1 Einleitung
Der Turbinenregler ist eines der beiden wichtigsten Regelgeräte für Wasserkraftwerke. Er dient nicht nur der Drehzahlregelung, sondern übernimmt auch die Anpassung verschiedener Betriebszustände sowie die Regelung von Frequenz, Leistung, Phasenwinkel und anderen Parametern der Wasserkraftanlage und schützt das Wasserrad. Turbinenregler haben drei Entwicklungsstufen durchlaufen: mechanisch-hydraulische, elektrohydraulische und mikrocomputergesteuerte digitale Regler. In den letzten Jahren wurden speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) in die Turbinendrehzahlregelung eingeführt. Diese zeichnen sich durch hohe Störfestigkeit und Zuverlässigkeit, einfache Programmierung und Bedienung, modularen Aufbau, Vielseitigkeit, Flexibilität und Wartungsfreundlichkeit aus. Sie bieten zudem eine hohe Regel- und Antriebsleistung und haben sich in der Praxis bewährt.
In dieser Arbeit wird die Forschung an einem PLC-gesteuerten Doppeljustierungssystem für hydraulische Turbinen vorgestellt. Mithilfe der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) wird die gleichzeitige Justierung von Leitschaufel und Schaufelrad realisiert, wodurch die Koordinationsgenauigkeit bei unterschiedlichen Wasserständen verbessert wird. Die Praxis zeigt, dass das Doppelregelungssystem die Wasserkraftnutzung optimiert.
2. Turbinenregelungssystem
2.1 Turbinenregelungssystem
Die Hauptaufgabe des Turbinendrehzahlregelungssystems besteht darin, die Öffnung der Leitschaufeln der Turbine mittels des Reglers entsprechend der Laständerung im Stromnetz und der damit einhergehenden Drehzahlabweichung anzupassen. So wird die Turbinendrehzahl im vorgegebenen Bereich gehalten, damit der Generatorbetrieb die geforderten Leistungs- und Frequenzwerte erreicht. Die Turbinenregelung umfasst im Wesentlichen die Drehzahlregelung, die Wirkleistungsregelung und die Wasserstandsregelung.
2.2 Das Prinzip der Turbinenregelung
Eine Wasserkraftgeneratoreinheit ist eine Einheit, die durch die Verbindung einer Wasserturbine und eines Generators gebildet wird. Der rotierende Teil des Wasserkraftgeneratorsatzes ist ein starrer Körper, der sich um eine feste Achse dreht, und seine Gleichung kann durch die folgende Gleichung beschrieben werden:
In der Formel
— Das Trägheitsmoment des rotierenden Teils der Einheit (kg m²)
——Drehwinkelgeschwindigkeit (rad/s)
——Turbinendrehmoment (N/m), einschließlich der mechanischen und elektrischen Verluste des Generators.
——Das Widerstandsdrehmoment des Generators, das sich auf das vom Generatorstator auf den Rotor wirkende Drehmoment bezieht, hat eine Richtung, die der Drehrichtung entgegengesetzt ist, und repräsentiert die Wirkleistung des Generators, d. h. die Größe der Last.
Bei Laständerungen bleibt die Leitschaufelöffnung unverändert, und die Drehzahl des Aggregats kann weiterhin auf einem bestimmten Wert stabilisiert werden. Da die Drehzahl vom Nennwert abweicht, reicht die Selbstregulierung nicht aus, um die Drehzahl zu halten. Um die Drehzahl des Aggregats nach einer Laständerung auf dem ursprünglichen Nennwert zu halten, ist es, wie in Abbildung 1 dargestellt, notwendig, die Leitschaufelöffnung entsprechend anzupassen. Sinkt die Last und ändert sich das Widerstandsmoment von 1 auf 2, wird die Leitschaufelöffnung auf 1 reduziert, und die Drehzahl des Aggregats wird konstant gehalten. Mit der Laständerung ändert sich also die Öffnung des Wasserführungsmechanismus entsprechend, sodass die Drehzahl des Wasserkraftgenerators auf einem vorgegebenen Wert gehalten oder nach einem vorgegebenen Gesetz angepasst wird. Dieser Vorgang wird als Drehzahlregelung des Wasserkraftgenerators oder Turbinenregelung bezeichnet.
3. SPS-gesteuertes hydraulisches Turbinen-Doppelverstellsystem
Der Turbinenregler steuert die Öffnung der Leitschaufeln, um den Wasserdurchfluss in das Turbinenlaufrad zu regulieren und dadurch das dynamische Drehmoment sowie die Drehzahl der Turbine zu beeinflussen. Beim Betrieb einer Axial-Drehschieberturbine muss der Regler jedoch nicht nur die Leitschaufelöffnung, sondern auch den Anstellwinkel der Laufradschaufeln entsprechend dem Hub und der Fallhöhe anpassen. Dadurch wird ein optimales Zusammenspiel zwischen Leitschaufeln und Laufrad gewährleistet, was den Wirkungsgrad der Turbine verbessert, Schaufelkavitation und Vibrationen reduziert und die Betriebsstabilität erhöht.
