1 Inleiding
De turbineregelaar is een van de twee belangrijkste regelapparatuur voor waterkrachtcentrales. Naast de snelheidsregeling zorgt deze ook voor de omzetting van diverse bedrijfsomstandigheden en de regeling van frequentie, vermogen, fasehoek en andere parameters van de waterkrachtcentrale, en beschermt tevens het waterwiel van de generator. Turbineregelaars hebben drie ontwikkelingsfasen doorlopen: mechanisch-hydraulische regelaars, elektrohydraulische regelaars en microcomputergestuurde digitale hydraulische regelaars. De laatste jaren worden programmeerbare controllers steeds vaker toegepast in turbinesnelheidsregelsystemen. Deze controllers hebben een sterke storingsbestendigheid en hoge betrouwbaarheid; ze zijn eenvoudig en gemakkelijk te programmeren en te bedienen; ze hebben een modulaire structuur, zijn veelzijdig en flexibel, en gemakkelijk te onderhouden. Bovendien bieden ze een krachtige regelfunctie en aandrijfkracht. De voordelen hiervan zijn in de praktijk bewezen.
In dit artikel wordt onderzoek gedaan naar een PLC-gestuurd systeem voor de dubbele afstelling van een hydraulische turbine. Een programmeerbare controller wordt gebruikt om de geleideschoep en de schoep tegelijkertijd af te stellen, waardoor de coördinatie tussen de geleideschoep en de schoep bij verschillende waterhoogtes verbetert. De praktijk wijst uit dat dit dubbele besturingssysteem de benutting van waterenergie verhoogt.
2. Turbine-regelsysteem
2.1 Turbine-regelsysteem
De basistaak van het turbine-toerentalregelsysteem is het aanpassen van de opening van de geleideschoepen van de turbine via de regelaar wanneer de belasting van het elektriciteitsnet verandert en het toerental van de turbine afwijkt. Hierdoor blijft het toerental van de turbine binnen het gespecificeerde bereik, zodat het uitgangsvermogen en de frequentie van de generator voldoen aan de eisen van de gebruiker. De basistaken van turbine-regeling kunnen worden onderverdeeld in toerentalregeling, regeling van het actieve vermogen en regeling van het waterpeil.
2.2 Het principe van turbineregeling
Een waterkrachtcentrale is een eenheid die bestaat uit een waterturbine en een generator. Het roterende deel van de waterkrachtcentrale is een star lichaam dat om een vaste as roteert, en de beweging ervan kan worden beschreven door de volgende vergelijking:
In de formule
— Het traagheidsmoment van het roterende deel van de eenheid (kg m²)
——Rotatiehoeksnelheid (rad/s)
— Turbinekoppel (N/m), inclusief mechanische en elektrische verliezen van de generator.
Het weerstandskoppel van de generator, dat verwijst naar het koppel dat de stator van de generator op de rotor uitoefent, is tegengesteld aan de draairichting en vertegenwoordigt het actieve vermogen van de generator, oftewel de grootte van de belasting.
Wanneer de belasting verandert, blijft de opening van de geleideschoep ongewijzigd en kan de snelheid van de unit op een bepaalde waarde worden gestabiliseerd. Omdat de snelheid afwijkt van de nominale waarde, is het niet voldoende om alleen te vertrouwen op het zelfbalancerende aanpassingsvermogen om de snelheid te handhaven. Om de snelheid van de unit op de oorspronkelijke nominale waarde te houden na een verandering in de belasting, is het, zoals te zien in figuur 1, noodzakelijk om de opening van de geleideschoep dienovereenkomstig aan te passen. Wanneer de belasting afneemt, en het weerstandskoppel verandert van 1 naar 2, zal de opening van de geleideschoep worden verkleind tot 1, waardoor de snelheid van de unit behouden blijft. Daarom wordt met de verandering van de belasting de opening van het watergeleidingsmechanisme dienovereenkomstig aangepast, zodat de snelheid van de hydrogeneratorunit op een vooraf bepaalde waarde wordt gehandhaafd of volgens een vooraf bepaalde wetmatigheid verandert. Dit proces wordt de snelheidsregeling van de hydrogeneratorunit, ofwel turbineregeling, genoemd.
3. PLC hydraulisch turbine dubbel afstelsysteem
De turbineregelaar regelt de opening van de watergeleideschoepen om de stroming naar de rotor van de turbine aan te passen, waardoor het dynamische koppel van de turbine verandert en de frequentie van de turbine wordt geregeld. Tijdens de werking van een axiale roterende schoepenturbine moet de regelaar echter niet alleen de opening van de geleideschoepen regelen, maar ook de hoek van de rotorbladen aanpassen aan de slag en de waterdruk van de geleideschoepvolger. Hierdoor ontstaat een coöperatieve relatie tussen de geleideschoep en de schoep, oftewel een gecoördineerde relatie. Dit verbetert het rendement van de turbine, vermindert cavitatie en trillingen van de schoepen en verhoogt de stabiliteit van de turbine.
