Затвори турбін і напірні трубопроводи

Для оберігання від розгону при скиданнях навантаження і при відмові системи регулювання гідроагрегати ГЕС, як правило, мають затвори напірних трубопроводів. При великій довжині напірних водоводов, що вимагають тривалого спорожнення, наявність затвора тільки перед трубопроводом не може оберегти агрегат при його розгоні. В цьому випадку, окрім затвора на початку трубопроводу, встановлюється ще затвор в кінці його, перед турбіною.

Верхнім затвором припиняється доступ води також і при аваріях з трубопроводом і при ревізіях і ремонтах трубопроводу. Нижній затвор дозволяє швидко зупинити агрегат при несправності направляючого апарату турбіни, наприклад при поломці розривних пристосувань його лопаток.

На гідроелектростанціях, де є один напірний трубопровід на декілька агрегатів, затвори перед турбінами встановлюються також для можливості ремонту турбіни одного агрегату без зупинки інших.

Затвори перед турбінами дозволяють зменшити протікання води через направляючі апарати зупинених генераторів. На гідроелектростанціях з натиском від 50-60 м і вище такі витоки після декількох років експлуатації можуть досягати значної величини (близько декількох відсотків від номінальної витрати), якщо направляючі апарати турбін не забезпечуються спеціальними ущільненнями.

За наявності значних протікань через направляючий апарат турбінний затвор закривається кожного разу при зупинці агрегату. Процес відкриття і закриття затвора включається в цикл автоматичного управління агрегату.

Конструкції затворів, що встановлюються перед напірними трубопроводами і перед турбінами, вельми різноманітні. Для автоматичного управління затворами застосовуються гідравлічний поршневий привід (серводвигун) або електромеханічні приводи.

Гідравлічний поршневий привід, що виконується у вигляді циліндра з двома або однією робочою порожниною, отримав широке застосування для дискових і кульових затворів. Електромеханічні приводи (лебідки) застосовуються головним чином для плоских затворів, що встановлюються перед напірними трубопроводами.

Як правило, для управління гідравлічним приводом застосовується масло під тиском, причому для турбінних затворів масло береться з маслонапірних установок системи регулювання агрегатів. Проте надійнішим є живлення приводів затворів від окремої маслонапірної установки, загальної для декількох затворів.

Для масляних серводвигунів затворів, що встановлюються на початку напірних трубопроводів, передбачаються свої маслонапірні установки. При цьому одна маслонапірна установка обслуговує, як правило, сервоприводи декількох затворів. Схеми управління затворами з гідроприводом вельми різноманітні, в основному залежать від конструкції і призначення затвора.

Гідравлічний привід дискових затворів зазвичай виконується у вигляді двох механічно зв'язаних між собою серводвигунів односторонньої дії. Залежно від місця установки дискового затвора і режиму його роботи застосовуються два види схем управління гідроприводом: схеми управління приводом, розрахованим на подолання повного одностороннього тиску води на затвор, і схеми управління приводом затвора, розвантаженого від тиску води.

Схеми першого виду застосовуються головним чином для затворів, що встановлюються перед напірними трубопроводами, і для турбінних затворів агрегатів малої і середньої потужності середньонапірних ГЕС.

Схеми другого виду застосовуються зазвичай для управління дисковими турбінними затворами високонапірних гідроелектростанцій і гідроелектростанцій середнього натиску з крупними агрегатами. Попереднє зрівнювання тиску здійснюється в цілях зменшення розмірів (потужності) гідроприводів і для збереження ущільнюючих пристроїв затвора.

Останніми роками гідравлічний привід все більш широко застосовується для управління плоскими затворами, що встановлюються перед напірними трубопроводами. На рис. 3.2 приведена схема управління гідроприводом плоского затвора, застосована на ряду вітчизняних гідроелектростанцій.

