1 Introducción
El regulador de turbina es uno de los dos principales equipos de regulación para unidades hidroeléctricas. No solo cumple la función de regulación de velocidad, sino que también realiza diversas conversiones de condiciones de trabajo y control de frecuencia, potencia, ángulo de fase y otros parámetros de las unidades generadoras hidroeléctricas y protege la rueda hidráulica. La tarea del grupo electrógeno. Los reguladores de turbina han pasado por tres etapas de desarrollo: reguladores hidráulicos mecánicos, reguladores electrohidráulicos y reguladores hidráulicos digitales por microcomputadora. En los últimos años, se han introducido controladores programables en los sistemas de control de velocidad de turbina, que tienen una gran capacidad antiinterferencias y alta confiabilidad; programación y operación simples y convenientes; estructura modular, buena versatilidad, flexibilidad y mantenimiento conveniente; tiene las ventajas de una fuerte función de control y capacidad de accionamiento; ha sido verificado en la práctica.
En este artículo se propone una investigación sobre el sistema de ajuste dual de turbinas hidráulicas con PLC. El controlador programable se utiliza para lograr el ajuste dual de la paleta guía y la paleta, lo que mejora la precisión de coordinación entre ambas para diferentes niveles de agua. La práctica demuestra que el sistema de control dual mejora la tasa de utilización de la energía hidráulica.
2. Sistema de regulación de la turbina
2.1 Sistema de regulación de la turbina
La función principal del sistema de control de velocidad de la turbina es modificar la apertura de los álabes directores mediante el regulador cuando la carga del sistema eléctrico varía y la velocidad de rotación de la unidad se desvía, de modo que la velocidad de rotación de la turbina se mantenga dentro del rango especificado, para que la unidad generadora funcione con la potencia y la frecuencia requeridas por el usuario. Las funciones básicas de la regulación de la turbina se pueden dividir en regulación de velocidad, regulación de potencia activa y regulación del nivel de agua.
2.2 El principio de regulación de la turbina
Una unidad hidrogeneradora es un conjunto formado por la conexión de una turbina hidráulica y un generador. La parte giratoria del conjunto hidrogenerador es un cuerpo rígido que rota alrededor de un eje fijo, y su ecuación se puede describir mediante la siguiente ecuación:
En la fórmula
—El momento de inercia de la parte giratoria de la unidad (kg m²)
—Velocidad angular de rotación (rad/s)
—Par motor de la turbina (N/m), incluyendo las pérdidas mecánicas y eléctricas del generador.
—El par de resistencia del generador, que se refiere al par que actúa del estator del generador sobre el rotor, tiene una dirección opuesta a la de rotación y representa la potencia activa de salida del generador, es decir, la magnitud de la carga.
Cuando la carga cambia, la apertura de la paleta guía permanece sin cambios y la velocidad de la unidad se puede estabilizar en un valor determinado. Dado que la velocidad se desviará del valor nominal, no basta con confiar en la capacidad de autoajuste para mantenerla. Para mantener la velocidad de la unidad en el valor nominal original después de los cambios de carga, como se observa en la Figura 1, es necesario modificar la apertura de la paleta guía en consecuencia. Cuando la carga disminuye, cuando el par de resistencia cambia de 1 a 2, la apertura de la paleta guía se reduce a 1 y la velocidad de la unidad se mantiene. Por lo tanto, con el cambio de carga, la apertura del mecanismo de guía de agua cambia correspondientemente, de modo que la velocidad de la unidad hidrogeneradora se mantiene en un valor predeterminado o cambia según una ley predeterminada. Este proceso es el ajuste de velocidad de la unidad hidrogeneradora o regulación de la turbina.
3. Sistema de ajuste dual de turbina hidráulica PLC
El regulador de la turbina controla la apertura de los álabes guía para ajustar el flujo hacia el rotor, modificando así el par dinámico y controlando la frecuencia de la turbina. Sin embargo, durante el funcionamiento de la turbina rotativa de paletas de flujo axial, el regulador no solo debe ajustar la apertura de los álabes guía, sino también el ángulo de los álabes del rotor en función de la carrera y la altura de la columna de agua del seguidor de álabes guía. De esta manera, se mantiene una relación de cooperación entre los álabes guía y los álabes, es decir, una relación de coordinación que mejora la eficiencia de la turbina, reduce la cavitación y la vibración de los álabes y aumenta la estabilidad de su funcionamiento.
