1. Giới thiệu
Bộ điều tốc tuabin là một trong hai thiết bị điều chỉnh chính của các tổ máy thủy điện. Nó không chỉ đóng vai trò điều chỉnh tốc độ mà còn đảm nhiệm việc chuyển đổi các điều kiện làm việc khác nhau và điều khiển tần số, công suất, góc pha và các điều khiển khác của tổ máy phát điện thủy điện và bảo vệ bánh xe nước. Bộ điều tốc tuabin đã trải qua ba giai đoạn phát triển: bộ điều tốc thủy lực cơ khí, bộ điều tốc điện thủy lực và bộ điều tốc thủy lực kỹ thuật số vi tính. Trong những năm gần đây, bộ điều khiển lập trình (PCI) đã được đưa vào hệ thống điều khiển tốc độ tuabin, có khả năng chống nhiễu mạnh và độ tin cậy cao; lập trình và vận hành đơn giản và thuận tiện; cấu trúc mô-đun, tính đa dụng, linh hoạt và bảo trì thuận tiện; nó có ưu điểm về chức năng điều khiển và khả năng dẫn động mạnh mẽ; đã được kiểm chứng thực tế.
Bài báo này đề xuất nghiên cứu về hệ thống điều chỉnh kép tuabin thủy lực PLC, sử dụng bộ điều khiển lập trình để thực hiện điều chỉnh kép cánh dẫn hướng và cánh khuấy, giúp cải thiện độ chính xác phối hợp giữa cánh dẫn hướng và cánh khuấy ở các cột nước khác nhau. Thực tiễn cho thấy hệ thống điều khiển kép giúp nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng nước.
2. Hệ thống điều chỉnh tuabin
2.1 Hệ thống điều chỉnh tuabin
Nhiệm vụ cơ bản của hệ thống điều khiển tốc độ tuabin là thay đổi độ mở của các cánh dẫn hướng tuabin thông qua bộ điều tốc khi tải của hệ thống điện thay đổi và tốc độ quay của tổ máy lệch khỏi phạm vi cho phép, sao cho tốc độ quay của tuabin được giữ trong phạm vi quy định, để đảm bảo tổ máy phát điện hoạt động với công suất và tần số đáp ứng yêu cầu của người sử dụng. Các nhiệm vụ cơ bản của điều chỉnh tuabin có thể được chia thành điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh công suất tác dụng và điều chỉnh mực nước.
2.2 Nguyên lý điều chỉnh tuabin
Một tổ máy phát điện thủy lực là một tổ máy được tạo thành bằng cách kết nối một tuabin thủy lực và một máy phát điện. Phần quay của tổ máy phát điện thủy lực là một vật thể rắn quay quanh một trục cố định, và phương trình của nó có thể được mô tả bằng phương trình sau:
Trong công thức
——Mômen quán tính của phần quay của thiết bị (Kg m2)
——Vận tốc góc quay (rad/s)
——Mô-men xoắn tuabin (N/m), bao gồm tổn thất cơ học và điện của máy phát điện.
——Mômen cản của máy phát điện, đề cập đến mômen tác dụng của stato máy phát điện lên rôto, chiều của nó ngược với chiều quay và thể hiện công suất tác dụng đầu ra của máy phát điện, tức là độ lớn của tải.
Khi tải trọng thay đổi, độ mở của cánh dẫn hướng vẫn không đổi, và tốc độ của tổ máy vẫn có thể ổn định ở một giá trị nhất định. Vì tốc độ sẽ lệch khỏi giá trị định mức, nên chỉ dựa vào khả năng tự điều chỉnh cân bằng để duy trì tốc độ là không đủ. Để giữ tốc độ của tổ máy ở giá trị định mức ban đầu sau khi tải trọng thay đổi, có thể thấy từ Hình 1 rằng cần phải thay đổi độ mở của cánh dẫn hướng cho phù hợp. Khi tải trọng giảm, khi mômen cản thay đổi từ 1 đến 2, độ mở của cánh dẫn hướng sẽ giảm xuống 1, và tốc độ của tổ máy sẽ được duy trì. Do đó, với sự thay đổi của tải trọng, độ mở của cơ cấu dẫn hướng nước cũng thay đổi tương ứng, sao cho tốc độ của tổ máy thủy điện được duy trì ở một giá trị định trước, hoặc thay đổi theo một quy luật định trước. Quá trình này được gọi là điều chỉnh tốc độ của tổ máy thủy điện, hay điều chỉnh tuabin.
