Giới thiệu sơ bộ về hệ thống điều tốc Tua bin khí.

[thienphuong]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

Đây là một hệ thống điều tốc cho một máy phát điện kéo bằng Tua bin khí của ABB.
Tài liệu này Nhóc chôm được khi đi tham quan - thực tập.
Cái này cũng khá xưa rồi, nhưng nghe nói lúc này vẫn còn hoạt động rất tốt.

Nhóc gởi cái sơ đồ khối lên trước, và sẽ dần dần viết các bài giải thích sau.

Sơ đồ chi tiết của từng khối, Nhóc chưa vẽ kịp.
Khi nào vẽ được cái nào, sẽ gởi cái đó sau.

[eubia]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

Tua bine khí là môt động cơ nhiệt, biến đổi nhiệt năng thành cơ năng.

Không khí được hút vào và nén lên áp suất cao nhờ một máy nén.
Nhiên liệu cùng với không khí này sẽ được đưa vào buồng đốt để đốt cháy.
Khí cháy sau khi ra khỏi buồng đốt sẽ được đưa vào quay turbine. Vì thế nên mới gọi là turbine khí.
Năng lượng cơ học của turbine một phần sẽ được đưa về quay máy nén, một phần khác đưa ra quay tải ngoài, như cách quạt, máy phát điện...

Đa số các turbine khí có một trục, một đầu là máy nén, một đầu là turbine. Đầu phía turbine sẽ được nối với máy phát điện trực tiếp hoặc qua bộ giảm tốc.

Riêng mẫu turbine khí dưới đây có 3 trục. Trục hạ áp gồm máy nén hạ áp và turbine hạ áp. Trục cao áp gồm máy nén cao áp và turbine cao áp. Trục thứ ba nối turbine lục với trục máy phát điện.

Như vậy, năng lượng cơ của turbine hạ áp chỉ quay máy nén hạ áp, và turbine cao áp chỉ quay máy nén cao áp. năng lượng nhiệt dư sẽ đưa vào turbine chính (turbine lực) để quay máy phát điện.

__________________

[timber]

Mục tiêu của bộ governor là điều chỉnh lưu lượng dầu trong các giai đoạn từ khởi động - tăng tốc đến định mức, và sau khi vận hành giảm tốc xuống đến lúc ngừng, với một phương pháp nào đó sao cho các thông số liên quan không bị vượt qua giá trị tối đa cho phép.

Bộ gov. này là một tổ hợp các board mạch điện tử. Mỗi board đảm nhiệm một chức năng độc lập. Các board này được cắm vào một board mạch chính.

Trong hệ thống có các bộ cảm biến, các bộ biến đổi tín hiệu, các bộ xử lý tín hiệu, bộ phận tác động đầu ra servo...

Tín hiệu đo được từ các bộ cảm biến sẽ được chuyển đổi thành các tín hiệu điện theo tiêu chuẩn dì từ -10V đến +10V. Các khối điều khiển sẽ so sánh các giá trị này với các tín hiệu tham chiếu, tìm sự sai biệt, khuếch đại các sai biệt đó lên. Các kênh điều khiển khác nhau sẽ được chọn lọc tùy theo điều kiện và tình huống bên ngoài bằng các bộ lựa chọn tín hiệu lớn nhất (max) hoặc nhỏ nhất (min) và đưa đến điều khiển servo đầu ra.

Bộ servo là một bộ phận biến đổi điện từ - thủy lực, để đóng mở một van điều khiển dầu đốt hoặc khí đốt đưa vào buồng đốt của Turbine. Bộ phận này được xem như một khâu tích phân, chỉ di chuyển khi có tín hiệu ≠ 0.

Khi hệ thống đang ổn định, thường vị trí của bộ servo này di chuyển rất chậm chạp, và thường đứng yên một chỗ. Lúc đó ứng với tín hiệu ra của mạch điều khiển sẽ xấp xỉ gần =0. Điều này tương ứng vớisai số đầu vào rất nhỏ, do đó hệ thống gọi là hệ thống điều khiển vô sai.

