1 Введение
Регулятор турбины является одним из двух основных регулирующих устройств для гидроэлектростанций. Он не только регулирует скорость вращения, но и осуществляет преобразование различных рабочих параметров, управление частотой, мощностью, фазовым углом и другими параметрами гидроэлектрогенераторных установок, а также защищает водяное колесо генераторной установки. Регуляторы турбин прошли три этапа развития: механические гидравлические регуляторы, электрогидравлические регуляторы и микрокомпьютерные цифровые гидравлические регуляторы. В последние годы в системы управления скоростью вращения турбин были внедрены программируемые контроллеры, обладающие высокой помехоустойчивостью и надежностью; простотой и удобством программирования и эксплуатации; модульной структурой, хорошей универсальностью, гибкостью и удобством обслуживания; они обладают преимуществами высокой функциональности управления и приводных возможностей; и прошли практическое применение.
В данной работе предлагается исследование системы двойного регулирования гидравлической турбины на базе ПЛК, а также использование программируемого контроллера для реализации двойного регулирования направляющей лопатки и лопасти, что повышает точность координации направляющей лопатки и лопасти при различных напорах воды. Практика показывает, что система двойного управления повышает коэффициент использования энергии воды.
2. Система регулирования турбины
2.1 Система регулирования турбины
Основная задача системы регулирования скорости турбины заключается в соответствующем изменении степени открытия направляющих лопаток турбины с помощью регулятора при изменении нагрузки энергосистемы и отклонении частоты вращения агрегата, чтобы частота вращения турбины оставалась в заданном диапазоне, обеспечивая работу генераторной установки. Выходная мощность и частота должны соответствовать требованиям заказчика. Основные задачи регулирования турбины можно разделить на регулирование скорости, регулирование активной мощности и регулирование уровня воды.
2.2 Принцип регулирования турбины
Гидрогенераторная установка — это агрегат, образованный соединением гидротурбины и генератора. Вращающаяся часть гидрогенераторной установки представляет собой жесткое тело, вращающееся вокруг неподвижной оси, и его движение можно описать следующим уравнением:
В формуле
— Момент инерции вращающейся части устройства (кг·м²)
—Угловая скорость вращения (рад/с)
— Крутящий момент турбины (Н/м), включая механические и электрические потери генератора.
— Момент сопротивления генератора, который относится к моменту, действующему со стороны статора генератора на ротор, имеет направление, противоположное направлению вращения, и представляет собой выходную активную мощность генератора, то есть величину нагрузки.
При изменении нагрузки степень раскрытия направляющей лопатки остается неизменной, и скорость агрегата по-прежнему может быть стабилизирована на определенном значении. Поскольку скорость будет отклоняться от номинального значения, полагаться только на способность к самобалансировке для поддержания скорости недостаточно. Для поддержания скорости агрегата на исходном номинальном значении после изменения нагрузки, как видно из рисунка 1, необходимо соответствующим образом изменять степень раскрытия направляющей лопатки. При уменьшении нагрузки, когда момент сопротивления изменяется с 1 до 2, степень раскрытия направляющей лопатки уменьшается до 1, и скорость агрегата будет поддерживаться. Следовательно, при изменении нагрузки степень раскрытия водонаправляющего механизма соответственно изменяется, так что скорость гидрогенераторного агрегата поддерживается на заданном значении или изменяется в соответствии с заданным законом. Этот процесс представляет собой регулировку скорости гидрогенераторного агрегата или регулирование турбины.
3. Система двойной регулировки гидравлической турбины с ПЛК
Регулятор турбины предназначен для управления открытием направляющих лопаток для регулирования потока в рабочее колесо турбины, тем самым изменяя динамический крутящий момент турбины и контролируя частоту вращения турбинного агрегата. Однако во время работы осевой роторной лопастной турбины регулятор должен не только регулировать открытие направляющих лопаток, но и регулировать угол наклона лопаток рабочего колеса в соответствии с ходом и значением напора воды, тянущего направляющую лопатку, чтобы обеспечить их согласованную работу и координацию, что позволит повысить эффективность турбины, уменьшить кавитацию и вибрацию лопаток агрегата и повысить стабильность работы турбины.
