nouvelles de l'entreprise Le rôle et le statut du régulateur de turbine hydraulique dans les centrales hydroélectriques

Le rôle et le statut du régulateur de turbine hydraulique dans les centrales hydroélectriques

Lorsque l'électricité est en fonctionnement, il est nécessaire de maintenir constamment l'équilibre entre l'alimentation et la charge. De plus, garantir la bonne qualité de l'énergie électrique est une tâche importante dans le processus de production d'électricité. Les principaux indicateurs pour mesurer la qualité de l'énergie électrique sont généralement la tension et la fréquence, suivis de la forme d'onde. Les écarts de fréquence affecteront gravement le fonctionnement normal des utilisateurs d'électricité. Pour les moteurs électriques, une diminution de la fréquence entraînera une baisse de la vitesse du moteur, réduisant ainsi la productivité et affectant la durée de vie du moteur ; inversement, une augmentation de la fréquence entraînera une augmentation de la vitesse du moteur, augmentant la consommation d'énergie et réduisant l'économie. En particulier dans certains secteurs industriels avec des exigences de vitesse strictes (tels que le textile, la papeterie, etc.), les écarts de fréquence affecteront grandement la qualité des produits et conduiront même à des produits défectueux. De plus, les écarts de fréquence auront des impacts plus graves sur la centrale elle-même. Par exemple, dans les centrales thermiques, pour les machines centrifuges telles que les pompes d'alimentation en eau de chaudière et les ventilateurs, leur rendement diminuera fortement lorsque la fréquence diminue, forçant la production de la chaudière à être considérablement réduite ou même déclenchant un arrêt d'urgence de la chaudière. Cela réduira inévitablement davantage la production d'électricité du système, entraînant une nouvelle baisse de la fréquence du système. De plus, en fonctionnant à une fréquence réduite, les aubes de turbine développeront des fissures en raison de l'augmentation des vibrations, réduisant ainsi la durée de vie de la turbine. Par conséquent, si la tendance à une forte baisse de la fréquence du système ne peut être stoppée en temps opportun, elle provoquera inévitablement un cercle vicieux et conduira même à l'effondrement de l'ensemble du système électrique.

Selon les réglementations du secteur de l'électricité en Chine, la fréquence nominale du réseau électrique est de 50 Hz, et l'écart de fréquence admissible pour les grands réseaux électriques est de ±0,2 Hz. Pour les réseaux électriques de petite et moyenne taille, les fluctuations de la charge du système peuvent parfois atteindre 5 % à 10 % de leur capacité totale ; même pour les grands systèmes électriques, les fluctuations de la charge atteignent souvent 2 % à 3 %. Le changement continu de la charge du système électrique entraîne des fluctuations de la fréquence du système. Par conséquent, la tâche de base de la régulation de la turbine est d'ajuster en permanence la puissance de sortie de l'ensemble turbine-alternateur et de maintenir la vitesse de rotation (fréquence) de l'unité dans la plage nominale spécifiée.

En résumé, le régulateur de turbine hydraulique est un dispositif auxiliaire important pour l'ensemble turbine-alternateur dans les centrales hydroélectriques. Il se coordonne avec le circuit secondaire de la centrale et le système de surveillance informatique pour effectuer des tâches telles que le démarrage et l'arrêt de l'ensemble turbine-alternateur, l'augmentation ou la diminution des charges et l'arrêt d'urgence. Le régulateur de turbine peut également fonctionner avec d'autres dispositifs pour effectuer des tâches telles que le contrôle automatique de la production, le contrôle de groupe et la régulation en fonction des niveaux d'eau. De plus, en cas de panne du réseau électrique, il coopère avec le déclenchement du disjoncteur pour effectuer rapidement et de manière stable le processus de rejet de charge, protégeant ainsi l'unité de turbine et lui permettant de restaurer la vitesse nominale dès que possible.

En conclusion, les tâches de base du régulateur de turbine sont résumées comme suit :
◆ Fonctionnement normal de l'unité
◆ Assurer le fonctionnement sûr de l'unité
◆ Répartition raisonnable des charges entre les unités parallèles

Types de régulateurs de turbine hydraulique

Classés par le nombre d'objets contrôlés, ils peuvent être divisés en régulateurs à réglage unique et en régulateurs à double réglage.

• Généralement, les régulateurs à réglage unique sont utilisés pour diverses unités à pales fixes des turbines à réaction (telles que la turbine Francis). L'objet contrôlé est uniquement les aubes directrices, et le débit d'eau à travers les aubes de la turbine est contrôlé en ajustant l'ouverture des aubes directrices.

