bedrijfsnieuws over De Rol en Status van de Hydroturbine Regelaar in Waterkrachtcentrales

De rol en status van de Hydro-turbine Regelaar in Waterkrachtcentrales

Wanneer elektriciteit in bedrijf is, is het noodzakelijk om constant de balans tussen de stroomvoorziening en de belasting te handhaven. Daarnaast is het waarborgen van de goede kwaliteit van elektrische energie een belangrijke taak in het productieproces van elektriciteit. De belangrijkste indicatoren voor het meten van de kwaliteit van elektrische energie zijn over het algemeen spanning en frequentie, gevolgd door de golfvorm. Afwijkingen in de frequentie zullen de normale werking van stroomgebruikers ernstig beïnvloeden. Voor elektromotoren zal een afname van de frequentie ervoor zorgen dat de motorsnelheid daalt, waardoor de productiviteit afneemt en de levensduur van de motor wordt beïnvloed; omgekeerd zal een toename van de frequentie ervoor zorgen dat de motorsnelheid stijgt, waardoor het stroomverbruik toeneemt en de economie afneemt. Vooral in bepaalde industriële sectoren met strenge snelheidsvereisten (zoals textiel, papierproductie, enz.) zullen frequentieafwijkingen de productkwaliteit sterk beïnvloeden en zelfs tot defecte producten leiden. Bovendien zullen frequentieafwijkingen ernstigere gevolgen hebben voor de elektriciteitscentrale zelf. In thermische centrales bijvoorbeeld, zullen voor centrifugaal machines zoals ketelvoedingspompen en ventilatoren, hun output sterk dalen wanneer de frequentie afneemt, waardoor de output van de ketel aanzienlijk moet worden verminderd of zelfs een noodstop van de ketel wordt veroorzaakt. Dit zal onvermijdelijk de stroomafgifte van het systeem verder verminderen, wat leidt tot een verdere daling van de systeemfrequentie. Bovendien zullen de turbinebladen bij een lagere frequentie scheuren ontwikkelen als gevolg van verhoogde trillingen, waardoor de levensduur van de turbine wordt verkort. Daarom zal het, als de trend van een sterke daling van de systeemfrequentie niet tijdig kan worden gestopt, onvermijdelijk een vicieuze cirkel veroorzaken en zelfs leiden tot de ineenstorting van het hele energiesysteem.

Volgens de voorschriften van de Chinese energiesector is de nominale frequentie van het elektriciteitsnet 50 Hz en is de toegestane frequentieafwijking voor grote elektriciteitsnetten ±0,2 Hz. Voor kleine en middelgrote elektriciteitsnetten kunnen de schommelingen in de systeembelasting soms 5% tot 10% van hun totale capaciteit bereiken; zelfs voor grote energiesystemen bereiken de belastingschommelingen vaak 2% tot 3%. De continue verandering van de belasting van het energiesysteem leidt tot schommelingen in de systeemfrequentie. Daarom is de basistaak van de turbineregeling het continu aanpassen van het uitgangsvermogen van de turbine-generator set en het handhaven van de rotatiesnelheid (frequentie) van de eenheid binnen het gespecificeerde nominale bereik.

Samenvattend is de hydro-turbineregelaar een belangrijk hulpmiddel voor de turbine-generator set in waterkrachtcentrales. Het coördineert met het secundaire circuit van de centrale en het computerbewakingssysteem om taken uit te voeren zoals het starten en stoppen van de turbine-generator set, het verhogen of verlagen van belastingen en noodstops. De turbineregelaar kan ook samenwerken met andere apparaten om taken uit te voeren zoals automatische generatieregeling, groepsbesturing en regeling op basis van waterstanden. Bovendien werkt het, wanneer er een storing optreedt in het elektriciteitsnet, samen met de stroomonderbreker om het belastingafstotingsproces snel en stabiel te voltooien, waardoor de turbine-eenheid wordt beschermd en deze zo snel mogelijk de nominale snelheid kan herstellen.

Kortom, de basistaken van de turbineregelaar worden als volgt samengevat:
◆ Normale werking van de eenheid
◆ Het waarborgen van de veilige werking van de eenheid
◆ Redelijke verdeling van belastingen over parallelle eenheden

Typen Hydro-Turbine Regelaars

Geclassificeerd op basis van het aantal gecontroleerde objecten, kunnen ze worden onderverdeeld in enkelvoudige regelaars en dubbele regelaars.

• Over het algemeen worden enkelvoudige regelaars gebruikt voor verschillende vaste-blad-eenheden van reactieturbines (zoals Francis-turbines). Het gecontroleerde object is alleen de geleidingsschoepen en de waterstroom door de turbinebladen wordt geregeld door de opening van de geleidingsschoepen aan te passen.

