1 Introdução
O regulador de turbina é um dos dois principais equipamentos de regulação para unidades hidrelétricas. Ele não só regula a velocidade, como também realiza a conversão de diversas condições de operação e o controle de frequência, potência, ângulo de fase e outros parâmetros das unidades geradoras hidrelétricas, além de proteger a roda d'água. Os reguladores de turbina passaram por três estágios de desenvolvimento: reguladores hidráulicos mecânicos, reguladores eletro-hidráulicos e reguladores hidráulicos digitais microcomputadorizados. Nos últimos anos, controladores programáveis foram introduzidos nos sistemas de controle de velocidade de turbinas, apresentando forte capacidade anti-interferência e alta confiabilidade; programação e operação simples e convenientes; estrutura modular, boa versatilidade, flexibilidade e facilidade de manutenção; vantagens como forte função de controle e capacidade de acionamento; e já foram comprovadas na prática.
Neste artigo, propõe-se uma pesquisa sobre um sistema de ajuste duplo de turbina hidráulica controlado por CLP (Controlador Lógico Programável), no qual o controlador lógico programável é utilizado para realizar o ajuste simultâneo da pá guia e da pá principal, melhorando a precisão da coordenação entre elas para diferentes alturas de queda d'água. A prática demonstra que o sistema de controle duplo aumenta a taxa de aproveitamento da energia hidráulica.
2. Sistema de regulação da turbina
2.1 Sistema de regulação da turbina
A principal função do sistema de controle de velocidade da turbina é ajustar a abertura das pás guia da turbina, por meio do regulador, conforme a carga do sistema elétrico se altera e a velocidade de rotação da unidade se desvia, de modo a manter a velocidade de rotação da turbina dentro da faixa especificada, garantindo que a unidade geradora opere com potência e frequência de saída que atendam aos requisitos do usuário. As principais funções da regulação da turbina podem ser divididas em regulação de velocidade, regulação de potência ativa e regulação do nível da água.
2.2 O princípio da regulação da turbina
Uma unidade hidrogeradora é um conjunto formado pela conexão de uma turbina hidráulica e um gerador. A parte rotativa do conjunto hidrogerador é um corpo rígido que gira em torno de um eixo fixo, e sua equação pode ser descrita pela seguinte equação:
Na fórmula
——Momento de inércia da parte rotativa da unidade (Kg m2)
——Velocidade angular de rotação (rad/s)
——Torque da turbina (N/m), incluindo perdas mecânicas e elétricas do gerador.
O torque de resistência do gerador, que se refere ao torque de atuação do estator do gerador sobre o rotor, tem direção oposta à direção de rotação e representa a potência ativa de saída do gerador, ou seja, a magnitude da carga.
Quando a carga muda, a abertura da palheta guia permanece inalterada e a velocidade da unidade ainda pode ser estabilizada em um determinado valor. Como a velocidade se desviará do valor nominal, não basta confiar na capacidade de autoajuste para mantê-la. Para manter a velocidade da unidade no valor nominal original após as mudanças de carga, como pode ser visto na Figura 1, é necessário alterar a abertura da palheta guia de acordo. Quando a carga diminui, quando o torque de resistência muda de 1 para 2, a abertura da palheta guia será reduzida para 1 e a velocidade da unidade será mantida. Portanto, com a mudança de carga, a abertura do mecanismo de guia de água é alterada correspondentemente, de modo que a velocidade da unidade hidrogeradora seja mantida em um valor predeterminado ou varie de acordo com uma lei predeterminada. Esse processo é o ajuste de velocidade da unidade hidrogeradora, ou regulação da turbina.
3. Sistema de ajuste duplo da turbina hidráulica PLC
O regulador de velocidade da turbina controla a abertura das palhetas guia de água para ajustar o fluxo de água no rotor da turbina, alterando assim o torque dinâmico da turbina e controlando a frequência da unidade. No entanto, durante a operação de uma turbina rotativa de fluxo axial, o regulador não deve apenas ajustar a abertura das palhetas guia, mas também o ângulo das pás do rotor de acordo com o curso e a altura da queda d'água do seguidor da palheta guia, de modo que a palheta guia e a pá do rotor mantenham uma relação de cooperação entre si, ou seja, uma relação de coordenação. Isso pode melhorar a eficiência da turbina, reduzir a cavitação e a vibração das pás e aumentar a estabilidade da operação da turbina.
