Bộ điều tốc Tuabin thuỷ lực

Trong tự nhiên có nhiều nguồn năng lượng phục vụ cho sản xuất và sinh hoạt, chiếm tỷ trọng lớn nhất trong các nguồn năng lượng đó phải kể đến thuỷ điện. Điều khiển nhà máy thuỷ điện nhằm đạt được công suất tối ưu là vấn đề hết sức quan trọng.

Hệ thống tuabin thủy lực

Nước từ hồ chứa thượng lưu được dẫn vào hệ thống đường ống áp lực và buồng xoắn, tại đây nước được gia tốc tới vận tốc rất lớn. Qua hệ thống cánh hướng, nước được dẫn vào tuabin thuỷ lực làm quay tuabin đồng thời làm quay máy phát điện (thông thường trục của tuabin được nối thẳng với trục máy phát). Từ đầu cực máy phát, dòng điện được tăng áp qua máy biến áp lực và dẫn lên trạm phân phối hoà vào lưới điện quốc gia.

Tuabin thuỷ lực là một bộ phận quan trọng nhất trong nhà máy thuỷ điện, bằng sự thay đổi tốc độ nó quyết định công suất phát của tổ máy. Là một thiết bị có cơ cấu phức tạp, trọng lượng và kích cỡ lớn, tuabin đòi hỏi phải có độ bền cao, vận hành ổn định trong thời gian dài (tuổi thọ vận hành 40 năm, thời gian đại tu 6 năm, trung bình vận hành 3000 giờ/năm).

Tuabin Kaplan trục đứng

Tuabin thuỷ lực bao gồm 2 phần chính (loại tuabin Kaplan trục đứng): Roto tuabin (gồm bánh xe công tác-BXCT được nối với trục tuabin thông qua khớp nối truyền động momen xoắn, trục, ổ hướng và ổ chèn trục) và Stato tuabin (gồm vành đáy tuabin để đỡ trục dưới cánh hướng, các vành làm kín, vành stato tuabin, bộ cánh hướng dòng ) và bộ ống xả, buồng xoắn.

Tuỳ theo mực nước thượng lưu và khi tải trên lưới điện thay đổi đòi hỏi lượng điện phát ra của nhà máy phải thay đổi phù hợp. Vấn đề đặt ra là phải điều chỉnh đồng bộ giữa độ mở hệ thống cánh hướng nước nhằm điều chỉnh lưu lượng nước vào tuabin và điều chỉnh góc nghiêng của BXCT, tạo cho tuabin tốc độ ổn định.

Để điều chỉnh độ mở cánh hướng người ta sử dụng các servomotor (thông thường 2 servomotor) và hệ thống xilanh thuỷ lực. Truyền động của servomotor sẽ qua hệ thống xilanh gắn với vòng điều chỉnh, giữa cánh hướng và vòng điều chỉnh có các khớp truyền động.

Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật số, bộ điều tốc tuabin được tự động hoá hoàn toàn có khả năng thu thập các thông số quá trình một cách liên tục, tự động điều chỉnh ổn định quá trình vận hành.

Bộ điều tốc tuabin gồm bộ điều tốc kỹ thuật số và bộ điều tốc thuỷ lực.

Phần điều tốc kỹ thuật số:

Sơ đồ khối hệ thống điều tốc tuabin

Mỗi tuabin được cung cấp một hệ thống điều tốc tự động riêng biệt có khả năng điều khiển tốc độ, công suất phát, lưu lượng nước vào tuabin cho phép tổ máy vận hành ổn định, hoàn hảo ở chế độ vận hành song song với nhau và với hệ thống điện.

Bộ điều tốc kỹ thuật số được lắp trong các tủ điều khiển tại tổ máy, các thông số được giám sát qua hệ thống SCADA ở phòng điều khiển trung tâm. Bộ điều tốc có cấu hình dự phòng kép cả về phần cứng và phần mềm, một hệ giao tiếp tốc độ cao được thiết lập giữa hai card xử lý đảm bảo quá trình chuyển mạch không trễ trong mọi chế độ vận hành. Nguyên lý điều chỉnh là thuật toán PID có nhánh hồi tiếp.

Điều khiển vị trí: sử dụng thuật toán điều chỉnh PD, tín hiệu vào là vị trí thực của cánh hướng và vòng trượt của các servomotor. Khi vận hành ở chế độ quá tải, sự giới hạn tốc độ của cánh hướng và BXCT được đặt lên hàng đầu nhằm tránh tuabin lệch khỏi vị trí tối ưu. Điểm đặt vị trí của BXCT được tính toán dựa theo điểm đặt vị trí cánh hướng và giá trị cột nước.

