1 Giriş
Türbin regülatörü, hidroelektrik üniteleri için iki ana düzenleme ekipmanından biridir. Sadece hız düzenlemesi rolünü oynamakla kalmaz, aynı zamanda hidroelektrik üretim ünitelerinin çeşitli çalışma koşullarının dönüştürülmesi ve frekans, güç, faz açısı ve diğer kontrollerini üstlenir ve su çarkının korunması görevini yerine getirir. Türbin regülatörleri üç gelişim aşamasından geçmiştir: mekanik hidrolik regülatörler, elektro-hidrolik regülatörler ve mikrobilgisayar dijital hidrolik regülatörler. Son yıllarda, güçlü anti-parazit yeteneği ve yüksek güvenilirlik; basit ve kullanışlı programlama ve çalıştırma; modüler yapı, iyi çok yönlülük, esneklik ve kolay bakım; güçlü kontrol fonksiyonu ve sürüş yeteneği avantajlarına sahip programlanabilir kontrolörler türbin hız kontrol sistemlerine dahil edilmiştir ve pratik olarak doğrulanmıştır.
Bu çalışmada, PLC hidrolik türbin çift ayar sistemi üzerine bir araştırma önerilmiş ve programlanabilir kontrolör kullanılarak kılavuz kanat ve pervane kanadının çift ayarı gerçekleştirilmiş, bu da farklı su seviyelerinde kılavuz kanat ve pervane kanadının koordinasyon doğruluğunu artırmıştır. Uygulama, çift kontrol sisteminin su enerjisi kullanım oranını iyileştirdiğini göstermiştir.
2. Türbin düzenleme sistemi
2.1 Türbin düzenleme sistemi
Türbin hız kontrol sisteminin temel görevi, güç sisteminin yükü değiştiğinde ve ünitenin dönüş hızı sapma gösterdiğinde, türbinin kılavuz kanatlarının açıklığını regülatör aracılığıyla buna göre değiştirmektir; böylece türbinin dönüş hızı belirtilen aralıkta tutulur ve jeneratör ünitesinin çalışması sağlanır. Çıkış gücü ve frekans, kullanıcı gereksinimlerini karşılar. Türbin regülasyonunun temel görevleri hız regülasyonu, aktif güç regülasyonu ve su seviyesi regülasyonu olarak ayrılabilir.
2.2 Türbin regülasyonunun prensibi
Hidrojeneratör ünitesi, bir hidro türbin ve bir jeneratörün birleştirilmesiyle oluşturulan bir ünitedir. Hidrojeneratör setinin dönen kısmı, sabit bir eksen etrafında dönen rijit bir cisimdir ve denklemi aşağıdaki denklemle açıklanabilir:
Formülde
— Ünitenin dönen parçasının eylemsizlik momenti (Kg m2)
—Dönme açısal hızı (rad/s)
— Türbin torku (N/m), jeneratörün mekanik ve elektriksel kayıpları dahil.
—Jeneratör direnç torku, jeneratör statorunun rotora uyguladığı torku ifade eder, yönü dönüş yönünün tersidir ve jeneratörün aktif güç çıkışını, yani yükün büyüklüğünü temsil eder.
Yük değiştiğinde, yönlendirme kanadının açıklığı değişmeden kalır ve ünite hızı belirli bir değerde sabitlenebilir. Hız nominal değerden sapacağı için, hızı korumak için sadece kendi kendini dengeleme özelliğine güvenmek yeterli değildir. Yük değişiminden sonra ünitenin hızını orijinal nominal değerde tutmak için, Şekil 1'den de görülebileceği gibi, yönlendirme kanadının açıklığının buna göre değiştirilmesi gerekir. Yük azaldığında, direnç torku 1'den 2'ye değiştiğinde, yönlendirme kanadının açıklığı 1'e düşürülür ve ünitenin hızı korunur. Bu nedenle, yük değişimiyle birlikte, su yönlendirme mekanizmasının açıklığı da buna karşılık olarak değiştirilir, böylece hidrojeneratör ünitesinin hızı önceden belirlenmiş bir değerde tutulur veya önceden belirlenmiş bir yasaya göre değişir. Bu işlem, hidrojeneratör ünitesinin hız ayarı veya türbin düzenlemesidir.
3. PLC hidrolik türbin çift ayar sistemi
Türbin regülatörü, türbin çarkına giren su akışını ayarlamak için su yönlendirme kanatlarının açıklığını kontrol eder, böylece türbinin dinamik torkunu değiştirir ve türbin ünitesinin frekansını kontrol eder. Bununla birlikte, eksenel akışlı döner kanatlı türbinin çalışması sırasında, regülatör sadece yönlendirme kanatlarının açıklığını ayarlamakla kalmamalı, aynı zamanda yönlendirme kanadı takipçisinin strok ve su yüksekliği değerine göre çark kanatlarının açısını da ayarlamalıdır, böylece yönlendirme kanadı ve çark arasında işbirliğine dayalı bir ilişki, yani bir koordinasyon ilişkisi sağlanır; bu da türbinin verimliliğini artırabilir, kanat kavitasyonunu ve ünitenin titreşimini azaltabilir ve türbinin çalışma stabilitesini artırabilir.