O hardware do sistema de controle de pás de turbina PLC é composto principalmente por duas partes: o controlador PLC e o sistema servo-hidráulico. Primeiramente, vamos discutir a estrutura de hardware do controlador PLC.
3.1 Controlador PLC
O controlador PLC é composto principalmente por uma unidade de entrada, uma unidade básica PLC e uma unidade de saída. A unidade de entrada é composta por um módulo A/D e um módulo de entrada digital, enquanto a unidade de saída é composta por um módulo D/A e um módulo de entrada digital. O controlador PLC possui um display digital de LED para observação em tempo real dos parâmetros PID do sistema, posição do seguidor de pás, posição do seguidor de pás guia e valor da altura manométrica. Um voltímetro analógico também é fornecido para monitorar a posição do seguidor de pás em caso de falha do controlador microcomputadorizado.
3.2 Sistema de acompanhamento hidráulico
O sistema servo-hidráulico é uma parte importante do sistema de controle das pás da turbina. O sinal de saída do controlador é amplificado hidraulicamente para controlar o movimento do seguidor de pás, ajustando assim o ângulo das pás do rotor. Adotamos a combinação de um sistema de controle eletro-hidráulico com válvula proporcional e um sistema de controle mecânico-hidráulico tradicional para formar um sistema de controle hidráulico paralelo, composto por válvula proporcional eletro-hidráulica e válvula mecânica-hidráulica, conforme mostrado na Figura 2. Sistema de seguimento hidráulico para pás de turbina.
Sistema hidráulico de acompanhamento para pás de turbina
Quando o controlador PLC, a válvula proporcional eletro-hidráulica e o sensor de posição estão funcionando normalmente, o método de controle proporcional eletro-hidráulico do PLC é utilizado para ajustar o sistema de pás da turbina. Os valores de feedback de posição e de saída de controle são transmitidos por sinais elétricos, e esses sinais são sintetizados pelo controlador PLC, processados e tomados de decisão. O ajuste da abertura da válvula principal de distribuição de pressão, através da válvula proporcional, controla a posição do seguidor de pás, mantendo a relação de cooperação entre a pá guia, a altura manométrica e a pá. O sistema de pás da turbina controlado por válvula proporcional eletro-hidráulica apresenta alta precisão de sinergia, estrutura de sistema simples, forte resistência à contaminação por óleo e facilita a interface com o controlador PLC para formar um sistema de controle automático por microcomputador.
Devido à preservação do mecanismo de ligação mecânica, no modo de controle proporcional eletro-hidráulico, esse mecanismo também funciona de forma síncrona para acompanhar o estado operacional do sistema. Se o sistema de controle proporcional eletro-hidráulico do CLP falhar, a válvula de comutação atuará imediatamente, e o mecanismo de ligação mecânica poderá, basicamente, acompanhar o estado de funcionamento do sistema de controle proporcional eletro-hidráulico. Durante a comutação, o impacto no sistema é mínimo, e o sistema de palhetas pode fazer a transição suavemente para o modo de controle por ligação mecânica, garantindo, em grande medida, a confiabilidade da operação do sistema.
Ao projetarmos o circuito hidráulico, redesenhamos o corpo da válvula de controle hidráulico, ajustando as dimensões do corpo e da luva da válvula, as dimensões da conexão entre o corpo da válvula e a válvula de pressão principal, e mantendo as dimensões da haste de conexão mecânica entre a válvula hidráulica e a válvula de distribuição de pressão principal idênticas às originais. Apenas o corpo da válvula hidráulica precisa ser substituído durante a instalação, sem necessidade de alterações em outras peças. A estrutura de todo o sistema de controle hidráulico é bastante compacta. Além de preservar integralmente o mecanismo de sinergia mecânica, adicionamos um mecanismo de controle proporcional eletro-hidráulico para facilitar a interface com o controlador PLC, permitindo o controle digital de sinergia e melhorando a precisão da coordenação do sistema de pás da turbina. O processo de instalação e depuração do sistema é muito simples, o que reduz o tempo de inatividade da unidade de turbina hidráulica, facilita a transformação do sistema de controle hidráulico da turbina e apresenta grande valor prático. Durante a operação real no local, o sistema foi muito bem avaliado pela equipe de engenharia e técnica da usina, e acredita-se que ele possa ser popularizado e aplicado no sistema servo-hidráulico do regulador de muitas usinas hidrelétricas.
