до результата, який отримано в експерименті.

Отримана передавальна функція гідроагрегата має загальний вигляд:

В цьому виразі Ку – коефіціент підсилення. Передавальна функція пристрою керування – Wyy(p), представляє собою ланку чистого запізнення, ЕГП – WЕГП(p), представлено ланкою числівник якого багаточлен другого порядку, а знаменник – багаточлен п'ятого порядку. Передавальна функція СМ – Wсм(p) є коливальною ланкою. Датчик зворотнього зв'язку по положенню СМ моделюється інтегральною ланкою.

Особливістю роботи СМ в цій зоні є значно підвищений час роботи (”40 с), а обрана схема ЕГCП та сполучення значень динамічних констант забеспечують необхідні запаси стійкості. При цьому найбільший вплив на властивості ЕГСП має коефіцієнт підсилення Ку. Його критичне значення становить більше Ку=20. Розрахунком встановлено - час запізнення обробки сигнала датчика зворотнього зв'язку по положенню СМ в ЕОМ при базовому значенні Ку=10, можна підвищити з 0,005 с до 0,2 с.

На основі лінійної математичної моделі вивчались динамічні властивості загалом ЕГСР турбіни. При цьому особливу увагу приділено вивченню впливу зовнішнього навантаження приведенного до штоку СМ. Залежність навантаження від положення СМ представлено множиною лінійних відрізків. На кожному з відрізків цю залежність можна представивти деякою пружиною з негативною жорсткістю. Жорсткість змінює сталу часу СМ, тому зроблено перегляд запасів стійкості ЕГСП і ЕГСР для кожного відрізку ходу СМ.

Наявність чи відсутність електричного навантаження на генераторі турбіни впливає на динамічні властивості турбіни за рахунок зміни додатка в передавальній функції турбіни: ,

де - кут нахила приводного момента на роторі турбіни від ходу СМ;

Тl – стала часу турбіни.

Розрахунком доказана стійкість ЕГСР при зміні характеристик зовнішнього навантаження в широкому диапазоні від 0,01 до 1.

Теоретичним аналізом встановлена залежність критичного значення коефіцієнта підсилення контура ЕГСР Куу від часу запізнення обробки сигнала зворотнього зв'язку по кутовій швидкості обертання ротора Тд1 (рис.6). При базовому значенні Куу =20, час запізнення Тд1 не повинен перевищувати 0,3 с.

З метою уточнення отриманих результатiв попереднiх дослiдiв, розроблена нелiнiйна математична модель ЕГCП. Вона дозволяє враховувати три групи нелiнiйностей. До першої з них вiднесено обмеження руху частин ЕГCП, обмеження робочих параметрiв сигнала керування, тиску живлення робочою рiдиною. До другої групи вiднесено нелiйностi в залежностях робочих параметрiв одне вiд одного, такi наприклад як залежностi витрат робочої рiдини при коливаннях прохiдних перерiзiв i перепадiв тиску. До третьої групи вiднесенi сили тертя рухливих пар елементiв ЕГCП. При цьому попереднiм розглядом встановлена вирiшальна роль сили тертя поршневих кiлец о рубашку CМ. Для врахування впливу цих сил запропоновано алгоритм. Його суть полягає в тому, що вводиться поняття активної швидкостi, яка є сумою тiєї швидкостi рухливого елемента яку вiн мав на початку розгляду i iнтеграла суми прискорень "активнодiючих" сил. Також вводиться поняття умовної швидкостi тертя яка є iнтегралом вiд вiдношення сили тертя i приведеної маси рухливих деталей розглядаємого пристроя. Фактична швидкiсть рухливого елемента визначається як сума активної швидкостi i умовної швидкостi тертя. В тому випадку, коли модуль умовної швидкостi тертя стане бiльшим за модуль активної швидкостi, рухливий елемент вважається нерухомим.

За створеною нелiнiйною моделю розрахована реакцiя ЕГCП на ступінчату зміну сигнала керування "-70%" (рис.6).

