37372

Стабилизация частоты вращения вала паровой турбины с помощью мехатронных систем

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Паровая турбина В данном курсовом проекте рассматривается тема стабилизация частоты вращения вала паровой турбины с помощью мехатронных систем.1Схема привода стабилизации частоты вращения вала паровой турбины с помощью баипаса. В сравнении с газовыми турбинами системы управления паровых турбин должны сохранять управляемость во всем диапазоне тепловой мощности турбины.Типовая схема паровой турбинной группы Пар от источника проходит к ступени высокого давления паровой турбины через два главных паровых регулирующих клапана поз.

Русский

2013-09-24

2.78 MB

28 чел.

Введение

Рисунок.1. Паровая турбина

  В данном курсовом проекте рассматривается тема стабилизация частоты вращения вала паровой турбины с помощью мехатронных систем. Современный этап развития паротрубостроения характеризуется увеличением агрегатных мощностей, повышением начальных параметров пара и т.д.

  В практическом освоении высоких начальных параметров пара одной  из основных проблем, является наличие относительно дешевых материалов для деталей, работающих  при высоких температурах и давлении, что определяется уровнем развития металлургии в области жаропрочных сталей и их сплавов.  

Мехатроника — это новая область науки и техники, посвященная созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерным управлением движением, которая базируется на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов".Мехатроника является научно-технической дисциплиной, которая изучает построение электромеханических систем нового поколения, обладающих принципиально новыми качествами и, часто, рекордными параметрами. При этом система в истинно мехатронном подходе. Мехатронный подход заключается в концепции мехатроники и принципах построения и организации мехатронных систем.

Некоторые исследователи видят главную суть мехатроники в объединении, прежде всего, механики и электроники, в отличие от электромеханики, появившейся в свое время на стыке механики и электротехники. Цель в Мехатронике - достижение наибольшей экономической, технической эффективности и конкурентоспособности создаваемых мехатронных устройств и систем."Мехатронный модуль - это функционально и конструктивно самостоятельное изделие для реализации движений с взаимопроникновением и синергетической аппаратно-программной интеграцией составляющих его элементов, имеющих различную физическую природу".К элементам различной физической природы относят механические, электротехнические, электронные, цифровые, пневматические, гидравлические, информационные и т.д. компоненты."Мехатронная система — совокупность нескольких мехатронных модулей и узлов, синергетически связанных между собой, для выполнения конкретной функциональной задачи".

   

1. Анализ вариантов схемных решений

1.1. Выбор и обоснование схемы привода стабилизации частоты вращения вала паровой турбиной

1.1.1Схема привода стабилизации частоты вращения вала паровой турбины с помощью баипаса.

В сравнении с газовыми турбинами, системы  управления паровых турбин должны сохранять

управляемость во всем диапазоне тепловой мощности турбины. Управление газовой турбиной происходит за счет изменения количества топлива, подаваемого в камеру сгорания газотурбинного двигателя (подобно насосу-инжектору в дизельном двигателе); в паровой турбине клапаны управления регулируют весь поток пара, подава-емого на турбину. Номинальные размеры паровых клапанов, величины давления и температуры пара, воздействию которых подвергаются компоненты гидравлического оборудования, значительно выше, чем у газовых турбин. В результате управляющие усилия должны быть намного выше, поэтому габариты и нагрузки пружин гидроприводов увеличиваются. Типовая схема паровой турбинной группы в комплекте с необходимыми паровыми клапанами показана на рис. 2.

Рисунок.2.Типовая схема паровой турбинной группы

Пар от «источника» проходит к ступени высокого давления паровой турбины через два главных паровых регулирующих клапана, поз. 1.1 и поз. 1.2. После первого цикла расширения, пар поступает на ступень среднего давления паровой турбины, через отсечные клапаны поз. 2.1 и поз. 2.2. После ступени среднего давления пар проходит через ступень низкого давления к конденсатору и далее, в виде конденсата, возвращается в технологический процесс. Для сохранения управляемости частотой вращения технологическо на случай нештатных ситуаций и отказов предусмотрены байпасные линии высокого давления поз. 4, среднего давления поз. 5 и низкого давления поз.6.

