1 Introduzione
Il regolatore di turbina è uno dei due principali dispositivi di regolazione per le centrali idroelettriche. Non solo regola la velocità, ma si occupa anche della conversione delle condizioni operative e del controllo di frequenza, potenza, angolo di fase e altri parametri delle unità di generazione idroelettrica, proteggendo la ruota idraulica del gruppo elettrogeno. I regolatori di turbina hanno attraversato tre fasi di sviluppo: regolatori idraulici meccanici, regolatori elettroidraulici e regolatori idraulici digitali a microprocessore. Negli ultimi anni, i controllori programmabili sono stati introdotti nei sistemi di controllo della velocità della turbina, offrendo una forte immunità alle interferenze e un'elevata affidabilità; programmazione e funzionamento semplici e pratici; struttura modulare, buona versatilità, flessibilità e manutenzione agevole; vantaggi in termini di funzionalità di controllo e capacità di azionamento, comprovati nella pratica.
In questo articolo viene proposta una ricerca sul sistema di doppia regolazione della turbina idraulica tramite PLC, in cui il controllore programmabile viene utilizzato per realizzare la doppia regolazione della paletta direttrice e della pala, migliorando la precisione di coordinamento tra le due per diverse altezze di caduta dell'acqua. La pratica dimostra che il sistema di doppio controllo migliora il tasso di utilizzo dell'energia idrica.
2. Sistema di regolazione della turbina
2.1 Sistema di regolazione della turbina
Il compito principale del sistema di controllo della velocità della turbina è quello di modificare l'apertura delle pale direttrici della turbina, tramite il regolatore, in base alle variazioni del carico del sistema elettrico e alle conseguenti deviazioni della velocità di rotazione dell'unità, in modo da mantenere la velocità di rotazione della turbina entro l'intervallo specificato e garantire che il gruppo elettrogeno funzioni con potenza e frequenza conformi ai requisiti dell'utente. I compiti fondamentali della regolazione della turbina possono essere suddivisi in regolazione della velocità, regolazione della potenza attiva e regolazione del livello dell'acqua.
2.2 Il principio di regolazione della turbina
Un gruppo idrogeneratore è un'unità formata collegando una turbina idraulica e un generatore. La parte rotante del gruppo idrogeneratore è un corpo rigido che ruota attorno a un asse fisso e la sua equazione può essere descritta dalla seguente:
Nella formula
— Il momento d'inerzia della parte rotante dell'unità (Kg m2)
— Velocità angolare di rotazione (rad/s)
— Coppia della turbina (N/m), comprese le perdite meccaniche ed elettriche del generatore.
La coppia resistente del generatore, che si riferisce alla coppia agente dallo statore del generatore sul rotore, ha direzione opposta al senso di rotazione e rappresenta la potenza attiva erogata dal generatore, ovvero l'entità del carico.
Quando il carico cambia, l'apertura della pala direttrice rimane invariata e la velocità dell'unità può comunque essere stabilizzata a un certo valore. Poiché la velocità si discosterà dal valore nominale, non è sufficiente affidarsi alla capacità di autoregolazione per mantenerla. Per mantenere la velocità dell'unità al valore nominale originale dopo la variazione del carico, come si può vedere dalla Figura 1, è necessario modificare di conseguenza l'apertura della pala direttrice. Quando il carico diminuisce, quando la coppia resistente cambia da 1 a 2, l'apertura della pala direttrice si riduce a 1 e la velocità dell'unità viene mantenuta. Pertanto, con la variazione del carico, l'apertura del meccanismo di guida dell'acqua viene modificata di conseguenza, in modo che la velocità dell'unità idroelettrica venga mantenuta a un valore predeterminato o vari secondo una legge predeterminata. Questo processo costituisce la regolazione della velocità dell'unità idroelettrica, o regolazione della turbina.
3. Sistema di doppia regolazione della turbina idraulica PLC
Il regolatore della turbina ha il compito di controllare l'apertura delle pale direttrici dell'acqua per regolare il flusso nella girante della turbina, modificando così la coppia dinamica della turbina e controllando la frequenza del gruppo turbina. Tuttavia, durante il funzionamento della turbina a pale rotanti a flusso assiale, il regolatore non deve solo regolare l'apertura delle pale direttrici, ma anche l'angolo delle pale della girante in base alla corsa e al valore del carico idraulico del seguace delle pale direttrici, in modo che le pale direttrici e le pale della girante siano collegate e mantengano un rapporto di cooperazione, ovvero un rapporto di coordinamento, che può migliorare l'efficienza della turbina, ridurre la cavitazione delle pale e le vibrazioni del gruppo e migliorare la stabilità di funzionamento della turbina.
