CC BY
26
УДК 621.224
Д. Р. ВОЛКОВ, С. К. КИСЕЛЁВ
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ РЕГУЛЯТОРА ГИДРОТУРБИНЫ НА СТЕНДЕ ПОЛУНАТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ОАО «УКБП»
Рассмотрены результаты предварительных стендовых испытаний цифрового регулятора гидротурбины во всех режимах эксплуатации гидроагрегата при работе на изолированную нагрузку и в энергосеть. Разработан механизм снижения угонной скорости гидроагрегата при сбросе максимальной нагрузки, проведена предварительная настройка контуров регулятора гидротурбины.
Ключевые слова: гидроагрегат, регулятор, стендовые испытания.
Ранее был рассмотрен стенд полунатурного моделирования ОАО «УКБП», предназначенный для испытаний и настройки цифровых систем управления и регулирования гидроагрегатов (ГА), приведена его структура и описание составных частей [1]. Стенд позволяет проводить испытания замкнутой системы управления гидроагрегатом, включая систему регулирования гидротурбины, в реальном масштабе времени.
Для обеспечения предварительных испытаний стойки управления гидроагрегатом (СУГ), входящей в состав системы управления гидроагрегатами Гельбахской ГЭС (ОАО «Дагестанская региональная генерирующая компания») была разработана математическая модель гидроагрегата, включающая в себя: модель пропеллерной гидротурбины ПР40/587а-ВМ-300, модель генератора СВ 520/100-24, модель колонки золотников и модель гидроудара [2]. Математическая модель построена таким образом, что все сигналы (частота вращения, отдаваемая мощность, открытие направляющего аппарата (НА), положение штока сервомотора НА и другие) являются относительными, т. е. нормированы относительно номинального или максимального значения.
Реализованный в модели алгоритм управления ГА соответствует программе функционирования СУГ [3] и обеспечивает следующие автоматические режимы работы:
- регулирование частоты вращения
Ьге^т = 1;
- регулирование отдаваемой мощности ШМ,
= 2;
- регулирование уровня верхнего бьефа 1Ш,
Ьге^т = 3;
- регулирование расхода воды через гидротурбину ИД Ьге^т = 4.
© Д. Р. Волков, С. К. Киселёв, 2006
Структурная схема алгоритма управления ГА приведена на рисунке 1.
Стендовые испытания регулятора гидротурбины проводились на следующих режимах: пуск ГА, холостой ход, работа на изолированную нагрузку, работа на параллельную нагрузку (энергосеть).
С целью определения оптимальных параметров алгоритма пуска ГА и разгона до номинальной частоты вращения проводились испытания и фиксировались положения штока сервомотора НА для минимального, расчётного и максимального значений напора. Зависимость положения штока НА от действующего напора при работе на холостом ходу приведена в таблице 1.
Таблица 1
Действующий напор Н, м Положение штока НА £ %
Нтт = 31,3 22,7
Нрасч = 33,6 20,9
Нтах = 36 19,3
По результатам проведенных испытаний была разработана функция расчёта требуемого открытия холостого хода Зпа_хх в зависимости от действующего напора (1).
Бпа_хх = 0,002785-Я2 - 0,800888-Я +
+ 73,139, (1)
где Зпа_хх - открытие холостого хода НА, %;
Я-действующий напор, м.
Для обеспечения минимизации времени запуска ГА была использована пусковая функция, обеспечивающая интенсивный разгон гидротурбины на начальном этапе и более плавное ускорение при достижении номинальной частоты вращения.
Этап «Покой» (е1ар=0)
нет
Пуск ГА (е*ар= 1)
Т
нет
нет
синхронизация
да
ГВ включен (в!ар=3) 1.гед1т = 1 ГВ ВКЛЮЧеН РЫ (е(ар=3) 1.гвдтп=2 ГВ включен ЯН (е!ар=3) 1.гед1т=3 ГВ включен ЯО (е!ар=3) 1.гед'1т=4
$ *
да
Останов ГА (е!ар=4)
нет
Рис. 1. Структурная схема алгоритма управления ГА
На рисунке 2 приведена зависимость положения штока НА при разгоне турбины по следующим этапам: первый этап - открытие направляющего аппарата до величины 1,8-8па_хх со скоростью 15%/с, второй этап - при достижении
частоты вращения турбины 90% от номинальной, обеспечивалось закрытие направляющего аппарата до величины 1,1-8па_хх со скоростью 8%/с. Регулятор гидротурбины включается при достижении номинальной частоты вращения.
