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, le contrôle de la fréquence, de la puissance, de l'angle de phase et d'autres paramètres des groupes électrogènes, tout en protégeant la roue hydraulique. Les régulateurs de turbine ont connu trois phases de développement : les régulateurs mécano-hydrauliques, les régulateurs électro-hydrauliques et les régulateurs hydrauliques numériques à microprocesseur. Ces dernières années, les automates programmables ont été intégrés aux systèmes de régulation de vitesse des turbines. Ils offrent une forte immunité aux perturbations et une grande fiabilité, une programmation et une utilisation simples et pratiques, une structure modulaire, une grande polyvalence, une flexibilité et une maintenance aisée. Leur robustesse et leur capacité de pilotage ont été largement démontrées.
Cet article présente une étude sur un système de double réglage de turbine hydraulique piloté par automate programmable. Ce dernier permet le réglage simultané de la roue directrice et de la roue de commande, améliorant ainsi la précision de leur coordination pour différentes hauteurs de chute. Les résultats expérimentaux montrent que ce système de double commande optimise le rendement énergétique de l'eau.
2. Système de régulation de la turbine
2.1 Système de régulation de la turbine
La fonction principale du système de régulation de vitesse de la turbine est de modifier l'ouverture des aubes directrices, via le régulateur, lorsque la charge du réseau électrique varie et que la vitesse de rotation de la turbine s'écarte de celle-ci. L'objectif est de maintenir la vitesse de rotation de la turbine dans la plage spécifiée afin d'assurer le fonctionnement du groupe électrogène. La puissance et la fréquence de sortie répondent ainsi aux exigences de l'utilisateur. Les principales fonctions de 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 la régulation des turbines
Un groupe hydroélectrique est un ensemble formé par la connexion d'une turbine hydraulique et d'un générateur. La partie rotative du groupe 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), y compris les pertes mécaniques et électriques du générateur.
— Le couple de résistance du générateur, qui désigne le couple agissant du stator du générateur sur le rotor, a une direction opposée à celle de la 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 constante, et la vitesse du groupe peut être stabilisée à une valeur donnée. Cependant, comme la vitesse s'écarte de sa valeur nominale, le système d'autorégulation ne suffit pas à la maintenir. Afin de conserver la vitesse du groupe à sa valeur nominale initiale après une variation de charge, il est nécessaire, comme illustré sur la figure 1, de modifier l'ouverture de l'aube directrice. Lorsque la charge diminue et que le couple de résistance passe de 1 à 2, l'ouverture de l'aube directrice est réduite à 1, ce qui permet de maintenir la vitesse du groupe. Ainsi, en fonction de la charge, l'ouverture du mécanisme de guidage d'eau est modifiée en conséquence, de sorte que la vitesse du groupe hydroélectrique est maintenue à une valeur prédéterminée, ou varie selon une loi prédéfinie. Ce processus constitue le réglage de la vitesse du groupe hydroélectrique, ou régulation de la turbine.
3. Système de double réglage de la turbine hydraulique PLC
Le régulateur de turbine contrôle l'ouverture des aubes directrices afin d'ajuster le débit entrant dans la roue, modifiant ainsi le couple dynamique et la fréquence de rotation. Cependant, lors du fonctionnement d'une turbine à aubes rotatives axiales, le régulateur doit non seulement ajuster l'ouverture des aubes directrices, mais aussi l'angle des pales de la roue en fonction de la course et de la hauteur de chute de l'aube suiveuse. Ceci permet d'assurer une liaison optimale entre l'aube directrice et la roue, c'est-à-dire une coordination efficace. Cette coordination améliore le rendement de la turbine, réduit la cavitation et les vibrations, et renforce la stabilité de son fonctionnement.
Le système de commande des aubes de turbine par automate programmable (PLC) comprend principalement deux parties : le contrôleur PLC et le système servo-hydraulique. Commençons par examiner la structure matérielle du contrôleur PLC.