Рисунок 3.2 - Схема управління плоским затвором з гідроприводом

Гідропривід є циліндр 1, жорстко закріплений на опорній конструкції 2. Усередині циліндра знаходиться поршень сервомотора 3 з штоком, яким він пов'язаний з щитом. Поршень 3 розділяє циліндр на верхню і нижню порожнини. Верхня порожнина трубою а завжди пов'язана із зливним масляним баком 4; нижня порожнина нормально сполучена трубою б з диференціальним золотником 5, який залежно від виконуваної операції з’єднує цю порожнину або із зливним баком (через трубу в і верхню порожнину циліндра) або з маслонасосом 7 (через блок клапанів 6), що нагнітає масло. Диференціальний золотник управляється золотником 8, що має електромагнітний привод з засувкою.

При підйомі затвора живиться струмом електромагніт приводу 9, внаслідок чого голка золотника 8 переміщається вгору і ставиться на засувку, а ланцюг живлення соленоїда розривається кінцевим контактом. Одночасно із спрацьовуванням соленоїдного приводу включається в роботу електродвигун маслонасоса 7. Спочатку при запуску насос працює вхолосту, оскільки масло, що подається ним, стікає через пусковий клапан блоку 6 в зливний бак. Після того, як насос створює деякий тиск, пусковий клапан закривається, а зворотний клапан цього блоку, що сполучає насос з диференціальним золотником, відкривається і масло починає подаватися в нижню порожнину диференціального золотника і у верхню його порожнину через золотник управління 8. Унаслідок різниці площ тарілок диференціального золотника поршень останнього під тиском масла переміщається вниз до упору і відкриває доступ масла через трубопровід в нижню порожнину циліндра 1. Поршень сервомотора і затвор піднімаються. При підйомі затвора до верхнього положення контакти 10 командоапарату затвора відключають електродвигун насоса. Після цього зворотний клапан в блоці клапанів закривається і тим забезпечує збереження масла в нижній порожнині сервомотора і утримання затвора у верхньому положенні.

У зв'язку з тим, що масло з нижньої порожнини циліндра поступово йде через зазори між штоком сервомотора і циліндром і між тарілками золотника 6 і його корпусом, поршень двигуна гідроприводу з часом опускається, а разом з ним опускається і затвор. При мимовільному опусканні затвора контакти командоапарату включають двигун маслонасоса і затвор піднімається до верхнього положення.

Для опускання затвора включається соленоїд засувки золотника, що управляє. Голка цього золотника опускається вниз і з’єднує верхню порожнину диференціального золотника із зливом. Після цього поршень диференціального золотника під дією пружини переміщається у верхнє положення і з’єднує нижню порожнину циліндра серводвигуна з його верхньою порожниною і із зливом. Затвор може бути опущений також за допомогою запірного вентиля 11, який при відкритті з’єднує порожнину серводвигуна із зливним баком. Затвор опускається, видавлюючи своєю вагою масло з нижньої порожнини сервомотора на злив. При підході затвора до порогу нижня хвостова частина поршня входить в звужену частину циліндра, і цим сповільнюється витік масла з нижньої порожнини сервомотора. Первинна швидкість опускання затвора встановлюється за допомогою дросельної шайби, розташованої у вихідному отворі нижньої порожнини сервомотора.

Гідравлічний привід, вживаний для плоских затворів, має істотну перевагу перед електромеханічним приводом. Він дозволяє мати просту конструкцію підйомних механізмів, надійну роботу приводу, плавність його ходу при підйомі і опусканні, просте регулювання швидкості руху.

Система управління електромеханічними приводами затворів визначається тим, що ці затвори, так само як і аналогічні затвори інших типів, виконують функції захисту агрегатів від розгону і захисту споруд при розриві трубопроводів. Тому схема управління повинна забезпечити його швидке аварійне закриття («швидке скидання») під дією власної ваги і незалежно від роботи електродвигунів. Пристрій аварійного закриття приводиться в дію захистом, що спрацьовує при розриві трубопроводу, а також захистом агрегату у разі відмови системи регулювання гідротурбін. У нормальному режимі закриття затворів і їх відкриття проводяться електродвигунами.

Маслонапірні установки

Маслонапірні установки (МНУ) використовуються для постачання маслом під тиском систем регулювання турбін і управління затворами. У склад МНУ входять маслоповітряний напірний котел, зливний бак і насоси, що нагнітають масло в котел із зливного бака. Напірний котел частково заповнений маслом і частково (близько 60% об'єму) стислим повітрям, завдяки чому він є акумулятором енергії.

