O Papel e o Status do Governador de Turbina Hidráulica em Usinas Hidrelétricas
Quando a eletricidade está em operação, é necessário manter constantemente o equilíbrio entre o fornecimento de energia e a carga. Além disso, garantir a boa qualidade da energia elétrica é uma tarefa importante no processo de produção de energia. Os principais indicadores para medir a qualidade da energia elétrica são geralmente a tensão e a frequência, seguidos pela forma de onda. Desvios na frequência afetarão seriamente a operação normal dos usuários de energia. Para motores elétricos, uma diminuição na frequência fará com que a velocidade do motor caia, reduzindo assim a produtividade e afetando a vida útil do motor; por outro lado, um aumento na frequência fará com que a velocidade do motor aumente, aumentando o consumo de energia e reduzindo a economia. Especialmente em certos setores industriais com requisitos de velocidade rigorosos (como têxteis, fabricação de papel, etc.), os desvios de frequência afetarão muito a qualidade do produto e até mesmo levarão a produtos defeituosos. Além disso, os desvios de frequência terão impactos mais sérios na própria usina. Por exemplo, em usinas termelétricas, para máquinas centrífugas, como bombas de alimentação de caldeiras e ventiladores, sua saída cairá drasticamente quando a frequência diminuir, forçando a saída da caldeira a ser significativamente reduzida ou até mesmo acionando um desligamento de emergência da caldeira. Isso inevitavelmente reduzirá ainda mais a produção de energia do sistema, levando a um declínio adicional na frequência do sistema. Além disso, quando operando em uma frequência reduzida, as pás da turbina desenvolverão rachaduras devido ao aumento da vibração, encurtando assim a vida útil da turbina. Portanto, se a tendência de uma queda acentuada na frequência do sistema não puder ser interrompida em tempo hábil, isso inevitavelmente causará um ciclo vicioso e até mesmo levará ao colapso de todo o sistema de energia.
De acordo com os regulamentos do setor de energia da China, a frequência nominal da rede elétrica é de 50Hz, e o desvio de frequência permitido para grandes redes elétricas é de ±0,2Hz. Para redes elétricas de pequeno e médio porte, as flutuações de carga do sistema podem, às vezes, atingir 5% a 10% de sua capacidade total; mesmo para grandes sistemas de energia, as flutuações de carga geralmente atingem 2% a 3%. A mudança contínua da carga do sistema de energia leva a flutuações na frequência do sistema. Portanto, a tarefa básica da regulação da turbina é ajustar continuamente a potência de saída do grupo gerador-turbina e manter a velocidade de rotação (frequência) da unidade dentro da faixa nominal especificada.
Em resumo, o governador de turbina hidráulica é um dispositivo auxiliar importante para o grupo gerador-turbina em usinas hidrelétricas. Ele coordena com o circuito secundário da estação e o sistema de monitoramento por computador para concluir tarefas como ligar e desligar o grupo gerador-turbina, aumentar ou diminuir as cargas e desligamento de emergência. O governador da turbina também pode trabalhar com outros dispositivos para concluir tarefas como controle automático de geração, controle de grupo e regulação de acordo com os níveis de água. Além disso, quando ocorre uma falha na rede elétrica, ele coopera com o desarme do disjuntor para concluir de forma rápida e estável o processo de rejeição de carga, protegendo a unidade da turbina e permitindo que ela restaure a velocidade nominal o mais rápido possível.
Em conclusão, as tarefas básicas do governador da turbina são resumidas da seguinte forma:
◆ Operação normal da unidade
◆ Garantir a operação segura da unidade
◆ Distribuição razoável de cargas entre unidades paralelas
Tipos de Governadores de Turbina Hidráulica
Classificados pelo número de objetos controlados, eles podem ser divididos em governadores de ajuste único e governadores de ajuste duplo.
• Geralmente, os governadores de ajuste único são usados para várias unidades de lâminas fixas de turbinas de reação (como a turbina Francis). O objeto controlado é apenas as palhetas direcionadoras, e o fluxo de água através das pás da turbina é controlado ajustando a abertura das palhetas direcionadoras.
