1 Einleitung
Der Turbinenregler ist eines der beiden wichtigsten Regelgeräte für Wasserkraftwerke. Er regelt nicht nur die Drehzahl, sondern steuert auch verschiedene Betriebsbedingungen sowie Frequenz, Leistung, Phasenwinkel und andere Funktionen des Wasserkraftwerks und schützt das Wasserrad. Er ist auch die Aufgabe des Generatorsatzes. Turbinenregler haben drei Entwicklungsstufen durchlaufen: mechanisch-hydraulische Regler, elektrohydraulische Regler und mikrocomputergesteuerte digitale hydraulische Regler. In den letzten Jahren wurden speicherprogrammierbare Steuerungen in Turbinendrehzahlregelungssystemen eingeführt. Diese zeichnen sich durch hohe Entstörungsfähigkeit und Zuverlässigkeit, einfache und komfortable Programmierung und Bedienung, modularen Aufbau, hohe Vielseitigkeit, Flexibilität und einfache Wartung aus. Sie bieten die Vorteile einer starken Steuerfunktion und Fahrleistung und haben sich in der Praxis bewährt.
In dieser Arbeit wird die Forschung zum SPS-Doppelverstellsystem für hydraulische Turbinen vorgestellt. Mithilfe einer programmierbaren Steuerung wird die Doppelverstellung von Leitschaufel und Schaufelblatt realisiert, wodurch die Koordinationsgenauigkeit von Leitschaufel und Schaufelblatt bei unterschiedlichen Wasserdruckhöhen verbessert wird. Die Praxis zeigt, dass das Doppelsteuerungssystem die Wasserenergienutzung verbessert.
2. Turbinenregelungssystem
2.1 Turbinenregelungssystem
Die grundlegende Aufgabe der Turbinendrehzahlregelung besteht darin, die Öffnung der Leitschaufeln der Turbine über den Regler entsprechend anzupassen, wenn sich die Last des Stromnetzes ändert und die Drehzahl der Anlage abweicht. So bleibt die Drehzahl der Turbine im vorgegebenen Bereich, um den Generatorbetrieb zu gewährleisten. Ausgangsleistung und Frequenz entsprechen den Benutzeranforderungen. Die grundlegenden Aufgaben der Turbinenregelung lassen sich in Drehzahlregelung, Wirkleistungsregelung und Wasserstandsregelung unterteilen.
2.2 Das Prinzip der Turbinenregelung
Ein Hydrogenerator ist eine Einheit, die durch die Verbindung einer Wasserturbine mit einem Generator gebildet wird. Der rotierende Teil des Hydrogenerators ist ein starrer Körper, der sich um eine feste Achse dreht. Seine Funktion lässt sich wie folgt beschreiben:
In der Formel
——Das Trägheitsmoment des rotierenden Teils der Einheit (Kg m2)
——Drehwinkelgeschwindigkeit (rad/s)
——Turbinendrehmoment (N/m), einschließlich mechanischer und elektrischer Verluste des Generators.
——Das Generatorwiderstandsdrehmoment bezieht sich auf das auf den Rotor wirkende Drehmoment des Generatorstators. Seine Richtung ist der Drehrichtung entgegengesetzt und stellt die Wirkleistungsabgabe des Generators dar, d. h. die Größe der Last.
Bei Laständerungen bleibt die Öffnung der Leitschaufel unverändert, und die Drehzahl der Anlage kann auf einem bestimmten Wert stabil gehalten werden. Da die Drehzahl vom Nennwert abweicht, reicht es nicht aus, sich auf die selbstausgleichende Regelung zu verlassen, um die Drehzahl zu halten. Um die Drehzahl der Anlage nach Laständerungen auf dem ursprünglichen Nennwert zu halten, ist es, wie aus Abbildung 1 ersichtlich, notwendig, die Öffnung der Leitschaufel entsprechend anzupassen. Bei abnehmender Last, wenn sich das Widerstandsdrehmoment von 1 auf 2 ändert, wird die Öffnung der Leitschaufel auf 1 reduziert, und die Drehzahl der Anlage bleibt erhalten. Daher wird bei Laständerungen die Öffnung des Wasserleitmechanismus entsprechend angepasst, sodass die Drehzahl der Wasserkraftanlage auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird oder sich nach einer vorgegebenen Regel ändert. Dieser Vorgang wird als Drehzahlanpassung der Wasserkraftanlage oder Turbinenregelung bezeichnet.
