1 Introduction
Le régulateur de turbine est l'un des deux principaux équipements de régulation des centrales hydroélectriques. Il assure non seulement la régulation de la vitesse, mais aussi la conversion des conditions de fonctionnement, la fréquence, la puissance, le déphasage et d'autres contrôles des centrales hydroélectriques, et protège la roue hydraulique. Le rôle du groupe électrogène est de protéger la turbine. Les régulateurs de turbine ont connu trois phases de développement : les régulateurs hydrauliques mécaniques, les régulateurs électrohydrauliques et les régulateurs hydrauliques numériques à micro-ordinateur. Ces dernières années, des automates programmables ont été introduits dans les systèmes de régulation de la vitesse des turbines. Ces automates offrent une excellente résistance aux interférences et une grande fiabilité, une programmation et un fonctionnement simples et pratiques, une structure modulaire, une grande polyvalence, une grande flexibilité et une maintenance aisée. Ils offrent des fonctions de contrôle et de pilotage performantes, et ont été testés en pratique.
Cet article présente une étude sur le système de double réglage de turbine hydraulique PLC. Le contrôleur programmable permet de réaliser le double réglage de l'aube directrice et de la palette, améliorant ainsi la précision de coordination de l'aube directrice et de l'aube pour différentes hauteurs d'eau. La pratique montre que ce système de double contrôle améliore le taux d'utilisation de l'énergie hydraulique.
2. Système de régulation de la turbine
2.1 Système de régulation de la turbine
La fonction principale du système de régulation de la vitesse de la turbine est de modifier l'ouverture des aubes directrices de la turbine, via le régulateur, lorsque la charge du réseau électrique varie et que la vitesse de rotation de l'unité varie. Ainsi, la vitesse de rotation de la turbine reste dans la plage spécifiée et permet le fonctionnement du générateur. La puissance et la fréquence de sortie répondent aux besoins de l'utilisateur. Les fonctions principales de la régulation de la turbine sont la régulation de la vitesse, la régulation de la puissance active et la régulation du niveau d'eau.
2.2 Le principe de régulation de la turbine
Une unité hydroélectrique est un ensemble formé par l'association d'une turbine hydraulique et d'un générateur. La partie rotative de l'unité hydroélectrique est un corps rigide qui tourne autour d'un axe fixe, et son équation peut être décrite par l'équation suivante :
Dans la formule
——Le moment d'inertie de la partie rotative de l'unité (Kg m2)
——Vitesse angulaire de rotation (rad/s)
——Couple de la turbine (N/m), incluant les pertes mécaniques et électriques du générateur.
——Couple de résistance du générateur, qui fait référence au couple d'action du stator du générateur sur le rotor, sa direction est opposée au sens de rotation et représente la puissance active de sortie du générateur, c'est-à-dire la taille de la charge.
Lorsque la charge varie, l'ouverture de l'aube directrice reste inchangée et la vitesse de l'unité peut être stabilisée à une certaine valeur. Comme la vitesse peut s'écarter de la valeur nominale, il ne suffit pas de compter sur l'auto-équilibrage pour la maintenir. Pour maintenir la vitesse de l'unité à sa valeur nominale initiale après une variation de charge, la figure 1 montre qu'il est nécessaire de modifier l'ouverture de l'aube directrice en conséquence. Lorsque la charge diminue, lorsque le couple résistant passe de 1 à 2, l'ouverture de l'aube directrice est réduite à 1 et la vitesse de l'unité est maintenue. Par conséquent, lorsque la charge varie, l'ouverture du mécanisme de guidage de l'eau est modifiée en conséquence, de sorte que la vitesse de l'hydrogénérateur est maintenue à une valeur prédéterminée ou évolue selon une loi prédéterminée. Ce processus est appelé réglage de la vitesse de l'hydrogénérateur, ou régulation de la turbine.
3. Système de réglage double de la turbine hydraulique PLC
Le régulateur de turbine contrôle l'ouverture des aubes directrices afin d'ajuster le débit dans la roue de la turbine, modifiant ainsi le couple dynamique de la turbine et contrôlant la fréquence de l'unité. Cependant, pendant le fonctionnement de la turbine à pales rotatives à flux axial, le régulateur doit non seulement ajuster l'ouverture des aubes directrices, mais aussi l'angle des aubes directrices en fonction de la course et de la hauteur d'eau du suiveur d'aube directrice, afin que l'aube directrice et l'aube directrice soient connectées. Maintenir une relation de coopération, c'est-à-dire une relation de coordination, permet d'améliorer le rendement de la turbine, de réduire la cavitation et les vibrations des aubes, et d'améliorer la stabilité de fonctionnement de la turbine.
