ELEKTRYKA 0 Zeszyt Rok LVIII Grzegorz REDLARSKI Katedra Mechatronk Inżyner Wysokch Napęć, Poltechnka Gdańska OCENA MOŻLIWOŚCI ZMIANY STRUKTURY UKŁADU REGULACJI PRĘDKOŚCI KĄTOWEJ TURBOZESPOŁU W CELU ELIMINACJI SYNCHRONIZATORA AUTOMATYCZNEGO Streszczene. W artykule podano propozycję zmany struktury układu regulacj turbozespołu, w celu elmnacj synchronzatora automatycznego w procese łączena. Wykonano szereg analz w zakrese zman kąta nezgodnośc azowej omówono najstotnejsze wynk badań artykuł był prezentowany na konerencj PPEEm 0. Słowa kluczowe: układy sterowana prędkoścą kątową, elmnacja synchronzatora automatycznego THE ASSESSMENT OF THE ANGULAR SPEED CONTROL SYSTEM MODIFICATION POSSIBILITY IN A STEAM TURBINE FOR THE PURPOSE OF ELIMINATING AN AUTOMATIC SYNCHRONIZER Summary. Ths paper presents a proposal to amend the structure o a steam turbne system to elmnate an automatc synchronzer n a classcal synchronzaton process. For ths reason the results o many studes and the most mportant conclusons are presented the paper was presented at the conerence PPEEm 0. Keywords: control systems o angular speed, elmnaton o automatc synchronzer. WPROWADZENIE Aktualne proces łączena [6] obektów elektroenergetycznych do pracy równoległej jest z reguły wykonywany za pomocą dedykowanych urządzeń automatyk, jakm są synchronzatory automatyczne [3, 4, 8,, 3] rys.. Urządzena te, w celu zrównana wartośc chwlowych napęć u u łączonych obektów, oddzałują na układ wzbudzena regulacj napęca oraz na układ regulacj prędkośc kątowej, a następne z odpowednm czasem wyprzedzena, równym czasow własnemu załączana wyłącznka generatora WG, wysyłają sygnał załączający wyłącznk [, 0].
00 G. Redlarsk Rys.. Istota procesu łączena obektów elektroenergetycznych do pracy równoległej Fg.. The nature o connectng process o electrcal power unts Proces sterowana napęcem z reguły ne nastręcza problemów, a nedokładność jego realzacj na ogół ne powoduje poważnych konsekwencj. Natomast proces sterowana prędkoścą kątową jest zwązany ze zmaną az napęć łączonych obektów z powstawanem określonej wartośc kąta nezgodność azowej w chwl łączena. W wynku tego dochodz do przepływu prądu o charakterze nemal całkowce czynnym w eekce może prowadzć do szeregu bardzo poważnych groźnych konsekwencj. Ponadto, proces sterowana prędkoścą kątową jest z reguły znaczne dłuższy od procesu sterowana napęcem, co powoduje wydłużene całego procesu synchronzacj w lcznych sytuacjach ruchowych wymagających zdecydowanego oraz szybkego dzałana ne pownen być akceptowany [9, ]. Powyższe uzasadnene wskazuje, ż skutecznego rozwązana przedstawonego problemu należy poszukwać w usprawnenu dotychczasowego sposobu sterowana częstotlwoścą. Jedną z potencjalnych propozycj w tym zakrese jest zmana dotychczasowej struktury układu sterowana w której synchronzator oddzałuje na zadajnk prędkośc kątowej, wymuszając zadaną zmanę częstotlwośc napęca g rys., do postac przedstawonej na rys. 3 z odpowednm regulatorem. Istotą nnejszego artykułu jest udzelene wstępnej odpowedz na zapytane, czy tego rodzaju dzałane jest celowe oraz możlwe. Rys.. Istota procesu sterowana w układze z synchronzatorem automatycznym Fg.. The nature o control process n control system wth automatc synchronzer