3. PLC-Hydraulikturbinen-Doppelverstellsystem
Der Turbinenregler steuert die Öffnung der Leitschaufeln, um den Zufluss zum Turbinenlaufrad anzupassen. Dadurch verändert er das dynamische Drehmoment der Turbine und steuert die Frequenz der Turbineneinheit. Während des Betriebs der Axial-Drehflügelturbine muss der Regler jedoch nicht nur die Öffnung der Leitschaufeln, sondern auch den Winkel der Laufschaufeln entsprechend dem Hub und der Wassersäule des Leitschaufelfolgers anpassen, um eine kooperative Beziehung zwischen Leitschaufel und Schaufel sicherzustellen. Dies verbessert den Wirkungsgrad der Turbine, reduziert Schaufelkavitation und Vibrationen und erhöht die Betriebsstabilität der Turbine.
Die Hardware des SPS-gesteuerten Turbinenleitradsystems besteht hauptsächlich aus zwei Teilen: der SPS-Steuerung und dem hydraulischen Servosystem. Lassen Sie uns zunächst die Hardwarestruktur der SPS-Steuerung besprechen.
3.1 SPS-Steuerung
Die SPS-Steuerung besteht hauptsächlich aus einer Eingabeeinheit, einer SPS-Basiseinheit und einer Ausgabeeinheit. Die Eingabeeinheit besteht aus einem A/D-Modul und einem digitalen Eingangsmodul, die Ausgabeeinheit aus einem D/A-Modul und einem digitalen Eingangsmodul. Die SPS-Steuerung verfügt über eine digitale LED-Anzeige zur Echtzeitüberwachung der PID-Parameter des Systems, der Position des Leitschaufelrads, der Position des Leitschaufelrads und des Wasserdrucks. Ein analoges Voltmeter dient zur Überwachung der Position des Leitschaufelrads bei einem Ausfall der Mikrocomputersteuerung.
3.2 Hydraulisches Nachlaufsystem
Das hydraulische Servosystem ist ein wichtiger Bestandteil der Turbinenschaufelsteuerung. Das Ausgangssignal des Reglers wird hydraulisch verstärkt, um die Bewegung des Schaufelfolgers zu steuern und so den Winkel der Laufschaufeln anzupassen. Wir haben die Kombination aus einem elektrohydraulischen Steuersystem mit Proportionalventilsteuerung und einem Hauptdruckventil mit einem herkömmlichen maschinenhydraulischen Steuersystem übernommen, um ein paralleles hydraulisches Steuersystem aus elektrohydraulischem Proportionalventil und maschinenhydraulischem Ventil zu bilden, wie in Abbildung 2 dargestellt. Hydraulisches Folgesystem für Turbinenschaufeln.
Hydraulisches Nachführsystem für Turbinenschaufeln
Wenn SPS-Steuerung, elektrohydraulisches Proportionalventil und Positionssensor normal funktionieren, wird das Turbinenleitsystem mit der elektrohydraulischen Proportionalsteuerung der SPS eingestellt. Positionsrückmeldung und Regelausgangswert werden durch elektrische Signale übertragen, und die Signale werden von der SPS-Steuerung synthetisiert. Die Ventilöffnung des Hauptdruckverteilerventils wird über das Proportionalventil eingestellt, um die Position des Leitschaufelstößels zu steuern und die kooperative Beziehung zwischen Leitschaufel, Wassersäule und Leitschaufel aufrechtzuerhalten. Das durch ein elektrohydraulisches Proportionalventil gesteuerte Turbinenleitsystem zeichnet sich durch hohe Synergiepräzision, einfache Systemstruktur und hohe Ölverschmutzungsbeständigkeit aus und lässt sich bequem mit der SPS-Steuerung verbinden, um ein automatisches Mikrocomputer-Steuerungssystem zu bilden.
