1 מבוא
וסת טורבינה הוא אחד משני ציוד הוויסות העיקריים עבור יחידות הידרואלקטריות. הוא לא רק ממלא את תפקיד ויסות המהירות, אלא גם מבצע המרה של תנאי עבודה שונים ובקרות תדר, הספק, זווית פאזה ובקרות אחרות של יחידות ייצור הידרואלקטריות ומגן על גלגל המים. משימת סט הגנרטורים. וסת טורבינה עברו שלושה שלבי פיתוח: וסת הידראוליים מכניים, וסת אלקטרו-הידראוליים וסת הידראוליים דיגיטליים מיקרו-מחשביים. בשנים האחרונות הוכנסו בקרים ניתנים לתכנות למערכות בקרת מהירות טורבינה, בעלי יכולת חזקה נגד הפרעות ואמינות גבוהה; תכנות ותפעול פשוטים ונוחים; מבנה מודולרי, רב-תכליתיות טובה, גמישות ותחזוקה נוחה; יש לו את היתרונות של פונקציית בקרה חזקה ויכולת נהיגה; הוא אומת באופן מעשי.
במאמר זה, מוצע מחקר על מערכת כוונון כפולה של טורבינות הידראוליות PLC, כאשר בקר הניתן לתכנות משמש למימוש הכוונון הכפול של שביל ההנחיה והמשוט, מה שמשפר את דיוק התיאום של שביל ההנחיה והשביל עבור ראשי מים שונים. הניסיון מראה שמערכת בקרה כפולה משפרת את שיעור הניצול של אנרגיית המים.
2. מערכת ויסות טורבינות
2.1 מערכת ויסות טורבינות
המשימה הבסיסית של מערכת בקרת מהירות הטורבינה היא לשנות את פתיחת כנפי ההנחיה של הטורבינה בהתאם באמצעות הווסת כאשר עומס מערכת החשמל משתנה ומהירות הסיבוב של היחידה סוטה, כך שמהירות הסיבוב של הטורבינה תישמר בטווח שצוין, על מנת לגרום ליחידת הגנרטור לפעול. הספק המוצא והתדירות עונים על דרישות המשתמש. ניתן לחלק את המשימות הבסיסיות של ויסות הטורבינה לוויסות מהירות, ויסות הספק פעיל ויסות מפלס מים.
2.2 עקרון ויסות הטורבינה
יחידת גנרטור הידרואלקטרי היא יחידה הנוצרת על ידי חיבור טורבינת הידרואלקטרית וגנרטור. החלק המסתובב של מערכת גנרטור ההידרואלקטרי הוא גוף קשיח המסתובב סביב ציר קבוע, ואת משוואתו ניתן לתאר באמצעות המשוואה הבאה:
בנוסחה
——מומנט האינרציה של החלק המסתובב של היחידה (ק"ג מ"ר)
——מהירות זוויתית סיבוב (רדיאנים/שניות)
—— מומנט טורבינה (N/m), כולל הפסדים מכניים וחשמליים של הגנרטור.
מומנט התנגדות הגנרטור, המתייחס למומנט הפעולה של סטטור הגנרטור על הרוטור, כיוונו הפוך לכיוון הסיבוב, ומייצג את תפוקת ההספק הפעילה של הגנרטור, כלומר, גודל העומס.
כאשר העומס משתנה, פתיחת שבלון ההנחיה נשארת ללא שינוי, ומהירות היחידה עדיין ניתנת לייצב על ערך מסוים. מכיוון שהמהירות תסטה מהערך המדורג, לא מספיק להסתמך על יכולת ההתאמה העצמית כדי לשמור על המהירות. על מנת לשמור על מהירות היחידה בערך המדורג המקורי לאחר שינויי העומס, ניתן לראות מאיור 1 שיש צורך לשנות את פתיחת שבלון ההנחיה בהתאם. כאשר העומס יורד, כאשר מומנט ההתנגדות משתנה מ-1 ל-2, פתיחת שבלון ההנחיה תפחת ל-1, ומהירות היחידה תישמר. לכן, עם שינוי העומס, פתיחת מנגנון הנחיית המים משתנה בהתאם, כך שמהירות יחידת מחולל ההידרו נשמרת על ערך קבוע מראש, או משתנה בהתאם לחוק קבוע מראש. תהליך זה הוא כוונון מהירות יחידת מחולל ההידרו, או ויסות טורבינה.