3.3 Estrutura do software do sistema e método de implementação
No sistema de pás de turbina controlado por CLP, o método de sinergia digital é utilizado para realizar a relação de sinergia entre as pás guia, a altura da coluna d'água e a abertura das pás. Comparado ao método de sinergia mecânica tradicional, o método de sinergia digital apresenta as vantagens de fácil ajuste de parâmetros, depuração e manutenção convenientes, além de alta precisão de associação. A estrutura de software do sistema de controle de pás é composta principalmente pelo programa de função de ajuste do sistema, o programa do algoritmo de controle e o programa de diagnóstico. A seguir, discutiremos os métodos de implementação dessas três partes do programa. O programa de função de ajuste inclui principalmente uma sub-rotina de sinergia, uma sub-rotina de partida da pá, uma sub-rotina de parada da pá e uma sub-rotina de alívio de carga da pá. Quando o sistema está em funcionamento, ele primeiro identifica e avalia a condição operacional atual, em seguida, inicia a comutação de software, executa a sub-rotina de função de ajuste correspondente e calcula o valor de posição do seguidor de pás.
(1) Sub-rotina de associação
Por meio do teste em modelo reduzido da unidade de turbina, obtém-se um conjunto de pontos medidos na superfície da junta. A came da junta mecânica tradicional é fabricada com base nesses pontos medidos, e o método da junta digital também utiliza esses pontos medidos para desenhar um conjunto de curvas de junta. Selecionando os pontos conhecidos na curva de associação como nós e adotando o método de interpolação linear por partes da função binária, obtém-se o valor da função dos não-nós nessa linha de associação.
(2) Sub-rotina de inicialização da palheta
O objetivo do estudo da lei de partida é reduzir o tempo de inicialização da unidade, diminuir a carga no mancal de encosto e criar condições adequadas para a conexão da unidade geradora à rede elétrica.
(3) Sub-rotina de parada da palheta
As regras de fechamento das palhetas são as seguintes: quando o controlador recebe o comando de desligamento, as palhetas e as palhetas guia fecham simultaneamente, de acordo com a relação de cooperação, para garantir a estabilidade da unidade; quando a abertura da palheta guia é menor que a abertura sem carga, as palhetas fecham lentamente, e a relação de cooperação entre a palheta e a palheta guia deixa de ser mantida; quando a velocidade da unidade cai abaixo de 80% da velocidade nominal, a palheta é reaberta até o ângulo inicial Φ0, preparando-a para a próxima partida.
(4) Sub-rotina de rejeição de carga da lâmina
A rejeição de carga significa que a unidade com carga é subitamente desconectada da rede elétrica, colocando a unidade e o sistema de desvio de água em um estado operacional inadequado, o que está diretamente relacionado à segurança da usina e da unidade. Quando a carga é cortada, o regulador funciona como um dispositivo de proteção, fechando imediatamente as palhetas guia até que a velocidade da unidade caia para valores próximos à velocidade nominal, garantindo sua estabilidade. Portanto, em situações reais de corte de carga, as palhetas geralmente são abertas em um determinado ângulo. Essa abertura é obtida por meio de testes de corte de carga em usinas reais. Isso garante que, durante o corte de carga, o aumento de velocidade da unidade seja pequeno e que ela permaneça relativamente estável.
4 Conclusão
Considerando o atual estado da arte da indústria de reguladores de turbinas hidráulicas no meu país, este artigo apresenta novas informações na área de controle de velocidade de turbinas hidráulicas, tanto nacionais quanto internacionais, e aplica a tecnologia de controlador lógico programável (CLP) ao controle de velocidade do grupo gerador da turbina hidráulica. O controlador lógico programável (CLP) é o núcleo do sistema de dupla regulação da turbina hidráulica de pás axiais. A aplicação prática demonstra que o esquema melhora significativamente a precisão da coordenação entre a pá guia e a pá principal em diferentes condições de queda d'água, aumentando assim a taxa de aproveitamento da energia hidráulica.
Data da publicação: 11 de fevereiro de 2022
