1 Pendahuluan
Pengatur turbin adalah salah satu dari dua peralatan pengatur utama untuk unit pembangkit listrik tenaga air. Ia tidak hanya berperan dalam pengaturan kecepatan, tetapi juga melakukan berbagai konversi kondisi kerja dan kontrol frekuensi, daya, sudut fasa, dan kontrol lainnya dari unit pembangkit listrik tenaga air, serta melindungi roda air dari generator. Pengatur turbin telah melalui tiga tahap pengembangan: pengatur hidrolik mekanis, pengatur elektro-hidrolik, dan pengatur hidrolik digital mikrokomputer. Dalam beberapa tahun terakhir, pengontrol yang dapat diprogram telah diperkenalkan ke dalam sistem kontrol kecepatan turbin, yang memiliki kemampuan anti-interferensi yang kuat dan keandalan tinggi; pemrograman dan pengoperasian yang sederhana dan nyaman; struktur modular, keserbagunaan yang baik, fleksibilitas, dan perawatan yang mudah; memiliki keunggulan fungsi kontrol dan kemampuan penggerak yang kuat; dan telah teruji secara praktis.
Dalam makalah ini, penelitian tentang sistem pengaturan ganda turbin hidrolik PLC diusulkan, dan pengontrol yang dapat diprogram digunakan untuk mewujudkan pengaturan ganda sudu pengarah dan dayung, yang meningkatkan akurasi koordinasi sudu pengarah dan dayung untuk ketinggian air yang berbeda. Praktik menunjukkan bahwa sistem kontrol ganda meningkatkan tingkat pemanfaatan energi air.
2. Sistem pengaturan turbin
2.1 Sistem pengaturan turbin
Tugas dasar sistem kontrol kecepatan turbin adalah mengubah bukaan sudu pengarah turbin sesuai kebutuhan melalui governor ketika beban sistem tenaga berubah dan kecepatan putaran unit menyimpang, sehingga kecepatan putaran turbin tetap berada dalam rentang yang ditentukan, agar unit generator dapat beroperasi. Daya keluaran dan frekuensi memenuhi persyaratan pengguna. Tugas dasar pengaturan turbin dapat dibagi menjadi pengaturan kecepatan, pengaturan daya aktif, dan pengaturan ketinggian air.
2.2 Prinsip pengaturan turbin
Unit pembangkit tenaga air adalah unit yang dibentuk dengan menghubungkan turbin air dan generator. Bagian yang berputar dari unit pembangkit tenaga air adalah benda kaku yang berputar di sekitar sumbu tetap, dan persamaannya dapat dijelaskan dengan persamaan berikut:
Dalam rumus tersebut
——Momen inersia bagian yang berputar dari unit (Kg m2)
——Kecepatan sudut rotasi (rad/s)
——Torsi turbin (N/m), termasuk kerugian mekanis dan listrik generator.
——Torsi resistansi generator, yang mengacu pada torsi kerja stator generator pada rotor, arahnya berlawanan dengan arah putaran, dan mewakili daya keluaran aktif generator, yaitu, besarnya beban.
Ketika beban berubah, bukaan sudu pengarah tetap tidak berubah, dan kecepatan unit masih dapat distabilkan pada nilai tertentu. Karena kecepatan akan menyimpang dari nilai nominal, mengandalkan kemampuan penyesuaian penyeimbangan otomatis saja tidak cukup untuk mempertahankan kecepatan. Untuk menjaga kecepatan unit pada nilai nominal semula setelah beban berubah, dapat dilihat dari Gambar 1 bahwa perlu mengubah bukaan sudu pengarah sesuai kebutuhan. Ketika beban berkurang, ketika torsi resistansi berubah dari 1 menjadi 2, bukaan sudu pengarah akan dikurangi menjadi 1, dan kecepatan unit akan dipertahankan. Oleh karena itu, dengan perubahan beban, bukaan mekanisme pengarah air juga berubah, sehingga kecepatan unit pembangkit tenaga air dipertahankan pada nilai yang telah ditentukan, atau berubah sesuai dengan hukum yang telah ditentukan. Proses ini adalah penyesuaian kecepatan unit pembangkit tenaga air, atau pengaturan turbin.
3. Sistem penyesuaian ganda turbin hidrolik PLC
Pengatur turbin berfungsi untuk mengontrol bukaan sudu pengarah air guna mengatur aliran ke dalam runner turbin, sehingga mengubah torsi dinamis turbin dan mengontrol frekuensi unit turbin. Namun, selama pengoperasian turbin dayung putar aliran aksial, pengatur tidak hanya harus mengatur bukaan sudu pengarah, tetapi juga mengatur sudut bilah runner sesuai dengan langkah dan nilai tinggi muka air pengikut sudu pengarah, sehingga sudu pengarah dan sudu runner terhubung. Hal ini dapat menjaga hubungan kerja sama di antara keduanya, yaitu hubungan koordinasi, yang dapat meningkatkan efisiensi turbin, mengurangi kavitasi bilah dan getaran unit, serta meningkatkan stabilitas pengoperasian turbin.