Điều khiển giới hạn độ mở: độ mở giới hạn có thể được điều chỉnh trong khoảng -5 đến 105%.

Điều khiển vận tốc: sử dụng thuật toán điều chỉnh PID có phản hồi, giá trị đặt của bộ điều khiển vận tốc có thể được điều chỉnh trong khoảng 90 đến 110%. Dải tần số chết có tác dụng trong suốt quá trình vận hành song song và có thể điều chỉnh được. Bộ điều chỉnh PID sẽ xác định điểm đặt cho servomotor điều khiển cánh hướng bằng cách tính toán sự sai lệch giữa giá trị đặt và tốc độ thực tế. Hàm truyền của bộ điều khiển khi bỏ qua hiện tượng trễ vi sai:

Trong đó:

Kp: Hệ số tỷ lệ

Tn : Thời gian tích phân.

Td : Thời gian vi phân.

bp: độ dốc của đặc tính tốc độ

Khi bp » 0:

Điều khiển độ mở cánh hướng: giá trị đặt có thể được điều chỉnh trong khoảng -5 đến 105%, chế độ vận hành của bộ điều khiển này chỉ có thể được lựa chọn khi tổ máy vận hành ở chế độ song song, trong các chế độ khác điểm đặt của độ mở sẽ là độ mở thực của cánh hướng.

Điều khiển lưu lượng: giá trị đặt có thể được điều chỉnh trong khoảng -5 đến 105%. Lưu lượng thực tế được tính toán từ cột nước, vận tốc tuabin, vị trí của cánh hướng và BXCT. Bộ điều khiển sử dụng thuật toán PI, xác định giá trị đặt cho vị trí của servomotor cánh hướng bằng cách tính toán sự khác nhau giữa giá trị đặt và lưu lượng thực tế. Hàm truyền của bộ điều khiển có dạng:

Điều khiển mực nước: giá trị điểm đặt đã được xác định trước, nó chỉ có thể được xác định lại thông qua các thiết bị đầu cuối, bảng vận hành hay giao diện thông tin. Bộ điều khiển sử dụng thuật toán PI.

Một số thông số của bộ điều tốc:

- Chuẩn giao diện: RS232, RS485, Ethernet.

- Dải tốc độ chết : £ 0.02%

- Dải tần số đo được ứng với tốc độ : 1.2 ¸10000Hz.

- Thời gian chết : £ 0.2s

- Độ ổn định tốc độ : £ 0.3%

- Độ ổn định công suất : £ 0.4%

- Hệ số tỷ lệ Kp: 0 ¸500.

-Thời gian tích phân Tn : 0.05 ¸5000s.

- Thời gian vi phân Td : 0 ¸10s.

- Độ dốc của đặc tính tốc độ bp: 0 ¸10%.

- Thời gian mở cánh hướng có thể điều chỉnh : 10 ¸1000s.

Các tính năng tự động hoá của bộ điều tốc:

- Điều chỉnh vị trí các cánh hướng đồng bộ với điều chỉnh độ nghiêng của BXCT.

- Giám sát và kiểm tra tốc độ, lưu lượng.

- Điều chỉnh việc chọn nhanh mức tải.

- Vận hành đa nhiệm theo thời gian thực.

- Giao diện Ethernet chuẩn với hệ thống SCADA.

- Giao diện HMI tại phòng điều khiển và tủ điều khiển tại chỗ.

- Ghi và thông báo các sự kiện trong quá trình vận hành.

- Bảo vệ điện một chiều các Module I/O, kiểm tra cao tần hệ thống.

Phần điều tốc thuỷ lực:

Bộ điều tốc thuỷ lực gồm bể chứa dầu, van trượt điều khiển chính, máy bơm trục vít, bộ lọc, các sensor đo mức và nhiệt độ.

Bộ tác động điện thuỷ lực biến đổi các tín hiệu từ bộ điều khiển kỹ thuật số thành các đại lượng cơ tương ứng. Bộ khuếch đại thuỷ lực gồm có van động và van phân phối chính nối hệ thống ống dầu áp lực với servomotor của cánh hướng và hệ thống cấp dầu áp lực. Hệ thống dầu có áp lực 4.0¸6.3MPa.

Hệ thống khí nén cung cấp cho bình tích áp, cân bằng áp lực hệ thống.

Với hệ thống van, thời gian tác động được giới hạn tương ứng với đòi hỏi của sự thay đổi tốc độ. Ngoài ra còn có một van trượt điện từ độc lập để dừng khẩn cấp tuabin bằng cách tác động để servomotor đóng khẩn cấp các cánh hướng mà bỏ qua các tín hiệu từ bộ điều khiển.

