पीएलसी आधारित हाइड्रोलिक टरबाइन गति नियंत्रण प्रणाली का विकास और अनुसंधान

1 परिचय
टरबाइन गवर्नर जलविद्युत इकाइयों के दो प्रमुख नियामक उपकरणों में से एक है। यह न केवल गति नियंत्रण का कार्य करता है, बल्कि जलविद्युत उत्पादन इकाइयों की विभिन्न कार्य स्थितियों के रूपांतरण और आवृत्ति, शक्ति, चरण कोण आदि के नियंत्रण का कार्य भी करता है और जलचक्र जनरेटर सेट की सुरक्षा करता है। टरबाइन गवर्नरों का विकास तीन चरणों में हुआ है: यांत्रिक हाइड्रोलिक गवर्नर, विद्युत-हाइड्रोलिक गवर्नर और माइक्रो कंप्यूटर डिजिटल हाइड्रोलिक गवर्नर। हाल के वर्षों में, टरबाइन गति नियंत्रण प्रणालियों में प्रोग्रामेबल नियंत्रकों को शामिल किया गया है, जिनमें मजबूत हस्तक्षेप-रोधी क्षमता और उच्च विश्वसनीयता है; सरल और सुविधाजनक प्रोग्रामिंग और संचालन; मॉड्यूलर संरचना, अच्छी बहुमुखी प्रतिभा, लचीलापन और सुविधाजनक रखरखाव; मजबूत नियंत्रण कार्य और संचालन क्षमता के लाभ हैं; और इसका व्यावहारिक रूप से सत्यापन हो चुका है।
इस शोधपत्र में पीएलसी हाइड्रोलिक टरबाइन दोहरे समायोजन प्रणाली पर शोध का प्रस्ताव दिया गया है, और प्रोग्रामेबल कंट्रोलर का उपयोग गाइड वेन और पैडल के दोहरे समायोजन को साकार करने के लिए किया जाता है, जिससे विभिन्न जलस्तरों के लिए गाइड वेन और पैडल के समन्वय की सटीकता में सुधार होता है। व्यवहार से पता चलता है कि दोहरी नियंत्रण प्रणाली जल ऊर्जा के उपयोग की दर को बढ़ाती है।

2. टरबाइन विनियमन प्रणाली

2.1 टरबाइन विनियमन प्रणाली
टरबाइन गति नियंत्रण प्रणाली का मूल कार्य विद्युत प्रणाली के भार में परिवर्तन और इकाई की घूर्णन गति में विचलन होने पर गवर्नर के माध्यम से टरबाइन के गाइड वैन के खुलने को तदनुसार समायोजित करना है, ताकि टरबाइन की घूर्णन गति निर्दिष्ट सीमा के भीतर बनी रहे और जनरेटर इकाई का संचालन हो सके। इससे उत्पन्न शक्ति और आवृत्ति उपयोगकर्ता की आवश्यकताओं को पूरा करती है। टरबाइन विनियमन के मूल कार्यों को गति विनियमन, सक्रिय शक्ति विनियमन और जल स्तर विनियमन में विभाजित किया जा सकता है।

2.2 टरबाइन विनियमन का सिद्धांत
एक हाइड्रो-जनरेटर इकाई एक हाइड्रो-टर्बाइन और एक जनरेटर को जोड़कर बनाई गई इकाई है। हाइड्रो-जनरेटर सेट का घूर्णनशील भाग एक स्थिर अक्ष के चारों ओर घूमने वाला एक कठोर पिंड है, और इसके समीकरण को निम्नलिखित समीकरण द्वारा वर्णित किया जा सकता है:

सूत्र में
— इकाई के घूर्णनशील भाग का जड़त्व आघूर्ण (किलोग्राम मीटर²)
— घूर्णन कोणीय वेग (रेडियन/सेकंड)
——टरबाइन टॉर्क (N/m), जिसमें जनरेटर के यांत्रिक और विद्युत नुकसान शामिल हैं।
जनरेटर प्रतिरोध टॉर्क, जो रोटर पर जनरेटर स्टेटर द्वारा लगाए गए टॉर्क को संदर्भित करता है, इसकी दिशा घूर्णन की दिशा के विपरीत होती है, और यह जनरेटर के सक्रिय शक्ति उत्पादन, यानी लोड के आकार का प्रतिनिधित्व करता है।