Perangkat keras sistem baling-baling turbin yang dikendalikan PLC terutama terdiri dari dua bagian, yaitu pengontrol PLC dan sistem servo hidrolik. Pertama, mari kita bahas struktur perangkat keras pengontrol PLC.
3.1 Pengontrol PLC
Pengontrol PLC terutama terdiri dari unit input, unit dasar PLC, dan unit output. Unit input terdiri dari modul A/D dan modul input digital, sedangkan unit output terdiri dari modul D/A dan modul input digital. Pengontrol PLC dilengkapi dengan tampilan digital LED untuk pengamatan real-time parameter PID sistem, posisi pengikut baling-baling, posisi pengikut baling-baling pemandu, dan nilai tinggi muka air. Voltmeter analog juga disediakan untuk memantau posisi pengikut baling-baling jika terjadi kegagalan pengontrol mikrokomputer.
3.2 Sistem tindak lanjut hidraulik
Sistem servo hidrolik merupakan bagian penting dari sistem kontrol sudu turbin. Sinyal keluaran pengontrol diperkuat secara hidrolik untuk mengontrol pergerakan pengikut sudu, sehingga menyesuaikan sudut bilah runner. Kami mengadopsi kombinasi sistem kontrol elektro-hidrolik tipe katup tekanan utama kontrol katup proporsional dan sistem kontrol hidrolik mesin tradisional untuk membentuk sistem kontrol hidrolik paralel dari katup proporsional elektro-hidrolik dan katup hidrolik mesin seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Sistem pengikut hidrolik untuk bilah turbin.
Sistem tindak lanjut hidraulik untuk bilah turbin
Ketika pengontrol PLC, katup proporsional elektro-hidraulik, dan sensor posisi semuanya normal, metode kontrol proporsional elektro-hidraulik PLC digunakan untuk menyesuaikan sistem sudu turbin. Nilai umpan balik posisi dan nilai keluaran kontrol ditransmisikan melalui sinyal listrik, dan sinyal-sinyal tersebut disintesis oleh pengontrol PLC, diproses, dan diambil keputusannya. Katup proporsional mengatur bukaan katup distribusi tekanan utama untuk mengontrol posisi pengikut sudu, dan menjaga hubungan kerja sama antara sudu pemandu, tinggi muka air, dan sudu. Sistem sudu turbin yang dikontrol oleh katup proporsional elektro-hidraulik memiliki presisi sinergi yang tinggi, struktur sistem yang sederhana, ketahanan terhadap polusi minyak yang kuat, dan mudah dihubungkan dengan pengontrol PLC untuk membentuk sistem kontrol otomatis mikrokomputer.
Karena adanya mekanisme penghubung mekanis yang dipertahankan, dalam mode kontrol proporsional elektro-hidraulik, mekanisme penghubung mekanis juga bekerja secara sinkron untuk melacak status operasi sistem. Jika sistem kontrol proporsional elektro-hidraulik PLC gagal, katup pengalih akan segera bekerja, dan mekanisme penghubung mekanis pada dasarnya dapat melacak kondisi kerja sistem kontrol proporsional elektro-hidraulik. Saat beralih, dampak pada sistem kecil, dan sistem baling-baling dapat beralih dengan lancar ke mode kontrol penghubung mekanis, yang sangat menjamin keandalan operasi sistem.
Saat mendesain sirkuit hidrolik, kami mendesain ulang badan katup kontrol hidrolik, ukuran yang sesuai antara badan katup dan selongsong katup, ukuran sambungan antara badan katup dan katup tekanan utama, serta ukuran mekanis batang penghubung antara katup hidrolik dan katup distribusi tekanan utama yang sama dengan aslinya. Hanya badan katup hidrolik yang perlu diganti selama pemasangan, dan tidak ada bagian lain yang perlu diubah. Struktur keseluruhan sistem kontrol hidrolik sangat kompak. Dengan tetap mempertahankan mekanisme sinergi mekanis, mekanisme kontrol proporsional elektro-hidrolik ditambahkan untuk mempermudah antarmuka dengan pengontrol PLC guna mewujudkan kontrol sinergi digital dan meningkatkan akurasi koordinasi sistem baling-baling turbin. Selain itu, proses pemasangan dan debugging sistem sangat mudah, yang mempersingkat waktu henti unit turbin hidrolik, mempermudah transformasi sistem kontrol hidrolik turbin hidrolik, dan memiliki nilai praktis yang baik. Selama pengoperasian sebenarnya di lokasi, sistem ini sangat diapresiasi oleh personel teknik dan teknis pembangkit listrik, dan diyakini bahwa sistem ini dapat dipopulerkan dan diterapkan dalam sistem servo hidrolik pengatur (governor) di banyak pembangkit listrik tenaga air.