• Dubbele regelaars worden gebruikt voor verschillende reactie-type variabele-blad-eenheden (zoals Kaplan-turbines). De gecontroleerde objecten zijn geleidingsschoepen en loperschoepen. De output van de waterstroom naar de turbine wordt geregeld door de opening van de geleidingsschoepen en de hoek van de loperschoepen aan te passen. Over het algemeen hebben variabele-blad-eenheden gecoördineerde besturing tussen geleidingsschoepen en loperschoepen.

Bovendien hebben impulsturbines meer gecontroleerde objecten, die worden geclassificeerd als een ander type "multi-nozzle en multi-deflector" of "multi-nozzle & one-deflector" regelaars, specifiek ontworpen voor impulsturbines. De besturingsobjecten van de regelaar variëren afhankelijk van het aantal sproeiers en deflectoren van de impulsturbine.

2. Hydro-Turbine regelaars zijn over het algemeen mechatronische producten als geheel, en hun mechanische uitvoerende delen gebruiken hydraulische besturing. Geclassificeerd op basis van elektro-hydraulische conversiemethoden, kunnen ze worden onderverdeeld in digitale, stappen- en proportioneel-digitale regelaars. Over het algemeen worden digitale en proportionele typen gecombineerd.

• Digitale regelaars gebruiken magneetventielen om het aan/uit-signaal van de klep te regelen met digitale pulsen, waardoor het effect wordt bereikt van het regelen van het aan/uit-signaal van de servomotor.

• Stappenregelaars gebruiken stroom om de stappenmotor vooruit of achteruit te laten draaien, waardoor verticale verplaatsing wordt gegenereerd, en coördineren met de pilotklep en de hoofddistributieklep om het aan/uit-signaal van de servomotor te regelen.

• Proportionele servokleppen voltooien elektro-hydraulische conversie via proportionele controllers en hoofddistributiekleppen.

3. Geclassificeerd op basis van de gebruikte oliedruk, worden ze onderverdeeld in conventionele oliedruk en hoge oliedruk regelaars.

• Conventionele oliedrukken: 2,5 MPa, 4,0 MPa, 6,3 MPa

• Hoge oliedruk: over het algemeen 16 MPa

De capaciteit van de drukolietank wordt bepaald door de grootte van de servomotorolieholte.

Geclassificeerd op basis van de capaciteit van de gecontroleerde eenheid, worden ze onderverdeeld in grote, middelgrote en kleine regelaars.

Ontwikkelingsgeschiedenis van Hydro-Turbine Regelaars

Hydro-Turbine regelaars hebben een lange geschiedenis van toepassing in waterkrachtcentrales. Al in de late 19e eeuw, in 1891, produceerde het Duitse bedrijf Voith de eerste puur mechanische regelaar, namelijk de mechanische centrifugaal slinger-type regelaar, waarbij het openen en sluiten van de turbine direct werd aangedreven door een riem. Met de verbetering van de eisen aan het regelsysteem, met name voor gevoeligheid, is een grote regelkracht vereist voor het openen en sluiten binnen een korte tijd, waardoor hydraulische druk noodzakelijk is. Dit leidde tot de ontwikkeling van mechanische regelaars met waterdrukversterking en oliedrukversterking. Van eind jaren 50 tot de jaren 60 bereikten mechanisch-hydraulische regelaars hun hoogtepunt. Zweden produceerde elektro-hydraulische regelaars in 1944.

China begon al in de jaren 50 met de ontwikkeling van elektro-hydraulische regelaars, en in 1961 werd China's eerste zelfgeproduceerde elektrische regelaar in gebruik genomen in de Liuxihe-centrale. De jaren 60 tot 70 waren een periode van grootschalige ontwikkeling voor elektro-hydraulische regelaars.

De ontwikkeling van elektrische regelaars heeft ruwweg verschillende fasen doorlopen:

• De vacuümbuisfase, waarbij vacuümbuizen werden gebruikt als elektrische versterkers en elektrische frequentiemetingcircuits mechanische centrifugaal slingeren vervingen.
• Later vervingen transistors de vacuümbuizen, wat leidde tot elektro-hydraulische regelaars van het transistortype.
• In de jaren 70 ontwikkelde grootschalige geïntegreerde circuittechnologie zich snel en werden geïntegreerde circuit operationele versterkers toegepast op turbineregelaars. Zo evolueerden elektro-hydraulische regelaars geleidelijk van discrete componenten naar geïntegreerde circuitstructuren.