3. Hệ thống điều chỉnh kép tuabin thủy lực PLC
Bộ điều tốc tuabin có nhiệm vụ điều khiển độ mở của các cánh dẫn hướng nước để điều chỉnh lưu lượng nước vào bánh công tác của tuabin, từ đó thay đổi mô-men xoắn động của tuabin và điều khiển tần số của tổ máy tuabin. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành tuabin cánh quay hướng trục, bộ điều tốc không chỉ điều chỉnh độ mở của các cánh dẫn hướng mà còn điều chỉnh góc của các cánh công tác theo giá trị hành trình và cột nước của bộ phận theo dõi cánh dẫn hướng, sao cho cánh dẫn hướng và cánh công tác được kết nối và duy trì mối quan hệ phối hợp giữa chúng, tức là mối quan hệ đồng bộ, có thể nâng cao hiệu suất của tuabin, giảm hiện tượng xâm thực cánh và rung động của tổ máy, đồng thời tăng cường sự ổn định trong hoạt động của tuabin.
Phần cứng của hệ thống cánh quạt tuabin điều khiển bằng PLC chủ yếu bao gồm hai phần, đó là bộ điều khiển PLC và hệ thống servo thủy lực. Trước tiên, chúng ta hãy thảo luận về cấu trúc phần cứng của bộ điều khiển PLC.
3.1 Bộ điều khiển PLC
Bộ điều khiển PLC chủ yếu bao gồm bộ phận đầu vào, bộ xử lý cơ bản PLC và bộ phận đầu ra. Bộ phận đầu vào bao gồm mô-đun A/D và mô-đun đầu vào kỹ thuật số, còn bộ phận đầu ra bao gồm mô-đun D/A và mô-đun đầu vào kỹ thuật số. Bộ điều khiển PLC được trang bị màn hình hiển thị kỹ thuật số LED để quan sát thời gian thực các thông số PID của hệ thống, vị trí cánh quạt, vị trí cánh dẫn hướng và giá trị cột nước. Một vôn kế tương tự cũng được cung cấp để giám sát vị trí cánh quạt trong trường hợp bộ điều khiển vi xử lý bị lỗi.
3.2 Hệ thống theo dõi thủy lực
Hệ thống servo thủy lực là một phần quan trọng của hệ thống điều khiển cánh tuabin. Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển được khuếch đại thủy lực để điều khiển chuyển động của bộ phận theo dõi cánh, từ đó điều chỉnh góc của các cánh quạt. Chúng tôi đã sử dụng sự kết hợp giữa hệ thống điều khiển điện thủy lực kiểu van áp suất chính điều khiển bằng van tỷ lệ và hệ thống điều khiển thủy lực máy truyền thống để tạo thành một hệ thống điều khiển thủy lực song song gồm van tỷ lệ điện thủy lực và van thủy lực máy như thể hiện trong Hình 2. Hệ thống theo dõi thủy lực cho cánh tuabin.
Hệ thống theo dõi thủy lực cho cánh tuabin
Khi bộ điều khiển PLC, van tỷ lệ điện thủy lực và cảm biến vị trí đều hoạt động bình thường, phương pháp điều khiển tỷ lệ điện thủy lực PLC được sử dụng để điều chỉnh hệ thống cánh tuabin. Giá trị phản hồi vị trí và giá trị đầu ra điều khiển được truyền bằng tín hiệu điện, và các tín hiệu này được tổng hợp, xử lý và ra quyết định bởi bộ điều khiển PLC. Van tỷ lệ điều chỉnh độ mở của van phân phối áp suất chính để điều khiển vị trí của con lăn dẫn hướng cánh tuabin, và duy trì mối quan hệ tương tác giữa cánh dẫn hướng, cột nước và cánh. Hệ thống cánh tuabin được điều khiển bằng van tỷ lệ điện thủy lực có độ chính xác phối hợp cao, cấu trúc hệ thống đơn giản, khả năng chống ô nhiễm dầu mạnh và thuận tiện để giao tiếp với bộ điều khiển PLC để tạo thành hệ thống điều khiển tự động vi tính.
