Гидравлические системы управления гидротурбинами

Работа гидроагрегата зависит от количества воды, поступающей на рабочее колесо, и положения регулирующих органов турбины. При изменении нагрузки система управления должна корректировать расход воды, сохранять устойчивый режим вращения и выполнять команды штатного или аварийного останова.

Для перемещения направляющих аппаратов, сопловых механизмов, лопаток рабочего колеса и запорной арматуры применяются гидравлические приводы. Они развивают значительные усилия, работают под нагрузкой и могут обеспечивать точное управление положением исполнительных механизмов.

Состав гидросистемы определяется типом турбины, кинематикой регулирующего механизма, требуемым быстродействием и алгоритмами управления гидроагрегатом.

Управление направляющим аппаратом гидротурбины

Направляющий аппарат регулирует расход воды через турбину. Изменение положения его лопаток влияет на мощность гидроагрегата и режим работы рабочего колеса.

Перемещение направляющего аппарата выполняется одним или несколькими гидравлическими приводами. Их задача — передать усилие на регулирующий механизм и обеспечить заданное положение лопаток по команде системы автоматического управления.

Для такой системы важны:

• достаточное усилие на исполнительном механизме;
• согласованное движение приводов;
• контроль фактического положения;
• удержание регулирующего органа под нагрузкой;
• заданное время открытия и закрытия.

Если механизм приводится несколькими гидроцилиндрами, необходимо исключить перекос и неравномерное распределение нагрузки. Для этого применяются механическая связь, гидравлическая синхронизация или управление по сигналам датчиков положения.

Гидроприводы турбин Пелтона, Фрэнсиса и Каплана

Тип регулирующего механизма зависит от конструкции гидротурбины.

Турбины Пелтона

В турбинах Пелтона мощность регулируется изменением параметров струи, направляемой на рабочее колесо.

Гидравлические приводы могут управлять:

• иглами сопловых аппаратов;
• дефлекторами струи;
• запорными механизмами.

Игла изменяет расход воды через сопло. Дефлектор используется для быстрого отклонения струи при переходных режимах, когда резкое закрытие сопла может вызвать нежелательные гидравлические процессы в подводящем тракте.

Турбины Фрэнсиса

В турбинах Фрэнсиса расход воды регулируется направляющим аппаратом. Гидропривод перемещает систему лопаток и изменяет подачу воды к рабочему колесу.

Основными задачами являются точное управление углом открытия, устойчивое удержание положения и выполнение команд закрытия при останове гидроагрегата.

Турбины Каплана

В турбинах Каплана регулируются два элемента:

• направляющий аппарат;
• лопатки рабочего колеса.

Согласованное изменение их положения позволяет адаптировать турбину к текущему расходу воды и нагрузке.

Гидросистема должна координировать работу обоих механизмов. Рассогласование между направляющим аппаратом и лопастями рабочего колеса снижает эффективность регулирования и увеличивает нагрузку на оборудование.

Гидростанция управления гидротурбиной

Давление и расход рабочей жидкости для исполнительных механизмов формирует гидростанция.

В зависимости от схемы гидроагрегата в ее состав могут входить:

• основной и резервный насосные агрегаты;
• бак рабочей жидкости;
• гидроаккумуляторы;
• фильтры;
• теплообменное оборудование;
• распределительная и предохранительная аппаратура;
• гидравлические блоки управления;
• датчики давления, температуры и уровня.

Резервный насосный агрегат сохраняет работоспособность системы при отказе основного. Необходимость автоматического включения резерва определяется требованиями к надежности конкретного объекта.

Гидроаккумуляторы выполняют несколько функций:

• компенсируют пиковый расход;
• поддерживают давление в переходных режимах;
• обеспечивают запас энергии для управляющих операций;
• позволяют выполнить защитное закрытие при остановке насосов.

Параметры аккумуляторной группы рассчитываются по требуемому объему рабочей жидкости, минимально допустимому давлению и времени выполнения защитной команды.

