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El papel y el estado del gobernador de turbina hidráulica en las centrales hidroeléctricas

Cuando la electricidad está en funcionamiento, es necesario mantener constantemente el equilibrio entre el suministro de energía y la carga. Además, garantizar la buena calidad de la energía eléctrica es una tarea importante en el proceso de producción de energía. Los principales indicadores para medir la calidad de la energía eléctrica son generalmente el voltaje y la frecuencia, seguidos por la forma de onda. Las desviaciones en la frecuencia afectarán seriamente el funcionamiento normal de los usuarios de energía. Para los motores eléctricos, una disminución de la frecuencia hará que la velocidad del motor disminuya, reduciendo así la productividad y afectando la vida útil del motor; por el contrario, un aumento de la frecuencia hará que la velocidad del motor aumente, aumentando el consumo de energía y reduciendo la economía. Especialmente en ciertos sectores industriales con estrictos requisitos de velocidad (como textiles, fabricación de papel, etc.), las desviaciones de frecuencia afectarán en gran medida la calidad del producto e incluso conducirán a productos defectuosos. Además, las desviaciones de frecuencia tendrán impactos más graves en la propia central eléctrica. Por ejemplo, en las centrales térmicas, para la maquinaria centrífuga como las bombas de agua de alimentación de calderas y los ventiladores, su salida disminuirá bruscamente cuando la frecuencia disminuya, lo que obligará a reducir significativamente la salida de la caldera o incluso a activar un apagado de emergencia de la caldera. Esto inevitablemente reducirá aún más la producción de energía del sistema, lo que conducirá a una mayor disminución de la frecuencia del sistema. Además, cuando se opera a una frecuencia reducida, las palas de la turbina desarrollarán grietas debido al aumento de la vibración, acortando así la vida útil de la turbina. Por lo tanto, si la tendencia de una fuerte disminución de la frecuencia del sistema no se puede detener de manera oportuna, inevitablemente causará un círculo vicioso e incluso conducirá al colapso de todo el sistema de energía.

Según las regulaciones del sector energético de China, la frecuencia nominal de la red eléctrica es de 50 Hz, y la desviación de frecuencia permitida para las grandes redes eléctricas es de ±0,2 Hz. Para las redes eléctricas pequeñas y medianas, las fluctuaciones de la carga del sistema a veces pueden alcanzar del 5% al 10% de su capacidad total; incluso para los grandes sistemas de energía, las fluctuaciones de la carga a menudo alcanzan del 2% al 3%. El cambio continuo de la carga del sistema de energía conduce a fluctuaciones en la frecuencia del sistema. Por lo tanto, la tarea básica de la regulación de la turbina es ajustar continuamente la potencia de salida del grupo turbina-generador y mantener la velocidad de rotación (frecuencia) de la unidad dentro del rango nominal especificado.

En resumen, el gobernador de turbina hidráulica es un dispositivo auxiliar importante para el grupo turbina-generador en las centrales hidroeléctricas. Se coordina con el circuito secundario de la estación y el sistema de monitoreo por computadora para completar tareas como el arranque y la parada del grupo turbina-generador, el aumento o la disminución de las cargas y el apagado de emergencia. El gobernador de la turbina también puede trabajar con otros dispositivos para completar tareas como el control automático de generación, el control de grupo y la regulación de acuerdo con los niveles de agua. Además, cuando ocurre una falla en la red eléctrica, coopera con el disparo del interruptor automático para completar rápida y establemente el proceso de rechazo de carga, protegiendo la unidad de la turbina y permitiéndole restaurar la velocidad nominal lo antes posible.

En conclusión, las tareas básicas del gobernador de la turbina se resumen de la siguiente manera:
◆ Funcionamiento normal de la unidad
◆ Garantizar el funcionamiento seguro de la unidad
◆ Distribución razonable de las cargas entre las unidades paralelas

Tipos de gobernadores de turbinas hidráulicas

Clasificados por el número de objetos controlados, se pueden dividir en gobernadores de ajuste único y gobernadores de ajuste doble.

• Generalmente, los gobernadores de ajuste único se utilizan para varias unidades de álabes fijos de turbinas de reacción (como la turbina Francis). El objeto controlado son solo las paletas directrices, y el flujo de agua a través de los álabes de la turbina se controla ajustando la apertura de las paletas directrices.

