1 المقدمة
يُعدّ مُنظّم التوربينات أحد أهمّ مُعدّات التنظيم في وحدات توليد الطاقة الكهرومائية. فهو لا يقتصر دوره على تنظيم السرعة فحسب، بل يُؤدّي أيضًا إلى تحمّل ظروف عمل مُختلفة، بما في ذلك تحويل التردد، والقدرة، وزاوية الطور، وغيرها من التحكّم في وحدات توليد الطاقة الكهرومائية، وحماية عجلة المياه. وقد مرّ مُنظّم التوربينات بثلاث مراحل من التطوير: المُنظّمات الهيدروليكية الميكانيكية، والمُنظّمات الكهروهيدروليكية، والمُنظّمات الهيدروليكية الرقمية الدقيقة. في السنوات الأخيرة، أُدخلت وحدات التحكّم القابلة للبرمجة في أنظمة التحكّم في سرعة التوربينات، والتي تتمتّع بقدرة عالية على مقاومة التداخل وموثوقية عالية؛ وبرمجة وتشغيل بسيطين وسهليْن؛ وهيكل معياري، وتعدد استخدامات جيد، ومرونة، وسهولة في الصيانة؛ كما أنّه يتمتّع بمزايا وظيفة تحكّم قويّة وقدرة على القيادة؛ وقد تمّ إثبات فعاليّته عمليًّا.
في هذه الورقة، يُقترح البحث في نظام الضبط المزدوج للتوربينات الهيدروليكية PLC، ويُستخدم فيه جهاز تحكم قابل للبرمجة لتحقيق الضبط المزدوج لريشة التوجيه والمجداف، مما يُحسّن دقة التنسيق بينهما في مختلف منابع المياه. وتُظهر التجربة أن نظام التحكم المزدوج يُحسّن من معدل استخدام طاقة المياه.
2. نظام تنظيم التوربينات
2.1 نظام تنظيم التوربينات
تتمثل المهمة الأساسية لنظام التحكم في سرعة التوربين في تغيير فتحات ريش التوجيه الخاصة به من خلال المُنظِّم عند تغير حمل نظام الطاقة وانحراف سرعة دوران الوحدة، وذلك للحفاظ على سرعة دوران التوربين ضمن النطاق المحدد، مما يضمن تشغيل وحدة المولد. تلبي طاقة الخرج والتردد متطلبات المستخدم. يمكن تقسيم المهام الأساسية لتنظيم التوربين إلى تنظيم السرعة، وتنظيم الطاقة النشطة، وتنظيم مستوى الماء.
2.2 مبدأ تنظيم التوربينات
وحدة توليد الطاقة الكهرومائية هي وحدة تُشكَّل بربط توربين مائي ومولد كهربائي. الجزء الدوار من مجموعة المولدات الكهرومائية هو جسم صلب يدور حول محور ثابت، ويمكن وصف معادلته بالمعادلة التالية:
في الصيغة
——عزم القصور الذاتي للجزء الدوار من الوحدة (كجم/م2)
——السرعة الزاوية للدوران (راديان/ثانية)
—عزم دوران التوربين (نيوتن/متر)، بما في ذلك الخسائر الميكانيكية والكهربائية للمولد.
——عزم مقاومة المولد، الذي يشير إلى عزم العمل لجزء المولد الثابت على الدوار، يكون اتجاهه معاكسًا لاتجاه الدوران، ويمثل خرج الطاقة النشطة للمولد، أي حجم الحمل.
عند تغير الحمل، يبقى فتح ريشة التوجيه دون تغيير، ويمكن تثبيت سرعة الوحدة عند قيمة معينة. ولأن السرعة ستنحرف عن القيمة المقدرة، فلا يكفي الاعتماد على قدرة ضبط التوازن الذاتي للحفاظ على السرعة. وللحفاظ على سرعة الوحدة عند القيمة المقدرة الأصلية بعد تغير الحمل، يتضح من الشكل 1 ضرورة تغيير فتحة ريشة التوجيه وفقًا لذلك. فعندما ينخفض الحمل، وعندما يتغير عزم المقاومة من 1 إلى 2، ستنخفض فتحة ريشة التوجيه إلى 1، وستظل سرعة الوحدة ثابتة. لذلك، مع تغير الحمل، يتغير فتح آلية توجيه الماء تبعًا لذلك، بحيث يتم الحفاظ على سرعة وحدة المولد المائي عند قيمة محددة مسبقًا، أو تتغير وفقًا لقانون محدد مسبقًا. هذه العملية هي ضبط سرعة وحدة المولد المائي. أو تنظيم التوربينات.
