книги из ГПНТБ / Кисельников В.Б. Системы автоматизации силового дизельного привода

Рассмотрим типичные примеры режимов работы силового ди­ зельного привода.

Наиболее благоприятным случаем, является привод гидравли­ ческих насосов, нагнетающих жидкость в систему постоянного давления. Здесь дизель жестко связан с насосом механической пере­ дачей и работает с постоянной скоростью вращения и постоянным

В реальных установках такого типа всегда имеют место некоторые плавные изменения крутящего момента на валу насоса, связанные с колебаниями давления в системе. При этом регулятор, поддер­ живая заданную скорость вращения, устанавливает необходимую подачу топлива в дизель в соответствии с величиной действующего крутящего момента. При перегрузке дизеля может потребоваться снижение его скорости путем воздействия на всережимный регу­ лятор.

В случае привода бетономешалок, агломерационных мельниц или роторов буровых установок средний крутящий момент на валу потребителя с течением времени медленно увеличивается и умень­ шается в сравнительно узких пределах. Эти изменения крутящего момента сопровождаются наложенными резкими толчками и уда­ рами, имеющими случайный характер. Дизель работает с посто­

няется, в результате чего дизель работает с недоиспользованием мощности. Для сглаживания изменений крутящего момента в транс­ миссии привода применяются дополнительные маховые массы, упругие и гидравлические муфты.

_ При использовании в приводе гидротрансформатора с непро­ зрачной характеристикой становится возможным осуществить ра­ боту дизеля с постоянной скоростью вращения и постоянной на­ грузкой (« д = const, Мл = const). Благодаря гидротрансформа­ тору дизель работает с полной отдачей мощности и изолирован от ударных нагрузок со стороны потребителя. При этом общая ско­ рость выходного вала привода и вала потребителя будет изме­ няться, уменьшаясь при общем'возрастании крутящего момента и увеличиваясь при его падении (пшх — var, Мвък = var). При работе на буровой ротор возникает необходимость уменьшать ско­ рость дизеля во время различных ослржений в скважине. Поэтому для таких приводов также необходим всережимный регулятор скорости.

Привод поршневых буровых насосов, подающих специальный раствор для вращения турбобура и вымывания на поверхность выработанной породы, характеризуется постепенными измене­ ниями во времени крутящего момента на валу потребителя. Этим

12

изменениям сопутствуют ограниченные по величине пульсации, вы­ зываемые неравномерностью развития крутящего момента по углу поворота вала насоса. Таким образом, при отсутствии гидро­

дача топлива изменяются плавно. Для использования в таких уста­ новках по возможности полной мощности дизелей применяются сменные втулки насосов, имеющие различные диаметры. По мере углубления скважины, когда давление на выходе насоса возра­ стает, устанавливаются втулки меньшего диаметра и производи­ тельность насоса соотвественно уменьшается. Благодаря этому потребляемая насосом мощность остается приблизительно по­ стоянной, близкой к номинальному расчетному значению.

При наличии гидротрансформатора дизели в приводе буровых насосов работают в режиме /гд = const, Мл = const, а скорость вращения выходного вала привода меняется в соответствии с из­ менениями нагрузки. В этом случае дизели автоматически рабо­ тают при постоянной полной мощности и обеспечивается макси­ мально возможная при этой мощности производительность бурового насоса. Поэтому применение здесь сменных втулок, в принципе, является необязательным. В узких пределах произ­ водительность буровых насосов может также регулироваться до­

Особый случай работы силового дизельного привода представ­ ляет привод воздушных и газовых компрессоров как магистраль­ ных, так и автономных, питающих расходные ресиверы. В таких установках необходимо поддерживать заданное давление в маги­ страли и ресивере путем изменения производительности компрес­ сора за счет изменения его скорости вращения. Регулирование производительности компрессора осуществляется с помощью спе­ циальной системы регулирования, измеряющей отклонения давления от заданного уровня и воздействующей на орган на­ стройки всережимного регулятора скорости дизеля. Нагрузка ди­ зеля зависит определенным образом от скорости жестко связан­ ного с ним компрессора, поэтому в таких установках дизели рабо­ тают с переменной скоростью и нагрузкой (лд = var, Мл = var). При этом изменения скорости и нагрузки протекают относительно медленно и плавно. Гидротрансформаторы в этом случае не приме­ няются, а всережимные регуляторы дизелей являются необхо­ димыми..