लोड में परिवर्तन होने पर, गाइड वेन का खुला भाग अपरिवर्तित रहता है, और यूनिट की गति एक निश्चित मान पर स्थिर बनी रहती है। चूंकि गति निर्धारित मान से विचलित हो जाएगी, इसलिए गति को बनाए रखने के लिए स्व-संतुलन समायोजन क्षमता पर निर्भर रहना पर्याप्त नहीं है। लोड में परिवर्तन के बाद यूनिट की गति को मूल निर्धारित मान पर बनाए रखने के लिए, चित्र 1 से स्पष्ट है कि गाइड वेन के खुले भाग को तदनुसार बदलना आवश्यक है। लोड घटने पर, जब प्रतिरोध टॉर्क 1 से 2 में बदलता है, तो गाइड वेन का खुला भाग 1 तक कम हो जाता है, और यूनिट की गति स्थिर रहती है। इसलिए, लोड में परिवर्तन के साथ, जल मार्गदर्शक तंत्र का खुला भाग तदनुसार बदल जाता है, जिससे हाइड्रो-जनरेटर यूनिट की गति एक पूर्व निर्धारित मान पर स्थिर रहती है, या एक पूर्व निर्धारित नियम के अनुसार बदलती है। यह प्रक्रिया हाइड्रो-जनरेटर यूनिट की गति समायोजन, या टरबाइन विनियमन कहलाती है।

3. पीएलसी हाइड्रोलिक टरबाइन दोहरी समायोजन प्रणाली
टरबाइन गवर्नर का कार्य जल मार्गदर्शक वेनों के खुलने को नियंत्रित करके टरबाइन के रनर में प्रवाह को समायोजित करना है, जिससे टरबाइन के गतिशील टॉर्क में परिवर्तन होता है और टरबाइन इकाई की आवृत्ति नियंत्रित होती है। हालांकि, अक्षीय प्रवाह वाले घूर्णनशील पैडल टरबाइन के संचालन के दौरान, गवर्नर को न केवल मार्गदर्शक वेनों के खुलने को समायोजित करना चाहिए, बल्कि मार्गदर्शक वेन अनुगामी के स्ट्रोक और जल शीर्ष मान के अनुसार रनर ब्लेड के कोण को भी समायोजित करना चाहिए, ताकि मार्गदर्शक वेन और वेन आपस में जुड़े रहें। उनके बीच एक सहयोगात्मक संबंध, यानी समन्वय संबंध बनाए रखना आवश्यक है, जिससे टरबाइन की दक्षता में सुधार होता है, ब्लेड कैविटेशन और इकाई के कंपन में कमी आती है और टरबाइन के संचालन की स्थिरता बढ़ती है।
पीएलसी नियंत्रित टरबाइन वेन सिस्टम का हार्डवेयर मुख्य रूप से दो भागों से बना होता है, अर्थात् पीएलसी नियंत्रक और हाइड्रोलिक सर्वो सिस्टम। सबसे पहले, आइए पीएलसी नियंत्रक की हार्डवेयर संरचना पर चर्चा करें।

3.1 पीएलसी नियंत्रक
पीएलसी नियंत्रक मुख्य रूप से इनपुट इकाई, पीएलसी मूल इकाई और आउटपुट इकाई से मिलकर बना होता है। इनपुट इकाई में ए/डी मॉड्यूल और डिजिटल इनपुट मॉड्यूल होते हैं, जबकि आउटपुट इकाई में डी/ए मॉड्यूल और डिजिटल इनपुट मॉड्यूल होते हैं। पीएलसी नियंत्रक में सिस्टम पीआईडी ​​पैरामीटर, वेन फॉलोवर की स्थिति, गाइड वेन फॉलोवर की स्थिति और जल स्तर के मान को वास्तविक समय में देखने के लिए एलईडी डिजिटल डिस्प्ले लगा होता है। माइक्रो कंप्यूटर नियंत्रक के विफल होने की स्थिति में वेन फॉलोवर की स्थिति की निगरानी के लिए एक एनालॉग वोल्टमीटर भी दिया गया है।