3. نظام التعديل المزدوج للتوربين الهيدروليكي PLC
يتحكم مُنظِّم التوربين في فتح ريشات توجيه المياه لضبط تدفق المياه إلى مُشغِّل التوربين، مما يُغيِّر عزم الدوران الديناميكي للتوربين ويُتحكَّم في تردد وحدة التوربين. ومع ذلك، أثناء تشغيل توربينات المجداف الدوارة ذات التدفق المحوري، لا يقتصر دور المُنظِّم على ضبط فتحات ريش التوجيه فحسب، بل يضبط أيضًا زاوية ريش المشغِّل وفقًا لقيمة شوط وارتفاع الماء لتابع ريشة التوجيه، بحيث تكون ريشة التوجيه والريشة متصلتين. يُحافظ على علاقة تعاونية بينهما، أي علاقة تنسيق، تُحسِّن كفاءة التوربين، وتُقلِّل تجويف الريشة واهتزاز الوحدة، وتُعزِّز استقرار تشغيل التوربين.
يتكون جهاز التحكم PLC في نظام ريش التوربينات بشكل رئيسي من جزأين: وحدة تحكم PLC ونظام السيرفو الهيدروليكي. أولاً، دعونا نناقش هيكل جهاز التحكم PLC.
3.1 وحدة تحكم PLC
تتكون وحدة تحكم PLC بشكل رئيسي من وحدة إدخال، ووحدة PLC أساسية، ووحدة إخراج. تتكون وحدة الإدخال من وحدة تحويل تناظري/رقمي (A/D) ووحدة إدخال رقمية، بينما تتكون وحدة الإخراج من وحدة تحويل رقمي/تناظري (D/A) ووحدة إدخال رقمية. وحدة تحكم PLC مزودة بشاشة رقمية LED للمراقبة الفورية لمعلمات النظام PID، وموضع متتبع الريشة، وموضع متتبع ريشة التوجيه، وقيمة ضغط الماء. كما تم تزويدها بمقياس فولت تناظري لمراقبة موضع متتبع الريشة في حالة تعطل وحدة تحكم الحاسوب الدقيق.
3.2 نظام المتابعة الهيدروليكية
يُعد نظام السيرفو الهيدروليكي جزءًا أساسيًا من نظام التحكم في ريش التوربين. تُضخَّم إشارة خرج وحدة التحكم هيدروليكيًا للتحكم في حركة مُتابع الريش، مما يُؤدي إلى ضبط زاوية ريش المجرى. اعتمدنا مزيجًا من نظام التحكم الكهروهيدروليكي من نوع صمام الضغط الرئيسي للتحكم النسبي، ونظام التحكم الهيدروليكي الآلي التقليدي، لتشكيل نظام تحكم هيدروليكي متوازي من الصمام الكهروهيدروليكي النسبي والصمام الهيدروليكي الآلي، كما هو موضح في الشكل 2. نظام متابعة هيدروليكي لريش التوربين.