[watermandanang]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

Cùng phân tích từng khối trong nhóm thứ nhất, nhóm 4 card phía trên, bên tay trái, có đầu ra nối với bộ lựa chọn MIN1.

1/. Card STCL: (Starting control - liquid).

Card này dùng để điều khiển vị trí của servo dầu đốt trong thời gian khởi động máy, từ lúc bắt đầu đánh lửa cho đến khi bộ máy phát khí đạt tốc độ chạy cầm chừng không tải. Tốc độ không tải ở đây được hiểu là ứng với một giá trị xác định áp lực của buồng đốt, ứng với turbine lực đạt tốc độ định mức và máy phát không mang tải.

Mạch này sẽ điều khiển vị trí của servo theo một hàm của tốc độ trục cao áp. Hàm này được tính toán sao cho tốc độ tăng tốc của các trục không vượt qua ngưỡng an toàn, nhưng vẫn bảo đảm tự giữ được tốc độ và không mất lửa. Nó sẽ so sánh vị trí của servo (XL) với một hàm số của tốc độ trục cao áp f(N2). Sai số của bộ so này sẽ được khuếch đại lên, và đưa đến mạch chọn lóc trị số tối thiểu MIN1.

Các tín hiệu nhiệt độ môi trường T0 và nhiệt độ dầu TW được nối với mạch để hiệu chỉnh lại hàm truyền này cho phù hợp. Khi nhiệt độ môi trường tăng sẽ làm giảm vị trí servo và khi nhiệt độ dầu tăng, nó sẽ làm tăng vị trí servo. Sự tăng giảm này là tịnh tiến toàn bộ đường cong của hàm truyền.



2/. Card PAC: (Power turbine aceleration control).

Card này hạn chế gia tốc của Turbine lực. Khi máy phát khí đạt đến một tốc độ nào, thì khó có thể điều khiển nó theo quan hệ Xl = f(N2) của card STCL nữa. Khi đó cần khải không chế gia tốc của Turbine lực. Tốc độ N3 được lấy vi phân, và đưa về điều khiển sao cho nó sẽ bị không chế bỏi 1 hàm theo thời gian. Ban đầu cho phép tăng tốc nhanh để vượt qua tốc độ cộng hưởng, sau đó sẽ không chế giảm gia tốc xuống, sao cho lúc gần đạt tốc độ định mức, gia tốc còn rất thấp. N3 sẽ ttừ từ đi vào tốc độ định mức.

[myanco2003]

Phân tích từng khối (tt). 3/. Card FRC: (Frequency control).

Card này điều khiển vị trí của servo khi khởi động, khi máy phát hòa điện vào lưới và khi máy phát mang tải bình thường.

Mạch này sẽ so sánh tốc độ của turbine lực (N3) với 1 tốc độ tiêu chuẩn khi khởi động. Khi đạt tốc tiêu chuẩn, nó sẽ tự động so sánh tần số máy phát (fG) với tần số lưới (fS. Sai số giữa 2 tần số này được khuếch đại lên để điều chỉnh servo.

Sau khi máy phát hòa điện vào lưới, card sẽ so sánh tần số máy (fG) với Trị số đặt của tải (LS) tải thực tế - ở đây có quan hệ với áp suất buồng đốt (PS4).

Đặc tính này sẽ điều khiển sao cho tải của máy phát sẽ bám theo độ chênh lệch tần số và chênh lệch tải, tùy theo độ dốc mong muốn của bộ điều tốc (DS, lấy từ biến trở điều chỉnh độ dốc droop setting). (Nhóc sẽ bàn nhiều hơn về vấn đề này trong một bài viết khác).



4/. Card MPCL: (Manual position control - liquid fuel).

Card này sẽ tạo ra giới hạn trên cho giới hạn vị trí của servo, nhằm không chế lượng dầu đưa vào buồng đốt, nếu trường hợp 1 trong số các card điều khiển trên bị hoạt động sai lệch. Card này thường được dùng để hạn chế công suất khi mang tải.