Использование байпасных линий позволяет направлять подачу пара в обход турбины. Встроенные клапаны управления турбиной разрабатываются и изготавливаются производителем турбины. В зависимости от места установки клапана в системе рабочая температура может достигать 550 °C, а диапазон изменения давления –8-300 бар. Каждый клапанный блок включает

в себя отсечной клапан быстрого запирания и регулирующий клапан управления.Функции обеспечения безопасности иуправления предусмотрены для каждого клапанного блока. К корпусу клапана крепятся

два гидропривода (Cм. рис. 3).

И

ТЕХНО

Рисунок.3. Корпус клапана с гидроприводом

Независимо от привода все требуемые функции управления объединены в одном клапанном блоке. Оба узла привода напрямую соединены с блоком управления. Закрытие клапана обеспечивается пакетом пружин.

Компания Bosch Rexroth производит комплектные серии гидроприводов и пакетов пружин для различных паровых клапанов. Диапазон диаметров – 110-240 мм, а диапазон изменения хода составляет 50-250 мм. Привод представляет собой модульную конструкцию, состоящую из различных функциональных блоков; в стандартный ряд диаметров входят три типоразмера корпусов и три типоразмера пакетов пружин. (Рис. 4).

Рисунок.4.Типоразмеры пакетов пружин

Приводы и пакеты пружин среднего и большего размерных рядов могут быть взаимозаменяемы, что позволяет для этих серий охватить спектр паровых клапанов для турбин мощностью 50-1000 MW. Паровые клапаны удерживаются в открытом положении гидроприводом, преодолевающим усилие пружинного блока, что контролируется сервораспределителем в

замкнутом контуре управления. Каждый клапанный блок включает в себя отсечной клапан быстрого запирания и регулирующий клапан  управления.

Отсечка подачи пара может быть реализована приводами управления, которые обладают приоритетной функцией быстрого закрытия. При закрытии клапана (120-200 милли-секунд) поток масла с высоким расходом (2000-3000 л/мин. для больших гидравлических цилиндров) направляется

напрямую в противоположную часть цилиндра. Подобно приводам для газовых турбин, во время быстрого закрытия не происходит возврата масла к гидравлической станции. Поэтому подсоединение к питающей гидравлической станции необходимо подбирать только из условия

обеспечения операций регулирования. В конструкции типовой гидравлической станции для управления главными паровыми клапанами предусмотрены резервные насосные группы, водомасляный теплообменник, распределительная аппаратура и фильтры очистки гидравлической жидкости.

 

1.1.2Система управления частоты вращения турбины построенная на центробежном датчике.

      На рисунке5 показана принципиальная схема системы управления  скоростью вращения паровой турбины. Эта система состоит из центробежного датчика скорости и гидравлического сервомеханизма «золотник-поршень». Центробежный датчик создает механическое перемещение плунжера золотника, зависящее от скорости вращения турбины  Так как на выходе этого датчика сила и перемещение невелики, то чтобы по-                     лучить мощность, достаточную для управления клапаном регулирующим расход пара к турбине, его нужно усилить с помощью гидравлического сервомеханизма «золотник –поршень».

       Система управления работает таким образом, что плунжер клапана регулирующего расход пара, всегда занимает положение,  обеспечивающее расход, потребный для вращения турбины с заданной скоростью.

Рисунок.5.  Система управления частоты вращения турбины построенная на центробежном датчике

       

1.1.3Система управления частоты вращения турбины построенная на пропорциональной гидравлике с возможностью реверса турбины.

На рисунке 6  представлена система управления частоты вращения турбины построенная  на пропорциональной гидравлике с возможностью реверса турбины. С тахогенератора, установленного на валу турбины поступает сигнал на усилитель настроенный на определенный интервал частот вращения вала. После поступления сигнала на усилитель, усилитель подает сигнал на пропорциональные магниты распределителя.

 

Рисунок.6. Система управления частоты вращения турбины построенная на пропорциональной гидравлике с возможностью реверса турбины

       

1.1.4Система управления частоты вращения турбины построенная на пропорциональной гидравлике с управлением от усилителя «сопло –заслонка».

