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Il Ruolo e lo Status del Regolatore di turbina idraulica nelle Centrali Idroelettriche

Quando l'elettricità è in funzione, è necessario mantenere costantemente l'equilibrio tra l'alimentazione e il carico. Inoltre, garantire la buona qualità dell'energia elettrica è un compito importante nel processo di produzione di energia. I principali indicatori per misurare la qualità dell'energia elettrica sono generalmente la tensione e la frequenza, seguiti dalla forma d'onda. Le deviazioni di frequenza influenzeranno seriamente il normale funzionamento degli utenti di energia. Per i motori elettrici, una diminuzione della frequenza causerà una diminuzione della velocità del motore, riducendo così la produttività e influenzando la durata del motore; al contrario, un aumento della frequenza causerà un aumento della velocità del motore, aumentando il consumo di energia e riducendo l'economia. Soprattutto in alcuni settori industriali con severi requisiti di velocità (come tessile, cartario, ecc.), le deviazioni di frequenza influenzeranno notevolmente la qualità del prodotto e potrebbero persino portare a prodotti difettosi. Inoltre, le deviazioni di frequenza avranno impatti più gravi sulla centrale stessa. Ad esempio, nelle centrali termiche, per macchinari centrifughi come pompe di alimentazione caldaia e ventilatori, la loro produzione diminuirà drasticamente quando la frequenza diminuisce, costringendo la produzione della caldaia a essere significativamente ridotta o addirittura innescando un arresto di emergenza della caldaia. Ciò ridurrà inevitabilmente ulteriormente l'erogazione di energia del sistema, portando a un ulteriore calo della frequenza del sistema. Inoltre, quando si opera a una frequenza ridotta, le pale della turbina svilupperanno crepe a causa dell'aumento delle vibrazioni, riducendo così la durata della turbina. Pertanto, se la tendenza a un forte calo della frequenza del sistema non può essere fermata in modo tempestivo, causerà inevitabilmente un circolo vizioso e potrebbe persino portare al collasso dell'intero sistema di alimentazione.

Secondo le normative del settore energetico cinese, la frequenza nominale della rete elettrica è di 50 Hz e la deviazione di frequenza consentita per le grandi reti elettriche è di ±0,2 Hz. Per le reti elettriche di piccole e medie dimensioni, le fluttuazioni del carico del sistema possono talvolta raggiungere il 5% - 10% della loro capacità totale; anche per i grandi sistemi di alimentazione, le fluttuazioni del carico raggiungono spesso il 2% - 3%. La continua variazione del carico del sistema di alimentazione porta a fluttuazioni della frequenza del sistema. Pertanto, il compito fondamentale della regolazione della turbina è quello di regolare continuamente la potenza in uscita del gruppo turbina-generatore e mantenere la velocità di rotazione (frequenza) dell'unità entro l'intervallo nominale specificato.

In sintesi, il regolatore della turbina idraulica è un importante dispositivo ausiliario per il gruppo turbina-generatore nelle centrali idroelettriche. Si coordina con il circuito secondario della centrale e il sistema di monitoraggio computerizzato per completare attività come l'avvio e l'arresto del gruppo turbina-generatore, l'aumento o la diminuzione dei carichi e l'arresto di emergenza. Il regolatore della turbina può anche lavorare con altri dispositivi per completare attività come il controllo automatico della generazione, il controllo di gruppo e la regolazione in base ai livelli dell'acqua. Inoltre, quando si verifica un guasto nella rete elettrica, collabora con l'interruttore automatico per completare rapidamente e stabilmente il processo di rifiuto del carico, proteggendo l'unità turbina e consentendole di ripristinare la velocità nominale il prima possibile.

In conclusione, i compiti fondamentali del regolatore della turbina sono riassunti come segue:
◆ Funzionamento normale dell'unità
◆ Garantire il funzionamento sicuro dell'unità
◆ Distribuzione ragionevole dei carichi tra le unità parallele

Tipi di Regolatori di Turbine Idrauliche

Classificati in base al numero di oggetti controllati, possono essere suddivisi in regolatori a regolazione singola e regolatori a doppia regolazione.

• Generalmente, i regolatori a regolazione singola vengono utilizzati per varie unità a pale fisse di turbine a reazione (come la turbina Francis). L'oggetto controllato sono solo le palette direttrici e il flusso d'acqua attraverso le pale della turbina è controllato regolando l'apertura delle palette direttrici.

• I regolatori a doppia regolazione vengono utilizzati per varie unità a pale variabili di tipo a reazione (come la turbina Kaplan). Gli oggetti controllati sono le palette direttrici e le pale del rotore. L'uscita del flusso d'acqua verso la turbina è controllata regolando l'apertura delle palette direttrici e l'angolo delle pale del rotore. In generale, le unità a pale variabili hanno un controllo coordinato tra le palette direttrici e le pale del rotore.