• Les régulateurs à double réglage sont utilisés pour diverses unités à pales variables de type réaction (telles que la turbine Kaplan). Les objets contrôlés sont les aubes directrices et les aubes de la roue. La sortie du débit d'eau vers la turbine est contrôlée en ajustant l'ouverture des aubes directrices et l'angle des aubes de la roue. En général, les unités à pales variables ont un contrôle coordonné entre les aubes directrices et les aubes de la roue.

De plus, les turbines à impulsion ont plus d'objets contrôlés, qui sont classés comme un autre type de régulateurs "multi-buses et multi-déflecteurs" ou "multi-buses et un déflecteur", spécialement conçus pour les turbines à impulsion. Les objets de contrôle du régulateur varient en fonction du nombre d'aiguilles de buse et de déflecteurs de la turbine à impulsion.

2. Les régulateurs de turbine hydraulique sont généralement des produits mécatroniques dans leur ensemble, et leurs parties d'exécution mécaniques adoptent un contrôle hydraulique. Classés par méthodes de conversion électrohydraulique, ils peuvent être divisés en régulateurs numériques, pas à pas et proportionnels-numériques. Généralement, les types numériques et proportionnels sont combinés.

• Les régulateurs numériques utilisent des électrovannes pour contrôler l'ouverture/fermeture de la vanne avec des impulsions numériques, obtenant ainsi l'effet de contrôler l'ouverture/fermeture du servomoteur.

• Les régulateurs pas à pas utilisent le courant pour entraîner le moteur pas à pas à tourner en avant ou en arrière, générant un déplacement vertical, et se coordonnent avec la vanne pilote et la vanne de distribution principale pour contrôler l'ouverture/fermeture du servomoteur.

• Les électrovannes proportionnelles complètent la conversion électrohydraulique via des contrôleurs proportionnels et des vannes de distribution principales.

3. Classés par la pression d'huile utilisée, ils sont divisés en régulateurs à pression d'huile conventionnels et à haute pression d'huile.

• Pressions d'huile conventionnelles : 2,5 MPa, 4,0 MPa, 6,3 MPa

• Haute pression d'huile : généralement 16 MPa

La capacité du réservoir d'huile sous pression est déterminée par la taille de la cavité d'huile du servomoteur.

Classés par la capacité de l'unité contrôlée, ils sont divisés en régulateurs grands, moyens et petits.

Historique du développement des régulateurs de turbine hydraulique

Les régulateurs de turbine hydraulique ont une longue histoire d'application dans les centrales hydroélectriques. Dès la fin du XIXe siècle, en 1891, la société allemande Voith a fabriqué le premier régulateur purement mécanique, à savoir le régulateur mécanique de type pendule centrifuge, dans lequel l'ouverture et la fermeture de la turbine étaient directement entraînées par une courroie. Avec l'amélioration des exigences pour le système de régulateur, en particulier pour la sensibilité, une grande force de régulation est requise pour l'ouverture et la fermeture en peu de temps, ce qui rend la pression hydraulique nécessaire. Cela a conduit au développement de régulateurs mécaniques avec amplification de la pression d'eau et amplification de la pression d'huile. De la fin des années 1950 aux années 1960, les régulateurs mécaniques-hydrauliques ont atteint leur apogée. La Suède a produit des régulateurs électrohydrauliques en 1944.

La Chine a commencé à développer des régulateurs électrohydrauliques dès les années 1950, et en 1961, le premier régulateur électrique fabriqué en Chine a été mis en service à la centrale électrique de Liuxihe. Les années 1960 à 1970 ont été une période de développement à grande échelle pour les régulateurs électrohydrauliques.

Le développement des régulateurs électriques est passé à peu près par plusieurs étapes :

• L'étape des tubes à vide, où les tubes à vide étaient utilisés comme amplificateurs électriques, et les circuits de mesure de fréquence électrique ont remplacé les pendules centrifuges mécaniques.
• Plus tard, les transistors ont remplacé les tubes à vide, donnant naissance aux régulateurs électrohydrauliques de type transistor.
• Dans les années 1970, la technologie des circuits intégrés à grande échelle s'est développée rapidement, et les amplificateurs opérationnels à circuits intégrés ont été appliqués aux régulateurs de turbine. Ainsi, les régulateurs électrohydrauliques ont progressivement évolué des composants discrets aux structures de circuits intégrés.

