ЦИФРОВОЙ РЕГУЛЯТОР ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ГИДРОТУРБИНЫ

Заявляемая полезная модель относится к гидромашиностроению и предназначена для выполнения функций автоматического регулирования частоты и активной мощности гидротурбины, а также для управления открытием регулирующих органов гидротурбины в переходных режимах работы гидроагрегата при пуске, остановке и сбросе нагрузки.
Из уровня техники известны регуляторы частоты вращения частоты и активной мощности гидротурбины, содержащие задатчик частоты вращения гидротурбины, электрогидравлический преобразователь, датчик обратной связи положения направляющего аппарата (НА), датчики частоты вращения гидротурбины, модуль выбора канала измерения частоты вращения гидротурбины и гидротурбину, в которой находятся исполнительные механизмы (см., например, В.А. Пивоваров «Проектирование и расчет систем регулирования гидротурбин», Ленинград, «Машиностроение», 1973; патент РФ на полезную модель №68604, МПК F03B 15/00, опубл. 27.11.2007; патент РФ №2292483, МПК F03B 15/12, опубл. 27.01.2007).
Однако известные построения регуляторов частоты вращения выполнены на другой технической базе и имеют некоторые недостатки, которые вызывают периодическое изменение измеряемых показаний частоты вращения и, следовательно, долгое время выхода на холостой ход гидротурбины с готовностью к включению в сеть:
- измерение частоты вращения гидротурбины при использовании аналоговых датчиков происходит с недостаточной точностью, что приводит к изменению 1-го и(или) 2-го знака после запятой в измеренных показаниях, что в свою очередь предполагает большее пропорциональное воздействие при корректировке этого изменения. Возможно возникновение нескольких волн перерегулирования, достаточных для отказа от включения генератора турбины в сеть;
- в результате долгой подстройки частоты вращения гидротурбины к 100% увеличивается время выхода на режим холостого хода (ХХ) с готовностью включения в сеть.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание цифрового регулятора частоты вращения гидротурбины, обеспечивающего оптимальное управление гидротурбиной на этапах пуска и остановки и обладающего повышенной точностью измерения частоты вращения гидротурбины с уменьшением времени выхода на XX и последующим включением в сеть.
Технический результат выражается в улучшении условий вывода гидротурбины на XX и повышении качества регулирования частоты вращения гидротурбины и надежности работы системы в целом.
Задача, положенная в основу настоящей полезной модели, с достижением заявленного технического результата, решается тем, что цифровой регулятор частоты вращения гидротурбины включает задатчик частоты вращения гидротурбины, контроллер регулятора гидротурбины, контроллер следящей системы, выходы которых последовательно соединены через электрогидравлический преобразователь с гидротурбиной, датчик обратной связи положения направляющего аппарата, датчики частоты вращения гидротурбины, модули быстрого счета и модуль выбора канала измерения частоты вращения гидротурбины, причем выходы датчиков частоты вращения гидротурбины соединены с входами модулей быстрого счета, а выходы последних, через модуль выбора канала измерения частоты вращения гидротурбины, соединены со вторым входом контроллера регулятора гидротурбины, при этом выходы электрогидравлического преобразователя и датчика обратной связи положения направляющего аппарата соединены соответственно со вторым и третьим входами контроллера следящей системы.
Включение в схему заявляемого регулятора двух независимых контроллеров: контроллера регулятора гидротурбины и контроллера следящей системы, позволило разделить функции выполнения алгоритмов и слежения за обратной связью с воздействием на исполнительные механизмы, что в свою очередь повышает надежность работы системы в целом, при этом контроллер следящей системы позволяет чаще отслеживать положение главного золотника, что в свою очередь повышает качество регулирования открытия направляющего аппарата.
Введение в дублированные каналы датчиков частоты вращения гидротурбины модулей быстрого счета позволяет определять частоту вращения гидротурбины во всем диапазоне (от 1% до 200%) с точностью до 6-го знака после запятой не зависимо от времени цикла основного контроллера регулятора гидротурбины, что в свою очередь повышает качество регулирования частоты вращения гидротурбины.
Из уровня техники не выявлены решения, которые имели бы признаки, совпадающие с отличительными признаками заявляемого цифрового регулятора частоты вращения гидротурбины, поэтому последний отвечает условию патентоспособности ”новизна”, а возможность использования в промышленности позволяет сделать вывод о его соответствии условию ”промышленная применимость”.
Предпочтительный вариант исполнения предлагаемого технического решения описывается далее на основе представленного чертежа, где представлена функциональная схема цифрового регулятора частоты вращения гидротурбины.
На чертеже соответствующие конструктивные элементы цифрового регулятора частоты вращения гидротурбины обозначены следующими позициями:
1. - задатчик частоты вращения гидротурбины;
2. - контроллер регулятора гидротурбины;
3. - датчик частоты вращения гидротурбины;
4. - датчик частоты вращения гидротурбины;
5. - гидротурбина;
6. - модуль быстрого счета;
7. - модуль быстрого счета;
8. - модуль выбора канала измерения частоты вращения гидротурбины;
9. - контроллер следящей системы;
10. - датчик обратной связи положения НА;
11. - электрогидравлический преобразователь.