L'hardware del sistema di controllo delle pale della turbina tramite PLC è composto principalmente da due parti: il controllore PLC e il sistema servoassistito idraulico. Innanzitutto, analizziamo la struttura hardware del controllore PLC.
3.1 Controllore PLC
Il controllore PLC è composto principalmente da un'unità di ingresso, un'unità base PLC e un'unità di uscita. L'unità di ingresso è composta da un modulo A/D e un modulo di ingresso digitale, mentre l'unità di uscita è composta da un modulo D/A e un modulo di ingresso digitale. Il controllore PLC è dotato di un display digitale a LED per l'osservazione in tempo reale dei parametri PID del sistema, della posizione del seguace della paletta, della posizione del seguace della paletta di guida e del valore del livello dell'acqua. È inoltre presente un voltmetro analogico per monitorare la posizione del seguace della paletta in caso di guasto del microcontrollore.
3.2 Sistema di inseguimento idraulico
Il sistema servoassistito idraulico è una parte importante del sistema di controllo delle pale della turbina. Il segnale di uscita del controllore viene amplificato idraulicamente per controllare il movimento del seguace della pala, regolando così l'angolo delle pale della girante. Abbiamo adottato la combinazione di un sistema di controllo elettroidraulico di tipo valvola di pressione principale a controllo proporzionale e un sistema di controllo idraulico tradizionale per formare un sistema di controllo idraulico parallelo composto da una valvola proporzionale elettroidraulica e una valvola idraulica tradizionale, come mostrato in Figura 2. Sistema di inseguimento idraulico per le pale della turbina.
Sistema idraulico di inseguimento per le pale della turbina
Quando il controllore PLC, la valvola proporzionale elettroidraulica e il sensore di posizione funzionano correttamente, il metodo di controllo proporzionale elettroidraulico PLC viene utilizzato per regolare il sistema delle pale della turbina. Il valore di feedback della posizione e il valore di uscita di controllo vengono trasmessi tramite segnali elettrici, che vengono sintetizzati, elaborati e presi in considerazione dal controllore PLC. Attraverso la valvola proporzionale, l'apertura della valvola di distribuzione della pressione principale viene regolata per controllare la posizione del seguace della pala, mantenendo la relazione di cooperazione tra la pala direzionale, il carico idraulico e la pala stessa. Il sistema delle pale della turbina controllato dalla valvola proporzionale elettroidraulica presenta un'elevata precisione sinergica, una struttura di sistema semplice, una forte resistenza alla contaminazione da olio ed è facilmente interfacciabile con il controllore PLC per formare un sistema di controllo automatico a microcomputer.
Grazie al mantenimento del meccanismo di collegamento meccanico, nella modalità di controllo proporzionale elettroidraulico, anche il meccanismo di collegamento meccanico funziona in modo sincrono per monitorare lo stato operativo del sistema. In caso di guasto del sistema di controllo proporzionale elettroidraulico PLC, la valvola di commutazione interviene immediatamente e il meccanismo di collegamento meccanico può sostanzialmente monitorare lo stato di funzionamento del sistema di controllo proporzionale elettroidraulico. Durante la commutazione, l'impatto sul sistema è minimo e il sistema di palette può passare agevolmente alla modalità di controllo con collegamento meccanico, garantendo un'elevata affidabilità di funzionamento del sistema.
Durante la progettazione del circuito idraulico, abbiamo riprogettato il corpo valvola della valvola di controllo idraulica, le dimensioni di accoppiamento tra il corpo valvola e il manicotto della valvola, le dimensioni di connessione tra il corpo valvola e la valvola di pressione principale e le dimensioni meccaniche dell'asta di collegamento tra la valvola idraulica e la valvola di distribuzione della pressione principale, che sono le stesse dell'originale. Solo il corpo valvola della valvola idraulica deve essere sostituito durante l'installazione, senza bisogno di modificare altre parti. La struttura dell'intero sistema di controllo idraulico è molto compatta. Oltre a mantenere completamente il meccanismo di sinergia meccanica, è stato aggiunto un meccanismo di controllo proporzionale elettroidraulico per facilitare l'interfaccia con il controllore PLC, al fine di realizzare un controllo di sinergia digitale e migliorare la precisione di coordinamento del sistema di pale della turbina. Inoltre, il processo di installazione e collaudo del sistema è molto semplice, il che riduce i tempi di fermo dell'unità turbina idraulica, facilita la trasformazione del sistema di controllo idraulico della turbina idraulica e ha un buon valore pratico. Durante il funzionamento effettivo in loco, il sistema è stato molto apprezzato dal personale tecnico e ingegneristico della centrale elettrica, e si ritiene che possa essere diffuso e applicato nel sistema servoassistito idraulico del regolatore di molte centrali idroelettriche.