Inoltre, le turbine a impulso hanno più oggetti controllati, che sono classificati come un altro tipo di regolatori "multi-ugello e multi-deflettore" o "multi-ugello e un deflettore", specificamente progettati per le turbine a impulso. Gli oggetti di controllo del regolatore variano in base al numero di aghi degli ugelli e deflettori della turbina a impulso.

2. I regolatori di turbine idrauliche sono generalmente prodotti meccatronici nel loro complesso e le loro parti di esecuzione meccanica adottano il controllo idraulico. Classificati in base ai metodi di conversione elettro-idraulica, possono essere suddivisi in regolatori digitali, a gradini e proporzionali-digitali. Generalmente, i tipi digitali e proporzionali sono combinati.

• I regolatori digitali utilizzano elettrovalvole per controllare l'accensione/spegnimento della valvola con impulsi digitali, ottenendo l'effetto di controllare l'accensione/spegnimento del servomotore.

• I regolatori a gradini utilizzano la corrente per pilotare il motore passo-passo per ruotare in avanti o indietro, generando uno spostamento verticale e si coordinano con la valvola pilota e la valvola di distribuzione principale per controllare l'accensione/spegnimento del servomotore.

• Le elettrovalvole proporzionali completano la conversione elettro-idraulica attraverso controllori proporzionali e valvole di distribuzione principali.

3. Classificati in base alla pressione dell'olio utilizzata, sono suddivisi in regolatori a pressione dell'olio convenzionali e ad alta pressione dell'olio.

• Pressioni dell'olio convenzionali: 2,5 MPa, 4,0 MPa, 6,3 MPa

• Alta pressione dell'olio: generalmente 16 MPa

La capacità del serbatoio dell'olio in pressione è determinata dalle dimensioni della cavità dell'olio del servomotore.

Classificati in base alla capacità dell'unità controllata, sono suddivisi in regolatori grandi, medi e piccoli.

Storia dello Sviluppo dei Regolatori di Turbine Idrauliche

I regolatori di turbine idrauliche hanno una lunga storia di applicazione nelle centrali idroelettriche. Già alla fine del XIX secolo, nel 1891, l'azienda tedesca Voith produsse il primo regolatore puramente meccanico, ovvero il regolatore meccanico a pendolo centrifugo, in cui l'apertura e la chiusura della turbina erano azionate direttamente da una cinghia. Con il miglioramento dei requisiti per il sistema di regolazione, in particolare per la sensibilità, è richiesta una grande forza di regolazione per l'apertura e la chiusura in breve tempo, rendendo necessaria la pressione idraulica. Ciò ha portato allo sviluppo di regolatori meccanici con amplificazione della pressione dell'acqua e amplificazione della pressione dell'olio. Dalla fine degli anni '50 agli anni '60, i regolatori meccanico-idraulici raggiunsero il loro apice. La Svezia produsse regolatori elettro-idraulici nel 1944.

La Cina iniziò a sviluppare regolatori elettro-idraulici già negli anni '50 e nel 1961, il primo regolatore elettrico di fabbricazione cinese fu messo in funzione presso la centrale elettrica di Liuxihe. Gli anni '60 e '70 furono un periodo di sviluppo su larga scala per i regolatori elettro-idraulici.

Lo sviluppo dei regolatori elettrici è passato approssimativamente attraverso diverse fasi:

• La fase della valvola termoionica, in cui le valvole termoioniche venivano utilizzate come amplificatori elettrici e i circuiti di misurazione della frequenza elettrica sostituivano i pendoli centrifughi meccanici.
• Successivamente, i transistor sostituirono le valvole termoioniche, dando origine a regolatori elettro-idraulici di tipo a transistor.
• Negli anni '70, la tecnologia dei circuiti integrati su larga scala si sviluppò rapidamente e gli amplificatori operazionali a circuito integrato furono applicati ai regolatori di turbine. Pertanto, i regolatori elettro-idraulici si sono gradualmente evoluti da componenti discreti a strutture a circuito integrato.