• Os governadores de ajuste duplo são usados para várias unidades de lâminas variáveis do tipo reação (como a turbina Kaplan). Os objetos controlados são as palhetas direcionadoras e as pás do rotor. A saída do fluxo de água para a turbina é controlada ajustando a abertura das palhetas direcionadoras e o ângulo das pás do rotor. Em geral, as unidades de lâminas variáveis têm controle coordenado entre as palhetas direcionadoras e as pás do rotor.
Além disso, as turbinas de impulso têm mais objetos controlados, que são classificados como outro tipo de governadores de "múltiplos bicos e múltiplos defletores" ou "múltiplos bicos e um defletor", projetados especificamente para turbinas de impulso. Os objetos de controle do governador variam de acordo com o número de agulhas de bico e defletores da turbina de impulso.
2. Os governadores de turbina hidráulica são geralmente produtos eletromecânicos como um todo, e suas partes de execução mecânica adotam controle hidráulico. Classificados por métodos de conversão eletro-hidráulica, eles podem ser divididos em governadores digitais, de passo e proporcionais-digitais. Geralmente, os tipos digitais e proporcionais são combinados.
• Os governadores digitais usam válvulas solenoides para controlar o liga/desliga da válvula com pulsos digitais, alcançando o efeito de controlar o liga/desliga do servomotor.
• Os governadores de passo usam corrente para acionar o motor de passo para girar para frente ou para trás, gerando deslocamento vertical, e coordenam com a válvula piloto e a válvula de distribuição principal para controlar o liga/desliga do servomotor.
• As válvulas servo proporcionais completam a conversão eletro-hidráulica por meio de controladores proporcionais e válvulas de distribuição principais.
3. Classificados pela pressão do óleo utilizada, eles são divididos em governadores de pressão de óleo convencional e alta pressão de óleo.
• Pressões de óleo convencionais: 2,5MPa, 4,0MPa, 6,3MPa
• Alta pressão de óleo: geralmente 16MPa
A capacidade do tanque de óleo sob pressão é determinada pelo tamanho da cavidade de óleo do servomotor.
Classificados pela capacidade da unidade controlada, eles são divididos em governadores grandes, médios e pequenos.
Os governadores de turbina hidráulica têm uma longa história de aplicação em usinas hidrelétricas. Já no final do século 19, em 1891, a empresa alemã Voith fabricou o primeiro governador puramente mecânico, ou seja, o governador mecânico do tipo pêndulo centrífugo, no qual a abertura e o fechamento da turbina eram acionados diretamente por uma correia. Com a melhoria dos requisitos para o sistema de governador, especialmente para sensibilidade, uma grande força de regulação é necessária para abrir e fechar em um curto espaço de tempo, tornando a pressão hidráulica necessária. Isso levou ao desenvolvimento de governadores mecânicos com amplificação de pressão de água e amplificação de pressão de óleo. Do final da década de 1950 à década de 1960, os governadores mecânico-hidráulicos atingiram seu auge. A Suécia produziu governadores eletro-hidráulicos em 1944.
A China começou a desenvolver governadores eletro-hidráulicos já na década de 1950, e em 1961, o primeiro governador elétrico fabricado na China foi colocado em operação na Usina de Energia de Liuxihe. As décadas de 1960 a 1970 foram um período de desenvolvimento em larga escala para governadores eletro-hidráulicos.
O desenvolvimento de governadores elétricos passou aproximadamente por vários estágios:
- O estágio da válvula termiônica, onde as válvulas termiônicas eram usadas como amplificadores elétricos, e os circuitos de medição de frequência elétrica substituíram os pêndulos centrífugos mecânicos.
- Mais tarde, os transistores substituíram as válvulas termiônicas, dando origem aos governadores eletro-hidráulicos do tipo transistor.
- Na década de 1970, a tecnologia de circuitos integrados em larga escala se desenvolveu rapidamente, e os amplificadores operacionais de circuitos integrados foram aplicados aos governadores de turbinas. Assim, os governadores eletro-hidráulicos evoluíram gradualmente de componentes discretos para estruturas de circuitos integrados.