Met de ontwikkeling van wetenschap en technologie, nadat microprocessors in het midden van de jaren 70 op de markt kwamen, begonnen veel landen achtereenvolgens microcomputerregelaars te ontwikkelen in de late jaren 70 en vroege jaren 80. 's Werelds eerste digitale regelaar werd in de vroege jaren 70 door Canada ontwikkeld. In 1976 ontwikkelde Canada een real-time digitale regelaar en in 1981 werden de testresultaten van een adaptieve regelaar gepubliceerd. China begon ook met de ontwikkeling van microcomputerregelaars in de vroege jaren 80. Eind 1981 begon de Huazhong Universiteit voor Wetenschap en Technologie met het onderzoeken van de "Adaptieve Variabele-Parameter PID Microcomputer Processor Regelaar voor Hydraulische Turbine Generatoren", die PID-parameters bevatte die automatisch veranderden met de bedrijfsomstandigheden van de eenheid (waterdruk en opening) en een fout-adaptieve regelaar was.

De praktijk heeft bewezen dat microcomputerregelaars veel voordelen hebben ten opzichte van analoge elektro-hydraulische regelaars:

• De software van microcomputerregelaars is flexibel geconfigureerd, waardoor besturingsmodi en -strategieën kunnen worden ingesteld op basis van de kenmerken van het turbineregelingssysteem en de specifieke vereisten van elke elektriciteitscentrale, waardoor de eenheid efficiënt, met hoge kwaliteit en economisch kan werken. Daarom hebben microcomputerregelaars sinds hun opkomst een sterke vitaliteit getoond.
• De toepassing van microcomputer diagnostische technologie en fouttolerante technologie helpt de betrouwbaarheid van regelaars te verbeteren. De communicatie-, interface- en sterke uitbreidingsfuncties van microcomputers stellen microcomputerregelaars in staat om zich goed aan te passen aan de eisen van computerbewakingssystemen in elektriciteitscentrales.

In 1969 ontwikkelde het Amerikaanse bedrijf Digital Equipment Corporation (DEC) met succes de "Programmable Logic Controller (PLC)". Vervolgens ontwikkelden Japan en Europese landen ook met succes programmeerbare controllers en begonnen deze te produceren. PLC is het voorkeursproduct geworden voor veel industriële automatische besturingsapparatuur en -systemen vanwege zijn betrouwbaarheid, inclusief een reeks anti-interferentiemaatregelen in hardware zoals foto-elektrische isolatie, elektromagnetische afscherming en analoge/digitale filtering, evenals systeemsoftware met functies zoals een watchdog timer (WDT) en zelfcontrole van hardware en software.

Turbineregelaars zijn belangrijke basisapparatuur voor de geïntegreerde automatisering van waterkrachtcentrales. Hun technische niveau en betrouwbaarheid beïnvloeden direct de veilige stroomopwekking en de stroomkwaliteit van waterkrachtcentrales, en beïnvloeden dus de stroomkwaliteit van alle sectoren van de nationale economie.

Evolutie van Regelaar Besturingswetten en Systeemstructuur

De ontwikkeling van besturingswetten in regelaars is snel gegaan:

• De vroegste regelaars (mechanische typen) waren proportionele schakels, die proportionele besturingswetten vormden, aangeduid met het symbool P.
• Later werden de meeste regelaars ontworpen met proportioneel-integraal besturingswetten, d.w.z. PI-type regelaars, waarbij I de integraalwerking vertegenwoordigt.
• Tegen het einde van de jaren 50 en het begin van de jaren 60, met de invoering van acceleratieregeling, ontstonden regelaars met P-I-D besturingswetten, waarbij D de afgeleide besturing vertegenwoordigt. De FRVV-10S elektro-hydraulische regelaar geproduceerd door het Zweedse ASEA en de RAPID elektro-hydraulische regelaar van het Franse NEYRPIC bevatten beide P-I-D besturingswetten.
• In het midden van de jaren 70 werden PID-regelaars direct toegepast op turbineregelaars, wat leidde tot PID-typen, d.w.z. regelaars met parallelle proportionele (P), integrale (I) en afgeleide (D) schakels. De integraalwerking wordt hier gegenereerd door elektrische schakels, wat duidelijk verschilt van de P-I-D regelaars waarbij de integraalwerking werd gegenereerd door oliedrukservo's. Deze PID-type regelaar heeft goede statische en dynamische eigenschappen en is een van de meer geavanceerde regelaars.
  (Opmerking: P-I-D vertegenwoordigt elektrische regelaars met P, I, D besturingswetten, inclusief P-I-D acceleratietype regelaars; PID duidt op elektrische regelaars met P, I, D schakels parallel, die P, I, D besturingswetten belichamen.)

Vóór de jaren 60 gebruikten de meeste regelaars PI besturingswetten. Na de jaren 70 namen elektro-hydraulische regelaars die wereldwijd werden geproduceerd, op grote schaal PID besturingswetten over, aangezien de introductie van snelheidsafgeleide regeling software de regelkwaliteit van frequentiebesturing aanzienlijk verbeterde.

