ANALIZA RADA UPRAVLJANIH VENTILA NA PARNIM TURBINAMA ANALYSIS OF CONTROLLED VALVE OF STEAM TURBINE mr Branimir Kiković dipl.ing Institut Mihajlo Pupin, Beograd, Volgina 5 branimir.kikovic@pupin.rs Rezime: Parne turbine se najviše koriste u sprezi sa generatorim za dobijanje električne energije. Stabilnost ovih sistema je i dalje glavni zadatak zato što svaki poremećaj može uticati na sinhronizaciju rada turbina - generator ili dovesti do oštećenja mehaničkih delova. Brzo zatvaranje pa zatim i otvaranje upravljanih ventila za paru u cilju smanjenja mehaničke snage turbine i uključenje i isključenje kočionih otpornika u elektro delu su najuticajniji na stabilnost ovih sistema (u radu je dat osvrt na ventilski deo). Prva linija upravljanja (odbrane-zaštite) se dešava odmah posle ozbiljnih poremećaja i predstavlja dodatak primarnom upravljanju. Druga linija upravljanja je primarno upravljanje koje je uvek u radu i daje dejstvo srazmerno grešci od zadate vrednosti brzine obrtanja vratila turbine. Pored brzog zatvaranja potrebno je rešiti i dovoljno brzo otvaranje ventila za paru što se postiže hidrauličnim aktuatorima upravljanih odgovarajučim elektro-hidrauličnim razvodnicima. Ključne reči: parne turbine; ventili; upravljanje; stabilnost UVOD Industriske parne turbine mogu se regulisati na različite načine zavisno od primene. Sve kontrolne opcije mogu se svrstati na upravljanje: brzinom, opterećenjem, parametarima turbine i pogonjenim procesnim parametrima. Bez obzira na na primenu, upravljanje brzinom i/ili opterećenjem (snagom) je potrebno. Kontrola brzinom je primarno kolo za sve primene turbine i bez toga turbina ne bi mogla da startuje i radi sigurno. Postoji jedno merenje protoka pare sa izuzetkom kada se radi o turbinama sa oduzimanjem ili dodavanjem pare unutar turbinskog dela. Bilo da je turbina sa jednim ili sa više ventila, pravilo je da jedna upravljačka oprema može da kontoliše jedan parametar. Generisanje upravljanja Promena snage Frekvencija Ugao Elektri.sistem:.Generatori 2.Mreza 3.Opterec. Brzina Inercija turbine i generatora Elektricna snaga Mehanicka snaga Promena brzine Vodjenje brzine Mehanizam regulisanja Brzine Regulaconi. Ventil Turbina Sistem za vodjenje brzine Turbina i sistem snage Sl. Funkcionalni dijagram kompletnog sistema sa turbinom i upravljanjem regulacinog ventila
Na sl. je prikazan funkcionalni dijagram sistema gde se vidi ukupna funkcionalnost turbine u sprezi sa generatorom, mrežom i opterećenjem. Regulacioni ventil (ili više njih) se nalaze u okviru sistema za vodjenje brzine. Promena brzine se dobija iz upravljanja kompletnog sistema na osnovu promene snage- opterećenja i frekvencije. Ova brzina se poredi sa stvarnom brzinom sa vratila turbine i generatatora koja je opet vezana za njihovu inerciju kao i mehaničku i električnu snagu. Ovakvo upravljanje je primarno i funkcioniše stalno. Sl.2. Ventili pare kod tandem turbina i zaštita od iznenadnog poremećaja brzine Na sl.2 je prikazan tok pare kroz ulazni ventil u parni prostor, regulacioni ventili (Control Valves) ispred turbine visokog pritiska (HP) na čijem je izlazu pregrejač pare. Pregrejana para ulazi u turbinu srednjeg pritiska (IP) preko upravljanih ventila (Intercept Valves-IV). Dalje para ide u turbinu niskog pritiska (LP) preko odgovarajučeg cevovoda. Preko ulaznog signala mehaničke energije i izlaznog signala snage generatora dobija se podatak o poremečaju i potrebi brzog aktiviranja ventila. Na ovaj način se dobija zaštita i redukcija energije ubrzanja jedinica odnosno stabilnost sistema. Brzo aktiviranje ventila se postiže savremenim elektro hidrauličkim (EH) aktuatorskim opremom. Ventili se zatvaraju brže posle iznenadnog poremečaja u