3.3 Struktur perangkat lunak sistem dan metode implementasi
Dalam sistem sudu turbin yang dikendalikan PLC, metode sinergi digital digunakan untuk mewujudkan hubungan sinergi antara sudu pengarah, tinggi muka air, dan bukaan sudu. Dibandingkan dengan metode sinergi mekanis tradisional, metode sinergi digital memiliki keunggulan dalam hal kemudahan penyesuaian parameter, kemudahan debugging dan pemeliharaan, serta presisi asosiasi yang tinggi. Struktur perangkat lunak sistem kontrol sudu terutama terdiri dari program fungsi penyesuaian sistem, program algoritma kontrol, dan program diagnostik. Di bawah ini kita akan membahas metode realisasi dari ketiga bagian program tersebut secara terpisah. Program fungsi penyesuaian terutama mencakup subrutin sinergi, subrutin pengaktifan sudu, subrutin penghentian sudu, dan subrutin pengurangan beban sudu. Ketika sistem bekerja, sistem pertama-tama mengidentifikasi dan menilai kondisi operasi saat ini, kemudian memulai peralihan perangkat lunak, menjalankan subrutin fungsi penyesuaian yang sesuai, dan menghitung nilai posisi yang diberikan dari pengikut sudu.
(1) Subrutin asosiasi
Melalui pengujian model unit turbin, sejumlah titik terukur pada permukaan sambungan dapat diperoleh. Cam sambungan mekanis tradisional dibuat berdasarkan titik-titik terukur ini, dan metode sambungan digital juga menggunakan titik-titik terukur ini untuk menggambar serangkaian kurva sambungan. Dengan memilih titik-titik yang diketahui pada kurva asosiasi sebagai simpul, dan mengadopsi metode interpolasi linier piecewise dari fungsi biner, nilai fungsi dari titik-titik non-simpul pada garis asosiasi ini dapat diperoleh.
(2) Subrutin pengaktifan Vane
Tujuan mempelajari hukum start-up adalah untuk mempersingkat waktu start-up unit, mengurangi beban bantalan dorong, dan menciptakan kondisi terhubung ke jaringan listrik untuk unit generator.
(3) Subrutin penghenti Vane
Aturan penutupan sudu adalah sebagai berikut: ketika pengontrol menerima perintah pematian, sudu dan sudu pemandu ditutup secara bersamaan sesuai dengan hubungan kerja sama untuk memastikan stabilitas unit: ketika bukaan sudu pemandu kurang dari bukaan tanpa beban, sudu tertinggal; ketika sudu pemandu ditutup perlahan, hubungan kerja sama antara sudu dan sudu pemandu tidak lagi dipertahankan; ketika kecepatan unit turun di bawah 80% dari kecepatan nominal, sudu dibuka kembali ke sudut awal Φ0, siap untuk memulai pengoperasian selanjutnya.
(4) Subrutin penolakan beban bilah
Pemutusan beban berarti unit yang sedang beroperasi tiba-tiba terputus dari jaringan listrik, sehingga unit dan sistem pengalihan air berada dalam kondisi operasi yang buruk, yang secara langsung berkaitan dengan keselamatan pembangkit listrik dan unit tersebut. Ketika beban diputus, pengatur kecepatan (governor) berfungsi sebagai alat pelindung, yang membuat baling-baling pengarah dan baling-baling tertutup segera hingga kecepatan unit turun mendekati kecepatan nominal. Oleh karena itu, dalam pemutusan beban aktual, baling-baling umumnya dibuka hingga sudut tertentu. Pembukaan ini diperoleh melalui uji pemutusan beban di pembangkit listrik aktual. Hal ini dapat memastikan bahwa ketika unit memutus beban, tidak hanya peningkatan kecepatannya kecil, tetapi unit juga relatif stabil.
4 Kesimpulan
Mengingat kondisi teknis industri pengatur turbin hidrolik di negara kita saat ini, makalah ini mengacu pada informasi terbaru di bidang pengendalian kecepatan turbin hidrolik di dalam dan luar negeri, dan menerapkan teknologi pengontrol logika terprogram (PLC) untuk pengendalian kecepatan generator turbin hidrolik. Pengontrol terprogram (PLC) merupakan inti dari sistem pengaturan ganda turbin hidrolik tipe dayung aliran aksial. Penerapan praktis menunjukkan bahwa skema ini sangat meningkatkan presisi koordinasi antara sudu pengarah dan sudu untuk kondisi ketinggian air yang berbeda, dan meningkatkan tingkat pemanfaatan energi air.
Waktu posting: 11 Februari 2022
