Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ТУРБИНЫ, ПОДКЛЮЧЕННОЙ ПОСРЕДСТВОМ ГЕНЕРАТОРА К ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к способу, а также к устройству для регулирования частоты вращения турбины.

Настоящее изобретение относится к технической области регулирования неэлектрических величин, в частности к устройствам для регулирования частоты вращения турбины, и предназначено для предотвращения аварийных ситуаций в энергосистемах.

Электрическая сеть энергоснабжения для снабжения электрической энергией большой территории образована в большинстве случаев объединением в единую систему множества электростанций так, что в случае высокого спроса на мощность со стороны потребителей, подключенных к сети энергоснабжения, снабжение электрической энергией является обеспеченным без аварийного выхода из строя сети энергоснабжения вследствие перегрузки.

Далее подобная электрическая сеть энергоснабжения может также выходить из строя, например, вследствие коротких замыканий на одном или многих участках сети энергоснабжения, так как появляющиеся, в частности, при подобных коротких замыканиях высокие токи короткого замыкания могли бы перегружать электростанции, подключенные к сети энергоснабжения.

В подобных аварийных ситуациях в большинстве случаев является необходимым отключение, по меньшей мере, части потребителей и/или некоторых питающих линий электрической сети энергоснабжения, чтобы предотвратить полный выход из строя сети энергоснабжения.

Во многих аварийных случаях на одной или многих электростанциях сети энергоснабжения по причинам безопасности в большинстве случаев турбины автоматически отключают от сети энергоснабжения и, тем самым, рассинхронизируют, в частности, чтобы предотвратить устанавливающиеся после внезапного сброса частичной нагрузки и при известных обстоятельствах не затухающие частоты вращения выше номинальной (= разносу турбины). Каждое отключение турбины означает потерю электрической мощности, которая может быть мгновенно предоставляться сетью энергоснабжения.

Чем больше электростанций и чем более мощные электростанции объединены в сеть энергоснабжения, тем выше надежность сети энергоснабжения, так как отдельные неисправности вряд ли приводят к отключению турбин от сети энергоснабжения.

В противоположность этому названные выше неисправности в менее многосвязных сетях энергоснабжения, в которых в единую систему объединено только малое число электростанций, приводят к частым отказам подобной сети энергоснабжения или, по меньшей мере, ее частей.

Известным является способ для стабилизации режима работы турбогенератора в аварийных ситуациях (патент RU №2016460, класс H02J 3/24, 1991), который основан на измерении разности мощности турбины и генератора и на формировании сигналов, воздействующих на изменение нагрузки турбины.

Этот способ не обеспечивает достаточной точности регулирования.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ защиты паровых турбин от аварийных ситуаций, который заключается в измерении контролируемых величин, сравнении их с заранее установленным заданным значением и формировании сигнала, который воздействует на исполнительный блок, а также система защиты, которая содержит измерительное устройство, устройство сравнения и исполнительный блок (патент RU №2062330, класс F01D 21/02, 1996).

Этот способ и это устройство могут рассматриваться в качестве ближайшего уровня техники (прототипа) для настоящего изобретения.

Известный способ защиты паровых турбин, а также известная система защиты имеют ограниченные функциональные возможности, так как они не учитывают скорость, с которой изменяется контролируемая величина, что может приводить к уменьшению надежности защиты.

В основе изобретения лежит поэтому задача привести способ и устройство для регулирования частоты вращения турбины, подключенной посредством генератора к электрической сети энергоснабжения, которые обеспечивают особенно высокую надежность энергоснабжения.

Поставленная задача решается тем, что способ регулирования частоты вращения турбины, подключенной к электрической сети энергоснабжения посредством генератора, согласно изобретению, содержит следующие операции:

во время режима работы турбины непрерывно определяют, имеет ли место изменение нагрузки турбины;

в случае, если констатируют изменение нагрузки, то определяют скорость этого изменения нагрузки,

в случае, если скорость изменения нагрузки по модулю больше, чем заранее установленная максимальная скорость изменения нагрузки, и изменение нагрузки происходит в направлении меньшей нагрузки, то посредством исполнительного воздействия кратковременно приводят в действие, по меньшей мере, один клапан турбины в направлении его положения закрытия и при этом кратковременно закрывают, по меньшей мере, один клапан турбины; и

частоту вращения турбины относительно текущей рабочей нагрузки, которая получается после изменения нагрузки, регулируют посредством регулирующего воздействия на, по меньшей мере, один клапан турбины.

