Chương 3: ĐỐI TƯỢNG TUA BIN HƠI
3.4. Các kiểu điều tốc tua bin hơi đã đƣợc ứng dụng
Trong phần này, ta tìm hiểu các bộ điều tốc đã đƣợc sử dụng cho các tua bin hơi, qua đó qua đó có các đặc tính cần thiết ứng dụng cho hệ thống điều khiển tốc độ sử dụng bộ điều khiển MPC.
Khi tua bin quay, nó kéo máy phát điện quay theo và sinh công suất điện. Khi công suất điện yêu cầu thay đổi sẽ làm thay đổi mô men hãm rotor của máy phát, gây ra mất cân bằng giữa mô men cung (mô men trên trục tua bin) với mô men cầu (mô men hãm của máy phát). Kết quả gây ra thay đổi tốc độ vòng quay tua bin dẫn đến thay đổi tần số dòng điện máy phát. Khi hệ thống mất cân bằng, giả sử do nhu cầu tăng công suất điện, khi đó nếu mô men của tua bin chƣa kịp thay đổi tốc độ quay ω giảm dần. Muốn tốc độ quay tua bin không thay đổi, tương ứng với tần số dòng điện
máy phát không đổi (w= 2.π.f), bộ điều tốc tua bin phải làm nhiệm vụ xác lập lại cân bằng cho hệ thống ổn định ở chế độ công suất mới. Bộ điều tốc phải điều chỉnh để tăng công suất do dòng hơi sinh ra làm công suất trên trục tua bin tăng, lập lại cân bằng cho tổ máy ở chế độ công suất mới với số vòng quay không đổi.
3.4.1. Điều tốc Cơ thủy lực
Khi nhu cầu phụ tải điện giảm, mô men yêu cầu của máy phát và do đó công suất đầu trục tua bin sinh ra cũng cần giảm. Tuy nhiên, ngay tức khắc chƣa thể giảm do lưu lượng hơi vào tua bin vẫn chưa thay đổi. Khi đó tốc độ quay của tua bin tăng lên do mô men sinh ra lớn hơn mô men cần cung cấp. Bộ cảm nhận tốc độ bằng quả văng nhận đƣợc tín hiệu này sẽ nâng cao độ văng, dầu có áp lực sẽ đẩy píttông trong sécvô đi xuống đóng bớt van hơi làm giảm lưu lượng hơi vào tua bin. Kết quả cuối cùng sẽ dẫn đến cân bằng ở một giá trị tốc độ quay không đổi ứng với một giá trị xác lập về lưu lượng hơi vào tua bin đủ cân bằng mô men sinh ra của nó so với mô men cần cung cấp cho máy phát điện. Do đó, tốc độ quay của tua bin đƣợc điều khiển ổn định.
Nguyên lý trên đúng cho đa số tua bin hơi hiện nay trên thị trường chỉ có khác nhau về cơ cấp cảm nhận tốc độ và cấu trúc lập trình tự động trong phần van điều khiển.
3.4.2. Bộ điều tốc điện thủy lực
Hệ thống điều chỉnh tua bin nhà máy nhiệt điện hiện nay thường là hệ điều chỉnh EH (điện - thuỷ lực, điện tử - thuỷ lực). Hệ thống điều chỉnh các cơ cấu chấp hành của các van Stop và van điều chỉnh bằng xung dầu thông qua tín hiệu điện từ DEH (Digital Electrical Hydraulical) gửi tới. Trong hệ thống này, việc cảm nhận tốc độ quay tua bin đƣợc thực hiện bằng các đầu đo tốc độ dạng quang --> điện tử. Dầu áp lực cao cung cấp cho hệ thông điều chỉnh và bảo vệ tua bin đƣợc lấy từ đầu ra của bơm dầu chính (trong chế độ vận hành bình thường) và từ đầu đẩy bơm dầu khởi động cao áp (trong chế độ khởi động và dừng). Xung dầu dùng để điều chỉnh cơ cấu chấp hành của van điều chỉnh đƣợc lấy từ bộ biến đổi điện - thuỷ lực (EH). Bộ biến đổi EH nhận tín hiệu điều khiển điện từ DEH (Digital Electrical Hydraulical) để thực hiện điều chỉnh xung dầu tác động vào ngăn dưới cùng của van phân phối của cơ cấu chấp hành van điều chỉnh. Từ đó điều chỉnh độ mở cửa dầu vào hoặc ra secvormotor của cơ cấu chấp hành của van điều chỉnh.
Hình 3.11: Sơ đồ cấu trúc điều khiển của điều tốc điện thủy lực
Trên đây, ta có đề cập đến nguyên lý của hai loại điều tốc điển hình đƣợc sử dụng để điều khiển tua bin hơi, phân chia rõ ràng hơn theo quan điểm về điện tử và kỹ thuật số ta có các loại sau:
• Điều tốc cơ thủy lực - Mechanical Hydraulic Control (MHC).
• Điều tốc điện thủy lực - Electro‐ Hydraulic Control (EHC).
• Điều tốc điện tử Analog, điện thủy lực.
• Điều tốc kỹ thuật số, điện thủy lực - Digital Electro‐ Hydraulic Control (DEHC).
• Điều tốc dựa trên công nghệ vi xử lý - Microprocessor based
Nhìn chung các bộ điều tốc dựa trên công nghệ điện tử đều thực hiện điều khiển tua bin hơi theo sơ đồ nguyên lý của điều tốc nhƣ hình 3.12, trong đó các yêu cầu cơ bản mà điều tốc phải đạt đƣợc:
• Quyết định độ mở van (hoặc dòng công suất) thay đổi nhƣ thế nào khi tốc độ máy phát hoặc công suất khi nối lưới thay đổi.
• Mục tiêu: Giảm thiểu những bất ổn trong hệ thống, cụ thể hơn ta có thể trích dẫn các điều kiện cần thiết để hệ thống làm việc ổn định theo tiêu chuẩn NEMA class A về điều tốc của Mỹ
+ Độ quá điều chỉnh của điều tốc không đƣợc vƣợt quá 10%.
+ Khi tốc độ vƣợt quá 115% tốc độ định mức, hệ thống sẽ dừng khẩn cấp.
…
• Thực hiện chuyển đổi cấu trúc và tác động điều khiển giữa hai chế độ: điều khiển tần số (Speed Controller) và điều khiển công suất (Load Controller). Trong hình
3.11 thể hiện rất rõ việc chuyển đổi cấu trúc điều khiển, phụ thuộc vào chế độ làm việc của tổ máy, nối lưới hay vận hành độc lập.
• Đảm bảo đặc tính độ dốc (Droop characteristic): Ví dụ là 4% hoặc 5%, điều này rất quan trọng với tham số của điều tốc. Với trường hợp đặc tính độ dốc là 4%, có nghĩa là khi tần số thay đổi 4% (2Hz) là do phụ tải thay đổi 100%. Với trường hợp này, hệ số khuếch đại =25. Trong hình 3.11, với bộ điều khiển tốc độ sử dụng luật điều khiển PD, ta thấy rõ vai trò của đặc tính độ dốc trong thành phần Ks. Hình 3.13 thể hiện đặc tính độ dốc của điều tốc.
Đặc tính độ dốc cần thiết cho:
+ Việc phân chia tải trong hệ thống.
+ Đảm bảo ổn định của mạch vòng kín: Với giá trị của đặc tính độ dốc nhỏ hơn sẽ làm tăng khếch đại và làm hệ thống mất ổn định.
Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý điều tốc điện tử