Avec le développement de la science et de la technologie, après que les microprocesseurs sont entrés sur le marché au milieu des années 1970, de nombreux pays ont successivement commencé à développer des régulateurs à micro-ordinateur à la fin des années 1970 et au début des années 1980. Le premier régulateur numérique au monde a été développé par le Canada au début des années 1970. En 1976, le Canada a développé un régulateur numérique en temps réel, et en 1981, les résultats des tests d'un régulateur adaptatif ont été publiés. La Chine a également commencé le développement de régulateurs à micro-ordinateur au début des années 1980. À la fin de 1981, l'université des sciences et technologies de Huazhong a commencé à rechercher le "Régulateur de processeur à micro-ordinateur PID à paramètres variables adaptatifs pour les générateurs de turbines hydrauliques", qui présentait des paramètres PID qui changeaient automatiquement avec les conditions de fonctionnement de l'unité (hauteur d'eau et ouverture) et était un régulateur adaptatif aux pannes.

La pratique a prouvé que les régulateurs à micro-ordinateur présentent de nombreux avantages par rapport aux régulateurs électrohydrauliques analogiques :

• Le logiciel des régulateurs à micro-ordinateur est configuré de manière flexible, ce qui permet de définir les modes et les stratégies de contrôle en fonction des caractéristiques du système de régulation de la turbine et des exigences spécifiques de chaque centrale électrique, permettant à l'unité de fonctionner efficacement, avec une qualité élevée et de manière économique. Par conséquent, les régulateurs à micro-ordinateur ont montré une forte vitalité depuis leur apparition.
• L'application de la technologie de diagnostic par micro-ordinateur et de la technologie de tolérance aux pannes contribue à améliorer la fiabilité des régulateurs. Les fonctions de communication, d'interface et d'extension puissantes des micro-ordinateurs permettent aux régulateurs à micro-ordinateur de bien s'adapter aux exigences des systèmes de surveillance informatique dans les centrales électriques.

En 1969, la société américaine Digital Equipment Corporation (DEC) a développé avec succès le "Contrôleur logique programmable (PLC)". Par la suite, le Japon et les pays européens ont également développé avec succès et ont commencé à produire des contrôleurs programmables. Le PLC est devenu le produit préféré pour de nombreux équipements et systèmes de contrôle automatique industriels en raison de sa fiabilité, y compris une série de mesures anti-interférences dans le matériel telles que l'isolation photoélectrique, le blindage électromagnétique et le filtrage analogique/numérique, ainsi que des logiciels système avec des fonctions telles qu'un temporisateur de surveillance (WDT) et l'autocontrôle du matériel et des logiciels.

Les régulateurs de turbine sont des équipements de base importants pour l'automatisation intégrée des centrales hydroélectriques. Leur niveau technique et leur fiabilité affectent directement la production d'électricité en toute sécurité et la qualité de l'électricité des centrales hydroélectriques, influençant ainsi la qualité de l'électricité de tous les secteurs de l'économie nationale.

Évolution des lois de contrôle et de la structure du système des régulateurs

Le développement des lois de contrôle dans les régulateurs a été rapide :

• Les premiers régulateurs (types mécaniques) étaient des liaisons proportionnelles, formant des lois de contrôle proportionnelles, désignées par le symbole P.
• Plus tard, la plupart des régulateurs ont été conçus avec des lois de contrôle proportionnel-intégral, c'est-à-dire des régulateurs de type PI, où I représente l'action intégrale.
• À la fin des années 1950 et au début des années 1960, avec l'adoption de la régulation d'accélération, des régulateurs avec des lois de contrôle P-I-D ont émergé, où D représente le contrôle dérivé. Par exemple, le régulateur électrohydraulique FRVV-10S produit par ASEA en Suède et le régulateur électrohydraulique RAPID produit par NEYRPIC en France présentent tous deux des lois de contrôle P-I-D.
• Au milieu des années 1970, les régulateurs PID ont été directement appliqués aux régulateurs de turbine, donnant naissance aux types PID, c'est-à-dire aux régulateurs avec des liaisons proportionnelles (P), intégrales (I) et dérivées (D) en parallèle. L'action intégrale ici est générée par des liaisons électriques, ce qui diffère clairement des régulateurs P-I-D où l'action intégrale était générée par des servocommandes à pression d'huile. Ce régulateur de type PID présente de bonnes caractéristiques statiques et dynamiques et est l'un des régulateurs les plus avancés.
  (Remarque : P-I-D représente les régulateurs électriques avec les lois de contrôle P, I, D, y compris les régulateurs de type P-I-D à accélération ; PID désigne les régulateurs électriques avec les liaisons P, I, D en parallèle, incarnant les lois de contrôle P, I, D.)

Avant les années 1960, la plupart des régulateurs utilisaient des lois de contrôle PI. Après les années 1970, les régulateurs électrohydrauliques produits dans le monde entier ont largement adopté les lois de contrôle PID, car l'introduction de la régulation de la dérivée de la vitesse logicielle a considérablement amélioré la qualité de la régulation du contrôle de la fréquence.