Посредством способа, согласно изобретению, должно, в частности, предотвращаться, чтобы сброс нагрузки во время эксплуатации турбины, в частности, внезапный частичный сброс нагрузки вследствие отказа электрической сети энергоснабжения приводил к рассинхронизации и, тем самым, к полному сбросу нагрузки и быстрому отключению турбины.

В способе, согласно изобретению, поэтому предусмотрено регистрировать во время эксплуатации турбины возможные изменения нагрузки и появляющиеся при этом скорости изменения нагрузки и при слишком высокой скорости изменения нагрузки при частичном сбросе нагрузки быстро воздействовать на клапан турбины и кратковременно дросселировать его, при необходимости, кратковременно полностью закрывать.

Тем самым предотвращается опасная рассинхронизация турбины, которая угрожает, в частности, после внезапного частичного сброса нагрузки установлению режима работы с частотой вращения выше номинальной. Кратковременное поддросселирование клапана турбины предотвращает опасный разнос турбины путем уменьшения подачи рабочей среды к турбине. Клапаном турбины может быть, например, клапан свежего пара турбины, посредством которого к турбине подают выработанный парогенератором рабочий пар.

После кратковременного дросселирования клапана турбины можно затем регулировать частоту вращения турбины, соответственно, в новой рабочей ситуации после сброса нагрузки, например, посредством регулятора турбины, который воздействует на, по меньшей мере, один клапан турбины.

Реализация способа с кратковременным закрытием посредством исполнительного воздействия, по меньшей мере, одного клапана турбины и кратковременное дросселирование клапана турбины является наиболее оптимальным и поэтому эффективно противодействует, в частности, частичному сбросу нагрузки с очень высокой скоростью изменения. Посредством этой формы выполнения, следовательно, можно особенно хорошо справляться со случаями эксплуатации турбины, в которых имеет место очень быстрый и очень большой частичный сброс нагрузки.

В особенно предпочтительной форме выполнения изобретения регулирующее воздействие оказывают на, по меньшей мере, один клапан турбины посредством, по меньшей мере, двух исполнительных сигналов, причем посредством первого исполнительного сигнала из, по меньшей мере, двух исполнительных сигналов достигается приведение в действие в направлении положения открытия клапана турбины, а посредством второго исполнительного сигнала из, по меньшей мере, двух исполнительных сигналов достигается приведение в действие в направлении положения закрытия клапана турбины.

Применение двух отдельных исполнительных сигналов для приведения в действие, по меньшей мере, одного клапана турбины дает преимущество повышенной точности установки. Таким образом, может производиться особенно точно предпринимаемое, например, посредством регулятора турбины регулирование частоты вращения турбины.

Предпочтительно исполнительные сигналы содержат при этом выходные данные электрического тока, в частности силу тока в интервале 0-20 мА, причем соответственно текущая выдаваемая сила электрического тока является мерой для степени открытия или соответственно закрытия клапана турбины.

В этой форме выполнения клапан турбины управляется с помощью двух токовых сигналов в качестве исполнительных сигналов, причем весь диапазон открытия или соответственно закрытия клапана турбины охватывается диапазоном силы тока 0-20 мА.

Для отвода подобных токовых сигналов имеется ряд подходящих блоков. Обычно сигналы силы тока подводят к блоку усилителя сигналов, который затем предоставляет в распоряжение необходимый сигнал мощности для приведения в действие клапана турбины.

Предпочтительно соответствующий изобретению способ осуществляется посредством циклически работающего цифрового вычислительного устройства, в частности средства управления с программированием от запоминающего устройства (ЗУ).

Подобные вычислительные устройства имеются в самых различных формах выполнения и вследствие своей модульной конструкции могут быть простым образом приспособлены для осуществления соответствующего изобретению способа.

Поставленная задача решается также с помощью варианта выполнения другого способа, соответствующего изобретению.

Для этого в способе для регулирования частоты вращения вала турбины, подключенной посредством генератора к электрической сети энергоснабжения, который основан на измерении частоты вращения, сравнении ее с номинальной частотой вращения и формировании управляющего сигнала на основе результатов сравнения, согласно изобретению значение, а также направление, в котором измеренная частота вращения отклоняется от номинальной частоты вращения, измеряют и непрерывно вычисляют скорость изменения частоты вращения вала турбины, причем производят сравнение с заданным значением; при превышении ранее установленного относительно скорости изменения частоты вращения предельного значения формируют управляющий сигнал для изменения положения клапана турбины; при этом формируют по два управляющих сигнала на клапан турбины, из которых один изменяет положение клапана турбины в направлении "открыто", а другой - в направлении "закрыто".