povečanju brzine da bi se otvorili sporije posle nekog vremena ostvarujući referenu brzinu. Najednostvniji način naglog smanjenja turbinske energije se postiže preko zaustavnog ventila ispred turbine srednjeg pritiska koji kontroliše oko 7% ukupne energije. Za vreme zatvaranja i otvaranja IV ventila, velika zapremina pregrejača pare, ublažava efekte prigušenja koja traju nekoliko sekundi. Pored funkcije servo regulisanja i brzog zatvaranja kod EH aktuatorskih sistema, potrebno je ostvariti i brzo otvaranje ventila. U slučaju da se regulisanje vrši samo servo proporcionalnim ventilom, vreme celog procesa prelazi 5 sec za slučaj nazivnog otvora isticanja od 6 mm za turbine snage od 2 MW. Odgovarajučim konstruktivnim rešenjima ovo vreme se može znatno smanjiti.. DINAMIKA SISTEMA PARNIH TURBINA SA REGULACIONIM VENTILIMA Adijabatsko izentropski proces u nepokretnim i čisto adijabatski proces u pokretnim delovima turbine omogućavaju pretvaranje toplotne energije vodene pare u kinetičku a ove energije u obrtno kretanje rotora turbogeneratora, što odgovara nestacionarnom, prostornom strujanju
stišljivog, viskoznog fluida, propraćenom i mogućim slučajevima nadzvučnog strujanja pregrejane pare u poslednjim stupnjevima turbine. Ako se turbina uprošćeno posmatra kao parni prostor sa ulazom i izlazom pare jednačina kontinuiteta je: dw dρ Q = V = Q in Q out Q P dt dt out = (.) P W=Vρ-ukupna težina pare u prostoru (kg), V-zapremina prostora (m 3 ), ρ- gustina pare (kg/m 3 ), Q-maseni protok pare (kg/sec) (out; in na izlazu i ulazu); P-pritisak pare u sudu, P -nominalni pritisak,q - nominalni protok. Posle sređivanja može se napisati: Q dq dρ P out in Q out = TV ; TV = V ; u s-domenu dt dp Q Q Q out in = + st V (.2) Pregrejac pare Zapremina pare izmedju IP i LP + + + + Pm Pozicija ventila Regulacioni ventil i parna zapremina HP IP LP LP Ka kondenzatoru Preg + stch FHP +strh FIP +stco FLP PHP PIP PLP Sl.3 Tandem turbine visokog (HP), srednjeg (IP) i niskog pritiska (LP) i Strukturni dijagram Oznake sa sl.3 su: P reg - izlazna snaga iz regulacionog ventila,t CH - vremenska konstanta parnog dela regulacionog ventila turbine visokog pritiska,t RH vremenska konstanta pregrejača,t CO vremenska konstanta dela između turbina srednjeg i niskog pritiska, P m ekvivalentna mehanička snaga na ulazu u generator. P m = PHP FHP + PIPFIP + PLP FLP (.3) Gde su: P HP ; P IP : P LP snage na izlazima iz turbina visokog srednjeg i niskog pritiska, F HP ; F IP ; F LP faktori snage za turbine visokog srednjeg i niskog pritiska (F HP + F IP + F LP =). Ako se posmatra upravljanje regulacionog ventila (primarno upravljanje) ispred turbine, ulazi u taj deo sistema su referentni i stvarni brojevi obrtaja i snage a izlaz je otvorenost ventila. Broj obrtaja turbine je osnovna veličina kojom se upravlja radi održanja frekvencije strujne mreže. Sl.4 Blok dijagram regulacionog ventila u SIMULINK formi []
Izradom modifikovanog SIMULINK modela u MATLAB-u prema sl.4 sa referentnim i promenljivim-stvarnim delovima za broj obrtaja može se doći do zaključaka o uticaju ulaznih veličina (pritisak, protok način i veličina promene broja obrtaja) kao i o uticaju koeficijenata pojedinih delova modela. Tako, na primer, povečanjem ulaznog pritiska smanjuje se vreme otvaranja ventila (protok ima obrnut uticaj). Način promene broja obrtaja ima uticaj na ponašanje otvaranja ventila. Uticaj brzinskog releja na odziv je manjeg značaja (vremenska konstanta u imeniocu) od proporconalnog dejstva Kp. Takođe je veći uticaj ogranićenja pozicije i brzine od mrtve zone odnosno vremena kašnjenja i slično. Kombinujući dinamiku tandem turbina sa blok dijagramom regulacionog ventila sl.3 i sl.4, dobija se ukupan