Do cơ cấu liên kết cơ khí được duy trì, trong chế độ điều khiển tỷ lệ điện thủy lực, cơ cấu liên kết cơ khí cũng hoạt động đồng bộ để theo dõi trạng thái hoạt động của hệ thống. Nếu hệ thống điều khiển tỷ lệ điện thủy lực PLC gặp sự cố, van chuyển mạch sẽ hoạt động ngay lập tức, và cơ cấu liên kết cơ khí về cơ bản có thể theo dõi trạng thái hoạt động của hệ thống điều khiển tỷ lệ điện thủy lực. Khi chuyển mạch, tác động lên hệ thống là nhỏ, và hệ thống cánh quạt có thể chuyển đổi mượt mà sang chế độ điều khiển liên kết cơ khí, đảm bảo tối đa độ tin cậy của hoạt động hệ thống.
Khi thiết kế mạch thủy lực, chúng tôi đã thiết kế lại thân van của van điều khiển thủy lực, kích thước phù hợp giữa thân van và ống van, kích thước kết nối giữa thân van và van áp suất chính, và kích thước cơ khí của thanh nối giữa van thủy lực và van phân phối áp suất chính vẫn giữ nguyên như ban đầu. Chỉ cần thay thế thân van thủy lực trong quá trình lắp đặt, không cần thay đổi bất kỳ bộ phận nào khác. Cấu trúc của toàn bộ hệ thống điều khiển thủy lực rất nhỏ gọn. Trên cơ sở giữ nguyên hoàn toàn cơ cấu phối hợp cơ khí, một cơ cấu điều khiển tỷ lệ điện thủy lực được bổ sung để tạo điều kiện thuận lợi cho giao diện với bộ điều khiển PLC nhằm thực hiện điều khiển phối hợp kỹ thuật số và nâng cao độ chính xác phối hợp của hệ thống cánh tuabin; và quá trình lắp đặt và gỡ lỗi hệ thống rất dễ dàng, giúp rút ngắn thời gian ngừng hoạt động của tổ máy tuabin thủy lực, tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyển đổi hệ thống điều khiển thủy lực của tuabin thủy lực, và có giá trị thực tiễn cao. Trong quá trình vận hành thực tế tại công trường, hệ thống này được các kỹ sư và kỹ thuật viên của nhà máy điện đánh giá cao, và người ta tin rằng nó có thể được phổ biến và ứng dụng trong hệ thống servo thủy lực của bộ điều tốc tại nhiều nhà máy thủy điện.
3.3 Cấu trúc phần mềm hệ thống và phương pháp triển khai
Trong hệ thống điều khiển cánh tuabin bằng PLC, phương pháp phối hợp số được sử dụng để thực hiện mối quan hệ phối hợp giữa các cánh dẫn hướng, cột nước và độ mở cánh. So với phương pháp phối hợp cơ khí truyền thống, phương pháp phối hợp số có ưu điểm là dễ dàng hiệu chỉnh tham số, thuận tiện trong việc gỡ lỗi và bảo trì, và độ chính xác liên kết cao. Cấu trúc phần mềm của hệ thống điều khiển cánh chủ yếu bao gồm chương trình chức năng điều chỉnh hệ thống, chương trình thuật toán điều khiển và chương trình chẩn đoán. Dưới đây, chúng ta sẽ thảo luận về các phương pháp thực hiện của ba phần chương trình trên. Chương trình chức năng điều chỉnh chủ yếu bao gồm một chương trình con phối hợp, một chương trình con khởi động cánh, một chương trình con dừng cánh và một chương trình con giảm tải cánh. Khi hệ thống hoạt động, trước tiên nó xác định và đánh giá điều kiện hoạt động hiện tại, sau đó khởi động chuyển mạch phần mềm, thực hiện chương trình con chức năng điều chỉnh tương ứng và tính toán giá trị vị trí được cung cấp của bộ theo dõi cánh.