Возможно управляющим сигналом изменять положение, по меньшей мере, одного клапана турбины.

Причем сформированный управляющий сигнал и скорость, с которой изменяется частота вращения вала турбины, являются пропорциональными друг другу, и при этом речь идет о силе тока величиной от 0 до 20 мА, который определяет степень открытия или закрытия, по меньшей мере, одного клапана турбины для установки частоты вращения турбины на номинальную нагрузку.

Можно вырабатывать также цифровой управляющий сигнал, который обеспечивает работу с цифровым машинным оборудованием.

Поставленная задача решается также тем, что устройство для регулирования частоты вращения турбины, подключенной посредством генератора к электрической сети энергоснабжения, согласно изобретению содержит блок датчика, посредством которого является детектируемым изменение нагрузки турбины, вычислительный блок, посредством которого является вычисляемой скорость детектированного изменения нагрузки, исполнительный блок, посредством которого в случае скорости изменения нагрузки в направлении меньшей нагрузки, которая по модулю больше, чем заранее установленная максимальная скорость изменения нагрузки, является кратковременно приводимым в действие, по меньшей мере, один клапан турбины в направлении его положения закрытия, при этом кратковременно закрывают, по меньшей мере, один клапан турбины; и вычислительный блок, посредством которого являются формируемыми, по меньшей мере, два исполнительных сигнала для установки, по меньшей мере, одного клапана турбины, причем посредством первого исполнительного сигнала из, по меньшей мере, двух исполнительных сигналов обеспечивается приведение в действие в направлении положения открытия клапана турбины и посредством второго исполнительного сигнала из, по меньшей мере, двух исполнительных сигналов обеспечивается приведение в действие в направлении положения закрытия клапана турбины.

В соответствующем изобретению устройстве посредством исполнительного блока в случае слишком большой скорости изменения нагрузки, например, вследствие внезапного частичного сброса нагрузки, непосредственно дросселируют, при необходимости, даже кратковременно закрывают, по меньшей мере, один клапан турбины, так, что предотвращают угрожающую рассинхронизацию и/или быстрое отключение турбины.

Для возможности надежного регулирования частоты вращения турбины после изменения нагрузки посредством вычислительного блока предусмотрены два исполнительных сигнала для приведения в действие, по меньшей мере, одного клапана турбины, первый из этих, по меньшей мере, двух исполнительных сигналов действует только в направлении положения открытия клапана турбины и второй из этих, по меньшей мере, двух исполнительных сигналов действует только в направлении положения закрытия клапана турбины. Таким образом, положение клапана турбины во время эксплуатации турбины является особенно хорошо регулируемым. Для формирования названных исполнительных сигналов в вычислительном блоке может быть реализована, например, программа регулирования турбины, причем посредством исполнительных сигналов частоту вращения турбины регулируют до желаемого значения частоты вращения.

В предпочтительной форме выполнения исполнительные сигналы содержат выходные данные электрического тока, в частности, силу тока в диапазоне 0-20 мА, причем соответственно текущая выходная электрическая сила тока является мерой для степени открытия или соответственно закрытия клапана турбины.

Особенно предпочтительным является выполнение устройства в виде управления с программированием от ЗУ.

Решение поставленной задачи обеспечивается также в варианте выполнения устройства для регулирования частоты вращения турбины, подключенной посредством генератора к сети энергоснабжения, содержащего блок приема сигнала, пропорционального мощности генератора, и сигнала предельного значения частоты вращения вала турбины, выходы которого подключены к блоку формирования управляющего сигнала, который имеет два выхода: выход для текущей частоты вращения, а также выход для текущей частоты вращения, значение которой лежит в заранее установленном диапазоне частоты вращения, в котором согласно изобретению встроен процессор, который формирует на выходах сигнал при временном изменении номинального значения частоты вращения и сигнал при превышении заданного значения относительно максимального временного изменения частоты вращения, подключенный к входу блока формирования управляющего сигнала, второй вход которого связан с датчиком заданного значения для допустимой скорости изменения частоты вращения вала турбины и выходы которого подключены к управляющим входам клапанов турбины, причем один из них воздействует на клапан турбины в направлении "открыто", а другой в направлении "закрыто".

Предпочтительно блок формирования управляющего сигнала выполнить с токовым выходом, на котором значения тока и скорость изменения частоты вращения вала турбины пропорциональны друг другу.