De hardware van het PLC-gestuurde turbinebladsysteem bestaat hoofdzakelijk uit twee onderdelen: de PLC-controller en het hydraulische servosysteem. Laten we eerst de hardwarestructuur van de PLC-controller bespreken.
3.1 PLC-controller
De PLC-controller bestaat hoofdzakelijk uit een ingangseenheid, een PLC-basiseenheid en een uitgangseenheid. De ingangseenheid bestaat uit een A/D-module en een digitale ingangsmodule, en de uitgangseenheid uit een D/A-module en een digitale ingangsmodule. De PLC-controller is uitgerust met een LED-digitaal display voor realtime weergave van de PID-parameters van het systeem, de positie van de schoepenvolger, de positie van de geleideschoepenvolger en de waterdruk. Er is ook een analoge voltmeter aanwezig om de positie van de schoepenvolger te bewaken in geval van een storing in de microcontroller.
3.2 Hydraulisch volgsysteem
Het hydraulische servosysteem is een belangrijk onderdeel van het turbinebladbesturingssysteem. Het uitgangssignaal van de controller wordt hydraulisch versterkt om de beweging van de schoepvolger te regelen en zo de hoek van de rotorbladen aan te passen. We hebben een combinatie van een elektrohydraulisch besturingssysteem met proportionele klep en een traditioneel machinehydraulisch besturingssysteem toegepast om een parallel hydraulisch besturingssysteem te vormen, bestaande uit een elektrohydraulische proportionele klep en een machinehydraulische klep, zoals weergegeven in figuur 2. Hydraulisch volgsysteem voor turbinebladen.
Hydraulisch volgsysteem voor turbinebladen
Wanneer de PLC-controller, de elektrohydraulische proportionele klep en de positiesensor allemaal naar behoren functioneren, wordt de elektrohydraulische proportionele regelmethode van de PLC gebruikt om het turbinebladsysteem aan te passen. De positiefeedbackwaarde en de regeluitgangswaarde worden via elektrische signalen verzonden en door de PLC-controller verwerkt en verwerkt. Op basis hiervan wordt de klepopening van de hoofddrukverdeelklep aangepast via de proportionele klep om de positie van de schoepvolger te regelen en de samenwerking tussen de geleideschoep, de waterdruk en de schoep te handhaven. Het turbinebladsysteem dat wordt aangestuurd door een elektrohydraulische proportionele klep heeft een hoge synergieprecisie, een eenvoudige systeemstructuur, een sterke oliebestendigheid en is gemakkelijk te koppelen aan een PLC-controller om een geautomatiseerd microcomputerbesturingssysteem te vormen.
Door het behoud van het mechanische koppelingsmechanisme werkt dit mechanisme in de elektrohydraulische proportionele regelmodus synchroon met de operationele status van het systeem. Als het PLC-elektrohydraulische proportionele regelsysteem uitvalt, zal de schakelklep onmiddellijk reageren en kan het mechanische koppelingsmechanisme de werkingsstatus van het systeem in principe volgen. De impact op het systeem tijdens het schakelen is minimaal en de overgang naar de mechanische koppelingsmodus garandeert een soepele werking van het systeem.
Bij het ontwerpen van het hydraulische circuit hebben we het klephuis van de hydraulische regelklep opnieuw ontworpen. De afmetingen van het klephuis en de klephuls, de aansluiting van het klephuis op de hoofddrukregelklep en de mechanische afmetingen van de drijfstang tussen de hydraulische klep en de hoofddrukregelklep zijn gelijk gebleven aan het origineel. Alleen het klephuis van de hydraulische klep hoeft tijdens de installatie te worden vervangen; andere onderdelen hoeven niet te worden gewijzigd. De structuur van het gehele hydraulische besturingssysteem is zeer compact. Naast het volledig behouden van het mechanische synergiemechanisme is een elektrohydraulisch proportioneel regelmechanisme toegevoegd om de interface met de PLC-controller te vergemakkelijken, digitale synergieregeling te realiseren en de coördinatienauwkeurigheid van het turbinebladsysteem te verbeteren. Het installatie- en debugproces van het systeem is zeer eenvoudig, wat de stilstandtijd van de hydraulische turbine verkort, de ombouw van het hydraulische besturingssysteem van de hydraulische turbine vereenvoudigt en een goede praktische waarde heeft. Tijdens de daadwerkelijke werking op locatie wordt het systeem zeer gewaardeerd door het ingenieurs- en technisch personeel van de energiecentrale, en men is van mening dat het kan worden gepopulariseerd en toegepast in het hydraulische servosysteem van de regelaar van vele waterkrachtcentrales.