3.3 Struttura del software di sistema e metodo di implementazione
Nel sistema di pale della turbina controllato da PLC, il metodo di sinergia digitale viene utilizzato per realizzare la relazione sinergica tra le pale direttrici, il salto idraulico e l'apertura delle pale. Rispetto al tradizionale metodo di sinergia meccanica, il metodo di sinergia digitale presenta i vantaggi di una facile regolazione dei parametri, di una comoda procedura di debug e manutenzione e di un'elevata precisione di associazione. La struttura software del sistema di controllo delle pale è composta principalmente dal programma di funzione di regolazione del sistema, dal programma dell'algoritmo di controllo e dal programma di diagnostica. Di seguito, vengono descritti i metodi di realizzazione delle tre parti del programma. Il programma di funzione di regolazione comprende principalmente una subroutine di sinergia, una subroutine di avvio delle pale, una subroutine di arresto delle pale e una subroutine di riduzione del carico delle pale. Quando il sistema è in funzione, identifica e valuta innanzitutto le condizioni operative correnti, quindi avvia l'interruttore software, esegue la subroutine di funzione di regolazione corrispondente e calcola il valore di posizione assegnato al seguace della pala.
(1) Sottoprogramma di associazione
Attraverso la prova su modello dell'unità turbina, è possibile ottenere una serie di punti misurati sulla superficie di giunzione. La camma tradizionale per la giunzione meccanica viene realizzata sulla base di questi punti misurati, e il metodo di giunzione digitale utilizza anch'esso questi punti misurati per tracciare una serie di curve di giunzione. Selezionando i punti noti sulla curva di associazione come nodi e adottando il metodo di interpolazione lineare a tratti della funzione binaria, è possibile ottenere il valore della funzione dei punti non nodali su questa linea di associazione.
(2) Sottoprogramma di avvio della paletta
Lo scopo dello studio della legge di avviamento è quello di ridurre i tempi di avviamento dell'unità, diminuire il carico sul cuscinetto reggispinta e creare le condizioni per la connessione alla rete del gruppo elettrogeno.
(3) Sottoprogramma di arresto della paletta
Le regole di chiusura delle pale sono le seguenti: quando il controllore riceve il comando di arresto, le pale e le pale direttrici si chiudono contemporaneamente secondo la relazione di cooperazione per garantire la stabilità dell'unità: quando l'apertura della pala direttrice è inferiore all'apertura a vuoto, le pale si chiudono lentamente; quando la velocità dell'unità scende al di sotto dell'80% della velocità nominale, la pala si riapre all'angolo iniziale Φ0, pronta per il successivo avvio.
(4) Sottoprogramma di rigetto del carico della pala
La disconnessione del carico significa che l'unità con carico viene improvvisamente scollegata dalla rete elettrica, portando l'unità e il sistema di deviazione dell'acqua in uno stato operativo anomalo, che è direttamente correlato alla sicurezza della centrale elettrica e dell'unità stessa. Quando il carico viene disaccoppiato, il regolatore funge da dispositivo di protezione, chiudendo immediatamente le pale direttrici e le pale direttrici fino a quando la velocità dell'unità non scende in prossimità della velocità nominale. Pertanto, durante la disconnessione effettiva del carico, le pale vengono generalmente aperte di un certo angolo. Questa apertura viene determinata tramite test di disconnessione del carico effettuati su una centrale elettrica reale. Ciò garantisce che, durante la disconnessione del carico, l'aumento di velocità dell'unità sia minimo e che l'unità rimanga relativamente stabile.
4 Conclusion
Considerato l'attuale stato tecnico dell'industria dei regolatori di velocità per turbine idrauliche nel mio paese, questo articolo fa riferimento alle nuove informazioni nel campo del controllo della velocità delle turbine idrauliche a livello nazionale e internazionale e applica la tecnologia del controllore logico programmabile (PLC) al controllo della velocità del gruppo elettrogeno a turbina idraulica. Il controllore programmabile (PLC) è il cuore del sistema di doppia regolazione della turbina idraulica a pale assiali. L'applicazione pratica dimostra che lo schema migliora notevolmente la precisione di coordinamento tra la paletta direttrice e la paletta in diverse condizioni di carico idraulico e aumenta il tasso di utilizzo dell'energia idrica.
Data di pubblicazione: 11 febbraio 2022