За допомогою цiєї моделi вивчався вплив на динамічні властивості ЕГCП заміни турбінного масла на воду. При виводi рівнянь CМ запропонована напiвемпiрична залежнiсть

Рис.7 Реакцiя елементiв ЕГСП на стрибок сигнала керування "-70%".

U - сигнал керування, Xz - рух золотника ЕГП, Xcm - рух CМ, Idp - сигнал датчика зворотнього зв'язку по положенню CМ.

витрат води при її течiї крiзь щiлини золотникових пар конструкцiї ВАТ "Турбоатом":

.

де

=d/1000, =l/1000

- номiнальний зазор в мiж поверхнями золотникової пари (м);

d - середнiй номiнальний зазор в мiж поверхнями золотникової пари (м);

l- перекриття управляючого вiкна кромками золотника (м);

Dр - перепад тиску в щiлинi (Па).

Разрахована реакція ЕГСП на стрибок сигнала керування (-70%) свідчить про зменшення запасiв стійкостi при переходi з турбiнного масла на воду (рис.8).

Аналіз алгоритмів керування ЕГСП виявив, що облiк швидкостi дозволяє пiдвищити критичний коефiцiент пiдсилення контура керування Ку у пiвтора рази. Для пiдвищення точностi позиціонування запропоновано використовувати пiдвищення коефiцiєнта пiдсилення контура керування ЕГCП Ку при роботi золотника в зонах малих вiдкриттiв вiкон керування та наявностi позитивних перекриттiв, а також врахування дiйсної нечутливостi ЕГCП, визначенної в попереднiх випробуваннях, у виглядi додаткових поправок до сигнала керування.

В третьому роздiлi дисертацiї приведенi результати розробки конструкцiї i теоретичних дослiджень динамiчних властивостей гідроагрегата з пiдвищеним тиском живлення робочою рiдиною. Ця розробка здійснена на прикладi гiдропривода клапана системи швидкої редукцiйної установки блокiв турбiн потужнiстю 1000 МВт атомних електростанцiй. Особливостями конструкції ЕГСП є наявнiсть iндивiдуальної маслостанції, яка компактно розмiщена в корпусi CМ.

Для вивчення динамічних характеристик ЕГCП. Розроблена поглиблена нелiнiйна математична модель Результати моделювання підтвердили наявнiсть необхiдних запасiв стійкостi цього ЕГCП, а також вiдсутнiсть суттєвих вiдмiн в динамiчних процесах, що проходять мiж його елементами. Разом з результатами розробки конструкції це доводить реальнiсть створення подiбного гiдропривода на сучасному рiвнi розвитку вiтчизняного виробництва турбінного заводу. Масо-габаритні характеристики такого гідропривода будуть дорiвнювати аналогічним характеристикам традицiйних конструкцiй гiдроприводiв стопорно-регулюючих клапанiв парових турбiн із сучасним рівнем тиску живлення робочою рідиною.

В четвертому роздiлi показанi результати експериментальних дослiджень, як окремих елементiв, так i загалом ЕГCП з низьким рiвнем тиску живлення робочою рiдиною. Випробування проводились як в аналоговому, так i в iмпульсному режимах роботи. Для випробування використовувались штатнi елементи турбiни Р-12-3,4\0,3 ВАТ "Турбоатом".

Отриманi результати засвiдчили наявнiсть необхiдних запасiв стійкостi i швидкодiї ЕГCП, та його елементiв, пiдтвердили нелiнiйність статичної характеристики "положення якоря ЕМП - скажнiсть сигнала ШIМ " (рис.9), наявнiсть мiсцевих коливань якоря ЕМП при роботi в iмпульсному режимi. При цьому встановлено, що підвищення напруги формування сигнала ШІМ з 18В до 36В призводить до суттєвого збільшення нелінійності цієї характеристики (див. відрізок у Є [-0,6; 0]).

ВИCНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і вирішення наукової задачі, що полягає в покращенні статичних і динамічних властивостей гідропривода стопорно-регулюючих клапанів парової турбіни малої потужності, що має компактні масо-габаритні характеритстики. Розроблено алгоритм, що дозволяє проводити облік відрізків зупинки рухливих пар сервомотора під дією сил “сухого тертя”, запропоновані напівемпіричні залежності течії робочої рідини (води або турбінного масла) в щілинах керування золотникових пар електрогідравличного перетворювача.