3.2 हाइड्रोलिक फॉलो-अप सिस्टम
हाइड्रोलिक सर्वो प्रणाली टरबाइन वेन नियंत्रण प्रणाली का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है। नियंत्रक के आउटपुट सिग्नल को हाइड्रोलिक रूप से प्रवर्धित किया जाता है ताकि वेन फॉलोवर की गति को नियंत्रित किया जा सके, जिससे रनर ब्लेड के कोण को समायोजित किया जा सके। हमने आनुपातिक वाल्व नियंत्रण मुख्य दबाव वाल्व प्रकार की इलेक्ट्रो-हाइड्रोलिक नियंत्रण प्रणाली और पारंपरिक मशीन-हाइड्रोलिक नियंत्रण प्रणाली के संयोजन को अपनाकर इलेक्ट्रो-हाइड्रोलिक आनुपातिक वाल्व और मशीन-हाइड्रोलिक वाल्व की एक समानांतर हाइड्रोलिक नियंत्रण प्रणाली बनाई है, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है। टरबाइन ब्लेड के लिए हाइड्रोलिक फॉलो-अप प्रणाली।

टरबाइन ब्लेड के लिए हाइड्रोलिक फॉलो-अप सिस्टम
जब पीएलसी नियंत्रक, विद्युत-हाइड्रोलिक आनुपातिक वाल्व और स्थिति संवेदक सभी सामान्य स्थिति में होते हैं, तो पीएलसी विद्युत-हाइड्रोलिक आनुपातिक नियंत्रण विधि का उपयोग टरबाइन वेन प्रणाली को समायोजित करने के लिए किया जाता है। स्थिति प्रतिक्रिया मान और नियंत्रण आउटपुट मान विद्युत संकेतों द्वारा प्रेषित किए जाते हैं, और इन संकेतों को पीएलसी नियंत्रक द्वारा संश्लेषित, संसाधित और निर्णय लिया जाता है। आनुपातिक वाल्व के माध्यम से मुख्य दबाव वितरण वाल्व के वाल्व उद्घाटन को समायोजित करके वेन अनुगामी की स्थिति को नियंत्रित किया जाता है, और गाइड वेन, जल शीर्ष और वेन के बीच सहयोगात्मक संबंध बनाए रखा जाता है। विद्युत-हाइड्रोलिक आनुपातिक वाल्व द्वारा नियंत्रित टरबाइन वेन प्रणाली में उच्च तालमेल परिशुद्धता, सरल प्रणाली संरचना, मजबूत तेल प्रदूषण प्रतिरोध होता है, और पीएलसी नियंत्रक के साथ इंटरफेस करके एक सूक्ष्म कंप्यूटर स्वचालित नियंत्रण प्रणाली बनाना सुविधाजनक होता है।

इलेक्ट्रो-हाइड्रोलिक आनुपातिक नियंत्रण मोड में, यांत्रिक लिंकेज तंत्र के बरकरार रहने के कारण, यह तंत्र सिस्टम की परिचालन स्थिति पर नज़र रखने के लिए समकालिक रूप से कार्य करता है। यदि पीएलसी इलेक्ट्रो-हाइड्रोलिक आनुपातिक नियंत्रण प्रणाली विफल हो जाती है, तो स्विचिंग वाल्व तुरंत सक्रिय हो जाता है, और यांत्रिक लिंकेज तंत्र मूल रूप से इलेक्ट्रो-हाइड्रोलिक आनुपातिक नियंत्रण प्रणाली की परिचालन स्थिति पर नज़र रख सकता है। स्विचिंग के दौरान, सिस्टम पर प्रभाव कम होता है, और वेन सिस्टम सुचारू रूप से यांत्रिक नियंत्रण मोड में परिवर्तित हो जाता है, जिससे सिस्टम के संचालन की विश्वसनीयता सुनिश्चित होती है।