Durch die Beibehaltung des mechanischen Verbindungsmechanismus arbeitet dieser auch im elektrohydraulischen Proportionalsteuerungsmodus synchron, um den Betriebszustand des Systems zu verfolgen. Fällt die elektrohydraulische Proportionalsteuerung der SPS aus, reagiert das Umschaltventil sofort, und der mechanische Verbindungsmechanismus kann den Betriebszustand der elektrohydraulischen Proportionalsteuerung grundsätzlich verfolgen. Beim Umschalten sind die Systemauswirkungen gering, und das Flügelradsystem kann reibungslos in den mechanischen Steuerungsmodus wechseln, was die Zuverlässigkeit des Systembetriebs erheblich gewährleistet.
Bei der Entwicklung des Hydraulikkreislaufs haben wir den Ventilkörper des hydraulischen Steuerventils, die passenden Abmessungen von Ventilkörper und Ventilhülse, die Anschlussmaße von Ventilkörper und Hauptdruckventil sowie die mechanische Größe der Verbindungsstange zwischen Hydraulikventil und Hauptdruckverteilerventil neu gestaltet. Bei der Installation muss lediglich der Ventilkörper des Hydraulikventils ausgetauscht werden, andere Teile sind nicht zu ändern. Das gesamte hydraulische Steuersystem ist sehr kompakt aufgebaut. Basierend auf der vollständigen Beibehaltung des mechanischen Synergiemechanismus wurde ein elektrohydraulischer Proportionalsteuermechanismus hinzugefügt, um die Schnittstelle zur SPS-Steuerung zu erleichtern und so eine digitale Synergiesteuerung zu realisieren und die Koordinationsgenauigkeit des Turbinenleitwerks zu verbessern. Die Installation und Fehlerbehebung des Systems ist sehr einfach, was die Ausfallzeiten der Hydraulikturbineneinheit verkürzt, die Umstellung des hydraulischen Steuersystems der Hydraulikturbine erleichtert und einen guten praktischen Nutzen bietet. Während des tatsächlichen Betriebs vor Ort wird das System vom Ingenieur- und Technikpersonal des Kraftwerks sehr geschätzt und man geht davon aus, dass es verbreitet und im hydraulischen Servosystem des Reglers vieler Wasserkraftwerke eingesetzt werden kann.
3.3 Systemsoftwarestruktur und Implementierungsmethode
In dem SPS-gesteuerten Turbinenleitschaufelsystem wird die digitale Synergiemethode verwendet, um die Synergiebeziehung zwischen Leitschaufeln, Wassersäule und Leitschaufelöffnung zu realisieren. Verglichen mit der herkömmlichen mechanischen Synergiemethode hat die digitale Synergiemethode die Vorteile einer einfachen Parameterjustierung, einer bequemen Fehlerbehebung und Wartung sowie einer hohen Präzision der Zuordnung. Die Softwarestruktur des Leitschaufelsteuerungssystems besteht hauptsächlich aus dem Systemanpassungsfunktionsprogramm, dem Steuerungsalgorithmusprogramm und dem Diagnoseprogramm. Im Folgenden besprechen wir die Realisierungsmethoden der drei oben genannten Programmteile. Das Anpassungsfunktionsprogramm umfasst hauptsächlich ein Unterprogramm für eine Synergie, ein Unterprogramm zum Starten der Leitschaufel, ein Unterprogramm zum Stoppen der Leitschaufel und ein Unterprogramm zum Lastabwurf der Leitschaufel. Wenn das System in Betrieb ist, identifiziert und beurteilt es zuerst den aktuellen Betriebszustand, startet dann den Softwareschalter, führt das entsprechende Anpassungsfunktionsunterprogramm aus und berechnet den Positionswert des Leitschaufelstößels.