[duongtramanh.bdg]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

4 card trên được chia nhau điều khiển hệ thống theo trình tự như sau:

Ban đầu, servo bị kềm giữ ở vị trí thấp nhất, ứng với không có dầu vào buồng đốt.

Khi máy bắt đầu khởi động, một hệ thống khởi động bằng khí nén sẽ kéo máy nén quay. Tốc độ N1 và N2 sẽ được tăng lên. Khi đến 1 tốc độ xác định (khoảng 20% tốc độ không tải, servo val bắt đầu được nhả ra khỏi vị trí thấp nhất. Đồng thời hệ thống đánh lửa được khởi động, cấp điện vào bu gi. Hệ thống này chỉ ngưng đánh lửa khi đã phát hiện lửa cháy trong buồng đốt. Hệ thống này được điều khiển bằng máy tính, ta không bàn ở đây.

Khi đó, ta thấy:

1/. N2 còn thấp. N3 =0, nên card FRC ra lệnh cho mở van dầu tối đa, điện áp ra của FRC gần bằng điện áp nguồn dương: FRC cao.
2/. Card PAC chưa nhìn thấy gia tốc của Turbine lực, nên cũng ra lệnh mở van dầu tối đa. Điện áp ra của PAC cũng bằng điện áp nguồn dương: PAC cao.
3/. Vị trí XL của servo còn rất thấp, nên card MPCL cũng ra lệnh tăng dầu tối đa, Điện áp ra của MPCL cũng gần bằng nguồn dương: MPCL cao.
4/. XL còn thấp, chưa đến giới hạn của đặc tuyến XL = f(N2), nên STCL cũng cho phép tăng dầu tối đa. STCL cao.

Cả 4 tín hiệu đều yêu cầu tăng dầu, nên nếu các phần phía sau không tham gi vào thì servo sẽ di chuyển khá nhan lên, để đưa thêm dầu vào buồng đốt, và đốt cháy, sinh công

Tuy nhiên, XL không thể tăng mãi, vì khi gần chạm vào đặc tuyến của STCL thì đầu ra của card này sẽ giảm xuống dần (STCL giảm), qua bộ lựa chọn MIN1 sẽ giành quyền điều khiển servo. Khi XL ổn định ở đúng đặc tuyến của STCL, điện áp ra của STCL sẽ xấp xỉ =0 (STCL -->0, thấp nhất), card này hoàn toàn giành quyền điều khiển servo.

Khi N2 tăng dần, lượng dầu cũng tăng theo, và tốc độ của cả 3 trục cũng tăng khá nhanh. Đến lúc nào đó, gia tốc của trục N3 gần chạm đến đặc tuyến của card PAC, đầu ra của card PAC sẽ giảm xuống. Lúc này sẽ có tình trạng 2 card PAC và STCL tranh giành nhau quyền điều khiển servo, nếu giới hạn của card nào vi phạm nhiều hơn. Và thường là có sự thay đổi luân phiên qua lại một vài lần giữa 2 card.

Khi N3 tăng đến gần N3 định mức (3000 vòng/phút), thì đầu ra của FRC sẽ giảm xuống từ từ, làm giảm dầu xuống không cho tiếp tục tăng tốc turbine (FRC giảm). Lúc đó STCL và PAC đều không cảm thấy bị vi phạm gì, nên ra lệnh tăng servo tối đa. Như vậy vào thời điểm này, FRC có giá trị thấp nhất sẽ giành quyền khống chế servo qua cổng chọn lọc MIN1.

Trên mỗi card đều có 1 đèn LED, để phát hiện khi nào đầu ra của nó gần =0, để báo cho các anh chị vận hành viên hoặc các anh chị sửa chữa theo dõi, biết được lúc nào card nào giành được quyền điều khiển.