3. מערכת כוונון כפולה של טורבינת הידראולית PLC
מווסת הטורבינה נועד לשלוט בפתיחת להבי ההנחיה כדי להתאים את הזרימה לתוך הטורבינה, ובכך לשנות את המומנט הדינמי של הטורבינה ולשלוט בתדירות של יחידת הטורבינה. עם זאת, במהלך פעולת טורבינת ההנעה הסיבובית בעלת הזרימה הצירית, המווסת צריך לא רק להתאים את פתיחת להבי ההנחיה, אלא גם להתאים את זווית להבי הטורבינה בהתאם למהלך ולערך ראש המים של עוקב להבי ההנחיה, כך ששבל ההנחיה והבלב יהיו מחוברים. יש לשמור על קשר שיתופי ביניהם, כלומר, קשר תיאום, שיכול לשפר את יעילות הטורבינה, להפחית את הקביטציה של הלהב ואת הרטט של היחידה, ולשפר את יציבות פעולת הטורבינה.
החומרה של מערכת בקרת טורבינות PLC מורכבת בעיקר משני חלקים, כלומר בקר PLC ומערכת סרוו הידראולית. ראשית, בואו נדון במבנה החומרה של בקר ה-PLC.
3.1 בקר PLC
בקר PLC מורכב בעיקר מיחידת קלט, יחידת PLC בסיסית ויחידת פלט. יחידת הקלט מורכבת ממודול A/D ומודול קלט דיגיטלי, ויחידת הפלט מורכבת ממודול D/A ומודול קלט דיגיטלי. בקר ה-PLC מצויד בתצוגת LED דיגיטלית לצפייה בזמן אמת בפרמטרי PID של המערכת, מיקום עוקב הלהבות, מיקום עוקב הלהבות ההנחיה וערך ראש המים. מסופק גם מד מתח אנלוגי לניטור מיקום עוקב הלהבות במקרה של כשל בבקר המיקרו-מחשב.
3.2 מערכת מעקב הידראולית
מערכת הסרוו ההידראולית היא חלק חשוב ממערכת בקרת שבבי הטורבינה. אות הפלט של הבקר מוגבר הידראולית כדי לשלוט בתנועת עוקב הששבבים, ובכך להתאים את זווית להבי הטורבינה. אימצנו את השילוב של מערכת בקרה אלקטרו-הידראולית מסוג שסתום לחץ ראשי של בקרת שסתום פרופורציונלי ומערכת בקרה הידראולית-מכונה מסורתית כדי ליצור מערכת בקרה הידראולית מקבילה של שסתום פרופורציונלי אלקטרו-הידראולי ושסתום הידראולי-מכונה כפי שמוצג באיור 2. מערכת מעקב הידראולית ללהבי טורבינה.
מערכת מעקב הידראולית ללהבי טורבינה
כאשר בקר ה-PLC, שסתום הפרופורציה האלקטרו-הידראולי וחיישן המיקום תקינים, שיטת הבקרה הפרופורציונלית האלקטרו-הידראולית של ה-PLC משמשת לכוונון מערכת שבבי הטורבינה, ערך משוב המיקום וערך פלט הבקרה מועברים באמצעות אותות חשמליים, והאותות מסונתזים על ידי בקר ה-PLC. , עיבוד וקבלת החלטות, כוונון פתיחת השסתום של שסתום חלוקת הלחץ הראשי דרך השסתום הפרופורציונלי כדי לשלוט במיקום עוקב השבבי, ולשמור על יחסי שיתוף פעולה בין שבב ההנחיה, ראש המים והשבבי. למערכת שבבי הטורבינה הנשלטת על ידי שסתום פרופורציונלי אלקטרו-הידראולי יש דיוק סינרגטי גבוה, מבנה מערכת פשוט, עמידות חזקה לזיהום שמן, ונוחה לממשק עם בקר ה-PLC ליצירת מערכת בקרה אוטומטית מיקרו-מחשב.