При витраті масла з котла МНУ рівень його в котлі знижується, проте наявність стислого повітря виключає різке пониження його тиску. Компенсація витрати масла з котла проводиться за допомогою маслонасосів, причому МНУ для системи регулювання швидкості потужних турбін забезпечуються двома насосами; МНУ гідротурбін невеликої потужності і затворів, управління якими проводиться відносно рідко, зазвичай мають один насос.

Відпрацьоване масло з системи регулювання (або системи управління затворами) поступає в зливний бак, де воно фільтрується і потім знову поступає через всмоктуючу трубу насоса в маслоповітряний котел. Таким чином, MHУ разом з трубопроводами і обслуговуваними нею механізмами представляє замкнуту систему. На вітчизняних гідроелектростанціях котли МНУ систем регулювання гідротурбін часто використовуються як повітрозбірники для гальмування агрегатів, причому коли повітря з маслоповітряного котла не витрачається на гальмування агрегату, його кількість змінюється достатньо поволі. Проте за наявності неминучих витоків потрібна періодична його підкачка. У практичних умовах ця підкачка проводиться або спеціальним компресором, який зазвичай встановлюється на ГЕС для обслуговування одночасно декілька МНУ, або маслоповітряним компресором, що встановлюється на кожному котлі.

Деякі іноземні фірми здійснюють одночасну підкачку масла і повітря в котли маслоповітряними насосами. Нормально ці насоси нагнітають в котел тільки масло. При підвищенні рівня масла в котлі у зв'язку з витоком з нього повітря і відповідному пониженні рівня масла в зливному баку маслоповітряний насос починає нагнітати в котел разом з маслом також повітря. Останній спосіб підкачки повітря в котел має ту перевагу, що він не вимагає установки додаткового устаткування. Проте слід мати на увазі, що підкачка повітря в котел залежно від рівня масла в зливному баку забезпечує надійну роботу МНУ тільки за відсутності значних витоків масла з системи регулювань. Якщо ці витоки існують, то маслоповітряний насос закачуватиме в котел повітря більше, ніж слідує, і поступово видавить з котла масло. Тому при використанні маслонасосів для підкачки повітря в котел необхідне контролювати рівень масла в котлі.

Автоматизація управління маслонапорними установками зводиться до підтримки нормального тиску і рівня масла в котлі для справної дії системи регулювання гідротурбін; крім того, необхідна подача попереджувальних сигналів про ненормальні режими роботи МНУ. Для того, щоб система регулювання агрегату (або управління затвора) завжди була готова до роботи, автоматика МНУ повинна діяти незалежно від роботи гідроагрегатів.

На рис. 3.3 зображена схема маслонапірної установки.

Рисунок 3.3 - Схема маслонапірної установки ЛМЗ.

1 - масляний бак; 2 - датчики тиску; 3 - зворотні клапани; 4 - масломірне скло; 5 - маслонасоси; 6 - датчики рівня; 7 - запобіжний клапан; 8 - лекажний бак; 9 - лекажний насос; 10 - електродвигун.

Примітка. Лекажний агрегат служить для збору всіх протікань масла з гідравлічної системи регулювання і управління турбіною, а також для перекачування його в зливний бак маслонапірної установки (МНУ).

Установка забезпечена двома маслонасосами з асинхронними двигунами. Нормально один з насосів є робочим, а інший - резервним. 

Режим роботи насосів задається обслуговуючим персоналом станції. Управління двигунами насосів здійснюється за допомогою датчиків тиску манометричного типа ЗДД-7ДД, У нормальному режимі робочий маслонасос включається в роботу при спрацьовуванні датчика тиску ЗДД, уставка якого відповідає нижньому нормальному значенню тиску в котлі Р _н.мін. Відключення маслонасоса відбувається при збільшенні тиску в котлі до нормального максимального рівня Р _н.макс коли спрацьовує датчик тиску 5ДД.

