1 Wprowadzenie
Regulator turbiny jest jednym z dwóch głównych urządzeń regulacyjnych w elektrowniach wodnych. Pełni on nie tylko funkcję regulacji prędkości obrotowej, ale także odpowiada za przetwarzanie różnych parametrów pracy, częstotliwość, moc, kąt fazowy i inne parametry pracy elektrowni wodnych, a także zabezpiecza koło wodne. Zadaniem zespołu prądotwórczego jest ochrona koła wodnego. Regulatory turbin przeszły trzy etapy rozwoju: mechaniczne regulatory hydrauliczne, regulatory elektrohydrauliczne i mikrokomputerowe cyfrowe regulatory hydrauliczne. W ostatnich latach do systemów regulacji prędkości obrotowej turbin wprowadzono regulatory programowalne, które charakteryzują się wysoką odpornością na zakłócenia i wysoką niezawodnością; prostym i wygodnym programowaniem i obsługą; modułową konstrukcją, wszechstronnością, elastycznością i wygodą konserwacji; charakteryzują się silnymi funkcjami sterowania i możliwością napędu; zostały praktycznie sprawdzone.
W niniejszym artykule przedstawiono badania nad podwójnym systemem regulacji turbiny hydraulicznej PLC, w którym sterownik programowalny służy do realizacji podwójnej regulacji łopatki kierowniczej i łopatki, co poprawia dokładność koordynacji łopatki kierowniczej i łopatki dla różnych wysokości podnoszenia wody. Praktyka pokazuje, że podwójny system sterowania poprawia wskaźnik wykorzystania energii wodnej.
2. Układ regulacji turbiny
2.1 Układ regulacji turbiny
Podstawowym zadaniem układu regulacji prędkości obrotowej turbiny jest odpowiednia regulacja otwarcia łopatek kierowniczych turbiny za pomocą regulatora, gdy zmienia się obciążenie systemu elektroenergetycznego i prędkość obrotowa agregatu ulega zmianie, tak aby utrzymać prędkość obrotową turbiny w określonym zakresie, co umożliwia pracę agregatu prądotwórczego. Moc wyjściowa i częstotliwość muszą spełniać wymagania użytkownika. Podstawowe zadania regulacji turbiny można podzielić na regulację prędkości obrotowej, regulację mocy czynnej oraz regulację poziomu wody.
2.2 Zasada regulacji turbiny
Zespół hydrogeneratora to zespół utworzony przez połączenie turbiny wodnej i generatora. Obrotowa część zespołu hydrogeneratora to sztywny korpus obracający się wokół stałej osi, a jego równanie można opisać następującym równaniem:
W formule
——Moment bezwładności obracającej się części jednostki (Kg m2)
——Prędkość kątowa obrotu (rad/s)
——Moment obrotowy turbiny (N/m), w tym straty mechaniczne i elektryczne generatora.
——Moment oporu generatora, który odnosi się do momentu obrotowego stojana generatora na wirniku, jego kierunek jest przeciwny do kierunku obrotu i reprezentuje czynną moc wyjściową generatora, czyli wielkość obciążenia.
Przy zmianie obciążenia stopień otwarcia łopatki kierowniczej pozostaje niezmieniony, a prędkość obrotowa jednostki może być nadal stabilizowana na określonym poziomie. Ponieważ prędkość obrotowa będzie odbiegać od wartości znamionowej, samoczynne wyważenie nie wystarczy, aby utrzymać prędkość. Aby utrzymać prędkość obrotową jednostki na pierwotnym poziomie znamionowym po zmianie obciążenia, jak widać na rysunku 1, konieczna jest odpowiednia zmiana stopnia otwarcia łopatki kierowniczej. Wraz ze spadkiem obciążenia, gdy moment oporu zmienia się z 1 na 2, stopień otwarcia łopatki kierowniczej zmniejsza się do 1, a prędkość obrotowa jednostki zostaje utrzymana. Zatem wraz ze zmianą obciążenia stopień otwarcia mechanizmu kierującego wodą ulega odpowiedniej zmianie, tak aby prędkość obrotowa hydrogeneratora utrzymywała się na zadanym poziomie lub zmieniała się zgodnie z zadanym prawem. Proces ten nazywa się regulacją prędkości hydrogeneratora, czyli regulacją turbiny.
3. Podwójny układ regulacji turbiny hydraulicznej PLC
Regulator turbiny ma sterować otwarciem łopatek kierujących, regulując przepływ wody do wirnika turbiny, zmieniając w ten sposób dynamiczny moment obrotowy turbiny i kontrolując częstotliwość pracy zespołu turbiny. Podczas pracy turbiny łopatkowej o przepływie osiowym regulator powinien nie tylko regulować otwarcie łopatek kierujących, ale także regulować kąt nachylenia łopatek wirnika w zależności od skoku tłoka i wysokości podnoszenia wody w popychaczu łopatki kierującej, tak aby łopatka i zespół łopatek były ze sobą połączone. Należy zapewnić między nimi skoordynowaną współpracę, która może poprawić sprawność turbiny, zmniejszyć kawitację i drgania łopatek oraz poprawić stabilność pracy turbiny.
