Система управления и защиты паровой турбины высокого давления

Работа паровой турбины требует точного регулирования подачи пара, поддержания заданной частоты вращения и быстрого перевода оборудования в безопасное состояние при возникновении нештатных режимов.

Для решения этих задач применяются электрогидравлические системы управления и защиты. Они объединяют источник гидравлической энергии, исполнительные механизмы, электронные устройства управления, средства контроля положения и защитную аппаратуру.

В современных паровых турбинах все шире используются гидравлические системы высокого давления. По сравнению с традиционными низконапорными схемами они обеспечивают более высокое быстродействие, точность позиционирования исполнительных механизмов и возможность применения пожаробезопасных рабочих жидкостей.

Переход к системам управления турбин высокого давления

Исторически в системах управления паровыми турбинами применялись гидравлические системы низкого давления — как правило, до 20 бар. В качестве рабочей среды использовались вода или минеральные масла.

Рост требований к быстродействию, точности регулирования и надежности энергетического оборудования привел к переходу на электрогидравлические системы с рабочим давлением 160–180 бар и выше.

Одновременно изменились требования к рабочей жидкости. В современных энергетических установках могут применяться пожаробезопасные синтетические жидкости класса HFDU, обладающие высокой термической стабильностью и снижающие пожарные риски.

Переход на высокое давление дает несколько практических преимуществ:

• повышается быстродействие исполнительных механизмов;
• уменьшаются габариты гидроцилиндров и других исполнительных устройств;
• повышается точность позиционирования регулирующих органов;
• расширяются возможности электронного управления и диагностики;
• появляется возможность использовать пожаробезопасные рабочие жидкости.

Поэтому электрогидравлические системы высокого давления применяются как при разработке новых паровых турбин, так и при модернизации действующего оборудования.

Пример применения электрогидравлической системы высокого давления на современной теплофикационной турбине представлен в проекте «Система управления высокого давления теплофикационной турбины Т-295/335-23,5».

Состав системы управления и защиты паровой турбины

Современная электрогидравлическая система управления турбиной обычно включает три основных функциональных узла:

• маслонапорную установку высокого давления;
• индивидуальные электрогидравлические сервоприводы;
• гидравлическую и электрогидравлическую систему защиты.

Все элементы работают совместно и обеспечивают управление регулирующими, стопорными и отсечными клапанами турбины.

Конкретная архитектура системы определяется конструкцией турбоагрегата, количеством исполнительных механизмов, алгоритмами автоматического регулирования и требованиями к безопасности.

Маслонапорная установка высокого давления

Маслонапорная установка является источником гидравлической энергии для исполнительных механизмов системы управления турбиной.

Она должна обеспечивать подачу рабочей жидкости с требуемыми параметрами давления и чистоты во всех предусмотренных режимах — при пуске, штатной работе, изменении нагрузки и аварийном останове оборудования.

Основные функции маслонапорной установки:

• создание и поддержание рабочего давления;
• подача рабочей жидкости к сервоприводам;
• фильтрация рабочей жидкости;
• контроль давления, температуры и уровня;
• охлаждение или нагрев масла при необходимости;
• накопление гидравлической энергии;
• обеспечение резервирования насосного оборудования.

В состав установки могут входить:

• основной и резервный насосные агрегаты;
• гидроаккумуляторы;
• фильтры напорной, сливной или циркуляционной линий;
• теплообменное оборудование;
• контрольно-измерительные приборы;
• датчики давления, температуры и уровня;
• гидравлические блоки управления и защиты.

Надежность маслонапорной установки имеет критическое значение, поскольку от нее зависит работоспособность всей гидравлической части системы регулирования и защиты турбины.

Примеры реализованных ПНЕВМАКС маслонапорных установок и станций смазки для паровых турбин представлены в разделе проектов.

Сервоприводы являются исполнительными механизмами системы управления. Они преобразуют электрический управляющий сигнал в контролируемое механическое перемещение регулирующего органа.