हाइड्रोलिक सर्किट को डिज़ाइन करते समय, हमने हाइड्रोलिक कंट्रोल वाल्व के वाल्व बॉडी को फिर से डिज़ाइन किया। वाल्व बॉडी और वाल्व स्लीव का मिलान आकार, वाल्व बॉडी और मुख्य दबाव वाल्व का कनेक्शन आकार, और हाइड्रोलिक वाल्व और मुख्य दबाव वितरण वाल्व के बीच कनेक्टिंग रॉड का यांत्रिक आकार मूल आकार के समान ही रखा गया है। स्थापना के दौरान केवल हाइड्रोलिक वाल्व के वाल्व बॉडी को बदलने की आवश्यकता होती है, अन्य किसी भाग को बदलने की आवश्यकता नहीं होती है। संपूर्ण हाइड्रोलिक नियंत्रण प्रणाली की संरचना अत्यंत सघन है। यांत्रिक तालमेल तंत्र को पूरी तरह से बरकरार रखते हुए, पीएलसी नियंत्रक के साथ इंटरफ़ेस को सुगम बनाने और डिजिटल तालमेल नियंत्रण को साकार करने के लिए एक इलेक्ट्रो-हाइड्रोलिक आनुपातिक नियंत्रण तंत्र जोड़ा गया है, जिससे टरबाइन वेन सिस्टम की समन्वय सटीकता में सुधार होता है। सिस्टम की स्थापना और डिबगिंग प्रक्रिया बहुत आसान है, जिससे हाइड्रोलिक टरबाइन इकाई का डाउनटाइम कम हो जाता है, हाइड्रोलिक टरबाइन की हाइड्रोलिक नियंत्रण प्रणाली का परिवर्तन सुगम हो जाता है, और इसका व्यावहारिक मूल्य भी बहुत अधिक है। साइट पर वास्तविक संचालन के दौरान, विद्युत स्टेशन के इंजीनियरिंग और तकनीकी कर्मियों द्वारा इस प्रणाली की अत्यधिक सराहना की गई है, और यह माना जाता है कि इसे कई जलविद्युत स्टेशनों के गवर्नर के हाइड्रोलिक सर्वो सिस्टम में लोकप्रिय बनाया जा सकता है और लागू किया जा सकता है।