Не менее предпочтительно блок формирования управляющего сигнала выполнить в виде программируемого управляющего блока.

В последующем два примера выполнения изобретения представлены более подробно.

При этом показывают:

фиг.1 - устройство согласно изобретению для регулирования частоты вращения турбины, и

фиг.2 - другое устройство, согласно изобретению.

На фиг.1 представлено согласно изобретению устройство 1 для регулирования частоты вращения турбины 3, подключенной посредством генератора 5 к электрической сети энергоснабжения.

Соответствующее изобретению устройство 1 содержит блок 7 датчика, который для детектирования изменения нагрузки турбины, например, связан с устройством 25 техники управления турбины и получает от него текущие рабочие параметры турбины.

В случае детектированного изменения нагрузки турбины вычислительный блок 9 служит для того, чтобы вычислять текущую скорость изменения нагрузки 10 детектированного изменения нагрузки. Если вычисленная посредством вычислительного блока 9 скорость изменения нагрузки 10 по модулю меньше, чем заранее установленная максимальная скорость изменения нагрузки 13, то посредством исполнительного блока 11 кратковременно дросселируют, в частности кратковременно закрывают клапан 15 турбины 3. За счет этого предотвращается ситуация, чтобы слишком высокая скорость изменения нагрузки, в частности, после внезапного частичного сброса нагрузки привела к рассинхронизации и/или быстрому отключению турбины 3, таким образом, путем краткосрочного дросселирования подачи рабочей среды (например, пара) к турбине 3 предотвращается недопустимое увеличение частоты вращения турбины 3 выше номинальной.

После этого быстрого выравнивания работы турбины после частичного сброса нагрузки частоту вращения турбины 3 регулируют в соответствии с новой ситуацией нагрузки после частичного сброса нагрузки посредством вычислительного блока 17. Для этого вычислительный блок 17 во время работы турбины 3 в случае необходимости непрерывно приводит в действие посредством двух исполнительных сигналов 19, 21 клапан 15 турбины, причем посредством первого исполнительного сигнала 19 является достижимым приведение в действие клапана 15 турбины в направлении его положения открытия и посредством второго исполнительного сигнала 21 является достижимым приведение в действие клапана 15 турбины в направлении его положения закрытия.

За счет применения двух раздельных исполнительных сигналов 19, 21 для установки клапана 15 турбины во время процесса регулирования частоты вращения точность установки клапана 15 турбины повышается, так как и для открывания, и для закрывания клапана 15 турбины в распоряжении имеется вся ширина диапазона исполнительных сигналов 19 или 21 соответственно.

Как показано на чертеже, исполнительный блок 11 и вычислительный блок 17 могут быть реализованы совместно, например, посредством электронной схемы.

Далее второй исполнительный сигнал 21 может быть применен для приведения в действие клапана 15 турбины в направлении его положения закрытия также для согласно изобретению кратковременного дросселирования клапана 15 турбины посредством исполнительного блока 11; однако возможно также предусматривать для этого отдельные сигналы.

Согласно изобретению устройство 1 реализовано предпочтительно посредством управления, программируемого от ЗУ. Обработка аналоговых сигналов при этом происходит предпочтительно с длительностью цикла порядка 13 мс. Кратковременное дросселирование клапана 15 турбины длится предпочтительно порядка 6,5 мс после того, как установлено превышение максимальной скорости изменения нагрузки 13.

Фиг.2 показывает схематично вариант устройства для регулирования частоты вращения турбины.

Устройство для регулирования частоты вращения турбины содержит блок 30, задающий изменение нагрузки турбины 32, датчик 34 сигнала порогового значения частоты вращения вала турбины, блок 36 для формирования управляющего сигнала на клапаны 38 турбины 32, процессор 40, который формирует сигнал скорости изменения нагрузки, включенный между датчиком 34 сигнала порогового значения частоты вращения вала турбины и блоком 36 формирования управляющего сигнала на клапаны 38, блок 42 для задания допустимой скорости изменения нагрузки, подключенный ко второму входу блока 36 формирования управляющего сигнала на клапаны 38, причем блок 36 имеет два выхода, которые подключены к входам для управления положением клапанов 38 турбины, причем один из них воздействует на, по меньшей мере, один из клапанов 38 в направлении "закрыто", а на другой из клапанов в направлении "открыто".