El hardware del sistema de control PLC para álabes de turbina se compone principalmente de dos partes: el controlador PLC y el sistema servohidráulico. En primer lugar, analicemos la estructura de hardware del controlador PLC.
3.1 Controlador PLC
El controlador PLC se compone principalmente de una unidad de entrada, una unidad básica PLC y una unidad de salida. La unidad de entrada se compone de un módulo A/D y un módulo de entrada digital, mientras que la unidad de salida se compone de un módulo D/A y un módulo de entrada digital. El controlador PLC está equipado con una pantalla digital LED para la observación en tiempo real de los parámetros PID del sistema, la posición del seguidor de paletas, la posición del seguidor de paletas guía y el valor de la altura de agua. También incluye un voltímetro analógico para monitorizar la posición del seguidor de paletas en caso de fallo del controlador.
3.2 Sistema de seguimiento hidráulico
El servosistema hidráulico es una parte importante del sistema de control de álabes de la turbina. La señal de salida del controlador se amplifica hidráulicamente para controlar el movimiento del seguidor de álabes, ajustando así el ángulo de los álabes del rotor. Adoptamos una combinación de un sistema de control electrohidráulico de válvula de presión principal con control de válvula proporcional y un sistema de control hidráulico tradicional para formar un sistema de control hidráulico paralelo de válvula proporcional electrohidráulica y válvula hidráulica, como se muestra en la Figura 2. Sistema de seguimiento hidráulico para álabes de turbina.
Sistema hidráulico de seguimiento para álabes de turbina
Cuando el controlador PLC, la válvula proporcional electrohidráulica y el sensor de posición funcionan correctamente, se utiliza el método de control proporcional electrohidráulico del PLC para ajustar el sistema de álabes de la turbina. El valor de retroalimentación de posición y el valor de salida de control se transmiten mediante señales eléctricas, que el controlador PLC sintetiza, procesa y toma decisiones. Ajusta la apertura de la válvula principal de distribución de presión a través de la válvula proporcional para controlar la posición del seguidor de álabes y mantener la relación de cooperación entre el álabe guía, la carga hidráulica y el álabe. El sistema de álabes de la turbina controlado por la válvula proporcional electrohidráulica presenta una alta precisión de sinergia, una estructura de sistema simple, una fuerte resistencia a la contaminación por aceite y una interfaz sencilla con el controlador PLC para formar un sistema de control automático por microcomputadora.
Gracias a la retención del mecanismo de enlace mecánico, en el modo de control proporcional electrohidráulico, dicho mecanismo también funciona de forma síncrona para monitorizar el estado operativo del sistema. Si el sistema de control proporcional electrohidráulico PLC falla, la válvula de conmutación actuará de inmediato, y el mecanismo de enlace mecánico puede monitorizar el estado de funcionamiento del sistema. Durante la conmutación, el impacto en el sistema es mínimo, y el sistema de paletas puede realizar una transición fluida al modo de control de enlace mecánico, lo que garantiza en gran medida la fiabilidad del funcionamiento del sistema.
Al diseñar el circuito hidráulico, rediseñamos el cuerpo de la válvula de control hidráulico, el tamaño de acoplamiento del cuerpo de la válvula y el manguito de la válvula, el tamaño de conexión del cuerpo de la válvula y la válvula de presión principal, y el tamaño mecánico de la biela de conexión entre la válvula hidráulica y la válvula de distribución de presión principal es el mismo que el original. Solo es necesario reemplazar el cuerpo de la válvula hidráulica durante la instalación, sin necesidad de cambiar ninguna otra pieza. La estructura de todo el sistema de control hidráulico es muy compacta. Sobre la base de conservar completamente el mecanismo de sinergia mecánica, se agrega un mecanismo de control proporcional electrohidráulico para facilitar la interfaz con el controlador PLC para lograr un control de sinergia digital y mejorar la precisión de coordinación del sistema de álabes de la turbina; y el proceso de instalación y depuración del sistema es muy sencillo, lo que reduce el tiempo de inactividad de la unidad de turbina hidráulica, facilita la transformación del sistema de control hidráulico de la turbina hidráulica y tiene un buen valor práctico. Durante su funcionamiento real en las instalaciones, el sistema ha recibido una alta valoración por parte del personal técnico y de ingeniería de la central eléctrica, y se cree que puede popularizarse y aplicarse en el sistema de servocontrol hidráulico del regulador de muchas centrales hidroeléctricas.