Цифровой регулятор частоты вращения гидротурбины включает: задатчик 1 частоты вращения гидротурбины, контроллер 2 регулятора гидротурбины, контроллер 9 следящей системы, выходы которых последовательно соединены через электрогидравлический преобразователь 11 с гидротурбиной 5, датчик 10 обратной связи положения НА, датчики 3 и 4 частоты вращения гидротурбины, модули 6 и 7 быстрого счета и модуль 8 выбора канала измерения частоты вращения гидротурбины, причем выходы датчиков 3 и 4 частоты вращения гидротурбины соединены с входами модулей 6 и 7 быстрого счета, а выходы последних, через модуль 8 выбора канала измерения частоты вращения гидротурбины, соединены со вторым входом контроллера 2 регулятора гидротурбины, при этом выходы электрогидравлического преобразователя 11 и датчика 10 обратной связи положения направляющего аппарата соединены соответственно со вторым и третьим входами контроллера 9 следящей системы.
Управляющая вычислительная часть регулятора 2 частоты вращения гидротурбины и контроллера 9 следящей системы созданы на базе контроллеров, например контроллеров фирмы ”Siemens” серии S7-300, что позволяет снизить стоимость регулятора.
Датчики 3 и 4 частоты вращения гидротурбины выполнены в виде датчиков вихретокового типа, например Ni5-M12-Y1X-H1141 фирмы TURCK.
Модули 6 и 7 быстрого счета, расположенные в схеме цифрового регулятора частоты вращения гидротурбины между дублированными датчиками 3 и 4 частоты вращения гидротурбины и модулем 10 выбора канала измерения частоты вращения гидротурбины, позволяют на несколько порядков уменьшить погрешность измерения скорости вращения гидротурбины и выбраны из серии контроллеров ”Siemens” S7-300, например 6ES7335-7HG01-0AB0.
Модуль 8 выбора канала измерения частоты вращения гидротурбины является логическим и входит в ПО контроллера 2 регулятора гидротурбины.
Датчик 10 положения направляющего аппарата выполнен в виде позиционного сенсора линейчатого типа, например RP-S-900mm-D60-1-A01 фирмы Temposonics.
В электрогидравлическом преобразователе 11 в качестве предварительных клапанов используются клапаны на 24B, например 4 WRPEH 10 C3 B100L-2X/G24K0/F1M фирмы BOSCH REXROTH, а в качестве датчиков 10 обратной связи направляющего аппарата (главных золотников), например SW50 фирмы IPM.
В самой гидротурбине 5, на валу, установлен предварительно рассчитанный зубчатый диск, с которого бесконтактным датчиком снимается 100 импульсов в секунду.
Цифровой регулятор частоты вращения гидротурбины работает следующим образом.
Задатчик 1 частоты вращения гидротурбины выдает уставку частоты контроллеру 2 регулятора гидротурбины. Дублированные датчики 3 и 4 частоты вращения гидротурбины выдают дискретный сигнал от зубчатого колеса на валу гидротурбины 5 к дублированным модулям 6 и 7 быстрого счета, которые производят независимый подсчет и выдают значение частоты вращения по каждому каналу в модуль 8 выбора канала измерения частоты вращения гидротурбины. Полученное значение частоты вращения гидротурбины поступает в контроллер 2 регулятора гидротурбины, который на основе текущего алгоритма (пуск, стоп, регулировка по открытию, регулировка по скорости, регулировка по мощности, режим синхронного компенсатора) производит вычисление уставки для НА и передает ее в контроллер 9 следящей системы, который, на основе полученной уставки и измеренного фактического положения НА через датчик 10 обратной связи формирует управляющее воздействие для клапана предварительного регулирования в электрогидравлическом преобразователе 11. Контроллер 9 следящей системы, независимо от контроллера 2 регулятора гидротурбины, постоянно отслеживает текущее положение НА, положение главного золотника в электрогидравлическом преобразователе 2 по обратной связи и исполнение выданной уставки. Таким образом, цифровой регулятор частоты вращения гидротурбины формирует регулирующие воздействия через усилители на электрогидравлические преобразователи направляющего аппарата и рабочего колеса, размещенные в гидромеханической колонке управления гидротурбиной. Воздействия формируются на основе информации, поступающей от первичных датчиков и органов управления в соответствии с программой функционирования цифрового регулятора частоты вращения гидротурбины в составе с модернизированной гидромеханической колонкой управления, и обеспечивают выполнение следующих функций:
- автоматический пуск гидроагрегата и вывод его на номинальную частоту вращения или на частоту энергосистемы в соответствии с заданным скольжением в режиме подгонки частоты;
- стабилизацию частоты вращения при работе на холостом ходу и на изолированную нагрузку, в том числе параллельно с другими агрегатами;
- поддержание заданного значения активной мощности;
- поддержание заданного значения активной мощности от центрального задатчика в групповом режиме;
- соблюдение комбинаторной зависимости между положением лопаток направляющего аппарата (НА) и лопастей рабочего колеса (РК);
- работу гидроагрегата в режиме синхронного компенсатора;
- ограничение активной мощности генератора;
- ограничение открытия направляющего аппарата (НА) в зависимости от напора;
- ограничение открытия направляющего аппарата (НА) по кавитационному пределу;
- нормальную остановку гидроагрегата;
- аварийную остановку гидроагрегата;
- формирование информационных и предупредительных сигналов о действиях регулятора на верхний уровень управления;
- дистанционное управление из центрального пульта станции (ЦПУ);
- работа в режиме ГРАМ (группового регулирования активной мощности;
- местное и ручное управление от электронной панели.
Проектирование цифрового регулятора частоты вращения гидротурбины было выполнено с целью замены устаревшего оборудования (регуляторов первого и второго поколения) в рамках модернизации системы управления гидроагрегатом.