Проведені дослідження дозволяють зробити такі висновки:

1. Аналітичний аналіз iнформацiї лiтературних джерел розробки вітчизняних і закордонних електрогiдравличних систем регулювання парових турбiн засвiдчив, що перспективним напрямом розвитку цих систем є їх побудова на основі окремих ЕГCП. Оптимальні технічні характеристики таких систем можна отримати у випадку, коли для побудови привода використовується односторонній підпружинений сервомотор, який керується через електрогідравлічний перетворювач командною ЕОМ, що має на своєму виході модульований сигнал керування, а зворотні зв'язки такого ЕГСП мають виконуватись переважно електричними та спрямовуватись безпосередньо в ЕОМ.

Визнано, що ЕГСП з низьким (до 5,0 МПа) тиском подачі робочої рідини перспективно вживати для турбiн малої потужностi i турбiн, що пiдлягають модернiзацiї шляхом впровадження ЕГCР, ЕГСП з високим (до 20,0 МПа) тиском живлення - для нових розробок турбiн середньої i великої потужностi.

2. Результатами досліджень за допомогою лінеарізованої математичної моделі динамічних властивостей ЕГСП турбін малої потужності 5…12 МВт при роботі сервомотора в зоні позитивних перекриттів вікон керування кромками золотника встановлено:

- час переміщення сервомотра на повний хід може дорівнювати від декількох десятків до сотен секунд, в залежності від конструктивного виконання золотникової пари;

- стійкість ЕГСП при зміні коефіцієнта підсилення від 1 до 20 і часу чистого запізнення роботи пристроя керування привода від 0,003 с до 0,02 с;

- стійкість системи регулювання парової турбіни, що використовує запропонований ЕГСП при коливанні в широкому диапазоні динамічних властивостей електричного навантаження.

3. Дослідження за допомогою розроблених нелінійних математичних моделей динамічних властивостей ЕГП і ЕМП при роботі в імпульсному режимі роботи з сигналом керування, що формується широтно-імпульсною модуляцією, дозволив виявити:

- нелінійність статичних характеристик: “скважність - положення якоря ЕМП” i “скважність - положення золотника ЕГП”, яка не перевищує 10% диапазона зміни значень сигнала керування;

- наявність місцевих коливань якоря ЕМП i золотника ЕГП при одинаковій скважності ШІМ, при цьому амплітуда коливань визначається скважністю і періодом дискретності сигнала керування ШІМ, сталими часу якоря ЕМП i золотника ЕГП.

4. Виконаний аналіз точності позиціонування ЕГСП при різних законах керування за допомогою математичної моделі дозволив встановити можливість підвишення запасів стійкості привода у 1,5 раза по коефіцієнту підсилення ЕГСП за рахунок обліку швидкості СМ, перспективність підвишення точності позиціонування за рахунок підвищення коефіцієнта підсилення контура ЕГСП при зменшенні сигнала керування нижче деякого рівня, що потрібен для компенсації нечутливості гідроагрегата, або шляхом обліку в законах керування прямих поправок на нечутливість ЕГСП, що встановлена за результатами налагоджувальних робіт.

5. Розробка конструкції автономного компактного гідропривода клапана системи БРУ-К турбіни К-1000-6,0/1500 АЕС, який має пiдвищений тиск (до 20 МПа) робочої рідини від індивідуальної маслостанції, що компактно розміщена в корпусі СМ, та результати досліджень динамічних властивостей цього привода за допомогою нелінійної математичної моделі, підтвердили наявність у нього достатнього запаса стійкості і достатнього рівня точності роботи.

6. Результатами натурних іспитів окремих елементів привода і в цілому системи регулювання турбіни Р-12-3,4/0,3 ВАТ “Турбоатом” підтверджена стійкість роботи ЕГСП. Випробуваннями доведена наявність місцевих коливань якоря ЕМП з незначною амплітудою, що не перевищує 0,03 мм, а також нелінійність статичної характеристики “скважність – положення якоря ЕМП”.

