Гидравлические системы управления газовыми турбинами

Газотурбинная установка должна сохранять устойчивую работу при пуске, наборе нагрузки, изменении мощности и останове. Для этого система управления регулирует подачу топлива, положение элементов воздушного тракта и работу запорной арматуры.

В качестве исполнительных механизмов могут применяться электрогидравлические приводы. Они преобразуют управляющий сигнал системы автоматизации в перемещение клапана или направляющего аппарата и обеспечивают требуемые усилие, скорость и точность позиционирования.

Конкретная архитектура гидросистемы зависит от конструкции турбины, типа регулируемого узла, алгоритмов управления и требований производителя оборудования. 

Гидроприводы газотурбинных установок

В газотурбинном оборудовании гидравлические приводы могут использоваться для:

• регулирования подачи газообразного или жидкого топлива;
• управления запорными и отсечными клапанами;
• изменения положения входного направляющего аппарата компрессора;
• выполнения команд аварийного останова;
• управления вспомогательными механизмами.

Для этих задач применяются исполнительные механизмы различного типа:

• электрогидравлические сервоприводы;
• гидроцилиндры двухпозиционного действия;
• пружинно-гидравлические приводы;
• приводы входных направляющих аппаратов IGV.

Параметры привода определяются требуемым усилием, рабочим ходом, временем срабатывания, точностью перемещения и алгоритмом перехода оборудования в безопасное состояние.

Сервоприводы регулирующих топливных клапанов

Регулирующие клапаны изменяют расход топлива, поступающего в камеру сгорания. Их положение связано с мощностью газотурбинной установки и параметрами рабочего процесса.

Для управления такими клапанами могут применяться электрогидравлические сервоприводы с замкнутым контуром регулирования по положению.

В состав привода могут входить:

• гидравлический цилиндр;
• сервоклапан или пропорциональный клапан;
• датчик перемещения;
• электронный модуль управления;
• гидравлический блок защиты.

Датчик перемещения передает информацию о фактическом положении исполнительного механизма. Система управления сравнивает полученное значение с заданием и корректирует подачу рабочей жидкости в полости цилиндра. Регулирование расхода рабочей жидкости выполняется сервоклапаном или пропорциональным клапаном, характеристики которого выбираются с учетом требуемой динамики и точности привода.

Характеристики сервопривода выбираются с учетом диапазона регулирования, требуемой динамики и допустимой погрешности позиционирования топливного клапана.

Гидравлические приводы запорных и отсечных клапанов

Запорные и отсечные клапаны перекрывают подачу топлива при штатном останове или срабатывании системы защиты.

Основные требования к таким приводам:

• заданное время закрытия;
• надежное удержание клапана в рабочем положении;
• переход в безопасное состояние при потере управляющего сигнала или давления;
• возможность контроля положения исполнительного механизма;
• устойчивость к внешним нагрузкам и вибрации.

Для быстрого закрытия могут использоваться пружины, гидроаккумуляторы или специальные схемы разгрузки рабочих полостей. Выбор решения зависит от конструкции клапана и принятого алгоритма безопасности.

Если привод строится по принципу Fail Safe, отказ питания или управляющего воздействия должен приводить клапан в заранее определенное безопасное положение.

Гидроприводы входных направляющих аппаратов IGV

IGV — Inlet Guide Vanes — представляют собой входные направляющие лопатки компрессора. Изменение их положения позволяет регулировать параметры воздушного потока на входе и согласовывать работу компрессора с текущим режимом газотурбинной установки.

Гидравлический привод IGV должен обеспечивать:

• согласованное перемещение направляющих лопаток;
• требуемую точность установки угла;
• стабильное удержание положения;
• контролируемую скорость движения;
• передачу данных о фактическом положении в систему автоматизации.

В зависимости от конструкции механизм может приводиться одним или несколькими исполнительными устройствами. При использовании нескольких приводов необходимо учитывать синхронность их перемещения и распределение нагрузки между элементами кинематической схемы.

Управление положением и диагностика приводов

Работа электрогидравлического привода контролируется по сигналам датчиков положения, давления и других параметров, предусмотренных проектом.

В системе могут применяться:

• аналоговые сигналы управления и обратной связи;
• цифровые интерфейсы;
• датчики конечных положений;
• датчики давления;
• контроль температуры рабочей жидкости;
• средства диагностики электронных и гидравлических компонентов.

Диагностические функции позволяют выявлять отклонения в работе привода: увеличение времени перемещения, нестабильность позиционирования, падение давления или несоответствие фактического положения заданию.

Состав средств контроля определяется требованиями системы автоматического управления газовой турбиной.

Гидростанция системы управления газовой турбиной

Если исполнительные механизмы питаются от отдельной гидравлической системы, источником рабочей жидкости служит гидростанция, разрабатываемая по техническому заданию.

В ее состав могут входить:

• основной и резервный насосные агрегаты;
• гидравлический бак;
• фильтры;
• гидроаккумуляторы;
• теплообменное оборудование;
• блоки распределительной и регулирующей аппаратуры;
• контрольно-измерительные приборы;
• датчики давления, температуры и уровня.

Гидростанция должна обеспечивать требуемые давление, расход и чистоту рабочей жидкости во всех расчетных режимах.

Необходимость резервирования насосов и накопления гидравлической энергии определяется требованиями к доступности оборудования и выполнению защитных команд при отказе отдельных компонентов.

Требования к гидросистемам газовых турбин

• характеристики управляемого клапана или механизма;
• рабочее давление;
• требуемые усилие и ход;
• время открытия и закрытия;
• точность позиционирования;
• частота рабочих циклов;
• температура в зоне установки;
• вибрационные нагрузки;
• свойства рабочей жидкости;
• требования к резервированию;
• алгоритм безопасного останова.

Особое значение имеют чистота рабочей жидкости и стабильность ее характеристик. Загрязнение может нарушать работу сервоклапанов, увеличивать внутренние утечки и снижать точность управления.

Для критических исполнительных механизмов также оцениваются последствия отказа каждого элемента и возможность сохранения защитных функций при единичной неисправности.

Проектирование гидравлических систем управления газовыми турбинами

Гидравлическая система разрабатывается под конкретную газотурбинную установку и не может выбираться только по номинальному давлению или типу исполнительного механизма.

Исходными данными для проектирования являются:

• назначение привода;
• параметры регулируемого органа;
• кинематическая схема;
• требуемая динамика;
• управляющие и диагностические сигналы;
• условия эксплуатации;
• требования производителя турбины;
• алгоритмы регулирования и защиты.

ПНЕВМАКС разрабатывает гидростанции, электрогидравлические приводы и блоки управления для энергетического и промышленного оборудования. Компетенции компании могут применяться при создании систем управления исполнительными механизмами газотурбинных установок по техническому заданию заказчика.