Подробнее конструкция электрогидравлического привода рассмотрена в проекте «Сервоцилиндр привода клапанов паровых турбин CTR-KV-CYL001».

Электрогидравлические сервоприводы могут использоваться для управления:

• регулирующими клапанами;
• стопорными клапанами;
• отсечными клапанами;
• байпасными клапанами;
• клапанами распределения пара.

Типовой электрогидравлический сервопривод включает:

• гидравлический цилиндр;
• пропорциональный или сервоклапан;
• электронный модуль управления;
• датчик обратной связи по положению;
• устройства защиты и аварийного закрытия.

Конструкция сервопривода разрабатывается с учетом типа клапана, требуемого усилия, хода, скорости перемещения, точности позиционирования и алгоритма безопасного останова.

В зависимости от требований проекта привод может дополнительно оснащаться:

• датчиками конечных положений;
• системой контроля утечек;
• защитным кожухом штока;
• визуальным указателем положения;
• устройством ручного управления;
• системой сбора дренажа;
• защитными гидравлическими блоками.

При проектировании также учитываются повышенная температура в зоне установки, вибрационные нагрузки и требования к надежности энергетического оборудования.

Управление положением и обратная связь сервопривода

Точность работы сервопривода обеспечивается замкнутым контуром управления.

Датчик перемещения передает в систему управления информацию о фактическом положении штока или регулирующего органа. Электроника сравнивает полученное значение с заданием и корректирует положение исполнительного механизма.

В зависимости от архитектуры системы могут применяться:

• аналоговый управляющий сигнал 4–20 мА;
• аналоговый сигнал обратной связи 4–20 мА;
• цифровые интерфейсы связи;
• электронные модули дистанционного управления;
• встроенные средства диагностики;
• системы контроля состояния привода.

Использование обратной связи позволяет поддерживать заданное положение клапана и управлять расходом или давлением пара с требуемой точностью.

Для задач, связанных с регулированием байпасных клапанов, могут применяться сервоприводы с пропорциональным клапаном, интегрированной электроникой и цифровым интерфейсом управления.

Интегрированная электроника и настройка сервоприводов

В традиционных системах электронные модули управления размещались в удаленных электрических шкафах. Большое количество внешних соединений усложняло монтаж, настройку и диагностику оборудования.

Современные решения предусматривают установку управляющей электроники непосредственно на сервопривод или рядом с ним.

Такая компоновка позволяет:

• сократить количество внешних электрических соединений;
• уменьшить влияние помех на аналоговые сигналы;
• упростить пусконаладочные работы;
• выполнять настройку с помощью специализированного программного обеспечения;
• контролировать положение и состояние привода;
• ускорить замену электронных компонентов.

При вводе оборудования в эксплуатацию выполняется привязка сигнала обратной связи к механическому нулю регулирующего органа, проверяется полный рабочий ход и настраиваются параметры перемещения.

Конфигурация исполнительного механизма может сохраняться в памяти контроллера. Это позволяет использовать сохраненные настройки при техническом обслуживании или замене электронного модуля и сокращает объем повторных пусконаладочных работ.

Система защиты турбины и принцип Fail Safe

СиСистема защиты паровой турбины предназначена для предотвращения повреждения оборудования при возникновении аварийных режимов.

Одним из основных принципов ее построения является Fail Safe: потеря питания, управляющего сигнала или давления в системе должна переводить оборудование в заранее определенное безопасное состояние.

Для паровой турбины безопасное состояние, как правило, означает:

• закрытие стопорных и отсечных клапанов;
• прекращение или ограничение подачи пара;
• предотвращение дальнейшего разгона ротора;
• безопасный останов турбоагрегата.

Fail Safe определяет поведение оборудования при отказе, но сам по себе не задает структуру каналов контроля и голосования.