Розроблені наукові положення і результати дисертаційної роботи забезпечили розробку і впровадження у виробництво ВАТ “Турбоатом” промислових зразків ЕГСП стопорно-регулючих клапанів серії парових турбін малої потужності для цукрової промисловості України. Економічний ефект від впровадження отриманих здобувачем результатів роботи становить 200 тис. гривень.

СПИСОК ОПУБЛIКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ:

1. Рохленко В. Ю., Гладкий П. М., Бабаев И. Н. Исследование динамических свойств контура управления паровой турбины с электрогидравлической системой управления: // Энергетика и электрификация. - 1998. - № 1. - C. 11-15.

2. Бабаев И. Н. К оценке точности работы электрогидравлического следящего привода: // Энергетика и электрификация. - 1999. - №4. - С.22-30.

3. Бабаев И. Н., Гладкий П. М. Расчёт электрогидравлического следящего привода турбин малой мощности НПО "Турбоатом": // Теплоэнергетика. - 1997. - № 1. - C. 36-41.

4. Гладкий П. М., Бабаев И. Н., Бурняшев А. В. Влияние некоторых конструктивных параметров на динамические свойства электромеханического преобразователя электродинамического типа: // Теплоэнергетика. - 1998. -№3. - C. 66-68.

5. Рохленко В. Ю., Жорницкая Т. Я., Бабаев И. Н. Системы автоматического регулирования турбин малой мощности: // Тяжёлое машиностроение. - 1998. - №11-12. - С. 4-8.

6. Рохленко В. Ю., Бабаев И. Н. Расчётная оценка динамических характеристик компактного электрогидравлического привода с автономной системой подачи рабочей жидкости. // Совершенствование турбоустановок методами математического анализа. Тр. международ. науч.-техн. конф. / НАН Украины и др.; Редкол.: Ю. М. Мацевитый ( отв. ред. ) и др. - Харьков: Ин-т проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины - 1997. - С. 360-365.

7. Бабаев И. Н., Гладкий П. М., Немиров В. С. Сравнительный анализ динамических свойств электрогидравлического следящего привода, работающего на воде. // Совершенствование турбоустановок методами математического анализа. Тр. международ. науч.-техн. конф. / НАН Украины и др.; Редкол.: Ю. М. Мацевитый ( отв. ред. ) и др. - Харьков: Ин-т проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины - 1997. - С. 365-370.

8. Оценка динамических свойств сервомотора, как элемента электрогидравлического следящего привода регулирующего клапана: / Бабаев И. Н.; Харьк. гос. политехн. ун-т - Харьков, 1996 - 14 с.: ил. - Бибилиогр. 7 назв. - Рус. - Деп. в ГНТБ Украины 12.03.96. № 735 - Ук.96.

9. Оценка динамических характеристик основных элементов автономного компактного гидропривода регулирующего клапана. / Бабаев И. Н.; НПО "Турбоатом" - Харьков, 1996 - 17 с.: ил. - Библиогр. 4 назв. - Рус. - Деп. в ГНТБ Украины 25.05.96, № 1271 - Ук. 96.

АНОТАЦIЯ

Бабаєв I. М. Розробка та дослiдження автономного компактного гiдропривода стопорно-регулюючого клапана парової турбiни. - Рукопис.

Дисертацiя на здобуття вченого ступеня кандидата технiчних наук iз спецiальностi 05.05.17 - Гiдравличнi машини и гiдропневмоагрегати. - Харкiвський державний полiтехнiчний унiверситет, Харкiв, 2001.

Показана перспективнiсть побудови електрогiдравличних систем регулювання парових турбiн на основі гідроагрегатів - окремих електрогiдравличних слiдкуючих приводiв.

Теоретично i експериментально дослiджено динамiчнi властивостi електрогiдравличного слiдкуючого привода з низьким тиском подачi робочої рiдини, а також електрогiдравличної системи регулювання парової турбiни з цим гiдроприводом.

Проведена розробка i дослiджено динамiчнi властивостi електрогiдравличного слiдкуючого привода з пiдвищеним ( до 20 МПа ) тиском подачi робочої рiдини.