نظام المتابعة الهيدروليكية لشفرات التوربينات
عندما تكون وحدة التحكم PLC والصمام التناسبي الكهروهيدروليكي ومستشعر الموضع في وضع التشغيل الطبيعي، تُستخدم طريقة التحكم التناسبي الكهروهيدروليكي PLC لضبط نظام ريشة التوربين، حيث يتم نقل قيمة تغذية الموضع وقيمة خرج التحكم عبر الإشارات الكهربائية، ويتم تجميع الإشارات بواسطة وحدة التحكم PLC. لمعالجة هذه البيانات واتخاذ القرارات، يتم ضبط فتحة صمام توزيع الضغط الرئيسي من خلال الصمام التناسبي للتحكم في موضع تابع الريشة، والحفاظ على العلاقة التعاونية بين ريشة التوجيه ورأس الماء والريشة. يتميز نظام ريشة التوربين الذي يتم التحكم فيه بواسطة الصمام التناسبي الكهروهيدروليكي بدقة تآزر عالية، وهيكل نظام بسيط، ومقاومة عالية لتلوث الزيت، وسهولة التفاعل مع وحدة التحكم PLC لتشكيل نظام تحكم آلي دقيق.
بفضل الاحتفاظ بآلية الربط الميكانيكية، تعمل آلية الربط الميكانيكية بشكل متزامن في وضع التحكم النسبي الكهروهيدروليكي لتتبع حالة تشغيل النظام. في حال تعطل نظام التحكم النسبي الكهروهيدروليكي PLC، يعمل صمام التبديل فورًا، ويمكن لآلية الربط الميكانيكية تتبع حالة تشغيل نظام التحكم النسبي الكهروهيدروليكي. عند التبديل، يكون تأثير النظام ضئيلًا، ويمكن لنظام الريشة الانتقال بسلاسة إلى وضع التحكم الميكانيكي، مما يضمن موثوقية تشغيل النظام بشكل كبير.
عندما صممنا الدائرة الهيدروليكية، أعدنا تصميم جسم صمام التحكم الهيدروليكي، وحجم المطابقة لجسم الصمام وغطاء الصمام، وحجم اتصال جسم الصمام وصمام الضغط الرئيسي، والميكانيكية حجم قضيب التوصيل بين الصمام الهيدروليكي وصمام توزيع الضغط الرئيسي هو نفسه الأصلي. يحتاج جسم صمام الصمام الهيدروليكي فقط إلى الاستبدال أثناء التثبيت، ولا يلزم تغيير أي أجزاء أخرى. هيكل نظام التحكم الهيدروليكي بأكمله مضغوط للغاية. على أساس الاحتفاظ الكامل بآلية التآزر الميكانيكية، تتم إضافة آلية تحكم تناسبية كهروهيدروليكية لتسهيل الواجهة مع وحدة تحكم PLC لتحقيق التحكم التآزري الرقمي وتحسين دقة تنسيق نظام ريشة التوربين. ؛ وعملية التثبيت والتصحيح للنظام سهلة للغاية، مما يقلل من وقت تعطل وحدة التوربين الهيدروليكي، ويسهل تحويل نظام التحكم الهيدروليكي للتوربين الهيدروليكي، وله قيمة عملية جيدة. خلال التشغيل الفعلي في الموقع، يحظى النظام بتقدير كبير من قبل الموظفين الهندسيين والفنيين في محطة الطاقة، ويُعتقد أنه يمكن تعميمه وتطبيقه في نظام السيرفو الهيدروليكي لحاكم العديد من محطات الطاقة الكهرومائية.
3.3 هيكل برمجيات النظام وطريقة التنفيذ
في نظام ريش التوربينات المُتحكم به بواسطة PLC، تُستخدم طريقة التآزر الرقمي لتحقيق علاقة التآزر بين ريش التوجيه، ورأس الماء، وفتحة الريشة. بالمقارنة مع طريقة التآزر الميكانيكية التقليدية، تتميز طريقة التآزر الرقمي بسهولة تشذيب المعاملات، وسهولة التصحيح والصيانة، ودقة عالية في الربط. يتكون هيكل برنامج نظام التحكم في الريش بشكل أساسي من برنامج وظيفة ضبط النظام، وبرنامج خوارزمية التحكم، وبرنامج التشخيص. نناقش أدناه طرق تحقيق الأجزاء الثلاثة المذكورة أعلاه من البرنامج على التوالي. يتضمن برنامج وظيفة الضبط بشكل رئيسي برنامجًا فرعيًا للتآزر، وروتينًا فرعيًا لبدء تشغيل الريشة، وروتينًا فرعيًا لإيقافها، وروتينًا فرعيًا لفصل الحمل عن الريشة. عند تشغيل النظام، يُحدد أولاً حالة التشغيل الحالية ويُقيّمها، ثم يُشغّل مفتاح البرنامج، ويُنفّذ برنامج وظيفة الضبط المقابل، ويحسب قيمة الموضع المُعطاة لتابع الريشة.