בשל שמירת מנגנון הקישור המכני, במצב בקרה פרופורציונלית אלקטרו-הידראולית, מנגנון הקישור המכני פועל גם באופן סינכרוני כדי לעקוב אחר מצב הפעולה של המערכת. אם מערכת הבקרה הפרופורציונלית האלקטרו-הידראולית של PLC נכשלת, שסתום המיתוג יפעל באופן מיידי, ומנגנון הקישור המכני יכול למעשה לעקוב אחר מצב הפעולה של מערכת הבקרה הפרופורציונלית האלקטרו-הידראולית. בעת המעבר, ההשפעה של המערכת קטנה, ומערכת הכנף יכולה לעבור בצורה חלקה למצב בקרה מכני. מבטיח מאוד את אמינות פעולת המערכת.
כאשר תכננו את המעגל ההידראולי, עיצבנו מחדש את גוף השסתום של שסתום הבקרה ההידראולי, את גודל ההתאמה של גוף השסתום ושרוול השסתום, את גודל החיבור של גוף השסתום ושסתום הלחץ הראשי, ואת גודל מוט החיבור המכני בין השסתום ההידראולי לשסתום חלוקת הלחץ הראשי זהה למקורי. רק גוף השסתום של השסתום ההידראולי צריך להיות מוחלף במהלך ההתקנה, ואין צורך לשנות חלקים אחרים. מבנה מערכת הבקרה ההידראולית כולה קומפקטי מאוד. על בסיס שמירה מלאה על מנגנון הסינרגיה המכני, נוסף מנגנון בקרה פרופורציונלי אלקטרו-הידראולי כדי להקל על הממשק עם בקר ה-PLC כדי לממש בקרת סינרגיה דיגיטלית ולשפר את דיוק התיאום של מערכת שבבי הטורבינה. ותהליך ההתקנה וניפוי השגיאות של המערכת קל מאוד, מה שמקצר את זמן ההשבתה של יחידת הטורבינה ההידראולית, מקל על הטרנספורמציה של מערכת הבקרה ההידראולית של הטורבינה ההידראולית, ובעל ערך מעשי טוב. במהלך הפעולה בפועל באתר, המערכת זוכה להערכה רבה מצד אנשי ההנדסה והטכניקה של תחנת הכוח, וישנה ההנחה שניתן יהיה להפיץ אותה ולהחיל אותה במערכת הסרוו ההידראולית של מווסת תחנות כוח הידרואלקטריות רבות.
3.3 מבנה תוכנת המערכת ושיטת היישום
במערכת שבבי טורבינה הנשלטת על ידי PLC, שיטת הסינרגיה הדיגיטלית משמשת למימוש יחסי הסינרגיה בין שבבי ההנחיה, ראש המים ופתיחת השבבים. בהשוואה לשיטת הסינרגיה המכנית המסורתית, לשיטת הסינרגיה הדיגיטלית יש יתרונות של חיתוך פרמטרים קל, ניפוי שגיאות ותחזוקה נוחים ודיוק גבוה של קישור. מבנה התוכנה של מערכת בקרת השבבים מורכב בעיקר מתוכנית פונקציית כוונון המערכת, תוכנית אלגוריתם הבקרה ותוכנית האבחון. להלן נדון בשיטות המימוש של שלושת חלקי התוכנית הנ"ל בהתאמה. תוכנית פונקציית הכוונון כוללת בעיקר תת-שגרה של סינרגיה, תת-שגרה של הפעלת השבבים, תת-שגרה של עצירת השבבים ותת-שגרה של ניתוק עומס השבבים. כאשר המערכת פועלת, היא מזהה ושופטת תחילה את מצב הפעולה הנוכחי, לאחר מכן מפעילה את מתג התוכנה, מבצעת את תת-שגרת פונקציית הכוונון המתאימה ומחשבת את ערך המיקום הנתון של עוקב השבבים.
