1 Úvod
Regulátor turbíny je jedním ze dvou hlavních regulačních zařízení pro vodní elektrárny. Nejenže hraje roli regulace otáček, ale také provádí různé převody provozních podmínek a regulaci frekvence, výkonu, fázového úhlu a dalších parametrů vodních elektráren a chrání vodní kolo. Úkolem generátorového agregátu je regulátor turbíny. Regulátory turbín prošly třemi fázemi vývoje: mechanické hydraulické regulátory, elektrohydraulické regulátory a mikropočítačové digitální hydraulické regulátory. V posledních letech byly do systémů regulace otáček turbín zavedeny programovatelné regulátory, které se vyznačují silnou odolností proti rušení a vysokou spolehlivostí; jednoduchým a pohodlným programováním a obsluhou; modulární strukturou, dobrou všestranností, flexibilitou a snadnou údržbou; mají výhody silné regulační funkce a jízdních vlastností; byly prakticky ověřeny.
V tomto článku je navržen výzkum systému dvojitého nastavení hydraulické turbíny s PLC a programovatelný regulátor je použit k realizaci dvojitého nastavení rozváděcí lopatky a lopatky, což zlepšuje přesnost koordinace rozváděcí lopatky a lopatky pro různé vodní sloupce. Praxe ukazuje, že systém dvojitého řízení zlepšuje míru využití vodní energie.
2. Systém regulace turbíny
2.1 Systém regulace turbíny
Základním úkolem systému regulace otáček turbíny je měnit otevření vodicích lopatek turbíny pomocí regulátoru, když se změní zatížení energetické soustavy a otáčky jednotky se odchýlí, tak, aby otáčky turbíny zůstaly v daném rozsahu a generátorová jednotka fungovala. Výstupní výkon a frekvence splňují požadavky uživatele. Základní úkoly regulace turbíny lze rozdělit na regulaci otáček, regulaci činného výkonu a regulaci hladiny vody.
2.2 Princip regulace turbíny
Hydrogenerátor je jednotka tvořená spojením hydroturbíny a generátoru. Rotující část hydrogenerátoru je tuhé těleso, které se otáčí kolem pevné osy, a jeho rovnici lze popsat následující rovnicí:
Ve vzorci
——Moment setrvačnosti rotující části jednotky (kg m2)
——Úhlová rychlost otáčení (rad/s)
——Krutivý moment turbíny (N/m), včetně mechanických a elektrických ztrát generátoru.
——Moment odporu generátoru, který se vztahuje k působícímu momentu statoru generátoru na rotor, jehož směr je opačný ke směru otáčení a představuje činný výkon generátoru, tj. velikost zátěže.
Při změně zatížení zůstává otevření vodicí lopatky nezměněno a otáčky jednotky lze stále stabilizovat na určité hodnotě. Protože se otáčky budou odchylovat od jmenovité hodnoty, nestačí se spoléhat na schopnost samovyvažovacího nastavení k udržení otáček. Aby se otáčky jednotky po změně zatížení udržely na původní jmenovité hodnotě, je z obrázku 1 patrné, že je nutné odpovídajícím způsobem změnit otevření vodicí lopatky. Při snížení zatížení a změně momentu odporu z 1 na 2 se otevření vodicí lopatky sníží na 1 a otáčky jednotky se zachovají. Proto se změnou zatížení odpovídajícím způsobem změní otevření mechanismu pro rozvádění vody, takže otáčky hydrogenerátoru se udržují na předem stanovené hodnotě nebo se mění podle předem stanoveného zákona. Tento proces se nazývá nastavení otáček hydrogenerátoru neboli regulace turbíny.
3. Systém dvojitého nastavení hydraulické turbíny s PLC
Regulátor turbíny slouží k ovládání otevírání rozváděcích lopatek vody a upravuje průtok do oběžného kola turbíny, čímž se mění dynamický točivý moment turbíny a reguluje frekvence turbínové jednotky. Během provozu axiální rotační lopatkové turbíny by však regulátor neměl pouze upravovat otevírání rozváděcích lopatek, ale také upravovat úhel lopatek oběžného kola podle zdvihu a hodnoty vodního sloupce rozváděcího lopatky tak, aby rozváděcí lopatka a lopatka byly propojeny. Udržují mezi sebou kooperativní vztah, tj. koordinační vztah, který může zlepšit účinnost turbíny, snížit kavitaci lopatek a vibrace jednotky a zvýšit stabilitu provozu turbíny.