Recherche et application de lois de contrôle avancées

Ces dernières années, avec le développement de la technologie des micro-ordinateurs et de la théorie du contrôle, la recherche sur l'application de lois de contrôle avancées aux régulateurs de turbine a été pleinement lancée, notamment : contrôle optimal, contrôle par retour d'état, contrôle adaptatif, contrôle prédictif, contrôle flou, contrôle à paramètres variables adaptatifs, contrôle à structure variable, stratégies de contrôle à structure variable par mode de glissement et contrôle du signal de compensation de la pression d'eau.

• L'émergence des contrôleurs logiques programmables (PLC) a injecté une nouvelle vitalité dans le contrôle des régulateurs de turbine, intégrant de multiples fonctions de contrôle, améliorant considérablement les performances de contrôle et simplifiant la structure des unités de contrôle électrique. La pratique dans la R&D et la production ultérieures a prouvé que l'utilisation du PLC comme cœur de contrôle des régulateurs de turbine est progressivement devenue le courant dominant, formant la base du développement de divers types de régulateurs par différents fabricants.
• Le développement et la mise en service des régulateurs de type vanne numérique ont marqué le début des réformes dans la partie mécanique des régulateurs. La liaison de conversion électrohydraulique (s'est débarrassée de) la dépendance à la vanne de distribution principale, avec un faible coût, des performances stables et de faibles exigences en matière de qualité de l'huile, ce qui a grandement aidé le développement rapide des petites centrales hydroélectriques par la suite.
• Les unités de turbine à impulsion présentent de courtes courses de servomoteur et de multiples objets de contrôle. Le développement et la mise en service de ce régulateur ont accumulé de l'expérience pour les recherches ultérieures sur les régulateurs à impulsion spéciaux.
• Le développement ultérieur des liaisons de conversion électrohydraulique a permis la coexistence de modes de conversion doubles, (mutuellement en sauvegarde), sans interférence, permettant à une liaison de fonctionner tandis que l'autre est en maintenance. Avec des expériences d'exploitation réussies dans plusieurs centrales électriques, il est devenu le produit préféré des grandes centrales hydroélectriques.

Indicateurs de performance

• Plage de réglage du temps de fermeture complet du servomoteur des aubes directrices : 3 à 100 S

• Plage de réglage du temps d'ouverture complet du servomoteur des aubes directrices : 3 à 100 S

• Plage de réglage du temps de fermeture complet du servomoteur des aubes de la roue : 10 à 120 S

• Plage de réglage du temps d'ouverture complet du servomoteur des aubes de la roue : 10 à 120 S

• Plage de réglage de la fréquence : 45 à 55 Hz

• Plage de réglage de la flèche de vitesse permanente : 0 à 10 %

• Plage de réglage du gain proportionnel : 0,5 à 20

• Plage de réglage du gain intégral : 0,05 à 10 1/s

• Plage de réglage du gain dérivé : 0,0 à 10 s

• Plage de réglage de la zone morte artificielle : 0 à ±1,5 %

• Zone morte de vitesse mesurée au servomoteur principal : ≤0,02 %

• Après que la turbine a rejeté 25 % de la charge, le temps de non-fonctionnement du servomoteur : ≤0,2 s

• Non-linéarité de la courbe caractéristique statique : ≤0,5 %

• Pendant un fonctionnement automatique à vide de 3 minutes, la fluctuation de vitesse relative de l'unité : ≤±0,15 %.

• Après avoir rejeté 100 % de la charge nominale, le nombre de fluctuations de vitesse dépassant 3 % : ≤2 fois ; la valeur relative de la fluctuation de vitesse continue de l'unité causée par le régulateur : ≤±0,15 %.

• À partir du moment où l'unité rejette la charge jusqu'à ce que l'écart de vitesse relative soit inférieur à ±1 %, le rapport du temps de régulation au temps allant du rejet de charge à la vitesse la plus élevée doit être ≤15 pour les turbines à réaction à moyenne/faible chute et les turbines à impulsion ; pour les unités alimentant la centrale après déconnexion du réseau, la vitesse relative minimale de l'unité après le rejet de charge doit être ≥0,9.

2.4.4 Fiabilité du système de régulateur

• Disponibilité en mode automatique : >99,99 %

• Disponibilité en mode automatique + manuel : 100 %

• Temps moyen entre les premières pannes (à partir de l'acceptation sur site) : ≥35 000 heures

• Intervalle de révision : 10 ans

• Durée de vie avant la mise hors service : >20 ans