Аппаратная часть системы управления лопатками турбины с помощью ПЛК состоит в основном из двух частей: контроллера ПЛК и гидравлической сервосистемы. Для начала рассмотрим аппаратную структуру контроллера ПЛК.
3.1 ПЛК-контроллер
Контроллер ПЛК в основном состоит из блока ввода, базового блока ПЛК и блока вывода. Блок ввода состоит из модуля АЦП и модуля цифрового ввода, а блок вывода — из модуля ЦАП и модуля цифрового ввода. Контроллер ПЛК оснащен светодиодным цифровым дисплеем для наблюдения в реальном времени за параметрами ПИД-регулятора системы, положением лопастей, положением направляющих лопастей и значением напора воды. Также предусмотрен аналоговый вольтметр для контроля положения лопастей в случае отказа микрокомпьютерного контроллера.
3.2 Гидравлическая система слежения
Гидравлическая сервосистема является важной частью системы управления лопатками турбины. Выходной сигнал контроллера гидравлически усиливается для управления движением толкателя лопаток, тем самым регулируя угол наклона лопаток рабочего колеса. Мы использовали комбинацию пропорционального клапана управления, главного клапана давления, электрогидравлической системы управления и традиционной машино-гидравлической системы управления для создания параллельной гидравлической системы управления, включающей электрогидравлический пропорциональный клапан и машино-гидравлический клапан, как показано на рисунке 2. Гидравлическая система следования за лопатками турбины.
Гидравлическая система сопровождения лопаток турбины
Когда ПЛК-контроллер, электрогидравлический пропорциональный клапан и датчик положения находятся в нормальном состоянии, для регулирования системы лопаток турбины используется метод управления с помощью ПЛК и электрогидравлического пропорционального управления. Значение обратной связи по положению и значение управляющего выхода передаются электрическими сигналами, которые синтезируются ПЛК-контроллером. Процесс обработки и принятия решений включает регулирование открытия главного распределительного клапана давления через пропорциональный клапан для управления положением направляющей лопатки и поддержания взаимодействия между направляющей лопаткой, напором воды и лопаткой. Система лопаток турбины, управляемая электрогидравлическим пропорциональным клапаном, обладает высокой точностью синергии, простой структурой системы, высокой устойчивостью к загрязнению маслом и удобна для сопряжения с ПЛК-контроллером, образуя микрокомпьютерную систему автоматического управления.
Благодаря сохранению механического звена в режиме электрогидравлического пропорционального управления, этот механизм также работает синхронно, отслеживая рабочее состояние системы. В случае отказа системы электрогидравлического пропорционального управления ПЛК, переключающий клапан сработает немедленно, и механический звено сможет в основном отслеживать рабочее состояние системы электрогидравлического пропорционального управления. При переключении влияние на систему минимально, и система лопастей может плавно перейти в режим механического пропорционального управления, что значительно повышает надежность работы системы.
При проектировании гидравлической схемы мы переработали корпус гидравлического регулирующего клапана, оптимизировали размеры корпуса и втулки клапана, размеры соединения корпуса клапана и главного клапана давления, а также механические размеры шатуна между гидравлическим клапаном и главным распределительным клапаном давления, сохранив их первоначальные. При установке требуется замена только корпуса гидравлического клапана, никаких других деталей менять не нужно. Конструкция всей гидравлической системы управления очень компактна. На основе полного сохранения механического синергетического механизма добавлен электрогидравлический пропорциональный механизм управления для облегчения взаимодействия с ПЛК-контроллером, что позволяет реализовать цифровое синергетическое управление и повысить точность координации системы лопаток турбины. Процесс установки и отладки системы очень прост, что сокращает время простоя гидравлической турбины, облегчает модернизацию гидравлической системы управления и имеет большую практическую ценность. В ходе практической эксплуатации на объекте система получила высокую оценку инженерно-технического персонала электростанции, и считается, что ее можно популяризировать и применять в гидравлических сервосистемах регуляторов многих гидроэлектростанций.