Hardware systému PLC řízení lopatek turbíny se skládá hlavně ze dvou částí, a to PLC regulátoru a hydraulického servosystému. Nejprve si probereme hardwarovou strukturu PLC regulátoru.
3.1 PLC regulátor
PLC regulátor se skládá hlavně ze vstupní jednotky, základní jednotky PLC a výstupní jednotky. Vstupní jednotka se skládá z A/D modulu a digitálního vstupního modulu a výstupní jednotka z D/A modulu a digitálního vstupního modulu. PLC regulátor je vybaven digitálním LED displejem pro sledování PID parametrů systému, polohy sledovače lopatek, polohy sledovače rozváděcích lopatek a hodnoty vodního sloupce v reálném čase. Součástí je také analogový voltmetr pro monitorování polohy sledovače lopatek v případě selhání mikropočítačového regulátoru.
3.2 Hydraulický systém sledování
Hydraulický servosystém je důležitou součástí systému řízení lopatek turbíny. Výstupní signál regulátoru je hydraulicky zesilován pro řízení pohybu sledovače lopatek, čímž se upravuje úhel lopatek oběžného kola. Použili jsme kombinaci proporcionálního elektrohydraulického řídicího systému hlavního tlakového ventilu a tradičního strojně-hydraulického řídicího systému, abychom vytvořili paralelní hydraulický řídicí systém s elektrohydraulickým proporcionálním ventilem a strojně-hydraulickým ventilem, jak je znázorněno na obrázku 2. Hydraulický systém sledování lopatek turbíny.
Hydraulický systém sledování lopatek turbíny
Pokud jsou PLC regulátor, elektrohydraulický proporcionální ventil a snímač polohy v pořádku, používá se k nastavení systému lopatek turbíny metoda elektrohydraulického proporcionálního řízení PLC. Hodnota zpětné vazby polohy a výstupní hodnota řízení jsou přenášeny elektrickými signály a signály jsou syntetizovány PLC regulátorem. Pro zpracování a rozhodování se nastavuje otevření hlavního rozdělovacího ventilu tlaku prostřednictvím proporcionálního ventilu pro řízení polohy sledovače lopatek a udržuje se kooperativní vztah mezi vodicí lopatkou, vodní hlavou a lopatkou. Systém lopatek turbíny řízený elektrohydraulickým proporcionálním ventilem má vysokou synergickou přesnost, jednoduchou strukturu systému, silnou odolnost vůči znečištění ropou a je snadno propojen s PLC regulátorem pro vytvoření mikropočítačového automatického řídicího systému.
Díky zachování mechanického spojovacího mechanismu pracuje mechanický spojovací mechanismus v režimu elektrohydraulického proporcionálního řízení synchronně také pro sledování provozního stavu systému. Pokud dojde k selhání elektrohydraulického proporcionálního řídicího systému PLC, přepínací ventil okamžitě zareaguje a mechanický spojovací mechanismus v podstatě sleduje provozní stav elektrohydraulického proporcionálního řídicího systému. Při přepínání je dopad na systém malý a systém lopatek může plynule přejít do režimu mechanického sdružování, což výrazně zaručuje spolehlivost provozu systému.
Při návrhu hydraulického obvodu jsme přepracovali těleso hydraulického regulačního ventilu, shodovali jsme velikost tělesa ventilu a objímky ventilu, velikost připojení tělesa ventilu a hlavního tlakového ventilu a mechanickou velikost ojnice mezi hydraulickým ventilem a hlavním tlakovým rozdělovacím ventilem je stejná jako u původní. Během instalace je nutné vyměnit pouze těleso hydraulického ventilu a žádné další díly není nutné měnit. Struktura celého hydraulického řídicího systému je velmi kompaktní. Na základě úplného zachování mechanického synergického mechanismu byl přidán elektrohydraulický proporcionální řídicí mechanismus, který usnadňuje propojení s PLC řídicí jednotkou a umožňuje digitální synergické řízení a zlepšuje přesnost koordinace systému lopatek turbíny. Proces instalace a ladění systému je velmi snadný, což zkracuje prostoje hydraulické turbínové jednotky, usnadňuje transformaci hydraulického řídicího systému hydraulické turbíny a má dobrou praktickou hodnotu. Během skutečného provozu na místě je systém vysoce hodnocen inženýrským a technickým personálem elektrárny a předpokládá se, že by mohl být popularizován a použit v hydraulických servosystémech regulátorů mnoha vodních elektráren.
