1 서론
터빈 조속기는 수력 발전 유닛의 두 가지 주요 조절 장비 중 하나입니다. 속도 조절뿐만 아니라 수력 발전 유닛의 다양한 작동 조건 변환 및 주파수, 전력, 위상각 등 제어를 담당하고 수차(water wheel)를 보호합니다. 발전기 세트의 역할도 수행합니다. 터빈 조속기는 기계식 유압 조속기, 전기 유압 조속기, 마이크로컴퓨터 디지털 유압 조속기의 세 가지 개발 단계를 거쳤습니다. 최근 몇 년 동안 강력한 간섭 방지 기능과 높은 신뢰성, 간편하고 편리한 프로그래밍 및 작동, 모듈식 구조, 뛰어난 다용성, 유연성, 편리한 유지보수를 갖춘 프로그래머블 컨트롤러가 터빈 속도 제어 시스템에 도입되었습니다. 강력한 제어 기능과 구동 능력이라는 장점을 가지고 있으며, 이미 실제 검증을 거쳤습니다.
본 논문에서는 PLC 유압 터빈 이중 조정 시스템에 대한 연구를 제안하고, 프로그래머블 컨트롤러를 사용하여 가이드 베인과 패들의 이중 조정을 구현함으로써 다양한 수두에 대한 가이드 베인과 베인의 조정 정확도를 향상시킵니다. 실제 실험을 통해 이중 제어 시스템이 수력 에너지 이용률을 향상시킨다는 것을 보여줍니다.
2. 터빈 조절 시스템
2.1 터빈 조절 시스템
터빈 속도 제어 시스템의 기본 기능은 전력 계통의 부하가 변하고 장치의 회전 속도가 변동할 때, 조속기를 통해 터빈 가이드 베인의 개도를 적절히 조절하여 터빈 회전 속도를 지정된 범위 내로 유지함으로써 발전기 장치를 작동시키는 것입니다. 출력 전력과 주파수는 사용자 요구 사항을 충족합니다. 터빈 제어의 기본 기능은 속도 제어, 유효 전력 제어, 수위 제어로 나눌 수 있습니다.
2.2 터빈 조절의 원리
수력발전기는 수력터빈과 발전기를 연결하여 구성된 장치입니다. 수력발전기 세트의 회전 부분은 고정된 축을 중심으로 회전하는 강체이며, 그 방정식은 다음 방정식으로 나타낼 수 있습니다.
공식에서
——유닛 회전부의 관성모멘트(Kg·m2)
——회전 각속도(rad/s)
——발전기의 기계적 손실과 전기적 손실을 포함한 터빈 토크(N/m)입니다.
——발전기 저항 토크는 발전기 고정자가 회전자에 작용하는 토크를 말하며, 그 방향은 회전 방향과 반대이고 발전기의 유효 전력 출력, 즉 부하의 크기를 나타냅니다.
부하가 변하면 가이드 베인의 개도는 변하지 않고 단위 속도는 여전히 특정 값으로 안정될 수 있습니다. 속도가 정격 값에서 벗어나기 때문에 자체 균형 조정 능력에만 의존하여 속도를 유지하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 부하가 변한 후 단위의 속도를 원래 정격 값으로 유지하려면 그림 1에서 볼 수 있듯이 가이드 베인의 개도는 그에 따라 변경되어야 합니다. 부하가 감소하면 저항 토크가 1에서 2로 변할 때 가이드 베인의 개도는 1로 감소하고 단위의 속도는 유지됩니다. 따라서 부하가 변하면 물 안내 메커니즘의 개도가 이에 따라 변경되어 수력 발전기 단위의 속도가 미리 정해진 값으로 유지되거나 미리 정해진 법칙에 따라 변경됩니다. 이 프로세스가 수력 발전기 단위의 속도 조정 또는 터빈 조절입니다.
3. PLC 유압 터빈 이중 조정 시스템
터빈 가버너는 워터 가이드 베인의 개도를 제어하여 터빈 러너로 유입되는 유량을 조절함으로써 터빈의 동적 토크를 변화시키고 터빈 유닛의 주파수를 제어합니다. 그러나 축류 회전 패들 터빈의 작동 중 가버너는 가이드 베인의 개도를 조절할 뿐만 아니라, 가이드 베인 팔로워의 스트로크와 수두 값에 따라 러너 블레이드의 각도를 조절하여 가이드 베인과 베인이 서로 연결되도록 해야 합니다. 이 두 가지가 상호 협력 관계, 즉 조정 관계를 유지함으로써 터빈의 효율을 향상시키고, 블레이드 캐비테이션과 유닛의 진동을 줄이며, 터빈 작동의 안정성을 향상시킬 수 있습니다.