tandem turbina u sprezi sa regulacionim ventilom. Regulator je PID dejstva Moguće je odrediti uticaj svakog dela (turbina visokog, srednjeg i niskog pritiska) na odziv snage ili momenta. Na sl.5 je prikazan simulacioni blok dijagram tandem turbina gde su ulazi razlike broja obrtaja i snage a izlazi položaj reg. ventila, snaga iza njega, protok pare i ukupna mehanička snaga ka generatoru. Na istoj slici dati su rezultati simulacije za dva poremečaje različitih amplituda na ulazu (primera radi). Moguće je odrediti uticaj drugih parametara na ponašanje celog sistema. Y delta brzina Sine Wave delta snaga Sine Wave2 Dead Zone Kp. Ki s Integrator du/dt Derivative PID regulator.s+ relej brzine 3.7s+ servo motor Y s brzina Integratorpozicija Clock t vreme pozicija TD pozicija2 f(u) protok TD Gt protok protok pare.5s+ zapremina pare 34 ref. ugaona brzina Preg snaga iza ventila snaga iza ventila s+ HP turbina K5. snaga2 s+ IP turbina.3s+ LP turbina Fip Fhp Flp Pm mehanicka snaga ka generatoru snaga -Ksnaga -Cpritisak Rp -C- Po Kd snaga=eta_mehanicko*eta_izs* izentropski toplotni pad* Gpt*wpt.25 Delta ug.brzina A=, f=5hz; delta snaga A=,f=Hz.25 Delta ug.brzina A=,f=5Hz; delta snage A=,f=Hz.2.2 polozaj reg. ventila Y, protok pare Gt(kg/s), snaga iza reg ventila Preg(W), meh. snaga ka generatoru Pm (w).5..5.95.9.85 Preg*.5* ( -8) Y Gt*.4 Pm*.5* ( -8) polozaj reg.ventila Y, protok pare Gt(kg/s), snaga iza reg.ventila Preg(W), meh.snaga ka generatoru Pm(W).5..5.95.9.85 Preg*.5* (-8) Y Gt*.4 Pm*.5* (-8).8 2 3 4 5 6 7 8 9 vreme t (s).8 2 3 4 5 6 7 8 9 vreme t (s) Sl.5 Model reg. ventila sa tandem turbinama u SIMULINK formi i rezultati simulacije 2. STABILNOST BRZIM ZATVARANJEM VENTILA Snaga ubrzanja generatora i promena ugaone brzine su najviše korišćeni signali u kontroli prelazne stabilnosti snage sistema. Signali opsega promene kinetičke energije (RACKE) mase
rotora i promene ugaone brzine rotora se efektivno koriste za određivanja najboljeg kriterijuma brzog zatvaranja i otvaranja ventila kao i za vremensko ubacivanje i izbacivanje kočionih otpornika. Jednačina zamaha generatora maže se napisati u najprostijoj formi: 2 2H d δ = Pm Pe = Pa = energija ubrzanja mašine (2.) 2 ω dt P m - ulazna mehanička energija (pu), P e izlazna električna energija (pu), H konstanta inercije (MW-s/MVA), ω normalna brzina (u električnim radijan/sec), δ - ugao rotora (električnim radijan). Jednačina opisuje kinetičku energiju mašine i može se napisati: 2 KE = ( Mω ) (2.2) 2 Ugaona brzina ω je brzina sinhrone mašine. Diferenciranjem se dobija: RACKE = Mω( dω / dt) (2.3) Jednačina zamaha i RACKE se dobijaju kao: M ( dω / dt) = P ; RACKE = ω (2.4) a P a Sl.6 RACKE i ugaona brzina rotora; Karakteristika ventila za brzo zatvaranja [2] Na gornjoj slici oznake su: T - vreme kašnjenja između inicijalizacije i početka zatvaranja, T 2 - vreme zatvaranja, T 3 - vreme dok je ventil zatvoren, T 4 - vreme otvaranja. Iz (.) se vidi da smanjenje mehaničke snage ima isti efekat na zamah rotora kao povečanje električne snage. Na osnovu ovoga slede kritrijumi za vođenje brzog zatvaranja i otvaranja ventila: Kriterijum zatvaranja ventila: ( RACKE) = i Δω I = ±, Gde je ω I promena ugaone brzine rotora generatora i oznaka pokazuje da se radi o nultoj vrednosti kada se znak promene menja od negativne ka pozitivnoj. Kriterijum otvaranja ventila: ( RACKE) = i Δω I = ±. Gornja logika [2] važi kao kvazi optimalna pošto nemože da razlikuje veliki od malog poremečaja mada je prosta i zahteva minimalna merenja i računanja. Sa slike se vidi da je frekvencija promene RACKE dva puta veća od frekvencije promene ugaone brzine. Naravno da se upravljanje može poboljšati za iznenadne i veće poremečaje