Onderzoek en Toepassing van Geavanceerde Besturingswetten

In de afgelopen jaren, met de ontwikkeling van microcomputertechnologie en besturingstheorie, is het onderzoek naar het toepassen van geavanceerde besturingswetten op turbineregelaars volledig van start gegaan, waaronder: optimale besturing, state feedback besturing, adaptieve besturing, voorspellende besturing, fuzzy besturing, adaptieve variabele-parameter besturing, variabele structuur besturing, sliding mode variabele structuur besturingsstrategieën en waterdrukcompensatiesignaalbesturing.

• De opkomst van Programmable Logic Controllers (PLC) injecteerde nieuwe vitaliteit in de turbineregelaarbesturing, integreerde meerdere besturingsfuncties, verbeterde de besturingsprestaties aanzienlijk en vereenvoudigde de structuur van elektrische besturingseenheden. De praktijk in daaropvolgende R&D en productie bewees dat het gebruik van PLC als de besturingskern van turbineregelaars geleidelijk de mainstream werd, wat de basis vormde voor de ontwikkeling van verschillende regelaartypen door verschillende fabrikanten.
• De ontwikkeling en inbedrijfstelling van digitale kleptype regelaars markeerde het begin van hervormingen in het mechanische deel van regelaars. De elektro-hydraulische conversieschakel (ontdaan van) afhankelijkheid van de hoofddistributieklep, met lage kosten, stabiele prestaties en lage eisen aan de oliekwaliteit, wat de snelle ontwikkeling van kleine waterkrachtcentrales daarna enorm hielp.
• Impulsturbine-eenheden hebben korte servomotor slagen en meerdere besturingsobjecten. De ontwikkeling en inbedrijfstelling van deze regelaar verzamelde ervaring voor later onderzoek naar speciale impulsturbine regelaars.
• De verdere ontwikkeling van elektro-hydraulische conversieschakels bereikte het naast elkaar bestaan van dubbele conversiemodi, (wederzijds back-up), niet-storend, waardoor de ene schakel kan werken terwijl de andere in onderhoud is. Met succesvolle operationele ervaringen in meerdere elektriciteitscentrales is het het voorkeursproduct geworden voor grote waterkrachtcentrales.

Prestatie-indicatoren

• Instelbereik van de volledige sluitingstijd van de geleidingsschoep servomotor: 3–100 S

• Instelbereik van de volledige openingstijd van de geleidingsschoep servomotor: 3–100 S

• Instelbereik van de volledige sluitingstijd van de loperschoep servomotor: 10–120 S

• Instelbereik van de volledige openingstijd van de loperschoep servomotor: 10–120 S

• Frequentie-instelbereik: 45–55 Hz

• Instelbereik van permanente snelheidsafname: 0–10%

• Instelbereik van proportionele versterking: 0,5–20

• Instelbereik van integrale versterking: 0,05–10 1/s

• Instelbereik van afgeleide versterking: 0,0–10 s

• Instelbereik van kunstmatige dode zone: 0–±1,5%

• Snelheidsdode zone gemeten aan de hoofdservomotor: ≤0,02%

• Nadat de turbine 25% belasting heeft afgewezen, de niet-bedrijfstijd van de servomotor: ≤0,2 s

• Niet-lineariteit van statische karakteristieke curve: ≤0,5%

• Tijdens 3 minuten automatische onbelaste werking, de relatieve snelheidsschommeling van de eenheid: ≤±0,15%.

• Na het afwijzen van 100% nominale belasting, het aantal snelheidsschommelingen dat 3% overschrijdt: ≤2 keer; de relatieve waarde van continue snelheidsschommeling van de eenheid veroorzaakt door de regelaar: ≤±0,15%.

• Vanaf het moment dat de eenheid de belasting afwijst totdat de relatieve snelheidsafwijking minder is dan ±1%, moet de verhouding van de regeltijd tot de tijd van belastingafwijzing tot de hoogste snelheid ≤15 zijn voor middel/laag-kop reactieturbines en impulsturbines; voor eenheden die stroom leveren aan de elektriciteitscentrale na loskoppeling van het net, moet de minimale relatieve snelheid van de eenheid na belastingafwijzing ≥0,9 zijn.

2.4.4 Betrouwbaarheid van het Regelaarsysteem

• Beschikbaarheid in automatische modus: >99,99%

• Beschikbaarheid in automatische + handmatige modus: 100%

• Gemiddelde tijd tussen eerste storingen (vanaf acceptatie ter plaatse): ≥35.000 uur

• Revisie-interval: 10 jaar

• Levensduur vóór buitengebruikstelling: >20 jaar