Con lo sviluppo della scienza e della tecnologia, dopo che i microprocessori entrarono nel mercato a metà degli anni '70, molti paesi iniziarono successivamente a sviluppare regolatori a microcomputer alla fine degli anni '70 e all'inizio degli anni '80. Il primo regolatore digitale al mondo fu sviluppato dal Canada all'inizio degli anni '70. Nel 1976, il Canada sviluppò un regolatore digitale in tempo reale e nel 1981 furono pubblicati i risultati dei test di un regolatore adattivo. Anche la Cina iniziò lo sviluppo di regolatori a microcomputer all'inizio degli anni '80. Alla fine del 1981, l'Università di Scienza e Tecnologia di Huazhong iniziò a ricercare il "Regolatore a microprocessore PID a parametri variabili adattivi per generatori di turbine idrauliche", che presentava parametri PID che cambiavano automaticamente con le condizioni operative dell'unità (prevalenza e apertura) ed era un regolatore adattivo ai guasti.

La pratica ha dimostrato che i regolatori a microcomputer hanno molti vantaggi rispetto ai regolatori elettro-idraulici analogici:

• Il software dei regolatori a microcomputer è configurato in modo flessibile, consentendo di impostare modalità e strategie di controllo in base alle caratteristiche del sistema di regolazione della turbina e ai requisiti specifici di ogni centrale elettrica, consentendo all'unità di operare in modo efficiente, con alta qualità ed economicamente. Pertanto, i regolatori a microcomputer hanno dimostrato una forte vitalità sin dalla loro comparsa.
• L'applicazione della tecnologia di diagnostica a microcomputer e della tecnologia fault-tolerant aiuta a migliorare l'affidabilità dei regolatori. Le funzioni di comunicazione, interfaccia e forte espansione dei microcomputer consentono ai regolatori a microcomputer di adattarsi bene ai requisiti dei sistemi di monitoraggio computerizzati nelle centrali elettriche.

Nel 1969, l'azienda americana Digital Equipment Corporation (DEC) sviluppò con successo il "Programmable Logic Controller (PLC)". Successivamente, anche il Giappone e i paesi europei svilupparono con successo e iniziarono a produrre controllori programmabili. Il PLC è diventato il prodotto preferito per molte apparecchiature e sistemi di controllo automatico industriale grazie alla sua affidabilità, tra cui una serie di misure anti-interferenza nell'hardware come l'isolamento fotoelettrico, la schermatura elettromagnetica e il filtraggio analogico/digitale, nonché software di sistema con funzioni come un watchdog timer (WDT) e l'autocontrollo dell'hardware e del software.

I regolatori di turbine sono importanti apparecchiature di base per l'automazione integrata delle centrali idroelettriche. Il loro livello tecnico e l'affidabilità influenzano direttamente la generazione di energia sicura e la qualità dell'energia delle centrali idroelettriche, influenzando così la qualità dell'energia di tutti i settori dell'economia nazionale.

Evoluzione delle Leggi di Controllo e della Struttura del Sistema del Regolatore

Lo sviluppo delle leggi di controllo nei regolatori è stato rapido:

• I primi regolatori (di tipo meccanico) erano collegamenti proporzionali, che formavano leggi di controllo proporzionali, indicate con il simbolo P.
• Successivamente, la maggior parte dei regolatori sono stati progettati con leggi di controllo proporzionale-integrale, ovvero regolatori di tipo PI, dove I rappresenta l'azione integrale.
• Alla fine degli anni '50 e all'inizio degli anni '60, con l'adozione della regolazione dell'accelerazione, emersero regolatori con leggi di controllo P-I-D, dove D rappresenta il controllo derivativo. Ad esempio, il regolatore elettro-idraulico FRVV-10S prodotto dalla svedese ASEA e il regolatore elettro-idraulico RAPID della francese NEYRPIC presentano entrambi leggi di controllo P-I-D.
• A metà degli anni '70, i regolatori PID furono applicati direttamente ai regolatori di turbine, dando origine ai tipi PID, ovvero regolatori con collegamenti proporzionali (P), integrali (I) e derivativi (D) in parallelo. L'azione integrale qui è generata da collegamenti elettrici, che differisce chiaramente dai regolatori P-I-D in cui l'azione integrale era generata da servocomandi a pressione dell'olio. Questo regolatore di tipo PID ha buone caratteristiche statiche e dinamiche ed è uno dei regolatori più avanzati.
  (Nota: P-I-D rappresenta i regolatori elettrici con leggi di controllo P, I, D, inclusi i regolatori di tipo accelerazione P-I-D; PID indica i regolatori elettrici con collegamenti P, I, D in parallelo, che incarnano le leggi di controllo P, I, D.)

Prima degli anni '60, la maggior parte dei regolatori utilizzava leggi di controllo PI. Dopo gli anni '70, i regolatori elettro-idraulici prodotti in tutto il mondo hanno ampiamente adottato leggi di controllo PID, poiché l'introduzione del software di regolazione della derivata della velocità ha migliorato significativamente la qualità della regolazione del controllo della frequenza.