3.1 Contrôleur PLC
L'automate programmable (PLC) est principalement composé d'une unité d'entrée, d'une unité centrale et d'une unité de sortie. L'unité d'entrée comprend un convertisseur analogique-numérique (CAN) et un module d'entrée numérique, tandis que l'unité de sortie comprend un convertisseur numérique-analogique (CNA) et un module d'entrée numérique. L'automate est équipé d'un afficheur numérique à LED permettant l'observation en temps réel des paramètres PID du système, de la position du suiveur de pales, de la position du suiveur de pales de guidage et de la hauteur d'eau. Un voltmètre analogique est également prévu pour surveiller la position du suiveur de pales en cas de panne de l'automate.
3.2 Système de suivi hydraulique
Le système servo-hydraulique est un élément essentiel du système de commande des aubes de turbine. Le signal de sortie du contrôleur est amplifié hydrauliquement pour commander le mouvement du suiveur d'aubes, ajustant ainsi l'angle des aubes de la roue. Nous avons combiné un système de commande électro-hydraulique à distributeur proportionnel et un système de commande hydraulique mécanique traditionnel afin de former un système de commande hydraulique parallèle composé d'un distributeur proportionnel électro-hydraulique et d'un distributeur hydraulique mécanique, comme illustré sur la figure 2. Système de suivi hydraulique des aubes de turbine.
Système de suivi hydraulique pour pales de turbine
Lorsque l'automate programmable, l'électrovanne proportionnelle et le capteur de position fonctionnent correctement, la commande proportionnelle électrohydraulique est utilisée pour ajuster le système de pales de la turbine. Les valeurs de retour de position et de sortie de commande sont transmises par signaux électriques, puis traitées et interprétées par l'automate programmable. Ce dernier ajuste l'ouverture de la vanne de distribution de pression principale via l'électrovanne proportionnelle afin de contrôler la position de la pale suiveuse et de maintenir la coordination entre la pale directrice, la hauteur d'eau et la pale. Le système de pales de la turbine commandé par électrovanne proportionnelle présente une grande précision de fonctionnement, une structure simple, une forte résistance à la pollution par l'huile et s'interface facilement avec un automate programmable pour former un système de commande automatique informatisé.
Grâce au maintien du mécanisme de liaison mécanique, en mode de commande proportionnelle électrohydraulique, ce mécanisme fonctionne de manière synchrone pour suivre l'état de fonctionnement du système. En cas de défaillance du système de commande proportionnelle électrohydraulique par automate programmable, la vanne de commutation réagit immédiatement et le mécanisme de liaison mécanique assure la continuité du 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 par association mécanique, garantissant ainsi une grande fiabilité de fonctionnement.
Lors de la conception du circuit hydraulique, nous avons repensé le corps de la vanne de commande hydraulique, ses dimensions par rapport à la douille, ainsi que les dimensions de raccordement entre le corps de vanne et la vanne de pression principale. Les dimensions mécaniques de la bielle reliant la vanne hydraulique à la vanne de distribution de pression principale restent identiques à celles d'origine. Seul le corps de la vanne hydraulique doit être remplacé lors de l'installation ; aucune autre pièce n'est modifiée. La structure de l'ensemble du système de commande hydraulique est très compacte. Tout en conservant intégralement le mécanisme de synergie mécanique, un mécanisme de commande proportionnelle électrohydraulique a été ajouté pour faciliter l'interface avec l'automate programmable et réaliser une commande numérique synergique, améliorant ainsi la précision de coordination du système d'aubes de la turbine. L'installation et la mise en service du système sont très simples, ce qui réduit les temps d'arrêt de la turbine hydraulique, facilite la modernisation du système de commande hydraulique et présente un intérêt pratique certain. Lors de sa mise en service sur site, le système a été très apprécié par le personnel technique et d'ingénierie de la centrale, et l'on pense qu'il pourrait être généralisé et appliqué dans le système servo-hydraulique du régulateur de nombreuses centrales hydroélectriques.