PLC kontrollü türbin kanat sistemi donanımı esas olarak iki bölümden oluşmaktadır: PLC kontrol ünitesi ve hidrolik servo sistemi. Öncelikle, PLC kontrol ünitesinin donanım yapısını ele alalım.
3.1 PLC kontrol ünitesi
PLC kontrol ünitesi esas olarak giriş ünitesi, PLC temel ünitesi ve çıkış ünitesinden oluşur. Giriş ünitesi A/D modülü ve dijital giriş modülünden, çıkış ünitesi ise D/A modülü ve dijital giriş modülünden oluşur. PLC kontrol ünitesi, sistem PID parametrelerinin, kanat takipçisi konumunun, kılavuz kanat takipçisi konumunun ve su seviyesi değerinin gerçek zamanlı olarak izlenmesi için LED dijital ekranla donatılmıştır. Mikrobilgisayar kontrol ünitesinin arızalanması durumunda kanat takipçisi konumunu izlemek için bir analog voltmetre de mevcuttur.
3.2 Hidrolik takip sistemi
Hidrolik servo sistemi, türbin kanat kontrol sisteminin önemli bir parçasıdır. Kontrol ünitesinin çıkış sinyali, kanat takipçisinin hareketini kontrol etmek ve böylece türbin kanatlarının açısını ayarlamak için hidrolik olarak yükseltilir. Şekil 2'de gösterildiği gibi, oransal valf kontrollü ana basınç valfi tipi elektro-hidrolik kontrol sistemi ile geleneksel makine-hidrolik kontrol sisteminin bir kombinasyonunu kullanarak, elektro-hidrolik oransal valf ve makine-hidrolik valften oluşan paralel bir hidrolik kontrol sistemi oluşturduk. Türbin kanatları için hidrolik takip sistemi.
Türbin kanatları için hidrolik takip sistemi
PLC kontrol ünitesi, elektro-hidrolik oransal valf ve pozisyon sensörü normal çalıştığında, türbin kanat sistemi PLC elektro-hidrolik oransal kontrol yöntemi ile ayarlanır; pozisyon geri besleme değeri ve kontrol çıkış değeri elektrik sinyalleri iletilir ve sinyaller PLC kontrol ünitesi tarafından sentezlenir, işlenir ve karar verilir; oransal valf aracılığıyla ana basınç dağıtım valfinin açıklığı ayarlanarak kanat takipçisinin pozisyonu kontrol edilir ve kılavuz kanat, su seviyesi ve kanat arasındaki işbirliği ilişkisi korunur. Elektro-hidrolik oransal valf ile kontrol edilen türbin kanat sistemi yüksek sinerji hassasiyetine, basit sistem yapısına, güçlü yağ kirliliği direncine sahiptir ve PLC kontrol ünitesi ile arayüz oluşturarak mikrobilgisayar otomatik kontrol sistemi oluşturmak için uygundur.
Mekanik bağlantı mekanizmasının korunması sayesinde, elektro-hidrolik oransal kontrol modunda, mekanik bağlantı mekanizması da sistemin çalışma durumunu senkronize olarak takip eder. PLC elektro-hidrolik oransal kontrol sistemi arızalanırsa, anahtarlama vanası hemen devreye girer ve mekanik bağlantı mekanizması temel olarak elektro-hidrolik oransal kontrol sisteminin çalışma durumunu takip edebilir. Anahtarlama sırasında sistem üzerindeki etki küçüktür ve kanat sistemi sorunsuz bir şekilde mekanik bağlantı kontrol moduna geçebilir, bu da sistem çalışmasının güvenilirliğini büyük ölçüde garanti eder.
Hidrolik devreyi tasarlarken, hidrolik kontrol vanasının gövdesini, vana gövdesi ve vana kovanının eşleşen boyutlarını, vana gövdesi ve ana basınç vanasının bağlantı boyutlarını ve hidrolik vana ile ana basınç dağıtım vanası arasındaki bağlantı çubuğunun mekanik boyutunu orijinaliyle aynı olacak şekilde yeniden tasarladık. Kurulum sırasında sadece hidrolik vananın gövdesinin değiştirilmesi gerekiyor, başka hiçbir parçanın değiştirilmesine gerek yok. Tüm hidrolik kontrol sisteminin yapısı oldukça kompakttır. Mekanik sinerji mekanizmasını tamamen koruyarak, PLC kontrol ünitesiyle arayüzü kolaylaştırmak, dijital sinerji kontrolünü gerçekleştirmek ve türbin kanat sistemi koordinasyon doğruluğunu artırmak için elektro-hidrolik oransal kontrol mekanizması eklenmiştir. Ayrıca sistemin kurulum ve hata ayıklama süreci çok kolaydır, bu da hidrolik türbin ünitesinin arıza süresini kısaltır, hidrolik türbinin hidrolik kontrol sisteminin dönüşümünü kolaylaştırır ve iyi bir pratik değere sahiptir. Sistemin sahada fiili işletimi sırasında, santralin mühendislik ve teknik personeli tarafından büyük beğeniyle karşılandığı ve birçok hidroelektrik santralinin regülatörünün hidrolik servo sisteminde yaygınlaştırılıp uygulanabileceği düşünülmektedir.
