РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ АКТИВНОЙ МОЩНОСТЬЮ ГИДРОАГРЕГАТОВ ВОЛЖСКОЙ ГЭС
Описание проблемы. Система автоматического управления активной мощностью (САУ) гидроагрегата (ГА) осуществляет разворот лопастей рабочего колеса (РК) турбины по алгоритму, заданному комбинаторной зависимостью (КЗ). Оптимальная КЗ должна обеспечивать максимальный к.п.д. турбины в режимах работы с любой активной мощностью ГА. Для этого, в соответствии с теорией поворотно-лопастных турбин (ПЛТ), нужно изменением разворота лопастей РК создавать направление потока воды «нормальный выход из РК» (параллельно продольной оси турбины) при любой величине открытия направляющего аппарата (НА). Тогда турбулентный поток воды, проскальзывая вдоль стенок отводящей трубы, будет создавать в любом режиме работы минимальные гидравлические потери и минимальную вибрацию отводящей трубы и других деталей ГА. Величину открытия НА следует определять минимизацией невязки между заданной и реально созданной активной мощностью ГА.
Однако комбинаторную зависимость до настоящего времени определяют расчетно-графическим методом, который был разработан для САУ с кулачковым механизмом разворота лопастей РК.
Он основан на выявлении режимов с максимальными значениями к.п.д. турбины среди режимов, формируемых при выполнении натурных энергетических испытаний ГА изменением величины открытия НА при фиксированных значениях угла разворота лопастей РК.
Но при изменении величины открытия НА (при фиксированном угле разворота лопастей) абсолютная скорость потока воды на выходе из РК, изменяясь и по величине, и направлению (из-за вращения РК), будет отклоняться от направления«нормальный выход из РК». Турбулентный поток воды, ударяясь о стенки отводящей трубы под углом, увеличивающимся при увеличении открытия НА, создает вибрацию отводящей трубы и других деталей ГА. Отраженная от стенки струя воды, перемещаясь с завихрениями, уменьшает реальное проходное сечение отводящей трубы и создает гидравлические потери мощности. Поэтому при увеличении открытия НА мощность и к.п.д. турбины будут вначале увеличиваться до своих максимальных значений, а затем начнут уменьшаться из-за опережающего роста гидравлических потерь. А вибрация отводящей трубы будет только увеличиваться. Значения угла разворота лопастей и величины открытия НА, обеспечившие в этих экспериментах максимальные значения нормированного (индексного) к.п.д., считают точками КЗ. Но гидравлические потери в турбине с САУ, реализующей эту КЗ, могут оказаться значительно больше гидравлических потерь в этой же турбине при тех же величинах открытия НА в режимах с направлением потока воды «нормальный выход из РК» (созданных изменением угла разворота лопастей РК, как требует теория ПЛТ).
Следовательно, штатная САУ даже теоретически не может обеспечить максимальный к.п.д. турбины во всех режимах работы ГА, но может создавать большие гидравлические потери мощности и повышенную вибрацию.
Предлагаемая адаптивная САУ создает любые заданные значения активной мощности ГА с минимальными гидравлическими потерями в турбине. Требуемые величины открытия НА и оптимальную КЗ (задание регуляторам открытия НА и разворота лопастей) она формирует по алгоритму, который получают в результате решения этой задачи оптимального управления с использованием обучаемой модели ПЛТ. На этот способ адаптивного управления активной мощностью ГА получен патент РФ на изобретение.
Цель исследования: количественная оценка технических характеристик штатной и адаптивной САУ активной мощности ГА.
Показатели эффективности и исходные данные. Показатели эффективности штатной САУ (индикаторный к.п.д. и расход воды через турбину) прямым измерениям не доступны. Поэтому эффективность сравниваемых систем управления оценивалась по величинам активной мощности и вибрации, полученным в процессе выполнения натурных энергетических испытаний ГА № 9. Испытания выполнены 11.06.2010г. при среднем напоре 22,8 м. Результаты измерений выходных сигналов штатных датчиков САУ и системы мониторинга вибраций ГА были записаны в архив ПТК «Овация» (более 10 000 точек для каждой переменной).
Основные результаты исследования:
1. При выполнении энергетических испытаний в диапазоне величин открытия НА 45¸85% ручным управлением были получены режимы с комбинаторной зависимостью, отличающейся на 4¸6 градусов по углу разворота лопастей от штатной КЗ при одинаковых величинах открытия НА. Штатные датчики САУ и системы мониторинга вибраций ГА № 9 зафиксировали в этих режимах увеличение активной мощности на 8¸14 МВт (по сравнению со штатной САУ) при одновременном уменьшении:
- вертикальной вибрации крышки турбины на 18¸30%;
- биения вала в окрестности генераторного подшипника на 8¸15%;
- вертикальной вибрации диска подпятника на 7¸12%.
Экспериментальные исследования подтверждают теоретический вывод: штатная САУ действительно создает большие гидравлические потери мощности и повышенную вибрацию.
2. Оптимальная КЗ, полученная с помощью алгоритма адаптивного управления по результатам этих же энергетических испытаний, отличается от штатной комбинаторной зависимости ГА № 9 на 9¸11 градусов по углу разворота лопастей РК. Она обеспечивает уменьшение гидравлических потерь на 12¸18 МВт и одновременно уменьшает:
- вертикальную вибрацию крышки турбины на 40¸50%;
- биение вала в окрестности генераторного подшипника на 20¸25%;
- вертикальную вибрацию диска подпятника на 15¸20%.
3. Адаптивная САУ уменьшает вибрацию и, поэтому, повышает надежность работы ГА. Это особенно важно для гидроагрегатов, работающих при групповом управлении (ГРАМ), так как практически все время они будут находиться в переходных режимах, в которых вибрация существенно увеличивается по сравнению со стационарными режимами.
4. Оптимальную КЗ адаптивная САУ формирует автоматически в процессе управления. Но КЗ каждой турбины можно определять с помощью алгоритма адаптивного управления и по результатам натурных энергетических испытаний, выполненных ручным управлением разворотом лопастей при фиксированных величинах открытия НА и разных напорах.
Аналогичные результаты получены и при анализе натурных энергетических испытаний гидроагрегатов № 11, № 16, № 18 и № 22 Волжской ГЭС.
Подготовлен технический отчет, содержащий подробное описание выполненных исследований с теоретическим и экспериментальным обоснованием полученных результатов, который можем передать по запросу ОАО «РусГидро».
Зав. кафедрой автоматики, электроники
и вычислительной техники ВПИ (филиал) ВолгГТУ,
д-р. техн. наук Гольцов А.С.
E-mail: GoltsovAS@mail.ru; Телефон: +7 906 168 36 51.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.