Регулятори швидкості гідротурбін.  

Розвиток сучасних систем регулювання гідроагрегатів відбувався поступово, у міру ускладнення завдань управління і регулювання режимів роботи гідроелектростанцій і енергосистем.

Спочатку генератори електростанцій працювали, як правило, на ізольоване навантаження або паралельно з відносно невеликим числом інших генераторів. У цих умовах основною функцією системи автоматичного регулювання гідроагрегатів була підтримка їх швидкості обертання і частоти змінного струму в заданих межах. Пуск і зупинка агрегатів, зміна їх навантаження і перерозподіл навантаження між паралельно працюючими агрегатами проводилися механізмами з ручним управлінням.

У міру зростання енергосистем, збільшення числа паралельно працюючих агрегатів і розвитку систем автоматичного управління гідроелектростанціями на системи автоматичного регулювання гідроагрегатів були покладені функції, пов'язані із забезпеченням автоматичного пуску і зупинки агрегатів, а також автоматичній синхронізації генератора з мережею.

У сучасних умовах при створенні великих енергооб'єднань і виникненні необхідності автоматизації управління режимами їх роботи на системи автоматичного регулювання гідроагрегатів покладаються також функції, пов'язані із забезпеченням економічного розподілу навантаження між агрегатами гідроелектростанції, а також з регулюванням частоти і перетікань потужності по міжсистемних зв'язках. Рішення таких задач вимагає координації дії систем регулювання окремих агрегатів і створення систем групового регулювання. Ускладнення функцій систем регулювання привело до того, що сучасні системи регулювання гідроагрегатів є комплексом пристроїв, що є частиною загальної системи регулювання режиму роботи енергосистеми. Однією з основних частин цього комплексу є автоматичний регулятор швидкості гідротурбіни, що дозволяє підтримувати в заданих межах швидкість обертання агрегату і здійснювати функції регулювання режиму роботи гідроелектростанцій і енергосистеми в цілому.

Підтримка заданої швидкості обертання агрегату визначається рівністю:

,                                       (4.1)

де М _Т- момент турбіни;

М _С - момент опору, що створюється електричним навантаженням

генератора і силами тертя;

ω - кутова швидкість обертання ротора агрегату;

J - момент інерції ротора агрегату.

Для підтримки постійності швидкості обертання ротора агрегату необхідно мати в кожен даний момент часу рівність:

 

.                                                 (4.2)

 

Тоді:

, ω= const.

Момент турбіни М _Т може бути визначений з виразу:

 

,                                          (4.3)

 

де N - потужність, що розвивається турбіною, кВт.

Момент турбіни може бути також виражений рівнянням:

 

 кВт,                              (4.4)

де Q - витрата води через турбіну, м³/сек;

H - натиск, м;

η - коефіцієнт корисної дії турбіни.

Вирішуючи рівняння (4.3) і (4.4) відносно М _Т, отримаємо:

 

                                    (4.5)

З цієї рівності виходить, що при постійних значеннях Н, η і ω момент турбіни пропорційний витраті води Q.

Зміна витрати води через турбіну здійснюється регулятором швидкості за допомогою направляючого апарату, лопатей робочого колеса і інших регулюючих органів турбіни.

Для подолання великих зусиль від реакції води на лопатки і тертя в їх осях регулятори швидкості гідротурбін виконуються як регулятори побічної дії з гідравлічними підсилювачами і двома - трьома і більш каскадами посилення. Як робоче середовище в підсилювачах регуляторів використовується масло під тиском 18 - 25 ат, а в регуляторах потужних турбін - 40 ат.

Основними елементами регуляторів гідротурбін є:

· вимірювальний елемент (датчик) відхилення швидкості обертання агрегату від заданого значення;

· підсилювальні пристрої, що підсилюють сигнал, отриманий від вимірювального елементу;

· стабілізуючі органи, призначені для поліпшення якості процесу регулювання.

В даний час відомо багато конструкцій регуляторів швидкості гідротурбін, і для порівняльної оцінки може бути прийнята їх класифікація по виконання основних елементів і по методах стабілізації процесів регулювання. За першою ознакою автоматичні регулятори розділяються на гідромеханічні, характеризуються тим, що всі їх елементи, включаючи вимірювальний елемент відхилення швидкості, підсилювальні органи і стабілізуючі ланки, є механічними і гідравлічними, і електрогідравлічні регулятори, у яких вимірювальний елемент, перший каскад посилення, що є суматором дій від інших (загальностанційних і системних) пристроїв, і стабілізуючі ланки виконуються електричними (електронними, електромагнітними і ін.). У практичного виконання знаходять також застосування комбіновані регулятори, що містять як електричні, так і механічні елементи.

По методах стабілізації процесів регулювання регулятори швидкості підрозділяються на регулятори з гнучким (пружним) зворотним зв'язком (ізодромні регулятори) і регулятори з дією по прискоренню (по першій похідній швидкості обертання агрегату). Регулятори швидкості з гнучким зворотним зв'язком набули в даний час найбільшого поширення. Проте останніми роками почали випускати комбіновані регулятори - з гнучким зворотним зв'язком і з дією по прискоренню.