Ricerca e Applicazione di Leggi di Controllo Avanzate

Negli ultimi anni, con lo sviluppo della tecnologia dei microcomputer e della teoria del controllo, la ricerca sull'applicazione di leggi di controllo avanzate ai regolatori di turbine è stata completamente avviata, tra cui: controllo ottimale, controllo a retroazione di stato, controllo adattivo, controllo predittivo, controllo fuzzy, controllo adattivo a parametri variabili, controllo a struttura variabile, strategie di controllo a struttura variabile a modalità scorrevoli e controllo del segnale di compensazione della pressione dell'acqua.

• L'emergere dei Programmable Logic Controller (PLC) ha iniettato nuova vitalità nel controllo del regolatore della turbina, integrando più funzioni di controllo, migliorando notevolmente le prestazioni di controllo e semplificando la struttura delle unità di controllo elettrico. La pratica nella successiva ricerca e sviluppo e produzione ha dimostrato che l'utilizzo del PLC come nucleo di controllo dei regolatori di turbine è gradualmente diventato il mainstream, formando la base per lo sviluppo di vari tipi di regolatori da parte di diversi produttori.
• Lo sviluppo e la messa in servizio di regolatori di tipo a valvola digitale hanno segnato l'inizio delle riforme nella parte meccanica dei regolatori. Il collegamento di conversione elettro-idraulica (si è liberato) dalla dipendenza dalla valvola di distribuzione principale, caratterizzato da bassi costi, prestazioni stabili e bassi requisiti per la qualità dell'olio, che ha notevolmente aiutato il rapido sviluppo delle piccole centrali idroelettriche in seguito.
• Le unità turbina a impulso presentano corse del servomotore brevi e più oggetti di controllo. Lo sviluppo e la messa in servizio di questo regolatore hanno accumulato esperienza per la successiva ricerca sui regolatori a impulso speciali.
• L'ulteriore sviluppo dei collegamenti di conversione elettro-idraulica ha raggiunto la coesistenza di doppie modalità di conversione, (reciprocamente di backup), non interferenti, consentendo a un collegamento di funzionare mentre l'altro è in manutenzione. Con esperienze operative di successo in più centrali elettriche, è diventato il prodotto preferito per le grandi centrali idroelettriche.

Indicatori di Prestazione

• Intervallo di regolazione del tempo di chiusura completa del servomotore della paletta direttrici: 3–100 S

• Intervallo di regolazione del tempo di apertura completa del servomotore della paletta direttrici: 3–100 S

• Intervallo di regolazione del tempo di chiusura completa del servomotore della paletta del rotore: 10–120 S

• Intervallo di regolazione del tempo di apertura completa del servomotore della paletta del rotore: 10–120 S

• Intervallo di regolazione della frequenza: 45–55 Hz

• Intervallo di regolazione del calo di velocità permanente: 0–10%

• Intervallo di regolazione del guadagno proporzionale: 0,5–20

• Intervallo di regolazione del guadagno integrale: 0,05–10 1/s

• Intervallo di regolazione del guadagno derivativo: 0,0–10 s

• Intervallo di regolazione della zona morta artificiale: 0–±1,5%

• Zona morta di velocità misurata al servomotore principale: ≤0,02%

• Dopo che la turbina rifiuta il 25% del carico, il tempo di non funzionamento del servomotore: ≤0,2 s

• Non linearità della curva caratteristica statica: ≤0,5%

• Durante il funzionamento automatico a vuoto di 3 minuti, la fluttuazione di velocità relativa dell'unità: ≤±0,15%.

• Dopo aver rifiutato il 100% del carico nominale, il numero di fluttuazioni di velocità superiori al 3%: ≤2 volte; il valore relativo della fluttuazione di velocità continua dell'unità causata dal regolatore: ≤±0,15%.

• Dal momento in cui l'unità rifiuta il carico fino a quando la deviazione di velocità relativa è inferiore a ±1%, il rapporto tra il tempo di regolazione e il tempo dal rifiuto del carico alla velocità più alta dovrebbe essere ≤15 per le turbine a reazione a media/bassa prevalenza e le turbine a impulso; per le unità che forniscono energia alla centrale dopo la disconnessione dalla rete, la velocità relativa minima dell'unità dopo il rifiuto del carico dovrebbe essere ≥0,9.

2.4.4 Affidabilità del Sistema del Regolatore

• Disponibilità in modalità automatica: >99,99%

• Disponibilità in modalità automatica + manuale: 100%

• Tempo medio tra i primi guasti (dall'accettazione in loco): ≥35.000 ore

• Intervallo di revisione: 10 anni

• Durata di servizio prima della dismissione: >20 anni