Наиболее тяжелые условия работы силового привода возникают при работе с различными лебедками для подъема грузов, в первую очередь на лебедки буровых установок. В этом случае дизели

Скорость вращения и нагрузка дизелей изменяются цикли­ чески в максимально возможных пределах и в ограниченные про-

13

межутки времени. Такие режимы работы свойственны дизельным

с одновременным нагружением их путем подключения к барабану лебедки. После этого дизели работают некоторое время на посто­ янном режиме, затем нагрузка отключается и скорость вращения снова снижается. При работе на ледебки буровых установок, в за­ висимости от веса колонны буровых труб и от включенной передачи

пз, оВ/мин

на малой скорости холостого хода в течение 40—120 с.

На рис. 3 показана осциллограмма одного цикла подъема груза, отражающая характер изменения нагрузки и скорости вращения дизелей при работе их с лебедками буровой установки «Уралмаш 5Д» через жесткую передачу. Как видно из этого рисунка, в мо­ мент приема нагрузки скорость дизелей может падать вследствие текущей перегрузки на 30% и более от первоначального уровня холостого хода.

В процессе разработки буровых скважин дизели работают на насосы или роторы в относительно стабильном режиме около 25—30% общего времени работ. Работа на лебедку при резко переменных режимах по скорости и нагрузке занимает 20—25% общего времени. Остальное время идет на наладку буровой уста­ новки, подготовку операций и текущий ремонт. Работа дизелей на буровых установках связана с систематическими перегрузками при номинальной и промежуточных скоростях вращения, перера­ сходом топлива, длительной работой на холостом ходу. В резуль-

14

тате на некоторых нефтедобывающих предприятиях средний мото­ ресурс дизелей составляет около 2,5 тыс. ч, а количество дизелей, выходящих из строя в результате аварии, достигнет 30% [2].

Параллельная работа дизелей силового привода чаще всего встречается в приводах магистральных компрессоров, буровых насосов и лебедок. Очевидно, что наиболее трудный случай имеет место в приводе лебедки, где необходима всережимная параллель­ ная работа при переменной нагрузке. Вопросы параллельной работы дизелей силового привода и средства автоматизации, необ­ ходимые для ее обеспечения, подробно рассматриваются в гл. I I I .

Описанные здесь возможные режимы работы силовых дизель­ ных приводов сведены для наглядности в табл. 3.

2. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ЗАДАЧИ

АВТОМАТИЗАЦИИ СИЛОВОГО ДИЗЕЛЬНОГО ПРИВОДА

Системы автоматизации силового дизельного привода выпол­ няют многообразные функции и содержат целый ряд различных по устройству и назначению элементов. Систему автоматизации можно рассматривать как совокупность нескольких видов свя­ занных между собой систем. Каждый вид систем решает свой круг задач и имеет в основе свою структуру и принципы построения. Такими системами являются: системы управления, регулирова­ ния, автоматизации пуска, остановки и обслуживания, автома­ тизации контроля и защиты, управления собственными нуждами.

Состав системы автоматизации и основные функции входящих в нее систем показаны на схеме 1.

Системы управления служат для изменения по определенным законам и задания конечных значений режимов работы дизель­ ных приводов по команде оператора. В процессе управления мо­ жет изменяться скорость вращения дизелей путем воздействия на всережимные регуляторы скорости, нагрузка дизелей путем воз­ действия на элементы передачи к потребителю, а также могут со­ гласовываться нагрузки параллельно работающих дизелей. Си­ стемы .управления основываются на устройствах аналогового типа и следящих цепях управления. Для управления силовым дизельным приводом необходимы системы дистанционного авто­ матизированного управления (ДАУ), в которых все промежуточ­ ные, вспомогательные и предохранительные операции выпол­ няются автоматически.

Системы регулирования служат для автоматического поддер­ жания и ограничения задаваемых оператором или эксплуатацион­ ных параметров дизелей при изменении внешних условий работы. Сюда относятся системы регулирования скорости вращения, давления наддува, температуры воды в системе охлаждения, тем­ пературы наддувочного воздуха, температуры масла и др. Спе­ цифическими системами регулирования силового дизельного

16

привода являются системы регулирования приводного оборудова­ ния, в которых исполнительное воздействие осуществляется на первичные двигатели (например, регулирование производи­ тельности компрессора путем изменения скорости вращения дизеля).

Системы автоматизации пуска, остановки и обслуживания пред­ ставляют собой разновидность систем управления. Они характе­ ризуются одноразовым воздействием на командный орган, в ре­ зультате которого выполняется одна или несколько операций. Такие системы строятся на дискретных устройствах, обеспечиваю­ щих работу системы по заданному алгоритму.