На рисунке 7 изображена принципиальная схема системы управления вращения паровой турбины. С тахогенератора,  установленного на валу  паровой турбины, поступает сигнал на усилитель, с усилителя сигнал поступает на пропорциональный магнит который, либо притягивает, либо отталкивает заслонку , с усилителя «сопло-заслонка» сигнал поступает на пропорциональный распределитель. Распределитель управляет гидроцилиндром одностороннего действия на котором закреплена дросселирующая расход заслонка на входе в турбину, тем самым обеспечивается постоянство частоты вращения вала.

Рисунок.7. Система управления частоты вращения турбины построенная на пропорциональной гидравлике с управлением от усилителя «сопло –заслонка»

1.1.5Система управления частоты вращения турбины построенная на пропорциональной гидравлике

На рисунке 8   изображена принципиальная схема управления частоты вращения турбины построенная на пропорциональной гидравлике. С потенциометра подается постоянный сигнал, который мы принимаем за заданное значение вращения вала, на компаратор, который сравнивает заданное  значение вращения вала с текущим значением от тахометра, установленного на вал турбины. После компаратора сигнал поступает на задатчик,  после задатчика сигнал  поступает на усилитель, который управляет магнитом пропорционального распределителя, который в свою очередь управляет гидроцилиндром одностороннего действия, на котором закреплена  дросселирующая заслонка на входе в паровую турбину,  что позволяет   регулировать частоту вращения вала. Данное управление принимаем за базовую схему курсового проекта

Рис.8. Система управления частоты вращения турбины построенная на пропорциональной гидравлике

1.1.6 Описание выбранной системы, регулирования частоты вращения вала паровой турбины

На рис. 9 изображена конструктивная блок схема системы, регулирования частоты вращения вала паровой турбины.

Рисунок.9. Конструктивная блок схема системы, стабилизации частоты вращения вала паровой турбины

На компаратор подается два сигнала, заданное значение частоты вращения (подается с персонального компьютера  либо с потенциометра) и действительное значение частоты вала паровой турбины, который подается с тахогенератора, который в свою очередь связан с дросселирующей задвижкой  на входе в паровую турбину, которая регулируется, в нужном диапазоне, с помощью гидропривода , который управляется в свою очередь пропорциональной гидравликой , которая управляется пропорциональным магнитом, на который подается сигнал через усилитель с компаратора.

   Таким образом в системе имеется обратная связь, что приводит к улудшению работы системы в целом.

2.Динамический расчет привода системы, стабилизации частоты вращения вала    паровой турбины

2.1 Математическое представление компонентов  системы, стабилизации    частоты вращения вала паровой турбины при втягивании штока

В систему с гидроцилиндром с определенными параметрами изображенный  на рис.10  подается рабочая жидкость.

Рисунок.10. Принципиальная схема

Структурная схема рассматриваемой задачи представлена на рисунке

Рисунок.11. Структурная схема

  1.  Питание
  2.  Дроссель не регулируемый
  3.  Гидравлический тройник
  4.  Емкость с переменным объемом
  5.  Гидроцилиндр
  6.  Механический тройник
  7.  Масса
  8.  Пара трения
  9.  Пружина
  10.   Заземление

Математическое описание элементов схемы

Р11= Р (t)

Q11= Q (t)

P21= Р11

Q21= Q11

Q22= μƒ   * P11-P41

Q31=Q22

Q32=Q31-Q33

Q41=Q32

= (E/V0+V52 )*Q41=P41
F52=( (π*D2)/4-(π*d2)/4)*P41

Q33= υ52*( (π*D2)/4-(π*d2)/4)

=F/m71 = υ52  ∫ h52

h52=h63

h91=h63

F8=b*(υ 81 82)

F9=C*(h91-h92)

F= F5-F9-F8

Рисунок.12. Математическая модель  схемы

 

Рисунок.13 . График давления возникающий в полости цилиндра

Крутизна графика давления обуславливается тем, что для того чтобы в полости было постоянно растущее давление , давление в штоковой  должно преодолеть сначала силу трения, а также усилие пружины.

Рисунок.14 . График перемещения штока гидроцилиндра

Начальная площадка на графике перемещения обуславливается тем ,что для начала перемещения цилиндр должен преодолеть силу страгивания, а так же

Силу пружины , которая зависит от ее упругости.