Die Hardware des SPS-gesteuerten Turbinenschaufelsystems besteht im Wesentlichen aus zwei Komponenten: der SPS-Steuerung und dem hydraulischen Servosystem. Zunächst wird die Hardwarestruktur der SPS-Steuerung erläutert.
3.1 SPS-Steuerung
Die SPS-Steuerung besteht im Wesentlichen aus einer Eingangseinheit, einer SPS-Basiseinheit und einer Ausgangseinheit. Die Eingangseinheit setzt sich aus einem A/D-Wandler und einem digitalen Eingangsmodul zusammen, die Ausgangseinheit aus einem D/A-Wandler und einem digitalen Eingangsmodul. Die SPS-Steuerung verfügt über ein LED-Digitaldisplay zur Echtzeitanzeige der PID-Parameter des Systems, der Position der Mitnehmerschaufeln, der Position der Leitschaufeln und der Förderhöhe. Zusätzlich ist ein analoges Voltmeter vorhanden, um die Position der Mitnehmerschaufeln im Falle eines Ausfalls der Mikrocontroller-Steuerung zu überwachen.
3.2 Hydraulisches Folgesystem
Das hydraulische Servosystem ist ein wichtiger Bestandteil der Turbinenschaufelregelung. Das Ausgangssignal des Reglers wird hydraulisch verstärkt, um die Bewegung des Schaufelfolgers zu steuern und so den Anstellwinkel der Laufradschaufeln anzupassen. Wir haben eine Kombination aus einem elektrohydraulischen Hauptdruckventil mit Proportionalventilsteuerung und einem herkömmlichen maschinenhydraulischen Steuerungssystem verwendet, um ein paralleles hydraulisches Steuerungssystem aus elektrohydraulischem Proportionalventil und maschinenhydraulischem Ventil zu bilden (siehe Abbildung 2). Hydraulisches Nachführsystem für Turbinenschaufeln.
Hydraulisches Nachführsystem für Turbinenschaufeln
Wenn SPS-Steuerung, elektrohydraulisches Proportionalventil und Positionssensor ordnungsgemäß funktionieren, wird das Turbinenleitsystem mittels elektrohydraulischer Proportionalsteuerung der SPS geregelt. Positionsrückmeldewert und Steuerausgangswert werden über elektrische Signale übertragen und von der SPS-Steuerung verarbeitet. Anschließend wird die Ventilöffnung des Hauptdruckverteilungsventils über das Proportionalventil angepasst, um die Position der Leitschaufeln zu steuern und das Zusammenspiel zwischen Leitschaufel, Förderhöhe und Schaufel aufrechtzuerhalten. Das mittels elektrohydraulischem Proportionalventil gesteuerte Turbinenleitsystem zeichnet sich durch hohe Präzision, einfache Systemstruktur und hohe Beständigkeit gegenüber Ölverschmutzungen aus und lässt sich problemlos mit der SPS-Steuerung zu einem mikrocomputergesteuerten automatischen Steuerungssystem verbinden.
Durch den Erhalt des mechanischen Verbindungsmechanismus arbeitet dieser im elektrohydraulischen Proportionalregelungsmodus synchron, um den Betriebszustand des Systems zu erfassen. Fällt die elektrohydraulische Proportionalregelung der SPS aus, schaltet das Umschaltventil sofort um, und der mechanische Verbindungsmechanismus kann den Betriebszustand der elektrohydraulischen Proportionalregelung im Wesentlichen nachführen. Der Umschaltvorgang ist daher minimal, und das Flügelradsystem kann sanft in den mechanischen Regelmodus wechseln. Dies gewährleistet eine hohe Betriebssicherheit des Systems.
Bei der Entwicklung des Hydraulikkreislaufs wurde das Ventilgehäuse des Hydrauliksteuerventils neu konstruiert. Dabei wurden die Abmessungen von Ventilgehäuse und Ventilhülse, die Anschlussgröße von Ventilgehäuse und Hauptdruckventil sowie die mechanische Pleuelstange zwischen Hydraulikventil und Hauptdruckverteilungsventil angepasst. Die Abmessungen der Pleuelstange entsprechen denen des Originals. Für die Installation muss lediglich das Ventilgehäuse des Hydraulikventils ausgetauscht werden; andere Teile sind nicht erforderlich. Das gesamte Hydrauliksystem ist sehr kompakt. Der mechanische Synergiemechanismus wurde vollständig beibehalten und durch einen elektrohydraulischen Proportionalregler ergänzt. Dieser ermöglicht die Anbindung an die SPS-Steuerung, realisiert die digitale Synergiesteuerung und verbessert die Koordinierungsgenauigkeit des Turbinenschaufelsystems. Die Installation und Inbetriebnahme des Systems sind sehr einfach, was die Ausfallzeiten der Wasserturbine verkürzt, die Umrüstung des Hydrauliksystems vereinfacht und einen hohen praktischen Nutzen bietet. Während des tatsächlichen Betriebs vor Ort wurde das System vom Ingenieur- und Technikpersonal des Kraftwerks sehr positiv bewertet, und man geht davon aus, dass es sich verbreiten und im hydraulischen Servosystem des Reglers vieler Wasserkraftwerke anwenden lassen wird.