Com o desenvolvimento da ciência e da tecnologia, depois que os microprocessadores entraram no mercado em meados da década de 1970, muitos países começaram sucessivamente a desenvolver governadores de microcomputador no final da década de 1970 e início da década de 1980. O primeiro governador digital do mundo foi desenvolvido pelo Canadá no início da década de 1970. Em 1976, o Canadá desenvolveu um governador digital em tempo real, e em 1981, os resultados dos testes de um governador adaptativo foram publicados. A China também iniciou o desenvolvimento de governadores de microcomputador no início da década de 1980. No final de 1981, a Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong começou a pesquisar o "Governador de Processador de Microcomputador PID de Parâmetro Variável Adaptativo para Geradores de Turbina Hidráulica", que apresentava parâmetros PID que mudavam automaticamente com as condições de operação da unidade (carga hidráulica e abertura) e era um governador adaptativo a falhas.
A prática comprovou que os governadores de microcomputador têm muitas vantagens sobre os governadores eletro-hidráulicos analógicos:
- O software dos governadores de microcomputador é configurado de forma flexível, permitindo que os modos e estratégias de controle sejam definidos de acordo com as características do sistema de regulação da turbina e os requisitos específicos de cada usina, permitindo que a unidade opere com eficiência, alta qualidade e economicamente. Portanto, os governadores de microcomputador mostraram forte vitalidade desde seu surgimento.
- A aplicação da tecnologia de diagnóstico por microcomputador e da tecnologia tolerante a falhas ajuda a melhorar a confiabilidade dos governadores. As funções de comunicação, interface e expansão forte dos microcomputadores permitem que os governadores de microcomputador se adaptem bem aos requisitos dos sistemas de monitoramento por computador em usinas.
Em 1969, a empresa americana Digital Equipment Corporation (DEC) desenvolveu com sucesso o "Controlador Lógico Programável (PLC)". Posteriormente, o Japão e os países europeus também desenvolveram e começaram a produzir controladores programáveis com sucesso. O PLC se tornou o produto preferido para muitos equipamentos e sistemas de controle automático industrial devido à sua confiabilidade, incluindo uma série de medidas anti-interferência em hardware, como isolamento fotoelétrico, blindagem eletromagnética e filtragem analógica/digital, bem como software de sistema com funções como um temporizador watchdog (WDT) e autoverificação de hardware e software.
Os governadores de turbina são equipamentos básicos importantes para a automação integrada de usinas hidrelétricas. Seu nível técnico e confiabilidade afetam diretamente a geração segura de energia e a qualidade da energia das usinas hidrelétricas, influenciando assim a qualidade da energia de todos os setores da economia nacional.
Evolução das Leis de Controle e Estrutura do Sistema do Governador
O desenvolvimento das leis de controle nos governadores tem sido rápido:
- Os primeiros governadores (tipos mecânicos) eram links proporcionais, formando leis de controle proporcional, denotadas pelo símbolo P.
- Mais tarde, a maioria dos governadores foi projetada com leis de controle proporcional-integral, ou seja, governadores do tipo PI, onde I representa a ação integral.
- No final da década de 1950 e início da década de 1960, com a adoção da regulação de aceleração, surgiram governadores com leis de controle P-I-D, onde D representa o controle derivativo. Por exemplo, o governador eletro-hidráulico FRVV-10S produzido pela ASEA da Suécia e o governador eletro-hidráulico RAPID da NEYRPIC da França apresentam leis de controle P-I-D.
- Em meados da década de 1970, os reguladores PID foram aplicados diretamente aos governadores de turbinas, dando origem aos tipos PID, ou seja, governadores com links proporcionais (P), integrais (I) e derivativos (D) em paralelo. A ação integral aqui é gerada por links elétricos, o que difere claramente dos governadores P-I-D, onde a ação integral foi gerada por servos de pressão de óleo. Este governador do tipo PID tem boas características estáticas e dinâmicas e é um dos governadores mais avançados.
(Observação: P-I-D representa governadores elétricos com leis de controle P, I, D, incluindo governadores do tipo aceleração P-I-D; PID denota governadores elétricos com links P, I, D em paralelo, incorporando leis de controle P, I, D.)
Antes da década de 1960, a maioria dos governadores usava leis de controle PI. Após a década de 1970, os governadores eletro-hidráulicos produzidos em todo o mundo adotaram amplamente as leis de controle PID, pois a introdução da regulação da derivada da velocidade do software melhorou significativamente a qualidade da regulação do controle de frequência.