Ocena możlwośc zmany struktury 0 Rys. 3. Istota procesu sterowana w układze bez synchronzatora automatycznego Fg. 3. The nature o control process n control system wthout automatc synchronzer. OCENA PROPOZYCJI ROZWIĄZANIA PROBLEMU Dzałane polegające na zmane struktury układu sterowana prędkoścą kątową, w wynku którego usunęty zostałby synchronzator automatyczny, a jego unkcje sterujące byłyby przejęte przez układ z regulatorem rys. 3, wymaga rozwązana welu problemów. Najważnejszym z nch jest zagwarantowane takego dzałana regulatora, które unezależn kształt charakterystyk przejścowej od warunków pracy, jake mogą wystąpć na danym obekce. Przyczyną odnośnego wpływu są m.n. warunk towarzyszące rodzajow rozruchu bloku elektroenergetycznego ze stanu zmnego, po postoju krótkotrwałym, po wypadnęcu z synchronzmu podjęcu decyzj o resynchronzacj bez procedury odstawena tp.. Powyższa argumentacja skłana do umeszczena w proponowanym torze sterowana rys. 3 takego regulatora, którego dzałane pozwol na sprowadzene każdej charakterystyk przejścowej obektu do pewnej charakterystyk wzorcowej odnesena. W celu uzasadnena odnośnej propozycj w artykule rozważono przykładowy model turbozespołu parowego, z turbną kondensacyjną z mędzystopnowym przegrzewem pary rys. 4, który stanow jednostkę reprezentatywną dla lcznej grupy obektów rzeczywstych [,, 5, 7, 4]. Rys. 4. Schemat blokowy układu regulacj prędkośc kątowej turbozespołu parowego: SM serwomotor zaworów, SL słownk zaworów, PR mędzystopnowy przegrzewacz pary, WP część wysokoprężna turbny, SNP część średnoprężna oraz nskoprężna turbny, B bezwładność mas wrujących Fg. 4. A block dagram o angular speed control system o steam turbne: SM servo-motor o valves, SL valve actuator, PR nterstage reheater, WP hgh pressure turbne secton, SNP ntermedate and low pressure turbne secton, B nerta o rotatng masses
0 G. Redlarsk Na rys. 5 przedstawono przykładowe odpowedz rozpatrywanego układu dla różnych warunków pracy, reprezentowanych dla celów demonstracyjnych przez wysoke zmany częstotlwośc, na skokową zmanę wartośc zadanej gz. W celu uzyskana różnc w odpowedzach układu dokonywano zman parametrów kwp ksnp, których wartośc reprezentują udzał poszczególnych częśc turbny kondensacyjnej w wytwarzanu całkowtego momentu napędowego MT na wale. Następne traktując, jako wzorzec, odpowedź układu regulacj o parametrach: kwp = 0,3 oraz ksnp = 0,7; dokonywano doboru wszystkch parametrów regulatora PI rys. 4 w tak sposób, aby każdą z pozostałych odpowedz nną anżel odpowedź odnesena rys. 5 sprowadzć do odpowedz odnesena. Do rozwązana tego zagadnena określono unkcję celu w postac: n... mn mn, gdze: oznacza wektor, a unkcję określoną przez wektor wartośc. Z kole do oceny stopna dopasowana krzywych tj.: odpowedz uzyskanej w wynku dzałana regulatora z odpowedzą odnesena przyjęto marę w zdenowaną następująco: n n n n 00 w, gdze: n oznacza lczbę próbek reprezentujących każdą z krzywych. Postępując w powyższy sposób, uzyskano wynk, które przedstawono na rys. 6. Rys. 5. Charakterystyk przejścowe przykładowego obektu w różnych warunkach pracy Fg. 5. Transent characterstc o sample object n derent operatng condtons
Ocena możlwośc zmany struktury 03 Rys. 6. Charakterystyk przejścowe po dokonanu procesu optymalzacj parametrów regulatora Fg. 6. Transent characterstc ater the optmzaton process o governor parameters Ocenę wpływu współczynnka dopasowana w dla odpowedz uzyskanej w wynku dzałana regulatora z odpowedzą odnesena odnoszono do zmany kąta nezgodnośc azowej w procese łączena. Oznaczając przez różncę częstotlwośc pomędzy odpowedzam odnosząc, w czase całego procesu łączena, zmanę kąta do chwl początkowej, wartość odnośnego kąta nezgodnośc azowej można opsać zależnoścą: 360t. 3 Wynk, dla różnc w odpowedzach, które uwdocznono na rys. 5, zostały pokazane na rys. 7. Natomast wynk dla różnc przedstawonych na rys. 6 zostały pokazane na rys. 8. Rys. 7. Przebeg kąta nezgodnośc azowej w wynku zastosowana regulatora o stałych parametrach Fg. 7. Phase dscrepancy waveorm as a result o applcaton the governor wth ed parameters