Sprzęt układu łopatkowego turbiny sterującej PLC składa się głównie z dwóch części: sterownika PLC i hydraulicznego układu serwo. Najpierw omówmy strukturę sprzętową sterownika PLC.
3.1 Sterownik PLC
Sterownik PLC składa się głównie z jednostki wejściowej, jednostki podstawowej PLC oraz jednostki wyjściowej. Jednostka wejściowa składa się z modułu analogowo-cyfrowego (A/C) i modułu wejścia cyfrowego, a jednostka wyjściowa z modułu cyfrowo-analogowego (C/A) i modułu wejścia cyfrowego. Sterownik PLC jest wyposażony w cyfrowy wyświetlacz LED, umożliwiający obserwację w czasie rzeczywistym parametrów PID układu, położenia łopatki prowadzącej, położenia łopatki kierującej oraz wartości ciśnienia wody. Dostępny jest również woltomierz analogowy do monitorowania położenia łopatki prowadzącej w przypadku awarii sterownika mikrokomputerowego.
3.2 Hydrauliczny układ dociskowy
Hydrauliczny układ serwomechanizmu stanowi istotną część układu sterowania łopatkami turbiny. Sygnał wyjściowy sterownika jest hydraulicznie wzmacniany w celu sterowania ruchem popychacza łopatek, regulując w ten sposób kąt nachylenia łopatek wirnika. Zastosowaliśmy połączenie elektrohydraulicznego układu sterowania zaworem proporcjonalnym, głównego zaworu ciśnieniowego i tradycyjnego układu sterowania maszynowo-hydraulicznego, tworząc równoległy hydrauliczny układ sterowania elektrohydraulicznym zaworem proporcjonalnym i zaworem maszynowo-hydraulicznym, jak pokazano na rysunku 2. Hydrauliczny układ sterowania łopatkami turbiny.
Hydrauliczny układ śledzenia łopatek turbiny
Gdy sterownik PLC, elektrohydrauliczny zawór proporcjonalny i czujnik położenia działają prawidłowo, elektrohydrauliczna metoda sterowania proporcjonalnego PLC służy do regulacji układu łopatek turbiny. Wartość sprzężenia zwrotnego położenia i wartość wyjściowa sterowania są przesyłane za pomocą sygnałów elektrycznych, a następnie syntezowane przez sterownik PLC. Przetwarzanie i podejmowanie decyzji, regulacja otwarcia zaworu głównego zaworu rozdzielającego ciśnienie poprzez zawór proporcjonalny, steruje położeniem popychacza łopatkowego i utrzymuje spójną relację między łopatką kierującą, ciśnieniem wody i łopatką. Układ łopatek turbiny sterowany elektrohydraulicznym zaworem proporcjonalnym charakteryzuje się wysoką precyzją synergii, prostą konstrukcją, wysoką odpornością na zanieczyszczenia olejem oraz łatwością współpracy ze sterownikiem PLC, tworząc mikrokomputerowy system automatycznego sterowania.
Dzięki zachowanemu mechanicznemu mechanizmowi łączącemu, w trybie elektrohydraulicznego sterowania proporcjonalnego, mechanizm ten działa synchronicznie, śledząc stan pracy układu. W przypadku awarii elektrohydraulicznego układu sterowania proporcjonalnego PLC, zawór przełączający zadziała natychmiast, a mechaniczny mechanizm łączący może zasadniczo śledzić stan pracy elektrohydraulicznego układu sterowania proporcjonalnego. Podczas przełączania, wpływ układu jest niewielki, a układ łopatkowy może płynnie przejść do trybu sterowania skojarzonego. Tryb sterowania skojarzonego mechanicznie w znacznym stopniu gwarantuje niezawodność działania układu.
Kiedy projektowaliśmy obwód hydrauliczny, przeprojektowaliśmy korpus zaworu hydraulicznego zaworu sterującego, dopasowaliśmy rozmiar korpusu zaworu i tulei zaworu, rozmiar połączenia korpusu zaworu i głównego zaworu ciśnieniowego oraz rozmiar mechanicznego korbowodu między zaworem hydraulicznym a głównym zaworem rozdzielczym ciśnienia jest taki sam jak oryginalny. Podczas instalacji należy wymienić tylko korpus zaworu hydraulicznego, a żadne inne części nie muszą być zmieniane. Struktura całego układu sterowania hydraulicznego jest bardzo zwarta. Na podstawie całkowitego zachowania mechanicznego mechanizmu synergii dodano elektrohydrauliczny mechanizm sterowania proporcjonalnego, aby ułatwić interfejs ze sterownikiem PLC w celu realizacji cyfrowego sterowania synergią i poprawy dokładności koordynacji układu łopatek turbiny. ; A proces instalacji i debugowania systemu jest bardzo łatwy, co skraca czas przestoju zespołu turbiny hydraulicznej, ułatwia transformację hydraulicznego układu sterowania turbiny hydraulicznej i ma dobrą wartość praktyczną. Podczas rzeczywistej eksploatacji na miejscu system został wysoko oceniony przez personel inżynieryjno-techniczny elektrowni. Uważa się, że można go spopularyzować i zastosować w hydraulicznym układzie serwomechanizmu regulatora wielu elektrowni wodnych.