Существо способа заключается в том, что во время эксплуатации турбины постоянно контролируют изменение нагрузки турбины. В случае, если констатируют изменение нагрузки, то определяют скорость, с которой изменяется нагрузка, и затем ее сравнивают с максимально допустимой, причем контролируют направление изменения нагрузки.

Если изменение нагрузки происходит в направлении уменьшения, то посредством управляющего воздействия, по меньшей мере, одним из клапанов турбины управляют в направлении "закрыто", причем частоту вращения турбины устанавливают на номинальную нагрузку.

Устройство для регулирования частоты вращения турбины функционирует, как описано ниже.

Устройство выполнено на основе процессора 40, который функционирует согласно программе, загруженной в его запоминающее устройство, и регулирование частоты вращения турбины в соответствии с изменением нагрузки турбины обеспечивается таким образом, что он приводит ее к номинальному значению.

Изменение нагрузки определяют блоком 30, задающим изменение нагрузки турбины, на сигнал которого об изменении нагрузки процессор 40 вычисляет скорость изменения нагрузки; при превышении максимально допустимого значения блок 36 формирования управляющего сигнала формирует один из управляющих сигналов на клапан 38 турбины 32. В случае приходящего от блока 30 сигнала об изменении нагрузки в направлении уменьшения формируется воздействие для открывания клапана 38, в случае приходящего от блока 30 сигнала об изменении нагрузки в направлении нарастания блок 36 формирования управляющего сигнала на клапаны 38 формирует сигнал для закрывания клапана 38.

Клапан 38 турбины может быть установлен, например, в канале подачи пара, и посредством этого клапана пар от парогенератора может направляться в турбину.

После кратковременного изменения положения клапана частота вращения турбины может регулироваться согласно вновь возникшей рабочей ситуации.

При таком выполнении устройства, по меньшей мере, один клапан турбины изменяет свое состояние вследствие управляющего воздействия.

Кратковременное закрытие клапана 38 турбины обеспечивает то, что возникает противодействие частичному сбросу нагрузки при очень высокой скорости ее изменения, при этом улучшается поведение турбины в процессе эксплуатации, так как нагрузка турбины может хорошо управляться.

Применение двух отдельных управляющих сигналов для управления, по меньшей мере, одним клапаном 38 турбины повышает точность управления.

Управляющие сигналы могут быть в форме электрических токовых сигналов, в частности, с силой тока от 0 до 20 мА, в зависимости от значения сигнала рассогласования.

Для отвода токовых сигналов используют блоки.

Регулирование частоты вращения вала турбины может происходить посредством циклически работающего цифрового машинного оборудования.

Согласно изобретению устройство, в соответствии с фиг.2, а также соответствующий способ могут быть изложены следующим образом.

Изобретение направлено на то, чтобы расширить функциональные возможности путем регистрации скорости, с которой при регулировании частоты вращения изменяется контролируемое значение, что приводит к повышению надежности защиты в аварийных ситуациях.

Способ для регулирования частоты вращения вала турбины, подключенной посредством генератора к электрической сети энергоснабжения, основан на измерении частоты вращения и сравнении ее с номинальной частотой вращения, на контроле значения, а также направления, в котором измеренная частота вращения отклоняется от номинальной частоты вращения, на непрерывном вычислении скорости, с которой изменяется частота вращения вала турбины, и на сравнении ее с заданным значением, причем управляющим сигналом изменяют положение, по меньшей мере, одного клапана турбины. Сформированный управляющий сигнал и скорость, с которой изменяется частота вращения вала турбины, являются при этом пропорциональными друг другу, и в случае управляющего сигнала речь идет о силе тока от 0 до 20 мА или о цифровом управляющем сигнале, который обеспечивает эксплуатацию с цифровым машинным оборудованием.

Устройство для регулирования частоты вращения турбины содержит блок 30, задающий изменения нагрузки турбины 32, датчик 34 сигнала предельного значения частоты вращения вала турбины, блок 36 формирования управляющего сигнала для клапанов 38 турбины 32, процессор 40 для вычисления скорости изменения нагрузки, включенный между датчиком 34 сигнала предельного значения частоты вращения вала турбины и блоком 36 формирования управляющего сигнала для клапанов 38, блок 42, задающий допустимую скорость изменения нагрузки, подключенный ко второму входу блока 36 формирования управляющего сигнала для клапанов 38, причем блок 36 формирования управляющего сигнала для клапанов 38 имеет два выхода, которые подключены к входам для управления положением клапанов 38 турбины, причем один из них воздействует на клапан турбины в направлении "закрыто" и другой - в направлении "открыто".