PLC 제어 터빈 베인 시스템의 하드웨어는 크게 PLC 컨트롤러와 유압 서보 시스템의 두 부분으로 구성됩니다. 먼저 PLC 컨트롤러의 하드웨어 구조에 대해 살펴보겠습니다.
3.1 PLC 컨트롤러
PLC 컨트롤러는 주로 입력 유닛, PLC 기본 유닛, 그리고 출력 유닛으로 구성됩니다. 입력 유닛은 A/D 모듈과 디지털 입력 모듈로 구성되고, 출력 유닛은 D/A 모듈과 디지털 입력 모듈로 구성됩니다. PLC 컨트롤러에는 시스템 PID 파라미터, 베인 팔로워 위치, 가이드 베인 팔로워 위치, 그리고 수두 값을 실시간으로 모니터링할 수 있는 LED 디지털 디스플레이가 장착되어 있습니다. 또한, 마이크로컴퓨터 컨트롤러 고장 시 베인 팔로워 위치를 모니터링하기 위한 아날로그 전압계가 제공됩니다.
3.2 유압 후속 시스템
유압 서보 시스템은 터빈 베인 제어 시스템의 중요한 부분입니다. 컨트롤러의 출력 신호는 유압 증폭되어 베인 팔로워의 움직임을 제어하고, 이를 통해 러너 블레이드의 각도를 조절합니다. 비례 밸브 제어 주압 밸브 유형의 전기 유압 제어 시스템과 전통적인 기계 유압 제어 시스템을 결합하여 그림 2와 같이 전기 유압 비례 밸브와 기계 유압 밸브의 병렬 유압 제어 시스템을 구성했습니다. 터빈 블레이드용 유압 팔로업 시스템.
터빈 블레이드용 유압 후속 시스템
PLC 컨트롤러, 전기 유압 비례 밸브, 위치 센서가 모두 정상일 경우, PLC 전기 유압 비례 제어 방식을 사용하여 터빈 베인 시스템을 조정합니다. 위치 피드백 값과 제어 출력 값은 전기 신호로 전송되고, 이 신호들은 PLC 컨트롤러에 의해 합성됩니다. 처리 및 의사결정을 통해 비례 밸브를 통해 주압 분배 밸브의 밸브 개도를 조정하여 베인 팔로워의 위치를 제어하고, 가이드 베인, 수두, 베인 간의 협력 관계를 유지합니다. 전기 유압 비례 밸브로 제어되는 터빈 베인 시스템은 높은 시너지 정밀도, 간단한 시스템 구조, 강력한 오일 오염 방지 기능을 갖추고 있으며, PLC 컨트롤러와 인터페이스하여 마이크로컴퓨터 자동 제어 시스템을 구성하기 편리합니다.
기계식 연결 메커니즘을 유지함으로써, 전기 유압식 비례 제어 모드에서 기계식 연결 메커니즘도 동기적으로 작동하여 시스템 작동 상태를 추적합니다. PLC 전기 유압식 비례 제어 시스템에 장애가 발생하면 스위칭 밸브가 즉시 작동하여 기계식 연결 메커니즘이 전기 유압식 비례 제어 시스템의 작동 상태를 기본적으로 추적할 수 있습니다. 스위칭 시 시스템에 미치는 영향이 적고, 베인 시스템이 원활하게 전환될 수 있습니다. 기계식 연결 제어 모드는 시스템 작동의 신뢰성을 크게 보장합니다.
유압 회로를 설계할 때 유압 제어 밸브의 밸브 본체를 재설계하고, 밸브 본체와 밸브 슬리브의 매칭 크기, 밸브 본체와 주압 밸브의 연결 크기, 유압 밸브와 주압 분배 밸브 사이의 커넥팅 로드의 기계식 크기는 원래와 동일합니다. 설치 중에 유압 밸브의 밸브 본체만 교체하면 되고 다른 부분은 변경할 필요가 없습니다. 전체 유압 제어 시스템의 구조는 매우 컴팩트합니다. 기계적 시너지 메커니즘을 완전히 유지하는 기반 위에 전기 유압 비례 제어 메커니즘을 추가하여 PLC 컨트롤러와의 인터페이스를 용이하게 하여 디지털 시너지 제어를 실현하고 터빈 베인 시스템의 조정 정확도를 향상시킵니다. ; 그리고 시스템의 설치 및 디버깅 프로세스가 매우 간단하여 유압 터빈 유닛의 가동 중지 시간을 단축하고 유압 터빈의 유압 제어 시스템의 변환을 용이하게 하며 실용적인 가치가 좋습니다. 실제 현장 운영 시, 이 시스템은 발전소 엔지니어링 및 기술 인력으로부터 높은 평가를 받았으며, 많은 수력 발전소의 조속기 유압 서보 시스템에 보급 및 적용될 수 있을 것으로 믿어집니다.