[thanhlongcoltd]

Ngay thời điểm tốc độ N3 tăng đến định mức = 3000 v/p, trong lúc card PAC và STCL vẫn còn cho phép tăng tốc thì card FRC lại giảm dầu xuống. Tuy nhiên do quán tính nhiệt, tốc độ của N3 vẫn khong dừng lại ngay ở 300, mà còn tiếp tục tăng thêm một ít nữa. Do tốc độ máy bây giờ > định mức, nên FRC sẽ tìm cách giảm xuống nhanh chóng, bằng cách giảm bớt dầu rất nhiều. Điều này dẫn đến lượng dầu giảm thấp hơn mức an toàn, có thể gây mất lửa. Để tránh trường hợp trên, người ta dùng mạch so sánh MAX1.

Mạch so sánh này sẽ so sánh tín hiệu ra của mạch MIN1 với tín hiệu của card GDCL (Gas generator deceleraion control - liquid fuel). Card này sẽ đưa ra mức dầu an toàn tối thiểu, và tránh không cho các card khác điều khiển thấp hơn trị số của card này.

Mức dầu an toàn tối thiểu được tính toán theo tỷ số nhiên liệu / không khí. Nếu tỷ số này thấp quá sẽ không duy trì được ngọn lửa. Tỷ số này được mô phỏng dựa trên quan hệ giữa vị trí servo XL (nhiên liệu) và tốc độ trục cao áp N2 (lưu lượng không khí). Các tín hiệu nhiệt độ dầu và nhiệt độ không khí được đưa vào để tinh chỉnh lại đặc tuyến quan hệ.
Như vậy, khi đạt đến tốc độ định mức, tốc độ n3 sẽ vượt lên cao hơn định mức một chút rồi giảm trở về. Nếu điều chỉnh chính xác các card, độ tăng N3 sẽ dao động tắt dần trong 1 chu kỳ đến 1,5 chu kỳ. Nếu điều chỉnh không chính xác, thời gian dao động sẽ kéo dài hơn.

Khi tốc độ đã ổn định, bên máy tính trung tâm sẽ ra lệnh cho phép hòa đồng bộ. Card FRC sẽ so sánh tần số máy và tần số lưới để tính toán thay đổi mức dầu cần thiết. Đồng thời bên phía bộ điều thế AVR cũng thực hiện động tác thay đổi điện áp thep U lưới. Khi các điều kiện về U và f đầy đủ, rơ le hòa điện sẽ ra lệnh đóng máy cắt, hòa điện vào lưới.

Khi máy phát hòa điện vào lưới, bộ điều tốc sẽ cân nhắc giữa các trị số: tần số máy phát, tải của máy phát, trị số đặt tải của Vận hành viên và tải của hệ thống nhiệt (PS4) mà điều chỉnh lượng dầu cho vừa phải.

Nếu máy phát hoạt động độc lập, card FRC chỉ quan tâm chủ yếu đến tần số mà bỏ qua trị số tải. Đặc tuyến tải vs tần số là một đường dốc đứng.

Nếu máy phát nối vào lưới, người ta sẽ thiết lập một độ dốc sao cho sự thay đổi tải theo tần số tương đối thấp hơn, gọi là thiết lập độ droop cho máy.

Thí dụ như nếu ta đặt độ dốc 4%, thì khi tần số dao động trong phạm vi 4%, công suất máy sẽ thay đổi trong phạm vi 100%. Việc đặt trị số này ≠ 0 để bảo đảm các máy phát trên lưới sẽ cùng thay đổi công suất tương ứng khi tần số dao động. Nếu đặt cao quá, máy sẽ ì, ít đáp ứng theo tần số. Nếu đặt thấp quá, máy sẽ đáp ứng quá nhanh, nhạy có thể gây mất ổn định.

Thí dụ như nếu tần số giảm quá thấp, một số máy quá nhạy sẽ tăng công suất quá nhiều, trong khi các máy quá ì sẽ không tăng gì cả, hoặc tăng rất ít.