Pesquisa e Aplicação de Leis de Controle Avançadas
Nos últimos anos, com o desenvolvimento da tecnologia de microcomputadores e da teoria de controle, a pesquisa sobre a aplicação de leis de controle avançadas aos governadores de turbinas foi totalmente lançada, incluindo: controle ótimo, controle de feedback de estado, controle adaptativo, controle preditivo, controle fuzzy, controle de parâmetro variável adaptativo, controle de estrutura variável, estratégias de controle de estrutura variável de modo deslizante e controle de sinal de compensação de pressão de água.
- O surgimento dos Controladores Lógicos Programáveis (PLC) injetou nova vitalidade no controle do governador da turbina, integrando múltiplas funções de controle, aprimorando muito o desempenho do controle e simplificando a estrutura das unidades de controle elétrico. A prática em P&D e produção subsequentes provou que o uso do PLC como o núcleo de controle dos governadores de turbina se tornou gradualmente a corrente principal, formando a base para o desenvolvimento de vários tipos de governadores por diferentes fabricantes.
- O desenvolvimento e comissionamento de governadores do tipo válvula digital marcaram o início das reformas na parte mecânica dos governadores. O link de conversão eletro-hidráulica (livrou-se da) dependência da válvula de distribuição principal, apresentando baixo custo, desempenho estável e baixos requisitos para a qualidade do óleo, o que auxiliou muito o rápido desenvolvimento de pequenas usinas hidrelétricas a partir daí.
- As unidades de turbina de impulso apresentam cursos de servomotor curtos e múltiplos objetos de controle. O desenvolvimento e comissionamento deste governador acumulou experiência para pesquisas subsequentes sobre governadores de impulso especiais.
- O desenvolvimento posterior de links de conversão eletro-hidráulica alcançou a coexistência de modos de conversão dupla, (backup mútuo), não interferentes, permitindo que um link funcione enquanto o outro está em manutenção. Com experiências operacionais bem-sucedidas em várias usinas, tornou-se o produto preferido para grandes usinas hidrelétricas.
Indicadores de Desempenho
• Faixa de ajuste do tempo de fechamento total do servomotor da palheta direcionadora: 3–100 S
• Faixa de ajuste do tempo de abertura total do servomotor da palheta direcionadora: 3–100 S
• Faixa de ajuste do tempo de fechamento total do servomotor da pá do rotor: 10–120 S
• Faixa de ajuste do tempo de abertura total do servomotor da pá do rotor: 10–120 S
• Faixa de ajuste de frequência: 45–55 Hz
• Faixa de ajuste da queda de velocidade permanente: 0–10%
• Faixa de ajuste do ganho proporcional: 0,5–20
• Faixa de ajuste do ganho integral: 0,05–10 1/s
• Faixa de ajuste do ganho derivativo: 0,0–10 s
• Faixa de ajuste da zona morta artificial: 0–±1,5%
• Zona morta de velocidade medida para o servomotor principal: ≤0,02%
• Após a turbina rejeitar 25% da carga, o tempo de não operação do servomotor: ≤0,2 s
• Não linearidade da curva característica estática: ≤0,5%
• Durante a operação automática sem carga de 3 minutos, a flutuação de velocidade relativa da unidade: ≤±0,15%.
• Após rejeitar 100% da carga nominal, o número de flutuações de velocidade excedendo 3%: ≤2 vezes; o valor relativo da flutuação de velocidade contínua da unidade causada pelo governador: ≤±0,15%.
• A partir do momento em que a unidade rejeita a carga até que o desvio de velocidade relativa seja menor que ±1%, a razão do tempo de regulação para o tempo da rejeição da carga para a velocidade mais alta deve ser ≤15 para turbinas de reação de média/baixa queda e turbinas de impulso; para unidades que fornecem energia para a usina após a desconexão da rede, a velocidade relativa mínima da unidade após a rejeição da carga deve ser ≥0,9.
2.4.4 Confiabilidade do Sistema do Governador
• Disponibilidade no modo automático: >99,99%
• Disponibilidade no modo automático + manual: 100%
• Tempo Médio Entre as Primeiras Falhas (da aceitação no local): ≥35.000 horas
• Intervalo de revisão: 10 anos
• Vida útil antes da desativação: >20 anos
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