 

Рисунок.15. График расхода в гидроцилиндре

Понижение расхода на графике обуславливается тем, что полость гидроцилиндра не бесконечна.  

Рисунок.16. График скорости штока гидроцилиндра

График скорости штока цилиндра, как и должно, быть обратнопропорционален  графику расхода.

3. Проектирование гидропривода системы стабилизации частоты вращения вала паровой турбины

3.1.  Расчет гидроцилиндра

Рис17. Конструктивная схема гидроцилиндра

Для определения диаметра штока произведем расчет на деформацию:

, где Δl = 0,0003 м – принятая допустимая деформация штока;

 N = 15 кН – нагрузка на шток;

 Е = 2,2*10 МПа – модуль упругости;

 l = 0,3 м – принятая длина штока;

 F = Π*d2/4 – площадь поперечного сечения штока.

Отсюда определим диаметр штока:

Принимаем диаметр штока d = 12 мм согласно ГОСТ 6540-68.

Внутренний диаметр цилиндра примем D = 50 мм по ГОСТ 6540-68.

Рассчитаем рабочее давление по формулам:

Отсюда:      

Принимаем давление равное 4МПа

Определим толщину стенки

В качестве материала гильзы гидроцилиндра выбираем Сталь 45

ГОСТ 50-20 σдоп= 240 МПа.

Согласно третей и четвертой теориям прочности:

где S – толщина стенки цилиндра; D – внутренний диметр цилиндра; σ – допустимое напряжение; р  - рабочее давление.

Принимаем S = 8 мм.

3.2. Определение расходов потребляемых цилиндром

Работа гидроцилиндра осуществляется при втягивании штока.

Расход при втягивании

,

Рабочие площади гидроцилиндра:

Произведем расчет потребной  скорости:

Рассчитываем силу

4. Выбор аппаратуры гидропривода системы стабилизации частоты вращения вала паровой турбины

4.1.Выбор насоса

Так как в системе требуется быстродействие, то выбор насоса осуществляем по  расходу:

Выбираем пластинчатый насос фирмы Ponar wadowice 

VANE PUMP TYPE V3/12

  •  Рабочий объем   
  •  Давление на выходе
  •  Частота вращения вала
  •  Рабочая подача

4.3. Выбор распределительного клапана

В гидроприводе стабилизации частоты вращения вала паровой турбины используется пропорциональный

4/2 – распределитель с электромагнитным управлением.

Выбираем пропорциональный распределитель фирмы Rexroth

 DLHZO-TES-PS-04-0-L *

 Так как в данном приводе используется разные уровни расхода, то необходимо определить уровень управляющего сигнала для каждого из них. Уровень входного сигнала определяется по графику зависимости расхода от входного сигнала .  Смотри приложение

4.4.Выбор рабочей жидкости

В гидравлическом приводе стабилизации частоты вращения вала паровой турбины, используется пропорциональный распределительный клапан, что позволяет производить установку разных расходов,  но требует высокого качества рабочей жидкости. Исходя из приведенных выше данных, в качестве рабочей жидкости выбираем минеральное масло ISO (VG46) .

4.5. Выбор фильтров

В качестве фильтра предварительной очистки, устанавливаемого на всасывающей линии, выбираем фильтр фирмы Rexroth ABZFR-S0050-10-1X/M-A визуальным индикатором загрязнения ABZFV-RV2-1X/M-A.

На выходе из насоса установим фильтр ABZFD-S0040-10 420-1X/M-A.
5. Гидравлический расчет

Задача расчета – определение диаметров трубопроводов и потер давления, которые возникают в процессе работы привода.

Рассчет ведется для участков, которые имеют одинаковый расход.

Внутренний диаметр трубы:

                                      ,

где    Q – расход на данном участке,

      V – средняя скорость жидкости.  

Средняя скорость жидкости в трубопроводах принимается:

для всасывающих  V=1,5 м/ с;

для сливных         V= 2 м/ с;

для напорных  при p = 6... 10 МПа - V= 5...6 м/с.

Определяем диаметры трубопроводов:

  •  всасывающий:

                     .

Согласно ГОСТу 8732-78 принимаем: dвс = 8мм.

  •  напорный:

                    .