£ %
1.8-8па хх
1.1-Бпа хх
>
Рис. 2. Положение штока НА при разгоне турбины
При работе регулятора холостого хода была проведена оценка коэффициентов регулятора в соответствии с назначенными параметрами: зона нечувствительности дифференциатора составляет Н^тт = -0,1 и Нм>тах = +0,1, а ограничение дифференциатора равно .Оуу/ш'я = -50 и £>итах = +50. В процессе стендовых испытаний наблюда-
лась устойчивая работа СУГ при изменении коэффициентов регулятора в широком диапазоне, Окончательные значения коэффициентов регулятора были выбраны из условия отсутствия колебаний с малым периодом: Кр = 0,2-Ю,5 (пропорциональный коэффициент усиления регулятора), Кй = 0.1-5-1,5 (коэффициент дифференциа-
тора регулятора), Ki = 0,005-Ю,05 (коэффициент интегратора регулятора), Кр_па = 35-^50 (коэффициент усиления сервопривода НА).
Согласно полученным настройкам была проверена устойчивость регулирования на холостом ходу в соответствии с требованиями [4, с. 340]. В результате испытаний амплитуда колебаний составляет менее 0,1%, а период колебаний более 24 секунд (в отдельных случаях колебания отсутствуют), что полностью удовлетворяет вышеперечисленным требованиям.
При работе регулятора частоты вращения на изолированную нагрузку, при отключенных контурах интегратора и дифференциатора, была определена его статическая ошибка. Из полученных данных видно, что с увеличением нагрузки растет величина статической ошибки, для нагрузки 90% от номинальной величины статическая ошибка составляет порядка 68%, а открытие направляющего аппарата составляет S = = 75%. При увеличении пропорционального коэффициента усиления регулятора Кр более 0,5 в системе возникают незатухающие колебания. По результатам дополнительных испытаний требуемое ограничение интегратора было установлено Fimax = 80, Fimin = -80. В проведенных испытаниях величина искусственно вводимой нечувствительности по частоте вращения составляла ±0,01% от номинальной.
Затем были проведены испытания по определению зон устойчивости регулятора частоты при сбросах и набросах нагрузки. По результатам стендовых испытаний определены следующие оптимальные значения коэффициентов регулятора:
- коэффициент усиления сервопривода направляющего аппарата Кр_па от 35 до 50;
- пропорциональный коэффициент регулятора Кр от 0,25 до 0,35;
- коэффициент интегратора Ki от 0,002 до 0,02.
В соответствии с выбранными значениями коэффициентов был скорректирован алгоритм автоподстройки коэффициентов регулятора, в котором принято увеличение, при установившимся режиме, коэффициентов Кр со скоростью 0,0025 (ед/с) и Kpjxa со скоростью 0,1875 (ед/с) и уменьшение, в переходном режиме, коэффициентов Кр со скоростью 0,005 (ед/с) и Кр па со скоростью 0,375 (ед/с).
В переходных процессах величина гидроудара £ не выходит за пределы ± 0,65 при требуемом fax = 0,5^-0,7 при напорах ниже 40 м [5, с. 160]. При сбросе 90 % нагрузки частота вращения турбины достигает величины 141 %, при
этом закрытие направляющего аппарата до открытия холостого хода происходит за 8,5 с. Такой результат регулирования при сбросе/набросе нагрузки достигнут благодаря изменению управляющего сигнала гидрораспределителя главного золотника НА при помощи блока коррекции, осуществляющего изменение управляющего сигнала на закрытие/открытие НА от максимального по модулю до некоторого минимального значения. Начальное максимальное значение управляющего сигнала при сбросе/набросе нагрузки принимается для того, чтобы не допустить разгона турбины (не более 1,5*сон). Скорость изменения управляющего сигнала на гидрораспределитель, исходя из условия обеспечения допустимой величины гидроудара не более 0,7, принята: при открытии - 0,01 [1/с]; при закрытии - 0,22[1/с], при этом минимальное значение управляющего сигнала принято равным 0,46. Ошибка регулирования частоты в установившемся режиме соответствует заданной по техническому заданию.
По результатам испытаний регулятора активной мощности определены следующие оптимальные параметры: пропорциональный коэффициент усиления регулятора Кр_п от 0,02 до 0,08, коэффициент интегратора К1_п от 0,005 до 0,03. Отмечено, что при значении коэффициента интегратора К1_п более 0,02 происходит перерегулирование по отдаваемой мощности за счёт интегральной составляющей выходного сигнала регулятора. Коэффициент усиления сервопривода направляющего аппарата Кр_па необходимо выбирать из диапазона от 35 до 50.