uvođenjem veštačke neuronske mreže kao što je u učinjeno u pomenutoj publikaciji pri čemu se razmatraju i druge veličine među kojima je i vreme T 3. Jedan algoritam ranog ili brzog otvaranja je dat u [3]. Kako je pokazano na sl.7., uključuje se brzo otvaranje ventila uvek kada je izlaz snage iz generatora P E padne brze od postavljene vrednosti i kada je turbinska mehanička snaga P M veća od P E za postavljenu konstantu K. Kada se uključi kolo za brzo zatvaranje (IV ventila) isto se izvrši za. do.2 sekunde. Posle vremena od oko s dolazi do ponovnog otvaranja. Obično se radi o dva IV ventila koji se sekvencionalno otvaraju (nelinearna karakteristika protoka pare je takva da dolazi do naglog
povećanja protoka kada jedan od IV ventili počne da se otvara). Vreme celog ciklusa je s (potpuno zatvaranje i otvaranje i zavisno od hidrauličkog sistema može se smanjiti). Brzo zatvaranje IV ventila rezultuje u povećanju pritiska u pregrejaču što može aktivirati ventil sigurnosti i može dovesti do teških oštećenja pri ozbiljnim poremečajima i ovo je limitirajući faktor. Ponovno otvaranje ventila, zbog kašnjenja pritiska, dešavače se pri velikoj razlici pritisaka ispred i iza ventila. Rotori turbine i generatora nesmeju se izlagati smanjenju veka zbog torzionih naprezanja prouzrokovanih brzim zatvaranjem ventila. Sl. 7 Logika starta brzog zatvaranja IV ventila i Blok dijagram upravljanja ovim ventilom [3] Drugi permanentni problem nestabilnosti zamaha i ako je brzo zatvaranje vrlo efikasno za smanjenje prvog harmonika oscilovanja, je da ovakvo zatvaranje može imati slab efekat na drugi i potonje harmonike oscilovanja ugla. Da bi se stabilizovao generator, poželjno je da se stabilizuje zamah za vreme 3 do 4 sec pre nego što se izlazna snaga turbine povrati na nominalnu vrednost. a) b) Sl.8. a) Paraleni ventili za brzo zatvaranje i Šema rada ventila u stabilnom sistemu [4]; b) Blok dijagram upravljanja tandem turbina sa paralelnim brzo zatvarajućim ventilima [5]
Sa stanovišta stabilnosti ventile IV treba posle potpunog zatvaranja što pre ponovo otvoriti. Radi nestabilnosti drugog harmonika potrebno je ići na novi ciklus zatvaranja/otvaranje ovih ventila. Često ovo nije moguće uraditi sa jednim ventilom zbog potrebnih vremena (vreme neosetljivosti, vreme otvaranja). Zbog ovoga se koriste dva paralelna ventila kao što je pokazano na sl.8, parelelni ventili IV u ROPV grupi [4]. Na ovaj način su moguće razne kombinacije-drugi ventil se može inicijalno otvoriti pre nego što se prvi potpuno zatvori i slično. 3. BRZO OTVARANJE VENTILA Pored funkcije primarnog upravljanja i brzog zatvaranja ventila, potrebno je ostvariti i brzo otvaranje ventila. U slučaju da se regulisanje vrši samo servo proporcionalnim ventilom, vreme celog procesa prelazi 5 s za slučaj nazivnog otvora isticanja od 6 mm (turbine oko 2 MW). Za realizaciju funkcije brzog otvaranja može se koristi koncepcija dva cartridge ventila i jednan prekidački elektromagnetni ventil kako je prikazano na sl.9 [6]. a) b) c) d) Sl.9 a)koncepcija hidrauličkog sistema za brzo otvaranje; Kretanje aktuatora u sistemu brzog otvaranja za različite nazivne prečnike Cartrige ventila :b)6mm, c)25mm, d) 32mm Pritisak ulja u u komorama hidrauličnog aktuatora se reguliše elektromagnetnim ventilom tako da se otvaranje i zatvaranje cartridge ventila kontroliše električnim signalom. Da bi se garantovale performanse brzog otvaranja, na jednoj strani, uljna pumpa i akomulator su na liniji napajanja sistema uljem, na drugoj strani, drenaža gornje komore servo motora uljem vrši se spojenim diferencijalnim sistemom da bi se obezbedilo više ulja za donju komoru. Napravljen je matematički model regulacionog sistema za analizu karakteristika mehanizma za brzo otvaranje. Na matematičkog modela za protoke pri brzom otvaranju i zatvaranju može se izvršiti simulacija i analiza rada [7]. Proporcionalni razvodnik se koristi za napajanje obe komore servo motora. Za brzo zatvaranje koristi se prekidački razvodnik za ispuštanje ulja iz donje komore. Catridge razvodnici se koriste za ostvarenje brzog otvaranja. Ukoliko kretanje nije u zoni neosetljivosti, može se koristiti sistem za brzo otvaranje. U suprotnom koristi se rad sa servo proporcionalnom razvodnikom pri ćemu je, zbog malog