Резервирование каналов защиты 2oo3

Для повышения надежности защитных функций могут применяться резервированные схемы управления.
Архитектура 2oo3 — Two out of Three — предусматривает три независимых канала контроля. Команда на срабатывание формируется при подтверждении аварийного сигнала двумя каналами из трех. Такая схема позволяет:

• сохранить защитную функцию при отказе одного канала;
• снизить вероятность ложного срабатывания из-за единичной неисправности;
• выполнять диагностику отдельных каналов;
• повысить отказоустойчивость системы.

• Fail Safe определяет безопасное состояние оборудования при отказе;
• 2oo3 определяет логику формирования команды защитного срабатывания.

В конкретной системе эти принципы могут применяться совместно.

Реализация системы защиты с резервированием исполнительных механизмов приведена в проекте «Гидростанция CTR-KV-D0089 для сервоприводов турбины 100 МВт».

Гидроаккумуляторы в системе управления турбиной

Гидроаккумуляторы используются для накопления энергии рабочей жидкости и поддержания работы исполнительных механизмов при кратковременном снижении давления или остановке насосного оборудования.

Основные функции гидроаккумуляторов:

• обеспечение быстрого закрытия клапанов;
• компенсация пикового расхода;
• поддержание давления в переходных режимах;
• сохранение работоспособности защитных функций при отказе насосов;
• обеспечение безопасного останова турбины.

Количество, рабочий объем и давление предварительной зарядки гидроаккумуляторов рассчитываются с учетом:

• количества исполнительных механизмов;
• требуемого объема рабочей жидкости;
• времени срабатывания клапанов;
• рабочего и минимально допустимого давления;
• требований системы защиты.

Аккумуляторная система может выполняться в составе маслонапорной установки или в виде отдельной гидроаккумуляторной станции.Применение систем управления высокого давления

Электрогидравлические системы управления используются в составе:

• паровых турбин тепловых электростанций;
• теплофикационных турбин ТЭЦ;
• промышленных турбоагрегатов;
• турбин нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий;
• турбин целлюлозно-бумажной промышленности;
• проектов модернизации турбинного оборудования.

Системы высокого давления используются как при создании новых энергетических установок, так и при замене устаревших гидравлических систем управления.

Применение электрогидравлических систем высокого давления

Системы управления и защиты высокого давления применяются в составе:

• паровых турбин тепловых электростанций;
• теплофикационных турбин ТЭЦ;
• промышленных турбоагрегатов;
• энергетических установок нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий;
• турбин целлюлозно-бумажных предприятий;
• установок комбинированной выработки электрической и тепловой энергии;
• проектов модернизации действующего турбинного оборудования.

Такие системы могут разрабатываться для новых турбин или использоваться при замене устаревших гидравлических регуляторов, сервомоторов и маслонапорных установок.

Разработка гидравлических систем управления турбинами

ПНЕВМАКС разрабатывает и изготавливает гидравлическое оборудование для систем управления, регулирования и защиты турбин:

• маслонапорные установки высокого давления;
• электрогидравлические сервоприводы;
• гидравлические блоки управления;
• гидроаккумуляторные станции;
• системы управления регулирующими и стопорными клапанами;
• системы аварийного закрытия;
• станции смазки и охлаждения;
• комплексные системы управления и защиты паровых турбин.

При разработке учитываются:

• конструкция турбоагрегата;
• параметры системы автоматического управления;
• тип и характеристики регулирующих органов;
• требования к быстродействию и точности позиционирования;
• условия эксплуатации;
• требования к резервированию и безопасности;
• свойства применяемой рабочей жидкости.

При модернизации существующих турбин ПНЕВМАКС также выполняет замену устаревших сервомоторов и разработку новых маслонапорных установок.

В разделе проектов представлены примеры реализованных ПНЕВМАКС систем управления и защиты паровых турбин, включая электрогидравлические сервоприводы, маслонапорные установки, станции смазки и гидравлические системы регулирования.