04 G. Redlarsk Rys. 8. Przebeg kąta nezgodnośc azowej po zastosowanu regulatora o optymalnych parametrach Fg. 8. Phase dscrepancy waveorm as a result o applcaton the governor wth optmzed parameters Analzując przebeg przedstawone na rys. 7 rys. 8, można stwerdzć, że odpowedn dobór parametrów regulatora pozwala na stotne ogranczene maksymalnych wartośc kątów. Nemnej jednak uzyskane wartośc maksymalne rys. 8: ma = 5,05 dla przebegu oznaczonego kolorem zelonym, ma = 7,56 dla przebegu oznaczonego kolorem czarnym, ma = 75,34 dla przebegu oznaczonego kolorem nebeskm oraz ma = 344,49 dla przebegu koloru czerwonego; są tak o wele za duże, by można było je uznać chocażby tylko za akceptowalne. Wartośc kąta łączena wynoszącej 80 + k80 k N odpowada bowem połączene w przecwaze. Natomast w praktyce za akceptowalne uznaje sę z reguły wartośc mnejsze, od maksymalne klkunastu stopn, a za wartośc w pełn satysakcjonujące uznaje sę z reguły błędy neprzekraczające pojedynczych stopn. Odnosząc sę do uzyskanych wynków, należy podkreślć, że zastosowane proponowanego regulatora przyczynło sę do stotnego zmnejszena różnć pomędzy rozpatrywanym charakterystykam przejścowym rys. 5 rys. 6. Nemnej jednak, błędy kąta nezgodnośc azowej, pommo znacznej redukcj rys. 7 rys. 8, są na tyle duże, że w żadnym przypadku ne można ch uznać za akceptowalne. Z tego względu uzasadnone jest przeprowadzene dalszej analzy, mającej na celu ustalene, czy możlwe byłoby uzyskane akceptowalnych błędów kąta nezgodnośc azowej po zastosowanu odnośnej procedury do obektu, dla którego zakres rozbeżnośc pomędzy charakterystykam przejścowym byłby znaczene mnejszy. Przypadek tak zlustrowano na rys. 9, na którym w porównanu z rys. 5, przedstawono charakterystyk przejścowe reprezentujące znaczne mnejszy zakres rozbeżnośc. Natomast na rys. 0, w odnesenu do tego przypadku, przedstawono charakterystyk uzyskane po dokonanu procesu optymalnego doboru parametrów regulatora.
Ocena możlwośc zmany struktury 05 Rys. 9. Charakterystyk przejścowe obektu reprezentujące newelk zakres rozbeżnośc Fg. 9. Phase dscrepancy waveorm o the object, representng a small range o dscrepances Rys. 0. Przebeg kąta nezgodnośc azowej po zastosowanu regulatora o optymalnych parametrach Fg. 0. Phase dscrepancy waveorm ater applcaton the governor wth optmzed parameters Z uwag na uzyskane wysokej zbeżnośc odpowedz w tym przypadku rys. 9 rys. 0 należy spodzewać sę równeż stotnego zmnejszena błędów kątów nezgodnośc azowej. Z tego względu na rys. pokazano przebeg kąta nezgodnośc azowej dla różnc w odpowedzach, które przedstawono na rys. 9. Z kole na rys. przedstawono przebeg kąta łączena dla różnc w odpowedzach, jake powstają po zastosowanu regulatora o parametrach zoptymalzowanych.
06 G. Redlarsk Rys.. Przebeg kąta nezgodnośc azowej w wynku zastosowana regulatora o stałych parametrach Fg.. Phase dscrepancy waveorm as a result o applcaton the governor wth ed parameters Rys.. Przebeg kąta nezgodnośc azowej po zastosowanu regulatora o optymalnych parametrach Fg.. Phase dscrepancy waveorm ater applcaton the governor wth optmzed parameters Z analzy rys. rys. wynka, ż nawet newelke rozbeżnośc pomędzy charakterystykam przejścowym mogą powodować stotne błędy kątów nezgodnośc azowej. Nemnej jednak błędy te, w przypadku grupy obektów o bardzo łagodnych wymaganach w zakrese kątów łączena, można uznać za akceptowalne. Z tego względu odnośną propozycję, we wspomnanych warunkach pracy, można uznać za nteresującą.