Le matériel du système de contrôle PLC des aubes de turbine se compose principalement de deux éléments : le contrôleur PLC et le servosystème hydraulique. Commençons par la structure matérielle du contrôleur PLC.
3.1 Contrôleur PLC
Le contrôleur PLC est principalement composé d'une unité d'entrée, d'une unité de base PLC et d'une unité de sortie. L'unité d'entrée est composée d'un module A/N et d'un module d'entrée numérique, tandis que l'unité de sortie est composée d'un module N/A et d'un module d'entrée numérique. Le contrôleur PLC est équipé d'un écran numérique à LED permettant l'observation en temps réel des paramètres PID du système, de la position des suiveurs d'aubes, de la position des suiveurs d'aubes directrices et de la hauteur d'eau. Un voltmètre analogique est également fourni pour surveiller la position des suiveurs d'aubes en cas de panne du contrôleur micro-ordinateur.
3.2 Système de suivi hydraulique
Le système d'asservissement hydraulique est un élément important du système de commande des aubes de turbine. Le signal de sortie du contrôleur est amplifié hydrauliquement pour contrôler le mouvement du suiveur d'aube, ajustant ainsi l'angle des aubes mobiles. Nous avons adopté la combinaison d'un système de commande électrohydraulique de type vanne de pression principale à commande proportionnelle et d'un système de commande hydraulique traditionnel pour former un système de commande hydraulique parallèle comprenant une vanne proportionnelle électrohydraulique et une vanne hydraulique, comme illustré à la figure 2. Système d'asservissement hydraulique pour aubes de turbine.
Système de suivi hydraulique pour aubes de turbine
Lorsque le contrôleur PLC, la vanne proportionnelle électrohydraulique et le capteur de position fonctionnent normalement, le système de commande électrohydraulique proportionnelle PLC est utilisé pour ajuster le système d'aubes de turbine. La valeur de retour de position et la valeur de sortie de commande sont transmises par des signaux électriques, puis synthétisées par le contrôleur PLC. Le traitement et la prise de décision permettent d'ajuster l'ouverture de la vanne de distribution de pression principale via la vanne proportionnelle pour contrôler la position du suiveur d'aube et maintenir la relation de coopération entre l'aube directrice, la hauteur d'eau et l'aube. Le système d'aubes de turbine contrôlé par la vanne proportionnelle électrohydraulique présente une grande précision de synergie, une structure système simple, une forte résistance à la pollution par l'huile et une interface pratique avec le contrôleur PLC pour former un système de contrôle automatique par micro-ordinateur.
Grâce au maintien du mécanisme de liaison mécanique, en mode de commande proportionnelle électrohydraulique, ce mécanisme fonctionne également de manière synchrone pour suivre l'état de fonctionnement du système. En cas de défaillance du système de commande proportionnelle électrohydraulique PLC, la vanne de commutation intervient immédiatement et le mécanisme de liaison mécanique peut suivre l'état de fonctionnement du système. Lors de la commutation, l'impact sur le système est faible et le système à palettes peut passer en douceur au mode de commande proportionnelle électrohydraulique, ce qui garantit grandement la fiabilité du fonctionnement du système.
Lors de la conception du circuit hydraulique, nous avons repensé le corps de la vanne de régulation hydraulique, l'adaptation des dimensions du corps et du manchon, la taille de la connexion entre le corps et la vanne de pression principale, ainsi que la mécanique. La taille de la bielle entre la vanne hydraulique et la vanne de distribution de pression principale est identique à celle d'origine. Seul le corps de la vanne hydraulique doit être remplacé lors de l'installation, aucune autre pièce n'étant nécessaire. La structure de l'ensemble du système de commande hydraulique est très compacte. En conservant intégralement le mécanisme de synergie mécanique, un mécanisme de commande proportionnelle électrohydraulique a été ajouté pour faciliter l'interface avec le contrôleur PLC afin de réaliser un contrôle de synergie numérique et d'améliorer la précision de coordination du système d'aubes de turbine. L'installation et la mise au point du système sont très simples, ce qui réduit les temps d'arrêt de la turbine hydraulique, facilite la transformation du système de commande hydraulique de la turbine et présente un excellent rapport qualité-prix. Lors de l'exploitation réelle sur site, le système est hautement apprécié par le personnel d'ingénierie et technique de la centrale électrique, et on pense qu'il peut être popularisé et appliqué dans le système d'asservissement hydraulique du régulateur de nombreuses centrales hydroélectriques.