3.3 सिस्टम सॉफ्टवेयर संरचना और कार्यान्वयन विधि
पीएलसी-नियंत्रित टरबाइन वेन सिस्टम में, गाइड वेन्स, वाटर हेड और वेन ओपनिंग के बीच तालमेल संबंध स्थापित करने के लिए डिजिटल तालमेल विधि का उपयोग किया जाता है। पारंपरिक यांत्रिक तालमेल विधि की तुलना में, डिजिटल तालमेल विधि में पैरामीटर ट्रिमिंग में आसानी, डिबगिंग और रखरखाव में सुविधा, और उच्च परिशुद्धता जैसे लाभ हैं। वेन नियंत्रण प्रणाली की सॉफ्टवेयर संरचना मुख्य रूप से सिस्टम समायोजन फ़ंक्शन प्रोग्राम, नियंत्रण एल्गोरिदम प्रोग्राम और निदान प्रोग्राम से बनी है। नीचे हम प्रोग्राम के उपरोक्त तीनों भागों की कार्यान्वयन विधियों पर चर्चा करेंगे। समायोजन फ़ंक्शन प्रोग्राम में मुख्य रूप से तालमेल का एक सब-रूटीन, वेन को शुरू करने का एक सब-रूटीन, वेन को रोकने का एक सब-रूटीन और वेन के लोड शेडिंग का एक सब-रूटीन शामिल है। सिस्टम के काम करते समय, यह पहले वर्तमान परिचालन स्थिति की पहचान और मूल्यांकन करता है, फिर सॉफ्टवेयर स्विच को सक्रिय करता है, संबंधित समायोजन फ़ंक्शन सब-रूटीन को निष्पादित करता है, और वेन फॉलोअर के दिए गए मान की गणना करता है।
(1) एसोसिएशन सबरूटीन
टरबाइन इकाई के मॉडल परीक्षण के माध्यम से, जोड़ की सतह पर मापे गए बिंदुओं का एक समूह प्राप्त किया जा सकता है। इन मापे गए बिंदुओं के आधार पर पारंपरिक यांत्रिक जोड़ कैम बनाया जाता है, और डिजिटल जोड़ विधि भी इन मापे गए बिंदुओं का उपयोग करके जोड़ वक्रों का एक सेट तैयार करती है। एसोसिएशन वक्र पर ज्ञात बिंदुओं को नोड्स के रूप में चुनकर, और बाइनरी फ़ंक्शन के खंडशः रैखिक प्रक्षेपण की विधि को अपनाकर, एसोसिएशन की इस रेखा पर गैर-नोड्स के फ़ंक्शन मान प्राप्त किए जा सकते हैं।
(2) वेन स्टार्ट-अप सबरूटीन
स्टार्ट-अप नियम का अध्ययन करने का उद्देश्य यूनिट के स्टार्ट-अप समय को कम करना, थ्रस्ट बेयरिंग पर भार को कम करना और जनरेटर यूनिट के लिए ग्रिड-कनेक्टेड स्थितियां बनाना है।
(3) वेन स्टॉप सबरूटीन
वैन के बंद होने के नियम इस प्रकार हैं: जब नियंत्रक को शटडाउन कमांड प्राप्त होता है, तो इकाई की स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए सहयोगात्मक संबंध के अनुसार वैन और गाइड वैन एक ही समय में बंद हो जाते हैं: जब गाइड वैन का खुलापन नो-लोड खुलेपन से कम होता है, तो वैन धीमी गति से बंद होते हैं; जब गाइड वैन धीरे-धीरे बंद होते हैं, तो वैन और गाइड वैन के बीच सहयोगात्मक संबंध बरकरार नहीं रहता; जब इकाई की गति रेटेड गति के 80% से नीचे गिर जाती है, तो वैन को प्रारंभिक कोण Φ0 पर फिर से खोल दिया जाता है, जो अगले स्टार्ट-अप के लिए तैयार होता है।
(4) ब्लेड लोड अस्वीकरण उप-नियमन
लोड रिजेक्शन का अर्थ है कि लोड वाली इकाई को अचानक पावर ग्रिड से डिस्कनेक्ट कर दिया जाता है, जिससे इकाई और जल डायवर्जन सिस्टम की परिचालन स्थिति खराब हो जाती है, जो सीधे तौर पर पावर प्लांट और इकाई की सुरक्षा से संबंधित है। लोड शेडिंग के दौरान, गवर्नर एक सुरक्षा उपकरण के रूप में कार्य करता है, जो गाइड वैन और वैन को तुरंत बंद कर देता है जब तक कि इकाई की गति रेटेड गति के आसपास स्थिर न हो जाए। इसलिए, वास्तविक लोड शेडिंग में, वैन को आमतौर पर एक निश्चित कोण पर खोला जाता है। यह कोण वास्तविक पावर स्टेशन के लोड शेडिंग परीक्षण के माध्यम से प्राप्त किया जाता है। इससे यह सुनिश्चित होता है कि लोड शेडिंग के दौरान इकाई की गति में वृद्धि कम हो और इकाई अपेक्षाकृत स्थिर रहे।

4 निष्कर्ष
मेरे देश के हाइड्रोलिक टरबाइन गवर्नर उद्योग की वर्तमान तकनीकी स्थिति को ध्यान में रखते हुए, यह शोधपत्र देश-विदेश में हाइड्रोलिक टरबाइन गति नियंत्रण के क्षेत्र में उपलब्ध नवीनतम जानकारियों का संदर्भ देता है और प्रोग्रामेबल लॉजिक कंट्रोलर (PLC) तकनीक को हाइड्रोलिक टरबाइन जनरेटर सेट की गति नियंत्रण में लागू करता है। प्रोग्राम कंट्रोलर (PLC) अक्षीय प्रवाह पैडल-प्रकार के हाइड्रोलिक टरबाइन के दोहरे विनियमन प्रणाली का मूल तत्व है। व्यावहारिक अनुप्रयोग से पता चलता है कि यह प्रणाली विभिन्न जलस्तर स्थितियों के लिए गाइड वेन और वेन के बीच समन्वय सटीकता में काफी सुधार करती है और जल ऊर्जा के उपयोग की दर को बढ़ाती है।