Системы автоматизации контроля и защиты объединяют авто­ матические устройства, связанные с сигнализацией предельных и текущих значений параметров дизеля при диспетчерском и ди­ станционном контроле. Наиболее простыми и распространенными являются системы аварийцо-предупредительной сигнализации и защиты. Сюда относятся системы автоматического контроля по вызову, а также системы обегающего контроля с заданной частотой, применяемые при диспетчерском надзоре миогоагрегатных станций.

Большинство выпущенных до настоящего времени силовых приводов характеризуется низким уровнем автоматизации. Для дистанционного управления скоростью вращения дизелей приме­ няются простейшие механически тросовые системы управления, а также недостаточно совершенные пневматические системы пря­ мого действия. Такие системы имеют низкую точность, снижаю­ щую коэффициент использования мощности дизелей и производи­ тельность силовых приводов.

Степень загрузки отдельных дизелей при параллельной работе на действующих установках определяется по температуре выхлоп­ ных газов или по поплавковым расходомерам топлива. Оба прибора дают ориентировочные показания и позволяют лишь косвенно судить о качестве параллельной работы дизелей. Никаких спе­ циальных систем для автоматического согласования нагрузок дизе­ лей силового привода до последнего времени не разрабатывалось.

Системы регулирования скорости ващения дизелей существую­ щих силовых приводов основываются на обычных всережимных регуляторах, которые не приспособлены для дистанционного управления и не обеспечивают необходимых статических харак­ теристик регулирования скорости.

Применяемые системы аварийно-предупредительной сигнали­ зации и защиты не обеспечивают контроля всех необходимых рабо­ чих параметров дизелей. Как правило, на приводах отсутствуют дистанционные пульты управления и автоматизации. Системы автоматической подготовки пуска на серийных дизелях, предна­ значенных для силового привода, до последнего времени вообще не применялись.

Отмеченные недостатки систем автоматизации и широкое рас­ пространение дизельных приводов в различных областях техники

18

потребовали создания новых систем, отвечающих предъявляемым к ним современным требованиям. Разработки таких систем авто­ матизации были выполнены за последнее время на ряде отечест­ венных заводов и предприятий.

Вновь разработанные системы свидетельствуют о растущей потребности в автоматизации силовых дизельных приводов и позволяют решить первостепенные вопросы в этой области. Однако эти системы только начинают развиваться и далеко не исчерпывают решения всех возникающих задач как с точки зрения охвата авто­ матизацией всех дизелей силового привода, так и с точки зрения качественного уровня и объема автоматизации.

Рассмотрим основные задачи автоматизации силовых дизель­ ных приводов.

Общая задача автоматизации силовых приводов заключается прежде всего в достижении их максимальной производительности при минимальных затратах на эксплуатацию. В связи с этим си­ стемы автоматизации должны обеспечивать отдачу дизелями пол­ ной мощности на основных режимах их работы, предотвращая в то же время недопустимые перегрузки. Системы автоматизации должны также сокращать затраты труда и времени на обслужива­ ние дизельных приводов и повышать их надежность.

В области управления дизельными приводами задача состоит в создании надежных групповых систем дистанционного автомати­ зированного управления. Такие системы должны обладать необ­ ходимым быстродействием, плавностью и точностью установки скорости вращения дизелей, а также обеспечивать согласование их нагрузок при параллельной работе. Для автоматического со­ гласования нагрузок требуются специальные системы, сравни­ вающие и корректирующие нагрузку отдельных дизелей.

Системы управления дизельным приводом включают следя­ щие цепи, благодаря которым каждому положению управляющего органа соответствует определенный режим работы дизеля. Для

специфика применения таких систем в условиях дизельных уста­ новок. Некоторые аспекты анализа работы следящих систем управления дизелями рассматриваются в гл. I I I .

При всережимной работе дизельных приводов лебедок и гидро­ насосов буровТйх установок возникает задача объединенного управ­ ления дизелями и связанными с ними агрегатами. В случае при­ вода лебедок система управления должна воздействовать на' всережимный регулятор скорости и на оперативную муфту передачи к лебедке, осуществляя изменение скорости вращения дизелей и их нагружение. Эти операции должны выполняться по некоторой оптимальной программе, при которой достигается минимальное время циклов подъема, минимальный расход топлива дизелями, отсутствует недопустимая перегрузка дизелей и оперативной

19

•муфты и т. д.' Создание таких программных систем управления яв­ ляется делом ближайшего будущего. При этом прежде всего необ­ ходимо исследовать переходные процессы управления дизелями с механическими и гидравлическими передачами к лебедке и вы­ являть оптимальные методы управления. Результаты такого тео­ ретического и экспериментального исследования приведены в гл. I I .