Для регулятора расхода воды через гидротурбину определены следующие приемлемые настройки: пропорциональный коэффициент усиления регулятора Кр л от 0,05 до 0,2, коэффициент интегратора К1л от 0,01 до 0,2. Отмечено, что при значении коэффициента интегратора К1л более 0,2 происходит перерегулирование по расходу воды за счёт интегральной составляющей выходного сигнала регулятора. Коэффициент усиления сервопривода направляющего аппарата Кр_па также целесообразно устанавливать из диапазона от 35 до 50.
Исходя из предположения, что изменение уровня верхнего бьефа является медленно текущим процессом, был использован ПИ-регулятор (пропорциональная и интегральная составляющая сигнала регулирования). По результатам испытаний регулятора уровня воды в верхнем бьефе выявлено, что интегральная составляющая выходного сигнала регулятора должна быть значительно меньше пропорциональной составляющей. В результате получены следующие па-
раметры: коэффициент интегратора Кг_Н = 0,001, пропорциональный коэффициент Кр_Н 0,15. Изменение коэффициента усиления сервопривода направляющего аппарата Кр_па в диапазоне от 35 до 50 практически не сказывалось на качестве регулирования и на ошибке регулирования в установившемся режиме, которая не превышала 0,5% от расчётного значения напора.
Полученные в процессе испытаний регулятора гидротурбины на стенде полунатурного моделирования результаты будут использованы во время проведения пуско-наладочных работ системы управления гидроагрегатами Гельбахской ГЭС на объекте Заказчика, что позволит повысить качество настройки системы регулирования и сократить сроки испытаний гидроагрегата.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Волков, Д. Р. Стенд полунатурного моделирования для испытаний и настройки цифровых систем управления и регулирования гидроагрегатов // Сборник материалов конференции «Вузовская наука в современных условиях», 2006 г. - Ульяновск : УлГТУ, 2006.
УДК 004.021; 004.052; 004.067
2. Технический отчет №3708. Моделирование замкнутой системы СУГ и гидроагрегата Гельбахской ГЭС в рабочих режимах. ОАО «УКБП». - Ульяновск, 2006.
3. Техническое задание №670.2005-1ТЗ на разработку стойки управления гидроагрегатом СУГ-1 от 22.12.2005 г. Часть 2. - Программа функционирования.
4. Пивоваров, В. А. Проектирование и расчёт систем регулирования гидротурбин / В. А. Пивоваров. - Л.: «Машиностроение», 1973.
5. Турбинное оборудование гидроэлектростанций. Руководство для проектирования / под общей редакцией А. А. Морозова. - М. : Государственное энергетическое издательство, 1958.
Волков Дамир Раилъевич, заместитель главного конструктора ОАО «УКБП», аспирант кафедры «ИВК» УлГТУ, e-mail: niol7@ukbp.ru
Киселев Сергей Константинович, доктор технических наук, профессор кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ.
Н. О. ГРАЧЁВА
МЕТОДЫ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ АТТЕСТАЦИИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
Рассмотрены отдельные вопросы метрологической аттестации программного обеспечения, предназначенного для обработки данных в средствах измерений. Приведен обзор методов определения погрешности, вносимой программным обеспечением.
Ключевые слова: средства измерения, погрешности.
Уровень автоматизации процесса измерений повышается с каждым годом. Все более широкое использование получают измерительные системы (ИС), а также измерительные средства, имеющие в своем составе процессорные блоки, предназначенные для обработки результатов измерений. Наличие в составе ИС вычислительных компонентов или процессора предполагает, что в средстве измерений присутствует в том или ином виде программное обеспечение (ПО). Данное ПО предназначено для вычисления результатов прямых, косвенных, совместных или совокупных измерений, а также для управления процессом сбора
первичной измерительной информации [1, 5]. Таким образом, метрологические характеристики ИС и средств измерений, содержащих ПО, должны нормироваться с учётом погрешностей, вносимых программным обеспечением.
Программное обеспечение является источником методических и трансформированных погрешностей, обусловленных преобразованием погрешностей результатов прямых измерений в процессе вычислений, округлением промежуточных результатов, ограниченностью разрядной сетки, конечным числом итераций, использованием конечного числа членов при разложении в ряд [2].
Н. О. Грачёва, 2006