(1) روتين فرعي للارتباط
من خلال اختبار نموذج وحدة التوربين، يمكن الحصول على مجموعة من النقاط المقاسة على سطح المفصل. تُصنع كامة المفصل الميكانيكية التقليدية بناءً على هذه النقاط المقاسة، وتستخدم طريقة المفصل الرقمي هذه النقاط المقاسة أيضًا لرسم مجموعة من منحنيات المفصل. باختيار النقاط المعروفة على منحنى الارتباط كعقد، واعتماد طريقة الاستيفاء الخطي القطعي للدالة الثنائية، يمكن الحصول على قيمة دالة النقاط غير الموجودة على هذا الخط من الارتباط.
(2) برنامج فرعي لبدء تشغيل الريشة
الهدف من دراسة قانون بدء التشغيل هو تقصير وقت بدء تشغيل الوحدة، وتقليل حمل المحمل الدفعي، وإنشاء ظروف متصلة بالشبكة لوحدة المولد.
(3) روتين فرعي لإيقاف الريشة
قواعد إغلاق الريش هي كما يلي: عندما يستقبل المتحكم أمر إيقاف التشغيل، يتم إغلاق الريش وريش التوجيه في نفس الوقت وفقًا للعلاقة التعاونية لضمان استقرار الوحدة: عندما يكون فتح ريشة التوجيه أقل من الفتح بدون حمل، تتأخر الريش عندما يتم إغلاق ريشة التوجيه ببطء، لم تعد العلاقة التعاونية بين الريشة وريشة التوجيه محفوظة؛ عندما تنخفض سرعة الوحدة إلى أقل من 80٪ من السرعة المقدرة، يتم إعادة فتح الريشة إلى زاوية البداية Φ0، جاهزة لبدء التشغيل التالي. تحضير.
(4) برنامج فرعي لرفض حمل الشفرة
رفض الحمل يعني فصل الوحدة الحاملة للحمل فجأةً عن شبكة الكهرباء، مما يجعل الوحدة ونظام تحويل المياه في حالة تشغيل سيئة، وهو أمر يرتبط ارتباطًا مباشرًا بسلامة محطة الطاقة والوحدة. عند فصل الحمل، يعمل المنظم كجهاز حماية، مما يجعل ريش التوجيه والريشات تُغلق فورًا حتى تنخفض سرعة الوحدة إلى ما يقارب السرعة المقدرة. لذلك، في فصل الحمل الفعلي، تُفتح الريش عادةً بزاوية معينة. يتم الحصول على هذه الفتحة من خلال اختبار فصل الحمل لمحطة الطاقة الفعلية. يمكن أن يضمن ذلك أنه عند فصل الحمل، لا تكون الزيادة في السرعة صغيرة فحسب، بل تكون الوحدة أيضًا مستقرة نسبيًا.
4 الخاتمة
في ضوء الوضع التقني الراهن لصناعة مُنظِّمات التوربينات الهيدروليكية في بلدي، تُشير هذه الورقة البحثية إلى أحدث المعلومات في مجال التحكم في سرعة التوربينات الهيدروليكية محليًا ودوليًا، وتُطبِّق تقنية وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) للتحكم في سرعة مجموعة مولدات التوربينات الهيدروليكية. تُشكِّل وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) جوهر نظام التنظيم المزدوج للتوربينات الهيدروليكية ذات المجاديف ذات التدفق المحوري. يُظهر التطبيق العملي أن هذا النظام يُحسِّن بشكل كبير دقة التنسيق بين ريشة التوجيه والريشة في ظروف منسوب المياه المختلفة، ويُحسِّن معدل استخدام طاقة المياه.
وقت النشر: ١١ فبراير ٢٠٢٢