3.3 시스템 소프트웨어 구조 및 구현 방법
PLC 제어 터빈 베인 시스템에서 디지털 시너지 방식은 가이드 베인, 수두, 베인 개구부 간의 시너지 관계를 구현하는 데 사용됩니다. 기존의 기계적 시너지 방식과 비교하여 디지털 시너지 방식은 매개변수 조정이 쉽고, 디버깅 및 유지 보수가 편리하며, 연관 관계가 정확하다는 장점이 있습니다. 베인 제어 시스템의 소프트웨어 구조는 주로 시스템 조정 기능 프로그램, 제어 알고리즘 프로그램, 진단 프로그램으로 구성됩니다. 아래에서는 프로그램의 위 세 부분의 구현 방법을 각각 설명합니다. 조정 기능 프로그램은 주로 시너지 서브루틴, 베인 시작 서브루틴, 베인 정지 서브루틴, 베인 부하 분산 서브루틴으로 구성됩니다. 시스템이 작동 중일 때는 먼저 현재 작동 상태를 식별하고 판단한 다음 소프트웨어 스위치를 시작하고 해당 조정 기능 서브루틴을 실행하여 베인 팔로워의 위치 지정 값을 계산합니다.
(1) 연관 서브루틴
터빈 유닛의 모형 시험을 통해 관절 표면의 측정 지점들을 일괄적으로 얻을 수 있습니다. 전통적인 기계적 관절 캠은 이러한 측정 지점들을 기반으로 제작되며, 디지털 관절법 또한 이러한 측정 지점들을 이용하여 관절 곡선 세트를 도출합니다. 연관 곡선 상의 알려진 지점들을 노드로 선택하고 이진 함수의 구간 선형 보간법을 적용하면, 이 연관 곡선 상의 비노드 지점들의 함수값을 구할 수 있습니다.
(2) 베인 시동 서브루틴
기동 법칙을 연구하는 목적은 장치의 기동 시간을 단축하고, 추력 베어링의 부하를 줄이며, 발전기 장치에 대한 그리드 연결 조건을 만드는 것입니다.
(3) 베인 정지 서브루틴
베인의 닫힘 규칙은 다음과 같습니다. 컨트롤러가 종료 명령을 받으면 베인과 가이드 베인이 협동 관계에 따라 동시에 닫혀 장치의 안정성을 보장합니다. 가이드 베인 개구부가 무부하 개구부보다 작으면 베인이 지연됩니다. 가이드 베인이 천천히 닫히면 베인과 가이드 베인의 협동 관계가 더 이상 유지되지 않습니다. 장치 속도가 정격 속도의 80% 이하로 떨어지면 베인이 시작 각도 Φ0로 다시 열려 다음 시동을 준비합니다.
(4) 블레이드 하중 거부 서브루틴
부하 차단은 부하가 걸린 유닛이 전력망에서 갑자기 분리되어 유닛과 배수 시스템이 제대로 작동하지 않는 상태를 의미하며, 이는 발전소와 유닛의 안전과 직결됩니다. 부하가 차단되면 조속기는 보호 장치와 같은 역할을 하며, 유닛 속도가 정격 속도 근처로 떨어질 때까지 가이드 베인과 베인을 즉시 닫아 안정성을 유지합니다. 따라서 실제 부하 차단 시에는 베인이 일반적으로 특정 각도로 열립니다. 이러한 개방은 실제 발전소의 부하 차단 시험을 통해 얻어집니다. 이를 통해 유닛이 부하를 차단할 때 속도 증가가 작을 뿐만 아니라 유닛이 비교적 안정적으로 유지될 수 있습니다.
4 결론
본 논문은 국내 수력 터빈 조속기 산업의 기술 현황을 고려하여, 국내외 수력 터빈 속도 제어 분야의 최신 정보를 참고하고, 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC) 기술을 수력 터빈 발전기 세트의 속도 제어에 적용합니다. 프로그램 컨트롤러(PLC)는 축류 패들형 수력 터빈 이중 조절 시스템의 핵심입니다. 실제 적용을 통해 본 방안이 다양한 수두 조건에서 가이드 베인과 베인 간의 조정 정밀도를 크게 향상시키고 수력 에너지 이용률을 개선함을 보여줍니다.
게시 시간: 2022년 2월 11일