• Los gobernadores de ajuste doble se utilizan para varias unidades de álabes variables de tipo reacción (como la turbina Kaplan). Los objetos controlados son las paletas directrices y los álabes del rodete. La salida del flujo de agua a la turbina se controla ajustando la apertura de las paletas directrices y el ángulo de los álabes del rodete. En general, las unidades de álabes variables tienen un control coordinado entre las paletas directrices y los álabes del rodete.

Además, las turbinas de impulso tienen más objetos controlados, que se clasifican como otro tipo de gobernadores de "múltiples boquillas y múltiples deflectores" o "múltiples boquillas y un deflector", diseñados específicamente para turbinas de impulso. Los objetos de control del gobernador varían según el número de agujas de boquilla y deflectores de la turbina de impulso.

2. Los gobernadores de turbinas hidráulicas son generalmente productos mecatrónicos en su conjunto, y sus partes de ejecución mecánica adoptan control hidráulico. Clasificados por métodos de conversión electrohidráulica, se pueden dividir en gobernadores digitales, de pasos y proporcionales-digitales. Generalmente, los tipos digitales y proporcionales se combinan.

• Los gobernadores digitales utilizan electroválvulas para controlar el encendido/apagado de la válvula con pulsos digitales, logrando el efecto de controlar el encendido/apagado del servomotor.

• Los gobernadores de pasos utilizan corriente para impulsar el motor paso a paso para que gire hacia adelante o hacia atrás, generando un desplazamiento vertical, y se coordinan con la válvula piloto y la válvula de distribución principal para controlar el encendido/apagado del servomotor.

• Las servoválvulas proporcionales completan la conversión electrohidráulica a través de controladores proporcionales y válvulas de distribución principales.

3. Clasificados por la presión de aceite utilizada, se dividen en gobernadores de presión de aceite convencional y de alta presión de aceite.

• Presiones de aceite convencionales: 2,5 MPa, 4,0 MPa, 6,3 MPa

• Alta presión de aceite: generalmente 16 MPa

La capacidad del tanque de aceite a presión está determinada por el tamaño de la cavidad de aceite del servomotor.

Clasificados por la capacidad de la unidad controlada, se dividen en gobernadores grandes, medianos y pequeños.

Historia del desarrollo de los gobernadores de turbinas hidráulicas

Los gobernadores de turbinas hidráulicas tienen una larga historia de aplicación en las centrales hidroeléctricas. Ya a finales del siglo XIX, en 1891, la empresa alemana Voith fabricó el primer gobernador mecánico puro, es decir, el gobernador mecánico de tipo péndulo centrífugo, en el que la apertura y el cierre de la turbina eran impulsados directamente por una correa. Con la mejora de los requisitos para el sistema de gobernadores, especialmente para la sensibilidad, se requiere una gran fuerza de regulación para la apertura y el cierre en poco tiempo, lo que hace necesaria la presión hidráulica. Esto condujo al desarrollo de gobernadores mecánicos con amplificación de la presión del agua y amplificación de la presión del aceite. Desde finales de la década de 1950 hasta la de 1960, los gobernadores mecánico-hidráulicos alcanzaron su punto máximo. Suecia produjo gobernadores electrohidráulicos en 1944.

China comenzó a desarrollar gobernadores electrohidráulicos ya en la década de 1950, y en 1961, el primer gobernador eléctrico de fabricación propia de China se puso en funcionamiento en la central eléctrica de Liuxihe. Las décadas de 1960 y 1970 fueron un período de desarrollo a gran escala para los gobernadores electrohidráulicos.

El desarrollo de los gobernadores eléctricos ha pasado aproximadamente por varias etapas:

• La etapa de la válvula de vacío, donde se utilizaron válvulas de vacío como amplificadores eléctricos, y los circuitos de medición de frecuencia eléctrica reemplazaron a los péndulos centrífugos mecánicos.
• Más tarde, los transistores reemplazaron a las válvulas de vacío, dando lugar a los gobernadores electrohidráulicos de tipo transistor.
• En la década de 1970, la tecnología de circuitos integrados a gran escala se desarrolló rápidamente, y los amplificadores operacionales de circuitos integrados se aplicaron a los gobernadores de turbinas. Por lo tanto, los gobernadores electrohidráulicos evolucionaron gradualmente de componentes discretos a estructuras de circuitos integrados.

Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, después de que los microprocesadores entraron en el mercado a mediados de la década de 1970, muchos países comenzaron sucesivamente a desarrollar gobernadores de microcomputadora a finales de la década de 1970 y principios de la de 1980. El primer gobernador digital del mundo fue desarrollado por Canadá a principios de la década de 1970. En 1976, Canadá desarrolló un gobernador digital en tiempo real, y en 1981, se publicaron los resultados de las pruebas de un gobernador adaptativo. China también comenzó el desarrollo de gobernadores de microcomputadora a principios de la década de 1980. A finales de 1981, la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong comenzó a investigar el "Gobernador de procesador de microcomputadora PID de parámetro variable adaptativo para generadores de turbinas hidráulicas", que presentaba parámetros PID que cambiaban automáticamente con las condiciones de funcionamiento de la unidad (carga hidráulica y apertura) y era un gobernador adaptativo a fallas.

La práctica ha demostrado que los gobernadores de microcomputadora tienen muchas ventajas sobre los gobernadores electrohidráulicos analógicos:

• El software de los gobernadores de microcomputadora está configurado de forma flexible, lo que permite establecer modos y estrategias de control de acuerdo con las características del sistema de regulación de la turbina y los requisitos específicos de cada central eléctrica, lo que permite que la unidad funcione de manera eficiente, con alta calidad y económicamente. Por lo tanto, los gobernadores de microcomputadora han demostrado una gran vitalidad desde su aparición.
• La aplicación de la tecnología de diagnóstico por microcomputadora y la tecnología tolerante a fallas ayuda a mejorar la fiabilidad de los gobernadores. Las funciones de comunicación, interfaz y expansión potente de las microcomputadoras permiten que los gobernadores de microcomputadora se adapten bien a los requisitos de los sistemas de monitoreo por computadora en las centrales eléctricas.

En 1969, la empresa estadounidense Digital Equipment Corporation (DEC) desarrolló con éxito el "Controlador Lógico Programable (PLC)". Posteriormente, Japón y los países europeos también desarrollaron y comenzaron a producir controladores programables con éxito. El PLC se ha convertido en el producto preferido para muchos equipos y sistemas de control automático industrial debido a su fiabilidad, incluyendo una serie de medidas antiinterferencias en el hardware, como el aislamiento fotoeléctrico, el blindaje electromagnético y el filtrado analógico/digital, así como el software del sistema con funciones como un temporizador de vigilancia (WDT) y la autocomprobación del hardware y el software.

Los gobernadores de turbinas son equipos básicos importantes para la automatización integrada de las centrales hidroeléctricas. Su nivel técnico y fiabilidad afectan directamente a la generación de energía segura y a la calidad de la energía de las centrales hidroeléctricas, influyendo así en la calidad de la energía de todos los sectores de la economía nacional.

Evolución de las leyes de control y la estructura del sistema del gobernador

El desarrollo de las leyes de control en los gobernadores ha sido rápido:

• Los primeros gobernadores (tipos mecánicos) eran enlaces proporcionales, que formaban leyes de control proporcional, denotadas por el símbolo P.
• Más tarde, la mayoría de los gobernadores fueron diseñados con leyes de control proporcional-integral, es decir, gobernadores de tipo PI, donde I representa la acción integral.
• A finales de la década de 1950 y principios de la de 1960, con la adopción de la regulación de la aceleración, surgieron gobernadores con leyes de control P-I-D, donde D representa el control derivativo. Por ejemplo, el gobernador electrohidráulico FRVV-10S producido por ASEA de Suecia y el gobernador electrohidráulico RAPID de NEYRPIC de Francia presentan leyes de control P-I-D.
• A mediados de la década de 1970, los reguladores PID se aplicaron directamente a los gobernadores de turbinas, dando lugar a los tipos PID, es decir, gobernadores con enlaces proporcionales (P), integrales (I) y derivativos (D) en paralelo. La acción integral aquí es generada por enlaces eléctricos, lo que difiere claramente de los gobernadores P-I-D donde la acción integral fue generada por servomotores de presión de aceite. Este gobernador de tipo PID tiene buenas características estáticas y dinámicas y es uno de los gobernadores más avanzados.
  (Nota: P-I-D representa gobernadores eléctricos con leyes de control P, I, D, incluyendo gobernadores de tipo aceleración P-I-D; PID denota gobernadores eléctricos con enlaces P, I, D en paralelo, que incorporan leyes de control P, I, D.)

Antes de la década de 1960, la mayoría de los gobernadores utilizaban leyes de control PI. Después de la década de 1970, los gobernadores electrohidráulicos producidos en todo el mundo adoptaron ampliamente las leyes de control PID, ya que la introducción del software de regulación de la derivada de la velocidad mejoró significativamente la calidad de la regulación del control de frecuencia.