3.3 Struktura oprogramowania systemowego i metoda implementacji
W układzie łopatek turbiny sterowanym PLC, cyfrowa metoda synergii służy do realizacji relacji synergii między łopatkami kierowniczymi, wysokością podnoszenia i otwarciem łopatek. W porównaniu z tradycyjną mechaniczną metodą synergii, cyfrowa metoda synergii charakteryzuje się łatwością dostrajania parametrów, wygodą debugowania i konserwacji oraz wysoką precyzją powiązania. Struktura oprogramowania układu sterowania łopatkami składa się głównie z programu funkcji regulacji systemu, programu algorytmu sterowania oraz programu diagnostycznego. Poniżej omówiono metody realizacji powyższych trzech części programu. Program funkcji regulacji zawiera głównie podprogram synergii, podprogram uruchamiania łopatki, podprogram zatrzymywania łopatki oraz podprogram odłączania obciążenia łopatki. Podczas pracy układ najpierw identyfikuje i ocenia aktualny stan pracy, następnie uruchamia przełącznik programowy, wykonuje odpowiedni podprogram funkcji regulacji i oblicza wartość położenia popychacza łopatkowego.
(1) Podprogram asocjacyjny
Poprzez testowanie modelu turbiny, można uzyskać partię punktów pomiarowych na powierzchni połączenia. Tradycyjna krzywka połączenia mechanicznego jest tworzona na podstawie tych punktów pomiarowych, a cyfrowa metoda połączeń również wykorzystuje te punkty pomiarowe do narysowania zestawu krzywych połączeń. Wybierając znane punkty na krzywej asocjacji jako węzły i stosując metodę interpolacji liniowej odcinkami funkcji binarnej, można uzyskać wartości funkcji niewęzłów na tej linii asocjacji.
(2) Podprogram uruchamiania łopatek
Celem badania prawa rozruchu jest skrócenie czasu rozruchu jednostki, zmniejszenie obciążenia łożyska oporowego i stworzenie warunków podłączenia do sieci dla agregatu prądotwórczego.
(3) Podprogram zatrzymania łopatki
Zasady zamykania łopatek są następujące: gdy sterownik otrzyma polecenie wyłączenia, łopatki i łopatki kierownicze zamykają się jednocześnie zgodnie ze współzależnością, aby zapewnić stabilność jednostki: gdy otwarcie łopatki kierowniczej jest mniejsze od otwarcia przy obciążeniu jałowym, łopatki pozostają w tyle; gdy łopatka kierownicza zamyka się powoli, współpraca między łopatką a łopatką kierowniczą nie jest już utrzymywana; gdy prędkość jednostki spadnie poniżej 80% prędkości znamionowej, łopatka otwiera się ponownie do kąta początkowego Φ0, przygotowując się do następnego uruchomienia. Przygotować.
(4) Podprogram odrzucania obciążenia ostrza
Odcięcie obciążenia oznacza nagłe odłączenie obciążonej jednostki od sieci elektroenergetycznej, co powoduje, że jednostka i system odprowadzenia wody znajdują się w złym stanie technicznym, co ma bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo elektrowni i samej jednostki. Podczas odcięcia obciążenia regulator działa jak urządzenie zabezpieczające, które powoduje natychmiastowe zamknięcie łopatek kierowniczych i kierownic, aż prędkość jednostki spadnie do wartości bliskiej prędkości znamionowej. W związku z tym, podczas rzeczywistego odcięcia obciążenia, łopatki są zazwyczaj otwarte pod pewnym kątem. To otwarcie uzyskuje się poprzez test odcięcia obciążenia w rzeczywistej elektrowni. Pozwala to zagwarantować, że podczas odcięcia obciążenia jednostka nie tylko nieznacznie zwiększy prędkość, ale również będzie stabilna.
4. Wnioski
W świetle aktualnego stanu technicznego branży regulatorów turbin hydraulicznych w moim kraju, niniejszy artykuł odnosi się do nowych informacji z dziedziny regulacji prędkości obrotowej turbin hydraulicznych w kraju i za granicą oraz do zastosowania technologii programowalnego sterownika logicznego (PLC) do regulacji prędkości obrotowej agregatu turbiny hydraulicznej. Sterownik programowy (PLC) stanowi rdzeń układu podwójnej regulacji łopatkowej turbiny hydraulicznej o przepływie osiowym. Praktyczne zastosowanie pokazuje, że ten schemat znacznie poprawia precyzję koordynacji między łopatką kierującą a łopatką w różnych warunkach ciśnienia wody oraz poprawia stopień wykorzystania energii wodnej.
Czas publikacji: 11 lutego 2022 r.