3.3 Systemsoftwarestruktur und Implementierungsmethode
Im SPS-gesteuerten Turbinenleitschaufelsystem wird die digitale Synergiemethode eingesetzt, um die Synergiebeziehung zwischen Leitschaufeln, Wassersäule und Schaufelöffnung zu realisieren. Im Vergleich zur herkömmlichen mechanischen Synergiemethode bietet die digitale Methode Vorteile wie einfache Parametereinstellung, bequeme Fehlersuche und Wartung sowie eine hohe Präzision der Verknüpfung. Die Softwarestruktur des Schaufelsteuerungssystems besteht im Wesentlichen aus dem Systemanpassungsprogramm, dem Steuerungsalgorithmus und dem Diagnoseprogramm. Im Folgenden werden die Realisierungsmethoden dieser drei Programmteile erläutert. Das Anpassungsprogramm umfasst im Wesentlichen eine Subroutine für die Synergie, eine Subroutine zum Anfahren der Schaufel, eine Subroutine zum Anhalten der Schaufel und eine Subroutine zur Lastabwurfsteuerung. Im Betrieb ermittelt das System zunächst den aktuellen Betriebszustand, startet dann den Softwareschalter, führt die entsprechende Anpassungsfunktions-Subroutine aus und berechnet den Sollwert der Schaufelfolge.
(1) Assoziationssubroutine
Durch den Modellversuch der Turbineneinheit lassen sich Messpunkte auf der Verbindungsfläche erfassen. Auf Basis dieser Messpunkte wird die herkömmliche mechanische Verbindungskurve gefertigt. Auch das digitale Verbindungsverfahren nutzt diese Messpunkte, um eine Reihe von Verbindungskurven zu erstellen. Durch Auswahl bekannter Punkte auf der Verbindungskurve als Knoten und Anwendung der stückweise linearen Interpolation der Binärfunktion lässt sich der Funktionswert der Nicht-Knotenpunkte auf dieser Verbindungslinie ermitteln.
(2) Start-up-Subroutine für die Leitschaufeln
Ziel der Untersuchung des Anlaufgesetzes ist es, die Anlaufzeit der Anlage zu verkürzen, die Belastung des Axiallagers zu reduzieren und netzgekoppelte Bedingungen für die Generatoranlage zu schaffen.
(3) Unterprogramm zum Anhalten der Flügelzellen
Die Schließregeln der Leitschaufeln sind wie folgt: Wenn die Steuerung den Abschaltbefehl empfängt, werden die Leitschaufeln und die Führungsleitschaufeln gleichzeitig gemäß der kooperativen Beziehung geschlossen, um die Stabilität der Anlage zu gewährleisten: Wenn die Öffnung der Führungsleitschaufel kleiner als die Leerlauföffnung ist, verzögern sich die Leitschaufeln. Wenn die Führungsleitschaufel langsam geschlossen wird, wird die kooperative Beziehung zwischen Leitschaufel und Führungsleitschaufel nicht mehr aufrechterhalten; wenn die Drehzahl der Anlage unter 80 % der Nenndrehzahl fällt, werden die Leitschaufeln wieder auf den Ausgangswinkel Φ0 geöffnet und sind bereit für den nächsten Anlauf.
(4) Unterprogramm zur Schaufellastabweisung
Lastabwurf bedeutet, dass die belastete Einheit abrupt vom Stromnetz getrennt wird. Dies versetzt die Einheit und das Wasserumleitungssystem in einen instabilen Betriebszustand, was die Sicherheit des Kraftwerks und der Einheit unmittelbar beeinträchtigt. Beim Lastabwurf fungiert der Regler als Schutzvorrichtung, die die Leitschaufeln sofort schließt, bis die Drehzahl der Einheit wieder in die Nähe der Nenndrehzahl sinkt. Daher werden die Leitschaufeln beim tatsächlichen Lastabwurf üblicherweise bis zu einem bestimmten Winkel geöffnet. Dieser Öffnungswinkel wird durch Lastabwurftests im Kraftwerk ermittelt. Dadurch wird sichergestellt, dass beim Lastabwurf nicht nur der Drehzahlanstieg gering ist, sondern die Einheit auch relativ stabil läuft.
4. Schlussfolgerung
Angesichts des aktuellen Stands der Technik in der chinesischen Turbinenreglerindustrie befasst sich diese Arbeit mit neuen Erkenntnissen zur Drehzahlregelung von Wasserturbinen im In- und Ausland und wendet die Technologie der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) auf die Drehzahlregelung des Wasserturbinen-Generatorsatzes an. Die SPS bildet das Kernstück des Doppelregelungssystems für axiale Schaufelradturbinen. Die praktische Anwendung zeigt, dass das System die Abstimmungsgenauigkeit zwischen Leitschaufeln und Schaufeln bei unterschiedlichen Fallhöhen deutlich verbessert und die Wasserkraftnutzung optimiert.
Veröffentlichungsdatum: 11. Februar 2022