Таким чином, датчики тиску ЗДД і 5ДД (рис. 3.4), впливаючи на маслонасоси, регулюють тиск в котлі в деякому заданому діапазоні, званим перепадом тиску, вибираним з умови, щоб тиск в котлі не падав нижче заданої межі, а включення робочого маслонасоса не відбувалося  частіше чим через 10--15 хв. Резервний маслонасос включається в роботу тільки при несправності робочого насоса або при дуже інтенсивному регулюванні турбіни (наприклад, при сильних коливаннях частоти в аварійних умовах) датчиком тиску 4ДД, уставка якого вибирається на 1-2 ат нижче, ніж уставка датчика ЗДД. Включення резервного насосу зазвичай супроводжується подачею попереджувального сигналу про ненормальний режим маслонапірної установки з витримкою часу, достатньою для відновлення тиску в котлі МНУ при справному стані робочого насоса. Відключення резервного насоса проводиться також датчиком тиску 5ДД. Для зниження надмірного тиску в системі МНУ вона забезпечується запобіжними клапанами, що забезпечують скидання надлишків масла в зливний_бак.

Окрім датчиків тиску, що управляють маслонасосами, на котлі МНУ встановлюються датчики тиску 6ДД і 7ДД. Перший спрацьовує і подає попереджувальний сигнал при зниженні тиску нижче нормального допустимого рівня, другий - при зниженні тиску до аварійного рівня, при якому вже необхідно закрити направляючий апарат турбіни і зупинити агрегат.

Уставки спрацьовування датчиків аварійного тиску виключення резервного насоса вибираються з урахуванням наступного:

· спрацьовування датчика аварійного тиску повинне відбуватися при тиску в котлі, достатньому для закриття направляючого апарату, причому об'єм масла, що залишився, в котлі після спрацьовування датчика повинен забезпечувати закриття направляючого апарату і збереження в нім рівня масла, що виключає попадання повітря в систему регулювання турбіни.

· у експлуатаційних умовах зміна тиску в котлі, рівна різниці нормального і аварійного тиску, повинна забезпечувати витрату масла не менше чим на три ходи поршня направляючого апарату і робочого колеса. Це дозволить виконати закриття направляючого апарату при скиданні з агрегату повного навантаження і подальший пуск агрегату з набором повного навантаження і декілька часткових переміщень (гойдань) серводвигуна в процесі скидання навантаження і синхронізації.

Режим управління двигунами насосів МНУ визначається положенням ключів ЗКР і 4КР, кожний з яких може займати положення:

· відключено;

· ручний пуск;

· автоматична робота

· насос в резерві на автоматичному управлінні.

 

Рисунок 3.4 - Типова схема управління двигунами насосів МНУ.

 

У положенні ключа «ручний пуск» замикаються його контакти 1, і контактор 1КМ електродвигуна включається в роботу незалежно від тиску в котлі МНУ (рис.3.4). Ручний пуск насосів зазвичай застосовується тільки для цілей випробування при ремонті і випробуваннях МНУ. Коли ключ знаходиться в положенні «автоматична робота» замкнуті його контакти 2 і відповідно при положенні ключа «насос в резерві на автоматичному управлінні» - контакти 3.

При замиканні контактів датчика ЗДД-1 або ЗДД-2 включається контактор двигуна робочого маслонасосу 1КМ або 2КМ. Допоміжний контакт контактора (1КМ1 або 2КМ1) через замкнутий контакт датчика 5ДД створює ланцюг самоутримування контактора, унаслідок чого робочий маслонасос працює до розриву ланцюга контактора контактами датчика 5ДД. Резервний насос підключається тільки при спрацьовуванні датчика 4ДД (замкнутий контакт 4ДД-1 або 4ДД-2), а відключається при спрацьовуванні датчика 5ДД. Робочий і резервні маслонасоси можуть відключитися також при несправності їх двигунів від теплового реле 1РТ або 2РТ.

Технічне водопостачання

Системи технічного водопостачання на гідроелектростанціях призначаються для охолоджування і змащування підшипників турбін з неметалічними вкладишами, а також для гідравлічних ущільнюючих пристроїв турбін і затворів. Вода, використовувана для вказаних цілей, повинна бути достатньо чистою, без хімічних агресивних речовин. Найбільш жорсткі вимоги до якості води пред'являються за умовами роботи турбінних, підшипників з неметалічними вкладишами.