3.3 Sistem yazılımının yapısı ve uygulama yöntemi
PLC kontrollü türbin kanat sisteminde, kılavuz kanatlar, su yüksekliği ve kanat açıklığı arasındaki sinerji ilişkisini gerçekleştirmek için dijital sinerji yöntemi kullanılır. Geleneksel mekanik sinerji yöntemine kıyasla, dijital sinerji yöntemi kolay parametre ayarı, kolay hata ayıklama ve bakım ile yüksek hassasiyetli ilişkilendirme avantajlarına sahiptir. Kanat kontrol sisteminin yazılım yapısı esas olarak sistem ayarlama fonksiyon programı, kontrol algoritması programı ve teşhis programından oluşmaktadır. Aşağıda, programın bu üç bölümünün gerçekleştirme yöntemlerini ayrı ayrı ele alacağız. Ayarlama fonksiyon programı esas olarak bir sinerji alt programı, kanat başlatma alt programı, kanat durdurma alt programı ve kanat yük azaltma alt programını içerir. Sistem çalışırken, öncelikle mevcut çalışma koşulunu belirler ve değerlendirir, ardından yazılım anahtarını başlatır, ilgili ayarlama fonksiyon alt programını yürütür ve kanat takipçisinin verilen konum değerini hesaplar.
(1) İlişkilendirme alt programı
Türbin ünitesinin model testi yoluyla, bağlantı yüzeyinde bir dizi ölçüm noktası elde edilebilir. Geleneksel mekanik bağlantı kamı bu ölçüm noktalarına dayanarak yapılır ve dijital bağlantı yöntemi de bu ölçüm noktalarını kullanarak bir dizi bağlantı eğrisi çizer. İlişkilendirme eğrisi üzerindeki bilinen noktaları düğüm olarak seçerek ve ikili fonksiyonun parçalı doğrusal enterpolasyon yöntemini benimseyerek, bu ilişkilendirme çizgisi üzerindeki düğüm olmayan noktaların fonksiyon değeri elde edilebilir.
(2) Kanat başlatma alt programı
Çalıştırma yasasının incelenmesinin amacı, ünitenin çalıştırma süresini kısaltmak, baskı yatağının yükünü azaltmak ve jeneratör ünitesi için şebekeye bağlı koşullar oluşturmaktır.
(3) Kanat durdurma alt programı
Kanatların kapanma kuralları aşağıdaki gibidir: Kontrol ünitesi kapatma komutunu aldığında, ünitenin stabilitesini sağlamak için kanatlar ve kılavuz kanatlar, işbirliği ilişkisine göre aynı anda kapanır: kılavuz kanat açıklığı yüksüz açıklıktan daha az olduğunda, kanatlar gecikmeli olarak kapanır. Kılavuz kanat yavaşça kapandığında, kanat ile kılavuz kanat arasındaki işbirliği ilişkisi artık sürdürülemez; ünite hızı nominal hızın %80'inin altına düştüğünde, kanat bir sonraki çalıştırma için hazır hale getirilmek üzere başlangıç açısı Φ0'a yeniden açılır.
(4) Bıçak yükü reddi alt programı
Yükün kesilmesi, yüklü ünitenin elektrik şebekesinden aniden bağlantısının kesilmesi anlamına gelir; bu durum üniteyi ve su yönlendirme sistemini kötü bir çalışma durumuna sokar ve santralin ve ünitenin güvenliğiyle doğrudan ilgilidir. Yük kesildiğinde, regülatör bir koruma cihazı görevi görür ve ünite hızı nominal hıza yakın bir değere düşene kadar yönlendirme kanatlarını ve kanatçıkları hemen kapatır. Bu nedenle, gerçek yük kesme işlemlerinde kanatçıklar genellikle belirli bir açıyla açılır. Bu açıklık, gerçek santralin yük kesme testleriyle elde edilir. Bu sayede, ünite yük kesildiğinde sadece hız artışının az olması değil, aynı zamanda ünitenin nispeten stabil kalması da sağlanır.
4. Sonuç
Ülkemizin hidrolik türbin regülatör endüstrisinin mevcut teknik durumunu göz önünde bulundurarak, bu çalışma, hidrolik türbin hız kontrolü alanındaki yerli ve yabancı yeni bilgilere atıfta bulunmakta ve programlanabilir mantık denetleyicisi (PLC) teknolojisini hidrolik türbin jeneratör setinin hız kontrolüne uygulamaktadır. Programlanabilir mantık denetleyicisi (PLC), eksenel akışlı paletli tip hidrolik türbin çift regülasyon sisteminin çekirdeğini oluşturmaktadır. Pratik uygulama, bu yöntemin farklı su seviyesi koşullarında kılavuz kanat ile kanat arasındaki koordinasyon hassasiyetini büyük ölçüde artırdığını ve su enerjisi kullanım oranını iyileştirdiğini göstermektedir.
Yayın tarihi: 11 Şubat 2022