3.3 Structure du logiciel système et méthode de mise en œuvre
Dans le système de turbine à aubes piloté par automate programmable, la méthode de synergie numérique est utilisée pour optimiser la relation entre les aubes directrices, la hauteur de chute et l'ouverture des aubes. Comparée à la méthode de synergie mécanique traditionnelle, la méthode numérique offre l'avantage d'un paramétrage aisé, d'une mise au point et d'une maintenance simplifiées, ainsi que d'une grande précision d'association. L'architecture logicielle du système de commande des aubes se compose principalement du programme de réglage du système, du programme d'algorithme de commande et du programme de diagnostic. Nous détaillons ci-dessous la mise en œuvre de ces trois parties du programme. Le programme de réglage comprend une sous-routine de synergie, une sous-routine de démarrage des aubes, une sous-routine d'arrêt des aubes et une sous-routine de délestage des aubes. En fonctionnement, le système identifie et évalue d'abord son état de fonctionnement actuel, puis active la commutation logicielle, exécute la sous-routine de réglage correspondante et calcule la position de consigne du suiveur d'aubes.
(1) Sous-routine d'association
Grâce à l'essai sur modèle réduit de la turbine, on obtient un ensemble de points de mesure sur la surface de joint. La came de joint mécanique traditionnelle est fabriquée à partir de ces points, et la méthode de joint numérique utilise également ces points pour tracer un ensemble de courbes de joint. En sélectionnant les points connus sur la courbe d'association comme nœuds, et en appliquant la méthode d'interpolation linéaire par morceaux de la fonction binaire, on obtient la valeur de la fonction aux points non nodaux de cette ligne d'association.
(2) Sous-programme de démarrage de l'aube
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 les conditions de raccordement au réseau pour le groupe électrogène.
(3) Sous-programme d'arrêt de la palette
Les règles de fermeture des aubes sont les suivantes : lorsque le contrôleur reçoit la commande d'arrêt, les aubes et les aubes directrices se ferment simultanément selon une relation de coopération afin d'assurer la stabilité de l'unité : lorsque l'ouverture de l'aube directrice est inférieure à l'ouverture à vide, les aubes présentent un retard ; lorsque l'aube directrice se ferme lentement, la relation de coopération entre l'aube et l'aube directrice n'est plus maintenue ; lorsque la vitesse de l'unité chute en dessous de 80 % de la vitesse nominale, l'aube se rouvre à l'angle de départ Φ0, prête pour le prochain démarrage.
(4) Sous-programme de rejet de la charge de la pale
Le délestage signifie que le groupe électrogène alimenté est brusquement déconnecté du réseau électrique, ce qui entraîne un dysfonctionnement du groupe et du système de dérivation d'eau, affectant directement la sécurité de la centrale et du groupe. Lors d'un délestage, le régulateur agit comme un dispositif de protection, fermant immédiatement les aubes directrices et les aubes de direction jusqu'à ce que la vitesse du groupe atteigne une valeur proche de sa vitesse nominale. Par conséquent, lors d'un délestage réel, les aubes sont généralement ouvertes selon un certain angle. Cette ouverture est déterminée par des essais de délestage en centrale. Elle permet de garantir, lors d'un délestage, une faible augmentation de vitesse et une stabilité relative du groupe.
4 Conclusion
Compte tenu de l'état actuel de l'industrie des régulateurs de turbines hydrauliques en Chine, cet article s'appuie sur les dernières avancées en matière de régulation de vitesse des turbines hydrauliques, tant au niveau national qu'international, et applique la technologie des automates programmables (PLC) à la régulation de vitesse des groupes turbo-alternateurs. L'automate programmable (PLC) est au cœur du système de double régulation d'une turbine hydraulique à aubes axiales. L'application pratique démontre que ce système améliore considérablement la précision de la coordination entre la roue directrice et la roue libre pour différentes hauteurs de chute, et optimise ainsi le rendement énergétique de l'eau.
Date de publication : 11 février 2022