Các thiết bị đo:

- Đầu đo lưu lượng theo phương pháp Witer-Kennedy.

- Đo áp suất vi sai tại buồng xoắn

- Công tắc giới hạn và cảnh báo sự đồng bộ giữa các cánh hướng.

- Đo vị trí vành điều chỉnh hay độ mở cánh hướng.

- Đo áp suất xilanh và nhiệt độ dầu áp lực.

- Đo độ lệch trục của Tuabin.

Ngoài ra còn có các hệ thống đo khác đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn, ổn định.

(Theo "Tạp chí Hiện đại hóa")

Tìm hiểu thêm:

Servomotor là gì?

Trước hết cần tìm hiểu: Hệ thống servo là gì? là một loại hệ thống truyền động điều khiển hồi tiếp vòng kín, nhận tín hiệu và thực hiện một cách nhanh chóng và chính xác theo lệnh từ PLC. Hệ thống servo bao gồm một bộ điều khiển servo (servo drive), một động cơ servo (servo motor) và một encoder để phản hồi tín hiệu từ động cơ về bộ điều khiển. Servo được sử dụng để điều khiển vị trí chính xác, điều chỉnh mô-men phù hợp với các ứng dụng khác nhau và thay đổi tốc độ cực kỳ nhanh (đáp ứng trong mili giây).

Servomotor là một thành phần trong hệ thống servo. Servomotor là một loại động cơ điện tử được điều khiển bằng một tín hiệu điều khiển để thực hiện các phép đo góc xoay và điều khiển vị trí. Servomotor được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như các máy CNC, robot, máy bay điều khiển từ xa, v.v.

Servomotor thường được thiết kế với ba phần chính là rotor, stator và hệ thống điều khiển. Rotor của servomotor là một cấu trúc đĩa xoay được gắn trên trục quay của động cơ. Stator là phần cố định của servomotor, bao gồm cuộn dây và nam châm. Hệ thống điều khiển của servomotor bao gồm các bộ điều khiển và các cảm biến góc xoay để giám sát và điều khiển chuyển động của rotor.

Khi nhận được tín hiệu điều khiển, hệ thống điều khiển của servomotor sẽ đọc các tín hiệu từ cảm biến góc xoay và điều chỉnh động cơ để xoay vị trí của rotor đến một vị trí cụ thể. Tốc độ và vị trí xoay của servomotor có thể được điều khiển chính xác để đạt được độ chính xác và độ ổn định cao.

Servomotor có nhiều ưu điểm, bao gồm độ chính xác và độ ổn định cao, tốc độ xoay nhanh và khả năng tương tác với các hệ thống điều khiển khác. Tuy nhiên, chúng cũng có một số hạn chế như độ bền thấp và giá thành cao hơn so với các động cơ khác.

Đầu đo lưu lượng theo phương pháp Witer-Kennedy

Phương pháp Witer-Kennedy không phải là một phương pháp đo lưu lượng trực tiếp mà là một phương pháp xử lý tín hiệu để giảm thiểu nhiễu và tăng chất lượng tín hiệu. Tuy nhiên, có thể sử dụng phương pháp này để cải thiện chất lượng tín hiệu đầu vào của đầu đo lưu lượng và từ đó cải thiện độ chính xác của quá trình đo lưu lượng.

Để đo lưu lượng, cần sử dụng các đầu đo lưu lượng phù hợp với ứng dụng cụ thể. Các đầu đo lưu lượng thông thường bao gồm đầu đo dạng cánh quay, đầu đo dạng áp suất, đầu đo dạng siêu âm, đầu đo dạng điện từ, v.v.

Đầu đo lưu lượng theo phương pháp Witer-Kennedy có thể được hiểu như một hệ thống bao gồm đầu đo và các phương pháp xử lý tín hiệu để giảm thiểu nhiễu và tăng chất lượng tín hiệu. Trong quá trình đo, tín hiệu từ đầu đo sẽ được xử lý bằng các thuật toán Witer-Kennedy để giảm thiểu nhiễu và tăng chất lượng tín hiệu. Sau đó, dữ liệu lưu lượng sẽ được tính toán từ tín hiệu đã được xử lý.

Tuy nhiên, việc sử dụng phương pháp Witer-Kennedy để cải thiện độ chính xác của đầu đo lưu lượng phụ thuộc vào tính chính xác của đầu đo và độ phức tạp của thuật toán xử lý tín hiệu. Do đó, cần cân nhắc các yếu tố này khi chọn đầu đo lưu lượng và phương pháp xử lý tín hiệu phù hợp cho ứng dụng cụ thể. 

Related Posts by Categories