Регулирование мощности и частоты вращения гидроагрегата

Гидросистема не формирует управляющее задание самостоятельно. Команды поступают от системы автоматического регулирования гидроагрегата.

По этим сигналам приводы изменяют положение регулирующих органов, а турбина переходит на требуемый режим работы.

В контуре управления могут использоваться:

• датчики положения исполнительных механизмов;
• датчики давления;
• пропорциональные клапаны;
• сервоклапаны;
• электронные модули управления;
• интерфейсы связи с АСУ.

Замкнутый контур по положению позволяет сравнивать фактическое перемещение с заданием и корректировать работу гидропривода.

При выборе регулирующей аппаратуры учитываются скорость реакции, точность позиционирования и устойчивость системы при изменении нагрузки.

Аварийное закрытие гидротурбины

При нештатном режиме регулирующие органы должны перейти в положение, предусмотренное алгоритмом защиты.

Для этого гидросистема может выполнять:

• закрытие направляющего аппарата;
• перемещение дефлекторов;
• закрытие сопловых механизмов;
• перевод лопаток рабочего колеса в безопасное положение;
• управление запорной арматурой.

Скорость закрытия задается не только требованиями безопасности, но и ограничениями гидравлического тракта. Слишком быстрое изменение расхода воды может вызвать резкие переходные процессы, поэтому закон движения исполнительного механизма должен согласовываться с характеристиками водоводов и турбины.

При потере питания или остановке насосов выполнение защитной команды может обеспечиваться гидроаккумуляторами, пружинными механизмами или заранее заданным положением клапанной аппаратуры.

Синхронизация гидравлических приводов гидротурбины

Некоторые регулирующие механизмы приводятся несколькими исполнительными устройствами. В этом случае требуется согласованное перемещение, иначе возникает перекос, неравномерная нагрузка на тяги и повышенный износ шарнирных соединений.

Синхронизация может выполняться:

• механической связью приводов;
• делителями потока;
• датчиками положения на каждом исполнительном механизме;
• индивидуальными пропорциональными контурами;
• программной коррекцией движения.

Выбор способа зависит от кинематической схемы и допустимого рассогласования.

Для направляющего аппарата особенно важно контролировать не только положение отдельных приводов, но и фактическое положение регулирующего кольца или связанного с ним механизма.

Рабочая жидкость и фильтрация гидросистемы ГЭС

Состояние рабочей жидкости напрямую влияет на ресурс насосов, клапанов и исполнительных механизмов.

В процессе эксплуатации контролируются:

• класс чистоты масла;
• перепад давления на фильтрах;
• температура;
• уровень жидкости в баке;
• наличие воды и механических загрязнений;
• изменение вязкости.

Для систем с пропорциональной или сервогидравлической аппаратурой требования к фильтрации выше, чем для простых двухпозиционных приводов.

Точки отбора проб и контрольные подключения должны быть предусмотрены так, чтобы проверку состояния масла можно было выполнять без длительной остановки оборудования.

Исходные данные для проектирования гидросистемы гидротурбины

Для разработки гидравлической системы необходимы:

• тип гидротурбины;
• состав регулирующих механизмов;
• усилия и рабочие ходы приводов;
• требуемое время открытия и закрытия;
• допустимое рассогласование исполнительных механизмов;
• рабочее и минимально допустимое давление;
• алгоритмы регулирования и защиты;
• характеристики гидравлического тракта;
• сигналы системы автоматического управления;
• требования к резервированию;
• условия размещения оборудования;
• параметры рабочей жидкости.

По этим данным определяются схема гидропривода, производительность насосных агрегатов, объем гидроаккумуляторов, состав регулирующей аппаратуры и логика резервирования.

ПНЕВМАКС разрабатывает гидростанции, гидравлические блоки и исполнительные механизмы для энергетического оборудования. Эти компетенции применимы при создании систем управления гидротурбинами и вспомогательными механизмами гидроэлектростанций по техническому заданию заказчика.