Согласно ГОСТу 8732-78 принимаем: dн = 4 мм.

  •  сливной:

                    .

Согласно ГОСТу 8732-78 принимаем: dзл = 10 мм.

По принятому діаметру расчитаем действительную скорость жидкости в трубопроводе:

  •  всасывающий:

                           .

  •  напорный:

                           .

  •  сливной:

                     

                           .

Визначимо витрати тиску на тертя з виразу:

                               ,

де   - коефіцієнт тертя;

    - щільність рідини;

     - довжина ділянки;

   - дійсна середня швидкість рідини;

   - діаметр труби.

Коефіцієнт тертя  залежить від режиму течії рідини і визначається по числу Рейнольдса:

                                             .

При Re>2300 – турбулентний режим

Коефіцієнт Дарсі :

При Re<2300 – ламінарний режим

Коефіцієнт Дарсі :

                                             .

Втрати на місцевих опорах:

,

де  - коефіцієнт місцевого опору

Втрати на гідравлічних апаратах:

Коэффициент трения λ зависит отрежима течения жидкости и определяется числом Рейнольдса:

.

При Re>2300 – турбулентный режим

Коэффициент Дарси :

При Re<2300 – ламинарный режим

Коэффициент Дарси:

                                             .


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

68099. Урок - КВН в 6 классе 47 KB
  Каждая команда состоит из 5 человек. Задание для капитанов: Какое значение имеют план местности и географическая карта для человека его хозяйственной деятельности Команда Горизонталь Какой пролив имеет больше воды Гудзонов или Мексиканский Ваше мнение. Команда Параллель Три самолета одновременно...
68100. КВК «Розумники і розумниці» 48.5 KB
  Мета заходу: узагальнити і систематизувати знання і навички учнів з трудового навчання; розвивати логічне мислення, пам’ять; виховувати інтерес до різноманітних видів рукоділля та прикладного мистецтва. Оформлення залу: плакати з зображеннями людей різних професій, приказок про працю.
68101. ІСТОРИЧНИЙ КВК СТАРОДАВНІ ЄГИПЕТ ТА МЕЖИРІЧЧЯ 74.5 KB
  Її називали Першою серед найвродливіших і правила вона Єгиптом 22 роки. Його називали великим завойовником який здійснив 17 військових походів і розширив територію Єгипту у 3 рази завоювавши Сирію Палестину і Нубію. Рамзес ІІ Ця жінка з ніжними рисами обличчя з лебединою шиєю великими видовженими очима...
68102. КВК – асорті 46.5 KB
  Команда вибирає капітана і назву виготовляє емблему готує вітання і домашнє завдання. Домашнє завдання командам: а випустите Математичну газету б придумати емблему кабінету математики в підготувати запитання супернику з курсу геометрії алгебри 67 класів. Два художники від кожної команди виконують такі завдання...
68104. Українське читання (Урок – КВК позакласного читання) 34.5 KB
  Поглибити знання учнів про казки. Виховувати любов до казки як твору де перемагає добро і добра сила. Виставка книг казки; збірка Позакласне читання на кожній парті; матеріал для гри хто прислав телеграму; букви для складання назв казок; книжка Українські народні казки...
68105. Урок-подорож Україною. Узагальнення знань учнів про природні зони України 58.5 KB
  Узагальнити систематизувати знання учнів з вивченого розділу створити цілісну картину природи України. Виховувати любов до рідного краю почуття дружби взаємовиручки а також формувати почуття відповідальності за збереження довкілля природних багатств України.
68106. Мово українська, гордосте моя! 576.5 KB
  Розширювати знання про красу і багатство української мови. Виховувати любов до рідної мови рідного краю його традицій почуття поваги до всього свого українського бажання розмовляти рідною мовою. Шевченка плакати Без мови рідної юначе й народу нашого нема Пісня душа народу...
68107. Визитка «Путешествие в страну дорожных знаков» 71 KB
  Звучит мелодия из передачи Сердце Африки на фоне мелодии звучат слова и проходят участники команды ЮИД Команда Горячая десятка из Краснодона завершая свой кругосветный информационно-просветительский тур добралась до сердца Африки. ЮИД не подведёт Звучит песня Остров невезения...