Ocena możlwośc zmany struktury 07 3. NIEDOGODNOŚCI WYNIKAJĄCE Z ROZPATRYWANYCH ROZWIĄZAŃ Odnosząc sę do opsanej w artykule propozycj, należy pamętać, że w klasycznych procesach łączena w torze regulacj częstotlwośc synchronzator automatyczny oddzałuje na zadajnk prędkośc kątowej długoścą mpulsu sterującego. Należy równeż pamętać, że układ ten realzuje szereg dodatkowych unkcj, m.n. dokonuje: sprawdzena prawdłowośc wykonana warunku częstotlwoścowego, ekstrapolacj chwl zgodnośc azowej, czy wysyłana sygnału załączającego wyłącznk generatora. Z tego względu wyelmnowane synchronzatora automatycznego z toru sterowana prędkoścą kątową zastąpene go proponowanym układem z regulatorem wąże sę także z konecznoścą opracowana odpowednch rozwązań w zakrese pozostałych czynnośc synchronzatora. Rozważając przedstawoną propozycję uzyskane do tej pory wynk, należy stwerdzć, że dzałane, polegające na usunęcu synchronzatora automatycznego z dotychczasowego układu regulacj przejęce jego unkcj przez nowy układ z regulatorem ne jest możlwe. Uwzględnona podczas badań struktura regulatora ne gwarantuje bowem takego dopasowana dowolnej odpowedz układu regulacj do charakterystyk wzorcowej, by w każdych warunkach pracy móc ją uznać chocażby tylko za akceptowalną. Śwadczą o tym zbyt duże zakresy zman kąta nezgodnośc azowej powstające nawet przy newelkch różncach w odpowedzach rys. 9, w potencjalnych chwlach łączena. Jedyne bowem w sytuacj, gdy maksymalne wartośc błędów kątów łączena rys. ne przekraczałyby wartośc dopuszczalnych, możlwe byłoby dokładne określene chwl łączena na podstawe pomarów początkowej różncy az częstotlwośc obydwu łączonych obektów. Ponadto, kształt charakterystyk przejścowej synchronzowanego obektu musałby być znany z chwlą rozpoczęca procesu łączena. Zatem, jej dentykacja pownna zachodzć w bardzo krótkm czase rzędu pojedynczych sekund przykładowo na podstawe parametrów z przyjętych obserwatorów. Uwzględnając poddany analze przypadek, takm obserwatoram mogłyby być czujnk natężena przepływu pary przez poszczególne stopne turbny, co pozwalałoby na dentykację parametrów kwp oraz ksnp w przyjętej do badań strukturze. Natomast w warunkach rzeczywstych zmany charakterystyk przejścowych łączonych obektów mogą wynkać z rozbeżnośc znaczne wększej lczby parametrów modelu. Rozpatrywany obekt jest bowem slne nelnowy oraz podatny na szereg dodatkowych czynnków, chocażby na zmany temperatury co newątplwe czyn rozpatrywany problem jeszcze trudnejszy do rozwązana. Ponadto, złożoność procesów oblczenowych, jake należy wykonać, wpływa w stotny sposób na czas ch realzacj. Przykładowo, pojedyncza sera symulacyjna, pozwalająca na optymalny dobór parametrów regulatora, wykonywana na dedykowanym do oblczeń komputerze PC z procesorem Intel Pentum Core--Quad, trwała klkadzesąt godzn, a w praktyce cały proces łączena zajmuje zwykle od klkunastu do klkudzesęcu sekund.
08 G. Redlarsk Pewnym kompromsem mogłoby być, przykładowo, take rozwązane, w którym dobór parametrów regulatora pozwalałby wyłączne na zmanę prędkośc kątowej o wartość zadaną którego dzałane ne wprowadzałoby przesunęca azowego. Natomast pozostałe czynnośc, take jak kontrola: warunku częstotlwoścowego, przyspeszena kątowego, czy ekstrapolacja chwl zgodnośc azowej ormowane sygnału załączającego wyłącznk generatora byłyby realzowane za pomocą oddzelnego, dedykowanego do tego celu układu realzującego pozostałe unkcje synchronzatora automatycznego. 