Система регулирования, управления и защиты ГТЗА

 

Система РУЗ ГТЗА предназначена для пуска, остановки, изменения и регулирования частоты вращения, реверсирования ГТЗА, а также для автоматической или ручной его остановки в аварийных ситуациях.

Система РУЗ ГТЗА должна обеспечивать следующие операции:

- управление ГТЗА во всем диапазоне рабочих режимов, включая пуск, остановку и маневрирование;

- автоматическое предотвращение провалов и забросов давления свежего пара в переходных режимах работы турбины;

- аварийную защиту ГТЗА на всех режимах работы;

- выдачу импульсов в автономные системы управления на изменение режимов работы масляных, циркуляционных насосов, и в систему автоматического регулирования и защиты главных котлов;

- прием и обработку импульсов от системы автоматического регулирования и аварийной защиты главных котлов.

 

Применяемые в судовых КТЭУ системы РУЗ ГТЗА, в зависимости от основных режимов использования главных турбин, могут включать в себя следующие элементы:

 

· систему регулирования частоты вращения – РЧВ, включающую в себя: органы управления турбиной (сопловые, байпасные клапаны и маневровый клапан заднего хода) с сервоприводами; блок регулирования частоты вращения, и импульсные насосы – импеллеры;

 

· блок контрпара, предназначенный для организации подачи пара в турбину противоположного вращения в следующих случаях:

– при превышении фактической частоты вращения турбин над заданной;

– при превышении давления свежего пара в сопловой коробке определенного предельного значения ля данного ГТЗА;

– при падении давления в системе смазки турбин.

 

· систему регулирования давления пара, обеспечивающую поддержание давления пара и предотвращение провалов и забросов давления пара на переходных режимах работы ГТЗА. На стационарных режимах работы турбин давление пара поддерживается системой автоматического регулирования главных котлов;

 

· автономную систему маслоснабжения;

 

· систему защиты главных турбин, обеспечивающую остановку ГТЗА по следующим параметрам:

 

– при падении давления в системе смазки ниже допустимого значения;

– при превышении частоты вращения турбины выше номинальной на 8 ÷ 12 %; Датчиками частоты вращения являются импульсные масляные насосы – импеллеры, расположенные на роторах турбин;

– при повышении давления в главном конденсаторе выше аварийного значения;

– при повышении давления пара в камере регулировочной ступени турбины выше допустимого значения для данного ГТЗА;

– при включении валоповоротного устройства турбины;

– при срабатывании системы защиты главных котлов;

 

Системы РУЗ ГТЗА обычно выполняются электрогидравлическими. Рабочей жидкостью является масло, подающееся в систему с напора главных масляных насосов. В современных установках часто применяется автономная система маслоснабжения РУЗ ГТЗА со своими масляными насосами. В аварийных случаях, при выходе из строя насосов автономной системы маслоснабжения, система РУЗ ГТЗА автоматически переключается на питание маслом от системы смазки главных турбин.

 Аварийные сигналы по вышеперечисленным параметрам поступают на соответствующий золотник блока защиты. При срабатывании блока защиты по любому аварийному импульсу, выдается сигнал на закрытие быстрозапорного клапана турбины, прекращающего подачу пара к сопловым клапанам. Для обеспечения ускорения остановки ГТЗА по аварийным параметрам, блок защиты может выдавать сигнал на блок контрпара, подающий пар в турбину противоположного вращения до полной остановки ГТЗА. Система РУЗ ГТЗА обеспечивает и экстренную остановку турбины от ручного воздействия оператора на масляный выключатель блока защиты.

 

Кроме электрогидравлической системы РУЗ ГТЗА в паротурбинных установках применяются и механические средства защиты. Как правило, к ним относятся:

– регуляторы безопасности (выключатели предельного числа оборотов), воздействующие на быстрозапорные устройства ГТЗА при превышении частоты вращения турбины выше номинальной на 12 ÷ 15 %, и несрабатывании электрогидравлической системы защиты;

– выключатели предельного сдвига ротора, воздействующие на быстрозапорное устройство ГТЗА при осевом сдвиге ротора турбины на величину, превышающую допустимую.