protoka, potrebno veće vreme za kompletiranje kretanja aktuatora. Na sl.9 dati su rezultati simulacije tri sistema sa Catridge ventilima 6 mm (b), 25mm (c) i 32 mm (d). Povećanjem prečnika Catridge razvodnika, smanjuje se vreme odziva ali se povećava zona neosetljivosti a time i vreme rada servo proporcionalnog razvodnika. Da bi se ukupno vreme smanjilo, potrebno je ostvariti operacionu taktika u kojoj se brzo otvaranje dešava unapred i paralelno sa radom servo-proporcionalnim ventilom. Odgovarajućom procedurom, može se znatno smanjiti regulaciono vreme u zoni neosetljivosti. ZAKLJUČAK Povećani su zahtevi rada turbo-geneneratora naročito sa stanovišta stabilnosti. U radu turbina učestvuju upravljački ventili različitih namena. Upravljanje pored održanja funkcije, pre svega broja obrtaja i snage na vratilu turbine u sprezi sa generatorom, ima zadatak zaštite od večih poremečaja. U radu je prikazano upravljanje regulacionih zatvarača (primarno upravljanje) ispred turbine visokog pritiska a u cilju održavanja broja obrta i/ili snage. Dati su strukturni i blok dijagrami matematički modeli preko kojih je moguće odrediti uticaj veličina i parametara na rad ovih sistema. U MATLAB-u urađeni su SIMULINK modeli za regulacioni ventil i njega u sprezi sa tandem turbinama. Simulacije se mogu raditi za otvorenost ventila, protok pare, snage na izlazu iz regulacionog ventila, snage ili momenata po stupnjevima turbine i ukupne ka generatoru. Posebno je obrađeno funkcionisanje- zatvaranja ventila u slučaju večih poremećaja kada je potrebno brzo zaštititi turbinu i generator. Dati su kriterijumi za startovanje zatvaranja ovih ventila. Radi stabilnog rada često je potreban paralelan sukcesivan rad ovih ventla. Takođe je dat i pristup rešavanju problema brzog otvaranja el.hidrauličkog sistema upravljanja regulacionih ventila kombinovano sa servo- proporcionalnim i ventilima velikog protoka. LITERATURA []PowerSystemBlockset http://www.mathworks.com/help/toolbox/physmod/powersys/ref/steamturbineandgovernor.html [2] Patel, R., Pagalthivarthi, V., Artifical neural network based turbine fast valving for enhancement of power system transient stability, Journal of ELECTRICAL ENGINEERING, VOL. 57, NO., 26, pp 3- [3] Hwang, B.H.,Lee, J.H., Cho, J.M.,The Study on the Improvement of Transient Stability Using Early Actuation (EVA) in Korea Power System, System Operation & Control Department Korea Power Exchange (KPX), 29. [4] Patel, R., Bhatti, T.S.,Kothari, D.P., A modified approach to transient stability enchacement with fast valving and braking resistor applications, Journal: Electrical Power and Energy System 28(26), pp 729-738 [5] Hassan, F.F., Alasubramanian, R. and Patel, R., Fast valving scheme using parallel valves for transientstability improvement, IEE Proc-Gener.Tramm.Distrib.Vol.46, No.X, May 999,pp 33-336 [6] Li, X.,Wang, X.,Li, F., Research on new type of fast-opening mechanism in steam turbine regulating system and optimization of operation tactic, Journal of Zhejiang University Sci A 28 9(5), pp 633-639 [7] Kiković, B., Prilog analizi regulatorskog dela parne turbine, 22 PROCESING 9, Beograd, -2. juni 29.