3.3 Estructura del software del sistema y método de implementación
En el sistema de álabes de turbina controlado por PLC, se utiliza el método de sinergia digital para lograr la relación de sinergia entre los álabes directores, la altura del agua y la apertura de los álabes. En comparación con el método de sinergia mecánica tradicional, el método de sinergia digital tiene las ventajas de un ajuste de parámetros sencillo, una depuración y mantenimiento convenientes, y una alta precisión de asociación. La estructura de software del sistema de control de álabes se compone principalmente del programa de función de ajuste del sistema, el programa de algoritmo de control y el programa de diagnóstico. A continuación, se describen los métodos de implementación de estas tres partes del programa. El programa de función de ajuste incluye principalmente una subrutina de sinergia, una subrutina de arranque del álabe, una subrutina de parada del álabe y una subrutina de desconexión de carga del álabe. Cuando el sistema está en funcionamiento, primero identifica y evalúa la condición operativa actual, luego inicia el interruptor de software, ejecuta la subrutina de función de ajuste correspondiente y calcula el valor de posición dado del seguidor de álabe.
(1) Subrutina de asociación
Mediante la prueba del modelo de la unidad de turbina, se obtiene un conjunto de puntos de medición en la superficie de la junta. La leva de la junta mecánica tradicional se fabrica a partir de estos puntos, y el método de junta digital también los utiliza para trazar un conjunto de curvas de junta. Al seleccionar los puntos conocidos en la curva de asociación como nodos y aplicar el método de interpolación lineal por tramos de la función binaria, se puede obtener el valor de la función de los nodos en esta línea de asociación.
(2) Subrutina de arranque de paletas
El objetivo de estudiar la ley de arranque es acortar el tiempo de puesta en marcha de la unidad, reducir la carga del cojinete de empuje y crear condiciones de conexión a la red para la unidad generadora.
(3) Subrutina de parada de paletas
Las reglas de cierre de las paletas son las siguientes: cuando el controlador recibe la orden de apagado, las paletas y las paletas guía se cierran al mismo tiempo según la relación de cooperación para garantizar la estabilidad de la unidad: cuando la apertura de la paleta guía es menor que la apertura sin carga, las paletas se retrasan. Cuando la paleta guía se cierra lentamente, la relación de cooperación entre la paleta y la paleta guía ya no se mantiene; cuando la velocidad de la unidad cae por debajo del 80% de la velocidad nominal, la paleta se vuelve a abrir al ángulo inicial Φ0, lista para el siguiente arranque.
(4) Subrutina de rechazo de carga de la pala
El rechazo de carga significa que la unidad con carga se desconecta repentinamente de la red eléctrica, lo que provoca que la unidad y el sistema de derivación de agua se encuentren en un estado operativo deficiente, lo cual está directamente relacionado con la seguridad de la central eléctrica y la unidad. Cuando se produce la desconexión de carga, el regulador actúa como un dispositivo de protección, que hace que las paletas de guía y las paletas se cierren inmediatamente hasta que la velocidad de la unidad disminuya hasta alcanzar la velocidad nominal. Por lo tanto, en la desconexión de carga real, las paletas generalmente se abren a un cierto ángulo. Esta apertura se obtiene mediante pruebas de desconexión de carga en la central eléctrica real. Esto garantiza que, cuando la unidad se desconecta de carga, no solo el aumento de velocidad sea pequeño, sino que también la unidad sea relativamente estable.
4. Conclusión
En vista del estado técnico actual de la industria de reguladores de turbinas hidráulicas de nuestro país, este artículo se basa en la información más reciente sobre el control de velocidad de turbinas hidráulicas a nivel nacional e internacional, y aplica la tecnología de controlador lógico programable (PLC) al control de velocidad del grupo electrógeno de turbina hidráulica. El controlador programable (PLC) es el componente central del sistema de doble regulación de la turbina hidráulica de paletas de flujo axial. La aplicación práctica demuestra que este sistema mejora significativamente la precisión de la coordinación entre las paletas guía y las paletas de control para diferentes condiciones de carga hidráulica, y optimiza la tasa de aprovechamiento de la energía hidráulica.
Fecha de publicación: 11 de febrero de 2022