(1) תת-שגרה של אסוציאציה
באמצעות בדיקת מודל של יחידת הטורבינה, ניתן לקבל קבוצה של נקודות נמדדות על פני השטח של המפרק. זיז המפרק המכני המסורתי נוצר על סמך נקודות נמדדות אלו, ושיטת המפרק הדיגיטלית משתמשת גם בנקודות נמדדות אלו כדי לצייר קבוצה של עקומות מפרקים. על ידי בחירת הנקודות הידועות על עקומת האסוציאציה כצמתים, ואימוץ שיטת האינטרפולציה הליניארית החלקית של הפונקציה הבינארית, ניתן לקבל את ערך הפונקציה של הנקודות הלא-צמתים על קו זה של האסוציאציה.
(2) תת-שגרה של הפעלת שבבים
מטרת לימוד חוק ההפעלה היא לקצר את זמן ההפעלה של היחידה, להפחית את העומס על מיסב הדחף וליצור תנאים מחוברים לרשת החשמל עבור יחידת הגנרטור.
(3) תת-שגרה של עצירת כנפי
כללי הסגירה של הכנפיים הם כדלקמן: כאשר הבקר מקבל את פקודת הכיבוי, הכנפיים ולבשבי ההנחיה נסגרים בו זמנית בהתאם ליחסי הפעולה כדי להבטיח את יציבות היחידה: כאשר פתיחת שבלונית ההנחיה קטנה מפתיחת הלא-עומס, הכנפיים מפגרות. כאשר שבלונית ההנחיה נסגרת באיטיות, יחסי הפעולה בין הכנפית לשבלונית ההנחיה אינם נשמרים עוד; כאשר מהירות היחידה יורדת מתחת ל-80% מהמהירות המדורגת, הכנפית נפתחת מחדש לזווית ההתחלה Φ0, מוכנה להפעלה הבאה. הכנה.
(4) תת-שגרה של דחיית עומס להב
דחיית עומס פירושה ניתוק פתאומי של היחידה עם עומס מרשת החשמל, מה שגורם למצב פעולה לקוי של היחידה ומערכת הסטת המים, דבר הקשור ישירות לבטיחות תחנת הכוח והיחידה. כאשר עומס מופסק, הווסת משמש כמנגנון הגנה, הגורם לסגירת הכנפי ההנחיה והכנפיים באופן מיידי עד שמהירות היחידה יורדת לסביבת היציבות המדורגת. לכן, בהפסקת עומס בפועל, הכנפיים נפתחות בדרך כלל בזווית מסוימת. פתיחה זו מתקבלת באמצעות בדיקת הפסקת עומס של תחנת הכוח בפועל. זה יכול להבטיח שכאשר היחידה מורידה עומס, לא רק שהעלייה במהירות תהיה קטנה, אלא גם שהיחידה יציבה יחסית.
4 סיכום
לאור המצב הטכני הנוכחי של תעשיית וסת הטורבינות ההידראוליות במדינתי, מאמר זה מתייחס למידע החדש בתחום בקרת מהירות הטורבינות ההידראוליות בארץ ובחו"ל, ומיישם את טכנולוגיית בקר הלוגיקה התכנותית (PLC) על בקרת המהירות של מערך גנרטור הטורבינה ההידראולית. בקר התוכנית (PLC) הוא הליבה של מערכת ויסות כפולה של טורבינה הידראולית מסוג משוט זרימה צירית. היישום המעשי מראה כי התוכנית משפרת מאוד את דיוק התיאום בין שבשבת ההנחיה לשבש עבור תנאי גובה מים שונים, ומשפרת את שיעור הניצול של אנרגיית המים.
זמן פרסום: 11 בפברואר 2022