В більшості випадків забір води в систему водопостачання здійснюється з річки, на якій розташована гідроелектростанція, зазвичай через систему фільтрів, а за наявності в ній великої кількості зважених частинок - через спеціальні відстійники. Технічне водопостачання ГЕС здійснюється самопливом з використанням натиску гідроелектростанції і насосами з забором води з нижнього б'єфу станції. Застосовується також комбінована система з забором води з верхнього б'єфу, причому при низьких відмітках верхнього б'єфу вода подається насосами, а при високих - поступає самопливом.

Самотечна система технічного водопостачання, як правило, застосовується при натиску ГЕС від 12 до 40 м. При нижчих натисках не забезпечується достатня для охолоджування генераторів швидкість циркуляції води, а при натисках вище 40 м застосування самотечной системи вимагає спеціальних пристроїв для зниження тиску в системі охолоджувачів, оскільки останні зазвичай розраховуються на тиск не більше 3-4 ат. Насосні системи водопостачання з забором води з нижнього б'єфу застосовуються, як правило, на гідроелектростанціях з високим натиском. Комбіновані системи водопостачання застосовуються на ГЕС з натиском близько 12 м і нижче.

Забір води в самотечную систему проводиться з напірного трубопроводу або безпосередньо з верхнього б'єфу станції через систему фільтрів. На рис. 3.5 приведена схема самотечной системи технічного водопостачання з двома водозаборами (здійснена на одній з ГЕС великій потужності з розрахунковим натиском 19 м. Кожен водозабір забезпечений здвоєними фільтрами 1 і запірними засувками з електроприводом 2. Один з водозаборів є робочим, а інший резервним. Окрім цієї загальностанційної системи водопостачання, кожен агрегат має живлення турбінного підшипника водою з власної спіральної камери. В цьому випадку загальностанційна система водопостачання використовується для живлення турбінних підшипників як резервне джерело.

Автоматизація такої системи технічного водопостачання зводиться до контролю стану фільтрів і відкриття засувки резервного водозабору при зниженні тиску в трубопроводах 3 і спрацьовуванні датчиків тиску 5. Контроль стану фільтрів (ступінь засмічення), здійснюється за допомогою диференціальних манометричних датчиків 4.

Рисунок 3.5 - Схема самотечного технічного водопостачання ГЕС з забором води з верхнього б'єфу.

 

На рис. 3.6 приведена схема технічного водопостачання високонапірної ГЕС з центральною насосною станцією, в якій забір води здійснюється з нижнього б'єфу. Вода поступає до насосів 1 через фільтри 2. Для безперебійного водопостачання споживачів передбачена установка двох насосних агрегатів, з яких один робочий, а інший - резервний.

Схема технічного водопостачання з центральною насосною станцією може бути застосована і для низьконапірних ГЕС. Проте в останньому випадку забір води здійснюється, як правило, з верхнього б'єфу. При цьому насоси розвивають тільки деяку частину натиску, необхідного для живлення водою повітроохолоджувачів генератора і п'яти. Інша частина натиску створюється за рахунок різниці рівнів верхнього і нижнього б'єфів. Найчастіше схема технічного водопостачання з центральною насосною станцією застосовується при невеликому числі агрегатів ГЕС. На багатоагрегатних ГЕС зазвичай передбачається декілька насосних з живленням від кожної три - чотирьох агрегатів. На багатоагрегатних ГЕС великої потужності, де потрібна значна витрата води на охолоджування, встановлюються по два індивідуальні насоси на кожен агрегат.

Автоматизація системи технічного водопостачання з насосними агрегатами зводиться до контролю стану фільтрів і пуску резервного насоса при зниженні тиску в живлячій мережі. Слід вказати, що у разі застосування насосної системи технічного водопостачання живлення турбінних підшипників обов'язково повинне бути резервоване з забором води із спіральної камери.

 

Рисунок 3.6 - Схема технічного водопостачання ГЕС з центральною насосною станцією

 

Комбінована схема технічного водопостачання застосовується на низьконапірних ГЕС із значними коливаннями натиску. При достатньо високому натиску вода поступає в розподільну мережу самопливом з верхнього б'єфу. У випадках пониження натиску необхідний тиск створюється насосами. Включення насосів при зниженні тиску в розподільній мережі автоматизується за допомогою датчиків тиску.