 

Тепловые схемы КТЭУ

В состав судовой КТЭУ наряду с главными механизмами – главными паровыми котлами и главными турбинами – входят вспомогательные механизмы, теплообменные аппараты, емкости, цистерны и другое оборудование, работающее в составе систем энергетической установки и обеспечивающее ее работу. Вспомогательные механизмы имеют, как правило, индивидуальный привод – паровую турбину или электропривод. В некоторых случаях несколько вспомогательных механизмов могут иметь один общий (групповой) привод. В теплообменные аппараты КТЭУ обеспечивается подача греющих и охлаждающих сред, в качестве которых могут использоваться пар различных параметров, конденсат, забортная вода и др. Единый рабочий процесс судовой КТЭУ и нормальную работу установки на всех ходовых и стояночных режимах можно обеспечить при равных взаимосвязях тепловых и энергетических потоков между ее частями. Для изучения и расчета теплоэкономических свойств энергетической установки пользуются понятием тепловой схемы.

Тепловой схемой называется условное схематизированное изображение элементов реальной котлотурбинной установки и взаимосвязей между ними, показывающее распределение пара, конденсата и тепла между ее составными частями.

 

Тепловые схемы КТЭУ можно классифицировать по следующим признакам:

 

· по полноте изображения тепловые схемы делятся на простейшие, принципиальные, развернутые и полные. Простейшая тепловая схема изображает минимальное количество элементов установки и взаимосвязей между ними. Принципиальная тепловая схема фиксирует последовательное соединение частей КТЭУ, тип термодинамического процесса, способ осуществления регенеративного процесса, способ обеспечения энергией главных и вспомогательных механизмов, способ использования избытков отработавшего пара и горячих дренажей, восполнение потерь питательной воды, принципиально важную арматуру. Развернутая схема дополнительно показывает число и способ включения механизмом и аппаратов, различные емкости и цистерны, резервные механизмы, некоторые наиболее важные автоматы. Полная тепловая схема изображает весь набор оборудования КТЭУ и взаимосвязи между ними.

· по типу термодинамического цикла различают тепловые схемыс промежуточным перегревом пара и без промежуточного перегрева пара. В схемах с промежуточным перегревом пара пар, прошедший ряд ступеней турбины, направляется в промежуточный пароперегреватель котла. После вторичного перегрева пар направляется в последующие ступени паровой турбины. Возможно применение тепловых схем с двукратным промежуточным перегревом пара.

· по способу подогрева питательной воды тепловые схемы делятсяна регенеративные, в которых производится предварительный подогрев питательной воды перед подачей ее в котел или парогенератор, и нерегенеративные – без предварительного подогрева питательной воды. В свою очередь регенеративные тепловые схемы по способу осуществления регенеративного цикла делятся на схемы:

– 1-го рода, в которых подогрев питательной воды осуществляется теплотой пара, отбираемого из промежуточных ступеней главной турбины;

– 2-го рода, в которых подогрев питательной воды осуществляется паром, отработавшим во вспомогательных механизмах;

– 3-го рода, представляющие собой сочетание схем 1-го и 2-го рода.

· по числу водоподогревателей (ступеней подогрева питательной воды) тепловые схемы делятся на одноступенчатые – с одним водоподогревателем; и многоступенчатые, в которых подогрев питательной воды производится последовательно в нескольких водоподогревателях.

· по типу водоподогревателей: возможно использование регенеративных тепловых схем с водоподогревателями поверхностного типа, в которых передача теплоты от греющей среды к питательной воде производится через трубную поверхность нагрева; с водоподогревателями смесительного типа (деаэраторами), в которых подогрев осуществляется путем смешивания греющего пара с подогреваемой питательной водой; и комбинированные тепловые схемы, в которых используются подогреватели как поверхностного, так и смесительного типа.

 

· по начальным параметрам пара для вспомогательных механизмов различают тепловые схемы: со вспомогательными механизмами, работающими на перегретом паре; со вспомогательными механизмами, работающими на насыщенном или слабоперегретом паре; и комбинированные тепловые схемы, в которых вспомогательные механизмы работают на различных параметрах пара.