3.3 Structuur en implementatiemethode van de systeemsoftware
In het PLC-gestuurde turbinebladsysteem wordt de digitale synergiemethode gebruikt om de synergie tussen geleideschoepen, waterdruk en schoepopening te realiseren. Vergeleken met de traditionele mechanische synergiemethode heeft de digitale synergiemethode de voordelen van eenvoudige parameterafstelling, gemakkelijke debugging en onderhoud, en een hoge nauwkeurigheid van de koppeling. De softwarestructuur van het schoepbesturingssysteem bestaat hoofdzakelijk uit het programma voor de systeemafstellingsfunctie, het besturingsalgoritmeprogramma en het diagnoseprogramma. Hieronder bespreken we de realisatiemethoden van deze drie onderdelen van het programma. Het afstellingsfunctieprogramma omvat hoofdzakelijk een subroutine voor synergie, een subroutine voor het starten van de schoep, een subroutine voor het stoppen van de schoep en een subroutine voor het afschakelen van de schoep. Wanneer het systeem in werking is, identificeert en beoordeelt het eerst de huidige bedrijfsomstandigheden, start vervolgens de softwareschakelaar, voert de corresponderende subroutine voor de afstellingsfunctie uit en berekent de positiewaarde van de schoepvolger.
(1) Associatie-subroutine
Door middel van een modeltest van de turbine-eenheid kan een reeks meetpunten op het verbindingsvlak worden verkregen. De traditionele mechanische verbindingsnok wordt op basis van deze meetpunten vervaardigd, en de digitale verbindingsmethode gebruikt deze meetpunten ook om een reeks verbindingscurven te tekenen. Door de bekende punten op de associatiecurve als knooppunten te selecteren en de methode van stuksgewijze lineaire interpolatie van de binaire functie toe te passen, kan de functiewaarde van de niet-knooppunten op deze associatielijn worden verkregen.
(2) Subroutine voor het opstarten van de schoep
Het doel van het bestuderen van de opstartwet is het verkorten van de opstarttijd van de eenheid, het verminderen van de belasting van het druklager en het creëren van netgekoppelde omstandigheden voor de generatoreenheid.
(3) Subroutine voor het stoppen van de schoep
De sluitingsregels van de schoepen zijn als volgt: wanneer de controller het uitschakelcommando ontvangt, sluiten de schoepen en de geleideschoepen gelijktijdig volgens de samenwerkingsrelatie om de stabiliteit van de unit te waarborgen: wanneer de opening van de geleideschoep kleiner is dan de nullastopening, sluiten de schoepen langzaam. Wanneer de geleideschoep langzaam sluit, wordt de samenwerkingsrelatie tussen de schoep en de geleideschoep niet langer gehandhaafd; wanneer het toerental van de unit onder de 80% van het nominale toerental daalt, wordt de schoep heropend naar de starthoek Φ0, ter voorbereiding op de volgende opstart.
(4) Subroutine voor het afwijzen van bladbelasting
Het afschakelen van de belasting betekent dat de eenheid met belasting plotseling van het elektriciteitsnet wordt losgekoppeld, waardoor de eenheid en het wateromleidingssysteem in een ongunstige bedrijfstoestand terechtkomen. Dit is direct van invloed op de veiligheid van de energiecentrale en de eenheid. Bij het afschakelen van de belasting fungeert de regelaar als een beveiligingsmechanisme, waardoor de geleideschoepen en schoepen onmiddellijk sluiten totdat het toerental van de eenheid daalt tot in de buurt van het nominale toerental. Dit zorgt voor stabiliteit. Daarom worden de schoepen bij het daadwerkelijk afschakelen van de belasting doorgaans tot een bepaalde hoek geopend. Deze openingshoek wordt bepaald door middel van tests met het afschakelen van de belasting in de energiecentrale. Dit garandeert dat de snelheidsverhoging van de eenheid tijdens het afschakelen van de belasting gering blijft en dat de eenheid relatief stabiel blijft.
4 Conclusie
Gezien de huidige stand van de technologie in de industrie voor hydraulische turbineregelaars in mijn land, baseert dit artikel zich op nieuwe informatie over snelheidsregeling van hydraulische turbines in binnen- en buitenland en past het de technologie van programmeerbare logische controllers (PLC's) toe op de snelheidsregeling van een hydraulische turbinegeneratorset. De programmeerbare controller (PLC) vormt de kern van het dubbele regelsysteem voor axiale schoepenrad-hydraulische turbines. De praktijktoepassing toont aan dat het systeem de coördinatieprecisie tussen de geleideschoepen en de schoepen bij verschillende waterdrukcondities aanzienlijk verbetert en de benutting van waterenergie verhoogt.
Geplaatst op: 11 februari 2022