(1) Chương trình con liên kết
Thông qua thử nghiệm mô hình của cụm tuabin, có thể thu được một loạt các điểm đo trên bề mặt khớp nối. Cam khớp nối cơ khí truyền thống được chế tạo dựa trên các điểm đo này, và phương pháp khớp nối kỹ thuật số cũng sử dụng các điểm đo này để vẽ một tập hợp các đường cong khớp nối. Bằng cách chọn các điểm đã biết trên đường cong liên kết làm các nút, và áp dụng phương pháp nội suy tuyến tính từng phần của hàm nhị phân, giá trị hàm của các điểm không phải nút trên đường liên kết này có thể được xác định.
(2) Chương trình con khởi động cánh quạt
Mục đích của việc nghiên cứu quy luật khởi động là để rút ngắn thời gian khởi động của tổ máy, giảm tải cho ổ đỡ lực đẩy và tạo điều kiện kết nối lưới điện cho tổ máy phát điện.
(3) Chương trình con dừng cánh quạt
Quy tắc đóng mở của các cánh quạt như sau: khi bộ điều khiển nhận được lệnh tắt máy, các cánh quạt và cánh dẫn hướng sẽ đóng đồng thời theo mối quan hệ tương tác để đảm bảo sự ổn định của thiết bị: khi độ mở của cánh dẫn hướng nhỏ hơn độ mở khi không tải, các cánh quạt sẽ bị trễ. Khi cánh dẫn hướng đóng chậm, mối quan hệ tương tác giữa cánh quạt và cánh dẫn hướng không còn được duy trì; khi tốc độ của thiết bị giảm xuống dưới 80% tốc độ định mức, cánh quạt sẽ được mở lại đến góc khởi động Φ0, sẵn sàng cho lần khởi động tiếp theo.
(4) Chương trình con loại bỏ tải lưỡi
Việc ngắt tải đột ngột có nghĩa là tổ máy đang tải bị ngắt kết nối khỏi lưới điện, khiến tổ máy và hệ thống chuyển nước rơi vào tình trạng hoạt động không ổn định, điều này liên quan trực tiếp đến sự an toàn của nhà máy điện và tổ máy. Khi giảm tải, bộ điều tốc hoạt động như một thiết bị bảo vệ, làm cho các cánh dẫn hướng và cánh quạt đóng lại ngay lập tức cho đến khi tốc độ của tổ máy giảm xuống gần tốc độ định mức để đạt được sự ổn định. Do đó, trong quá trình giảm tải thực tế, các cánh quạt thường được mở ra một góc nhất định. Góc mở này được xác định thông qua thử nghiệm giảm tải của nhà máy điện thực tế. Điều này đảm bảo rằng khi tổ máy giảm tải, tốc độ tăng không chỉ nhỏ mà tổ máy còn tương đối ổn định.
4. Kết luận
Căn cứ vào tình hình kỹ thuật hiện tại của ngành công nghiệp chế tạo bộ điều tốc tuabin thủy lực trong nước, bài báo này tham khảo các thông tin mới nhất trong lĩnh vực điều khiển tốc độ tuabin thủy lực trong và ngoài nước, và áp dụng công nghệ bộ điều khiển logic lập trình (PLC) vào việc điều khiển tốc độ tổ máy phát điện tuabin thủy lực. Bộ điều khiển lập trình (PLC) là cốt lõi của hệ thống điều chỉnh kép tuabin thủy lực kiểu cánh quạt hướng trục. Ứng dụng thực tế cho thấy phương án này cải thiện đáng kể độ chính xác phối hợp giữa cánh dẫn hướng và cánh quạt trong các điều kiện cột nước khác nhau, và nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng nước.
Thời gian đăng bài: 11/02/2022