(1) Assoziationssubroutine
Durch Modellversuche der Turbineneinheit können Messpunkte auf der Verbindungsfläche ermittelt werden. Die herkömmliche mechanische Verbindungskurve basiert auf diesen Messpunkten. Auch die digitale Verbindungsmethode nutzt diese Messpunkte zum Zeichnen von Verbindungskurven. Durch Auswahl der bekannten Punkte auf der Assoziationskurve als Knoten und Anwendung der Methode der stückweise linearen Interpolation der Binärfunktion können die Funktionswerte der Nicht-Knoten auf dieser Assoziationslinie ermittelt werden.
(2) Unterprogramm zum Starten der Flügelzellen
Der Zweck der Untersuchung des Anlaufgesetzes besteht darin, die Anlaufzeit der Einheit zu verkürzen, die Belastung des Axiallagers zu verringern und netzgekoppelte Bedingungen für die Generatoreinheit zu schaffen.
(3) Flügelstopp-Subroutine
Die Schließregeln der Leitschaufeln lauten wie folgt: Wenn die Steuerung den Abschaltbefehl empfängt, werden die Leitschaufeln und die Führungsschaufeln gemäß der kooperativen Beziehung gleichzeitig geschlossen, um die Stabilität der Einheit sicherzustellen: Wenn die Öffnung der Führungsschaufel kleiner ist als die Leerlauföffnung, hinken die Leitschaufeln hinterher. Wenn die Führungsschaufel langsam geschlossen wird, wird die kooperative Beziehung zwischen der Leitschaufel und der Führungsschaufel nicht mehr aufrechterhalten; wenn die Geschwindigkeit der Einheit unter 80 % der Nenngeschwindigkeit fällt, wird die Leitschaufel wieder auf den Startwinkel Φ0 geöffnet und ist bereit für den nächsten Start.
(4) Unterprogramm zur Blattlastabweisung
Lastabwurf bedeutet, dass eine belastete Anlage plötzlich vom Stromnetz getrennt wird. Dadurch geraten Anlage und Wasserumleitung in einen schlechten Betriebszustand, der sich direkt auf die Sicherheit des Kraftwerks und der Anlage auswirkt. Beim Lastabwurf fungiert der Regler als Schutzeinrichtung. Er sorgt dafür, dass sich die Leitschaufeln und -flügel sofort schließen, bis die Drehzahl der Anlage wieder annähernd die Nenndrehzahl erreicht hat. Stabilität. Daher werden die Leitschaufeln beim tatsächlichen Lastabwurf in der Regel bis zu einem bestimmten Winkel geöffnet. Dieser Öffnungswinkel wird durch einen Lastabwurftest im Kraftwerk erreicht. Dadurch wird sichergestellt, dass beim Lastabwurf der Anlage nicht nur die Drehzahl nur gering ausfällt, sondern die Anlage auch relativ stabil läuft.
4 Fazit
Angesichts des aktuellen technischen Stands der Hydraulikturbinenreglerindustrie in China befasst sich diese Arbeit mit den neuesten Erkenntnissen zur Drehzahlregelung von Hydraulikturbinen im In- und Ausland und wendet die Technologie der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) auf die Drehzahlregelung des Hydraulikturbinengenerators an. Die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ist das Herzstück des dualen Regelungssystems für Axial-Schaufel-Hydraulikturbinen. Die praktische Anwendung zeigt, dass das System die Koordinationspräzision zwischen Leitschaufel und Schaufel bei unterschiedlichen Wasserdruckbedingungen deutlich verbessert und die Wasserenergienutzung verbessert.
Veröffentlichungszeit: 11. Februar 2022