Investigación y aplicación de leyes de control avanzadas

En los últimos años, con el desarrollo de la tecnología de microcomputadoras y la teoría del control, la investigación sobre la aplicación de leyes de control avanzadas a los gobernadores de turbinas se ha lanzado por completo, incluyendo: control óptimo, control de retroalimentación de estado, control adaptativo, control predictivo, control difuso, control de parámetro variable adaptativo, control de estructura variable, estrategias de control de estructura variable de modo deslizante y control de señal de compensación de presión de agua.

• La aparición de los Controladores Lógicos Programables (PLC) inyectó nueva vitalidad en el control del gobernador de la turbina, integrando múltiples funciones de control, mejorando en gran medida el rendimiento del control y simplificando la estructura de las unidades de control eléctrico. La práctica en la posterior I+D y producción demostró que el uso de PLC como núcleo de control de los gobernadores de turbinas se convirtió gradualmente en la corriente principal, formando la base para el desarrollo de varios tipos de gobernadores por diferentes fabricantes.
• El desarrollo y la puesta en marcha de los gobernadores de tipo válvula digital marcaron el comienzo de las reformas en la parte mecánica de los gobernadores. El enlace de conversión electrohidráulica (se deshizo de) la dependencia de la válvula de distribución principal, con bajo costo, rendimiento estable y bajos requisitos para la calidad del aceite, lo que ayudó en gran medida al rápido desarrollo de las pequeñas centrales hidroeléctricas a partir de entonces.
• Las unidades de turbinas de impulso presentan carreras de servomotor cortas y múltiples objetos de control. El desarrollo y la puesta en marcha de este gobernador acumularon experiencia para la posterior investigación sobre gobernadores de impulso especiales.
• El desarrollo posterior de los enlaces de conversión electrohidráulica logró la coexistencia de modos de conversión dual, (mutuamente de respaldo), sin interferencias, lo que permite que un enlace funcione mientras el otro está en mantenimiento. Con experiencias de funcionamiento exitosas en múltiples centrales eléctricas, se ha convertido en el producto preferido para las grandes centrales hidroeléctricas.

Indicadores de rendimiento

• Rango de ajuste del tiempo de cierre completo del servomotor de las paletas directrices: 3–100 S

• Rango de ajuste del tiempo de apertura completa del servomotor de las paletas directrices: 3–100 S

• Rango de ajuste del tiempo de cierre completo del servomotor de los álabes del rodete: 10–120 S

• Rango de ajuste del tiempo de apertura completa del servomotor de los álabes del rodete: 10–120 S

• Rango de ajuste de frecuencia: 45–55 Hz

• Rango de ajuste de la caída de velocidad permanente: 0–10%

• Rango de ajuste de la ganancia proporcional: 0,5–20

• Rango de ajuste de la ganancia integral: 0,05–10 1/s

• Rango de ajuste de la ganancia derivativa: 0,0–10 s

• Rango de ajuste de la zona muerta artificial: 0–±1,5%

• Zona muerta de velocidad medida al servomotor principal: ≤0,02%

• Después de que la turbina rechaza el 25% de la carga, el tiempo de no funcionamiento del servomotor: ≤0,2 s

• No linealidad de la curva característica estática: ≤0,5%

• Durante el funcionamiento automático sin carga de 3 minutos, la fluctuación de velocidad relativa de la unidad: ≤±0,15%.

• Después de rechazar el 100% de la carga nominal, el número de fluctuaciones de velocidad que exceden el 3%: ≤2 veces; el valor relativo de la fluctuación de velocidad continua de la unidad causada por el gobernador: ≤±0,15%.

• Desde el momento en que la unidad rechaza la carga hasta que la desviación de velocidad relativa es inferior a ±1%, la relación del tiempo de regulación con el tiempo desde el rechazo de la carga hasta la velocidad más alta debe ser ≤15 para las turbinas de reacción de media/baja caída y las turbinas de impulso; para las unidades que suministran energía a la central eléctrica después de la desconexión de la red, la velocidad relativa mínima de la unidad después del rechazo de la carga debe ser ≥0,9.

2.4.4 Fiabilidad del sistema del gobernador

• Disponibilidad en modo automático: >99,99%

• Disponibilidad en modo automático + manual: 100%

• Tiempo medio entre fallos (desde la aceptación en el sitio): ≥35.000 horas

• Intervalo de revisión: 10 años

• Vida útil antes del desmantelamiento: >20 años