3.3 Структура системного программного обеспечения и метод его реализации
В системе управления лопатками турбины с ПЛК используется метод цифровой синергии для реализации синергетического взаимодействия между направляющими лопатками, напором воды и степенью открытия лопаток. По сравнению с традиционным механическим методом синергии, метод цифровой синергии обладает преимуществами простоты настройки параметров, удобства отладки и обслуживания, а также высокой точности согласования. Программная структура системы управления лопатками в основном состоит из программы функций настройки системы, программы алгоритма управления и программы диагностики. Ниже мы рассмотрим методы реализации каждой из этих трех частей программы. Программа функций настройки в основном включает в себя подпрограмму синергии, подпрограмму запуска лопаток, подпрограмму остановки лопаток и подпрограмму сброса нагрузки лопаток. Во время работы система сначала определяет и оценивает текущее рабочее состояние, затем запускает программный переключатель, выполняет соответствующую подпрограмму функции настройки и вычисляет заданное значение положения ведомой лопатки.
(1) Подпрограмма ассоциации
В результате модельных испытаний турбинного блока можно получить набор измеренных точек на поверхности соединения. Традиционный механический кулачковый механизм соединения изготавливается на основе этих измеренных точек, а цифровой метод соединения также использует эти измеренные точки для построения набора кривых соединения. Выбирая известные точки на кривой соединения в качестве узлов и применяя метод кусочно-линейной интерполяции бинарной функции, можно получить значение функции неузловых точек на этой линии соединения.
(2) Подпрограмма запуска лопатки
Целью изучения закона пуска является сокращение времени пуска агрегата, снижение нагрузки на упорный подшипник и создание условий для подключения генераторной установки к сети.
(3) Подпрограмма остановки лопатки
Правила закрытия лопаток следующие: когда контроллер получает команду на остановку, лопатки и направляющие лопатки закрываются одновременно в соответствии с принципом взаимодействия, обеспечивающим стабильность работы агрегата: когда степень открытия направляющей лопатки меньше степени открытия при холостом ходе, лопатки отстают; когда направляющая лопатка медленно закрывается, принцип взаимодействия между лопаткой и направляющей лопаткой больше не поддерживается; когда скорость агрегата падает ниже 80% от номинальной скорости, лопатка открывается до начального угла Φ0, подготавливаясь к следующему запуску.
(4) Подпрограмма сброса нагрузки лопастей
Сброс нагрузки означает внезапное отключение энергоблока с нагрузкой от сети, что приводит к нарушению работы энергоблока и системы водоотведения, что напрямую связано с безопасностью электростанции и энергоблока. При сбросе нагрузки регулятор выступает в качестве защитного устройства, которое заставляет направляющие лопатки немедленно закрываться до тех пор, пока скорость энергоблока не снизится до уровня, близкого к номинальной скорости, обеспечивая стабильность. Поэтому при фактическом сбросе нагрузки лопатки обычно открываются на определенный угол. Этот угол открывается в ходе испытаний на сброс нагрузки на реальной электростанции. Это гарантирует, что при сбросе нагрузки увеличение скорости будет незначительным, а энергоблок будет относительно стабильным.
4. Заключение
Учитывая текущий технический уровень развития отрасли регулирования гидравлических турбин в нашей стране, в данной работе, опираясь на новые данные в области регулирования скорости гидравлических турбин в стране и за рубежом, применяется технология программируемых логических контроллеров (ПЛК) для регулирования скорости гидравлической турбинно-генераторной установки. Программируемый контроллер (ПЛК) является ядром системы двойного регулирования осевой лопастной гидравлической турбины. Практическое применение показывает, что предложенная схема значительно повышает точность координации между направляющей лопаткой и лопастями при различных условиях напора воды и улучшает коэффициент использования энергии воды.
Дата публикации: 11 февраля 2022 г.