3.3 Structure du logiciel système et méthode de mise en œuvre
Dans le système d'aubes de turbine contrôlé par PLC, la méthode de synergie numérique permet de réaliser la synergie entre les aubes directrices, la hauteur d'eau et l'ouverture des aubes. Comparée à la méthode de synergie mécanique traditionnelle, la méthode de synergie numérique offre les avantages d'un réglage aisé des paramètres, d'une mise au point et d'une maintenance aisées, ainsi que d'une grande précision d'association. La structure logicielle du système de contrôle des aubes se compose principalement d'un programme de réglage, d'un algorithme de contrôle et d'un programme de diagnostic. Nous présentons ci-dessous les méthodes de réalisation de ces trois parties. Le programme de réglage comprend principalement une sous-routine de synergie, une sous-routine de démarrage, une sous-routine d'arrêt et une sous-routine de délestage. Lorsque le système est en fonctionnement, il identifie et évalue d'abord l'état de fonctionnement actuel, puis active le commutateur logiciel, exécute la sous-routine de réglage correspondante et calcule la valeur de position du suiveur d'aube.
(1) Sous-routine d'association
Grâce à l'essai sur modèle de la turbine, un ensemble de points mesurés sur la surface de l'articulation peut être obtenu. La came d'articulation mécanique traditionnelle est réalisée à partir de ces points mesurés, et la méthode d'articulation numérique les utilise également pour tracer un ensemble de courbes d'articulation. En sélectionnant les points connus de la courbe d'association comme nœuds et en adoptant la méthode d'interpolation linéaire par morceaux de la fonction binaire, la valeur de la fonction des non-nœuds sur cette ligne de l'association peut être obtenue.
(2) Sous-programme de démarrage des palettes
L'objectif de l'étude de la loi de démarrage est de raccourcir le temps de démarrage de l'unité, de réduire la charge du palier de butée et de créer des conditions de connexion au réseau pour l'unité génératrice.
(3) Sous-programme d'arrêt des palettes
Les règles de fermeture des aubes sont les suivantes : lorsque le contrôleur reçoit la commande d'arrêt, les aubes et les aubes directrices sont fermées en même temps selon la relation de coopération pour assurer la stabilité de l'unité : lorsque l'ouverture de l'aube directrice est inférieure à l'ouverture à vide, les aubes sont en retard Lorsque l'aube directrice est fermée lentement, la relation de coopération entre l'aube et l'aube directrice n'est plus maintenue ; lorsque la vitesse de l'unité descend en dessous de 80 % de la vitesse nominale, l'aube est rouverte à l'angle de démarrage Φ0, prête pour le prochain démarrage. Préparez-vous.
(4) Sous-programme de rejet de charge de lame
Le délestage de charge signifie que l'unité en charge est soudainement déconnectée du réseau électrique, ce qui entraîne un mauvais fonctionnement de l'unité et du système de dérivation d'eau, ce qui est directement lié à la sécurité de la centrale et de l'unité. Lors du délestage, le régulateur agit comme un dispositif de protection, fermant immédiatement les aubes directrices et les palettes jusqu'à ce que la vitesse de l'unité revienne à un niveau proche de la vitesse nominale. Par conséquent, lors du délestage réel, les palettes sont généralement ouvertes selon un certain angle. Cette ouverture est obtenue grâce à un essai de délestage en centrale. Cela permet de garantir que, lors du délestage, non seulement l'augmentation de vitesse est faible, mais aussi la stabilité de l'unité.
4 Conclusion
Compte tenu de l'état actuel de l'industrie chinoise des régulateurs de turbines hydrauliques, cet article présente les dernières avancées en matière de régulation de vitesse des turbines hydrauliques, tant en Chine qu'à l'étranger, et applique la technologie des automates programmables industriels (API) à la régulation de vitesse des groupes électrogènes à turbine hydraulique. L'API est au cœur du système de double régulation des turbines hydrauliques à palettes à flux axial. L'application pratique montre que ce système améliore considérablement la précision de coordination entre l'aube directrice et l'aube de régulation pour différentes conditions de hauteur d'eau, et optimise le taux d'utilisation de l'énergie hydraulique.
Date de publication : 11 février 2022