3.3 Struktura a metoda implementace systémového softwaru
V systému turbínových lopatek řízených PLC se k realizaci synergického vztahu mezi rozváděcími lopatkami, sloupcem vody a otvorem lopatky používá metoda digitální synergie. Ve srovnání s tradiční mechanickou synergickou metodou má metoda digitální synergie výhody snadného nastavení parametrů, pohodlného ladění a údržby a vysoké přesnosti přiřazení. Softwarová struktura systému řízení lopatek se skládá hlavně z programu pro nastavení systému, programu pro algoritmus řízení a diagnostického programu. Níže uvádíme metody realizace výše uvedených tří částí programu. Program pro nastavení zahrnuje především podprogram pro synergii, podprogram pro spuštění lopatky, podprogram pro zastavení lopatky a podprogram pro odlehčení lopatky. Když systém pracuje, nejprve identifikuje a vyhodnotí aktuální provozní stav, poté spustí softwarový přepínač, provede odpovídající podprogram pro nastavení a vypočítá hodnotu dané polohy sledovače lopatky.
(1) Podprogram asociace
Prostřednictvím modelového testu turbínové jednotky lze získat dávku naměřených bodů na povrchu spoje. Tradiční mechanická kloubová vačka se vytvoří na základě těchto naměřených bodů a metoda digitálního spoje také využívá tyto naměřené body k vykreslení sady kloubových křivek. Výběrem známých bodů na asociační křivce jako uzlů a použitím metody po částech lineární interpolace binární funkce lze získat funkční hodnotu neuzlů na této linii asociace.
(2) Podprogram pro spuštění lopatek
Účelem studia zákona spouštění je zkrátit dobu spouštění jednotky, snížit zatížení axiálního ložiska a vytvořit podmínky pro připojení generátorové jednotky k síti.
(3) Podprogram zastavení lopatek
Pravidla pro zavírání lopatek jsou následující: když řídicí jednotka obdrží příkaz k vypnutí, lopatky a vodicí lopatky se současně zavřou podle kooperativního vztahu, aby byla zajištěna stabilita jednotky: když je otevření vodicí lopatky menší než otevření bez zátěže, lopatky se zpožďují. Když se vodicí lopatka pomalu zavírá, kooperativní vztah mezi lopatkou a vodicí lopatkou se přestane udržovat; když rychlost jednotky klesne pod 80 % jmenovitých otáček, lopatka se znovu otevře do počátečního úhlu Φ0 a je připravena k dalšímu spuštění. Příprava.
(4) Podprogram pro odmítnutí zatížení lopatek
Odmítnutí zátěže znamená, že jednotka se zátěží je náhle odpojena od elektrické sítě, čímž se jednotka a systém odvádění vody dostanou do špatného provozního stavu, což přímo souvisí s bezpečností elektrárny a jednotky. Po odpojení zátěže je regulátor ekvivalentem ochranného zařízení, které okamžitě uzavře rozváděcí lopatky a lopatky, dokud otáčky jednotky neklesnou na hodnotu blízkou jmenovitým otáčkám. Proto se při skutečném odpojení zátěže lopatky obvykle otevírají do určitého úhlu. Tohoto otevření se dosáhne testem odpojení zátěže skutečné elektrárny. To může zajistit, že při odpojení zátěže jednotky je nejen malý nárůst otáček, ale také je jednotka relativně stabilní.
4 Závěr
Vzhledem k současnému technickému stavu odvětví regulátorů hydraulických turbín v mé zemi se tento článek zabývá novými informacemi v oblasti regulace otáček hydraulických turbín v tuzemsku i v zahraničí a aplikuje technologii programovatelného logického automatu (PLC) na regulaci otáček hydraulického turbogenerátoru. Programový automat (PLC) je jádrem systému dvojité regulace lopatkové hydraulické turbíny s axiálním prouděním. Praktické použití ukazuje, že toto schéma výrazně zlepšuje přesnost koordinace mezi vodicí lopatkou a lopatkou pro různé podmínky vodního sloupce a zlepšuje míru využití vodní energie.
Čas zveřejnění: 11. února 2022