Ключовi слова: гiдроагрегат, гідропривод, турбiна, регулювання, сталiсть, коефiцiєнт пiдсилення, точнiсть позицiонування, алгоритм роботи.

АННОТАЦИЯ

Бабаев И. Н. Разработка и исследование автономного компактного гидропривода стопорно-регулирующего клапана паровой турбины. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.17 - Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты. - Харьковский государственный политехнический университет, Харьков, 2001.

Рассмотрена история развития электрогидравлических систем регулирования (ЭГСР) паровых турбин. Проведен обзор принципов построения и конструкции основных элементов ЭГСР. Даны основные итоги теоретических исследований в области гидродинамических, гидромеханических процессов взаимодействия элементов гидроагрегатов, разработки ЭГСР и электрогидравлического следящего привода (ЭГСП). В итоге обзора сведений из литературных источников показана перспективность построения ЭГСР в виде совокупности отдельных ЭГСП, выполненных в виде отдельных гидроагрегатов. Даются основные принципы построения оптимальных схем ЭГСП. Определено експлуатационное различие ЭГСП по уровню входного давления рабочей жидкосты на схемы с низким (до 5,0 МПа) и высоким (20 МПа) давлением подачи рабочей жидкости. Рекомендуются оптимальные области применения выделенных схем.

Исследование ЭГСП с низким уровнем давления подачи рабочей жидкости проводится на основе детального анализа динамических свойств его составных элементов с использованием разработанных линейных и нелинейных математических моделей. Особое внимание уделено изучению динамических свойств электрогидравлического преобразователя при подаче на его вход управляющего сигнала, сформированного посредством широтно-импульсной модуляции. Результатами исследований доказано несущественное различие динамических свойств ЭГСП при его работе в импульсном и аналоговом режимах. Отдельно рассмотрены особенности динамических свойств сервомотора при его работе в зоне положительных перекрытий управляющих окон золотниковой пары кромками золотника. В анализе использована предложенная автором полуэмпирическая зависимость для оценки проводимости золотниковых щелей применительно к течению через них турбинного масла. Исследовано влияние на динамические свойства ЭГСП различных факторов, в том числе типа рабочей жидкости, основных динамических констант контура управления, приведенного к штоку СМ парового нагружения возникающего на регулирующих клапанах. С помощью линейной математической модели, исследованы динамические свойства системы регулирования турбиной, построенного на основе отдельных ЭГСП. Полученными результатами доказано наличие приемлемых динамических свойств данного контура. Предложены новые методы улучшения алгоритмов управления ЭГСП.

Разработана конструкция и исследованы динамические свойства электрогидравлического следящего привода с повышенным ( до 20 МПа ) давлением подачи рабочей жидкости. Результатами исследований путём математического моделирования работы гидроагрегата, доказана его работоспособность и высокий уровень технических характеристик.

Результатами испытаний штатной системы регулирования паровой турбины Р-12-3,4/0,3 ОАО "Турбоатом" подтверждены основные выводы теоретических исследований.

Ключевые слова: гидроагрегат, гидропривод, турбина, регулирование, устойчивость, коэффициент усиления, точность позиционирования, алгоритм работы.

ABSTRACT

Babayev I. N. Development and reserch of independent compact hydraulical drive of steam turbine stop-and-control valve. - Manuscript.

Thesis for a candidat`s degree by speciality 05.05.17 - Hydraulic machine and hydraupneumatic units, Kharkov State Polytechnical University, Kharkov, 2001.

There is shown a possibility of building of the steam turbine electric-hydraulic control systems, as a set of separate electric-hydraulic servo drives.

There has been carried out examination of the dynamic characteristics of the electric-hydraulic servo drive with low level of the working fluid-feed, as well as the steam turbine electric-hydraulic control system together with the given hydraulic drive.

There has been developed the design of the electric-hydraulic servo drive and there has been examined its dynamic characteristics with increased ( 20 MPa ) of the working fluid feed pressure.

Key words: hydraulic drive, turbine, controls, stability, gain factor. positional accuracy, operating algorithm.