4. PODSUMOWANIE ORAZ WNIOSKI Z przedstawonych rozważań wynka jednoznaczne, że nawet newelke zmany kształtu charakterystyk przejścowych obektów elektroenergetycznych mogą powodować powstawane znacznych wartośc błędów kąta nezgodnośc azowej w potencjalnych chwlach łączena. Stąd też zadane, polegające na zmane struktury regulacj układu regulacj prędkośc kątowej, mające na celu elmnację synchronzatora automatycznego, z toru sterowana prędkoścą kątową turbozespołu można uznać za nezwykle trudne do realzacj. Dodatkowym elementem, utrudnającym skuteczną realzację proponowanego rozwązana, jest dług czas zwązany z wykonywanem oblczeń rzędu klkunastu godzn, w odnesenu do czasu trwana całego procesu łączena z reguły maksymalne klkadzesąt sekund. Natomast osągnęce wymernych korzyśc byłoby możlwe dopero wówczas, gdyby czas łączena został w stotny sposób skrócony, a to z kole wymagałoby wykonywana wszystkch nezbędnych oblczeń w czase pojedynczych sekund. Uwzględnając przedstawone wynk badań symulacyjnych oraz technczne możlwośc stosowanych rozwązań sprzętowych, odnośną propozycję należy traktować jako wyzwane na przyszłość. Opracowane skutecznych rozwązań wymaga nadal welu badań, m.n. w zakrese modelowana układów regulacj prędkośc kątowej dla potrzeb łączena, doboru odpowednch struktur regulatorów oraz kryterów metod pozwalających na szybką eektywną optymalzację ch parametrów pracy. Kolejność najważnejszych dzałań w tym zakrese pownna być następująca: opracowane zastępczych model matematycznych układów regulacj prędkośc kątowej, pozwalających na odpowedno dokładne odwzorowywane charakterystyk przejścowych łączonych obektów, opracowane metody oraz algorytmu, pozwalających na dokonywane wyboru wzorcowej charakterystyk przejścowej charakterystyk odnesena, opracowane metod dentykacj parametrów model na podstawe pomarów wybranych welkośc zycznych lub przez zastosowane określonych metod predykcyjnych,
Ocena możlwośc zmany struktury 09 określene struktury regulatora prędkośc kątowej, który pozwol na skuteczne sprowadzene każdej charakterystyk przejścowej reprezentującej stan zakłócenowy do wzorca tj. do charakterystyk odnesena, opracowane metod oraz algorytmów optymalnego doboru parametrów regulatora, budowa układu pozwalającego na realzację wszelkch oblczeń w ww. zakrese, w czase pojedynczych sekund. Prezentowany artykuł stanow rozwnęce reeratu wygłoszonego opublkowanego w materałach Sympozjum PPEEm 0. BIBLIOGRAFIA. Grono A.J., Redlarsk G., Zawalch J.: Komputerowo wspomagane badana układów automatycznej synchronzacj prądnc, Gdańsk: PAN, Sera wydawncza Komtetu Elektrotechnk, Postępy Napędu Elektrycznego Energoelektronk. Wydawnctwo Poltechnk Gdańskej, 005.. Hellmann W., Szczerba Z.: Regulacja częstotlwośc napęca w systeme elektroenergetycznym. WNT, Warszawa 978. 3. Instrukcja obsług mkroprocesorowego synchronzatora generatorów synchroncznych typ SM-05B, Gdańsk: P.U.P. KARED Sp. z o.o., 988. 4. Instrukcja obsług mkroprocesorowego synchronzatora generatorów synchroncznych typ 06B, Gdańsk: P.U.P. KARED Sp. z o.o., 000. 5. Kundur P.: Power System Stablty and Control. McGraw-Hll, Inc. 994. 6. Lndsey W.C.: Synchronzaton systems n comuncatons and control. Englewoods Cls, Prentce-Hall, Inc., New Jersey 97. 7. Lubośny Z.: Sel-organsng controllers o generatng unt n electrc power system, Sera Monograe: Wydawnctwo Poltechnk Gdańskej, Gdańsk 999. 8. M-093B Syncrocloser Unt Instructons Book, Beckwth Electrc CO.,INC., USA, Florda, 004. 9. Poradnk nżynera elektryka, tom III, rozdz. 7. Red. Szczerba Z.. Wydawnctwa Naukowo-Technczne, Warszawa 005. 0. Redlarsk G.: Nowe rozwązana automatyzacj procesu łączena obektów elektroenergetycznych do pracy równoległej. Sera Monograe: Wydawnctwo Poltechnk Gdańskej, Gdańsk 009.. Szczerba Z.: Warunk łączena do pracy równoległej po awar w systeme elektroenergetycznym. Automatyka Elektroenergetyczna, 999, nr.. Smolarz S.: Badana atestowe ocena prototypu synchronzatora USA-M. Zakłady Pomarowo-Badawcze Energetyk ENERGOPOMIAR, 988.
0 G. Redlarsk 3. SPM-A Synchronzer, Installaton and Operaton Manual, Woodward, Fort Collns CO., USA, 009. 4. Zajczyk R.: Modele matematyczne systemu elektroenergetycznego do badana elektromechancznych stanów neustalonych procesów regulacyjnych. Wydawnctwo Poltechnk Gdańskej, Gdańsk 003. Wpłynęło do Redakcj dna 9 lstopada 0 r. Recenzent: Pro. dr hab. nż. Stean Paszek Dr hab. nż. Grzegorz Redlarsk Poltechnka Gdańska, Wydzał Elektrotechnk Automatyk Katedra Mechatronk Inżyner Wysokch Napęć ul. Własna Strzecha 8A, 80-33 GDAŃSK tel.: 058 347-3-7; e-mal: g.redlarsk@ely.pg.gda.pl