Система управления привода буровых насосов должна уста­ навливать скорость вращения дизелей и одновременно действовать на тормоз лебедки, определяющий нагрузку на буровой инстру­ мент. При этом мощность дизелей автоматически поддерживается постоянной, близкой к ее номинальному значению. Разработка систем такого типа является вопросом более отдаленного буду­ щего и требует проведения специальных теоретических и экспери­ ментальных исследований.

Системы дистанционного управления силовых дизельных при­ водов могут быть пневматическими, электрическими, гидравли­ ческими и комбинированными. Пневматические системы управле­ ния находят наибольшее распространение ввиду сравнительной простоты их устройства, низкой стоимости, надежности в работе, а также благодаря использованию сжатого воздуха, в большин­ стве случаев имеющегося на приводимых установках. В приводах агрегатов буровых установок дополнительным и решающим пре­ имуществом пневматических систем является их взрывобезопасность. Недостаток пневматики заключается в опасности замерза­ ния влаги воздуха при работе системы в условиях низких темпе­ ратур, а также коррозионной агрессивности влажного воздуха. Поэтому пневматические системы требуют тщательной осушки и очистки поступающего в них воздуха.

Электрические системы управления также находят применение в силовых приводах, однако встречаются реже. Они работают обычно на постоянном токе напряжением 24 В или на переменном токе.напряжением 127 В и питаются от стартерных аккумулято­ ров или от осветительной сети. Электрические системы конструк­ тивно сложнее пневматических и требуют высококвалифицирован­ ного обслуживания. Чисто гидравлические .следящие системы управления, как правило, не используются, поскольку их быстро­ действие и точность зависят от температуры (вязкости) рабочего тела. Гидравлические следящие-исполнительные устройства управ­ ления применяются в случае регуляторов непрямого действия. При этом они встраиваются в регуляторы и питаются от его авто­ номной гидравлической системы. Дистанционный управляющий сигнал вводится с помощью пневматической или электрической передачи. Применяются также другие типы комбинированных систем, например электропневматические. Примеры подобных систем описаны в гл. V.

В области систем регулирования скорости дизелей силовых приводов возникают задачи модернизации существующих и со-

20

здания новых специализированных регуляторов скорости. Такие всережимные регуляторы должны поддерживать заданную ско­ рость вращения дизеля в достаточно широких пределах и иметь, как правило, встроенные следящие исполнительные устройства дистанционного управления. Регуляторы скорости могут быть прямого и непрямого дейстрия. Отличительной особенностью ре­ гуляторов дизелей силового привода является наличие корректора статической характеристики регулирования, который позволяет получить регламентированное увеличение подачи топлива и кру­ тящего момента дизеля при падении его скорости под влиянием перегрузки.

Новые задачи возникают также в области создания специали­ зированных систем сигнализации и защиты силовых дизельных приводов и систем автоматизированного пуска дизелей. Здесь требуется разработка соответствующих алгоритмов работы систем с учетом специфики применения силовых приводов и необходимо проведение теоретических и экспериментальных исследований процессов подготовки и пуска дизелей.

По мере накопления опыта создания и эксплуатации систем автоматизации дизельных приводов, в дальнейшем намечаются также большие задачи, связанные с унификацией и типизацией применяемых систем.

3. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМАМ ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ

Принципиальная схема основных систем автоматизации сило­ вого дизельного привода показана на рис. 4. Схема входящей сюда системы ДАУ включает следующие основные элементы: блок питания 1, главный дистанционный пост управления установкой 2, секционный пост управления дизелиста 3 и исполнительные уст­ ройства 4 на дизель 6. Система регулирования включает регуля­ тор скорости 5, действующий на топливный насос дизеля. Системы пуска, контроля и защиты включают пульты на постах управле­ ния, а также датчики и исполнительные устройства, навешенные на дизель. Данная схема в принципе остается неизменной при лю­ бом числе параллельно работающих дизелей.

Главный пост управления имеет органы управления дизель­ ным приводом и потребителем мощности. Например, .в случае привода буровой лебедки на этом посту находятся: "кран опера­ тивной муфты лебедки, кран реверса, кран включения ротора, кран раскрепителя труб, рычаг тормоза лебедки и другие органы. Здесь же монтируется задатчик скорости вращения для одного или группы дизелей, который может управляться ручным рычагом или педалью. Главный пост оборудуется тахометрами дизелей, индикаторами аварии дизеля и включения дистанционного управ­ ления, а также кнопками аварийной остановки дизелей. Послед-

21