 

· по способу включения отработавшего пара от вспомогательных механизмов используются тепловые схемы:со вспомогательными механизмами, работающими на противодавление (противодавленческая группа механизмов); со вспомогательными механизмами, работающими на вакуум (конденсационная группа механизмов); и комбинированные тепловые схемы, имеющие в своем составе обе группы вспомогательных механизмов.

 

В любом из перечисленных видов тепловых схем можно условно выделить и изобразить на диаграмме два цикла: главный цикл, изображающий термодинамические процессы, происходящие с рабочим телом, работающим в главной турбине; и вспомогательный цикл, изображающий термодинамические процессы, происходящие с рабочим телом, работающим в турбоприводах вспомогательных механизмов и в теплообменных аппаратах.

 

При рассмотрении тепловых схем КТЭУ будут использованы следующие допущения: вся полезная работа совершается только в главной турбине; КПД главных котлов, главных турбин и вспомогательных механизмов равны 1,0 (100 %); отсутствуют гидравлические и тепловые потери в трубопроводах и паропроводах; в теплообменных аппаратах происходит идеальная теплопередача (КПД теплообменных аппаратов равен 100 %).

 

Из курса термодинамики известно, что цикл Карно, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, отличается высшим термодинамическим совершенством по сравнению с термодинамическими циклами реальных тепловых двигателей. Применительно к КТЭУ цикл Карно для насыщенного пара состоит из следующих термодинамических процессов (рис. 70. а):

 

		–	адиабатное расширение пара паровой турбине;
		–	изотермическое охлаждение отработавшего пара до определенной степени сухости –;
		–	адиабатное сжатие пароводяной смеси до линии насыщения;
		–	изотермический процесс испарения воды в паровом котле.

 

Рис. 70. Термодинамические циклы КТЭУ:        а – цикл Карно для КТЭУ, работающей на насыщенном паре;        б – циклы Ренкина для КТЭУ, работающей на насыщенном и перегретом паре.

Однако применить такой цикл в реальной котлотурбинной установке весьма сложно. Если при реализации процессов и не возникает никаких технических трудностей, то для осуществления процесса пришлось бы создавать специальное устройство, контролирующее процесс охлаждения пара до определенной степени сухости, а для процесса – специальный компрессор для сжатия пароводяной смеси. Еще одной причиной невозможности применения цикла Карно для КТЭУ является то, что некоторые термодинамические процессы, протекающие в КТЭУ (подогрев воды до температуры кипения, перегрев пара), являются изобарными. По этой причине в развитии паросиловой техники оказалась весьма плодотворной идея построения тепловых схем и термодинамических циклов на основе цикла Ренкина, названного по имени английского ученого, впервые описавшего этот цикл. Ренкин предложил не охлаждать пар до определенной степени сухости, а полностью конденсировать его до линии насыщения в конденсаторе, с последующим сжатием образовавшейся воды в обычном насосе, что технически осуществить намного проще, и при этом требует меньших затрат энергии.

 

Цикл Ренкина для КТЭУ, работающей на насыщенном паре, состоит из следующих термодинамических процессов (рис. 70. б):

 

		–	адиабатное расширение пара в паровой турбине;
		–	изотермический процесс конденсации пара;
		–	сжатие конденсата в насосе;
		–	изобарный подогрев воды до температуры насыщения;
		–	изотермический процесс испарения воды в паровом котле.

 

Так как вода является жидкостью практически несжимаемой, то точки и, обозначающие на диаграмме термодинамическое состояние воды до насоса и после него, располагаются достаточно близко, чтобы считать их одной точкой. При дальнейшем рассмотрении циклов КТЭУ эти точки будут совмещаться.

При использовании в КТЭУ перегретого пара, цикл Ренкина состоит из следующих термодинамических процессов:

 

		–	адиабатное расширение перегретого пара в паровой турбине;
		–	изотермический процесс конденсации пара;
		–	сжатие конденсата в насосе;
		–	изобарный подогрев воды до температуры насыщения;
		–	изотермический процесс испарения воды в паровом котле;
		–	изобарный перегрев пара в пароперегревателе котла.

 

Так как все современные КТЭУ работают исключительно на перегретом паре, то в дальнейшем материале, посвященном тепловым схемам, будут рассматриваться термодинамические циклы с перегревом пара.