회사 소식 수력 발전소의 수력 터빈 조속기의 역할과 지위

의 역할과 지위수력 터빈 조속기(Governor)는 수력 발전소에서

전기가 가동될 때, 전력 공급과 부하 사이의 균형을 지속적으로 유지하는 것이 필요합니다. 또한, 전력 에너지의 양질을 보장하는 것은 전력 생산 과정에서 중요한 과제입니다. 전력 에너지 품질을 측정하는 주요 지표는 일반적으로 전압과 주파수이며, 그 다음은 파형입니다. 주파수 편차는 전력 사용자의 정상적인 작동에 심각한 영향을 미칩니다. 전기 모터의 경우, 주파수 감소는 모터 속도를 감소시켜 생산성을 저하시키고 모터의 수명에 영향을 미칩니다. 반대로, 주파수 증가는 모터 속도를 증가시켜 전력 소비를 증가시키고 경제성을 저하시킵니다. 특히 섬유, 제지 등 속도 요구 사항이 엄격한 특정 산업 분야에서는 주파수 편차가 제품 품질에 큰 영향을 미치고 심지어 불량품을 초래할 수 있습니다. 또한, 주파수 편차는 발전소 자체에 더 심각한 영향을 미칩니다. 예를 들어, 화력 발전소에서 보일러 급수 펌프 및 팬과 같은 원심 기계의 경우, 주파수가 감소하면 출력이 급격히 감소하여 보일러 출력을 현저하게 줄이거나 보일러의 비상 정지를 유발합니다. 이는 불가피하게 시스템의 전력 출력을 더욱 감소시켜 시스템 주파수의 추가적인 저하를 초래합니다. 또한, 감소된 주파수로 작동하면 터빈 블레이드가 진동 증가로 인해 균열이 발생하여 터빈의 수명이 단축됩니다. 따라서 시스템 주파수의 급격한 감소 추세를 적시에 막을 수 없다면, 악순환을 초래하고 심지어 전체 전력 시스템의 붕괴로 이어질 수 있습니다.

중국의 전력 부문 규정에 따르면, 전력망의 정격 주파수는 50Hz이며, 대형 전력망의 허용 주파수 편차는 ±0.2Hz입니다. 중소형 전력망의 경우, 시스템 부하 변동이 때때로 전체 용량의 5%에서 10%에 달할 수 있습니다. 대형 전력 시스템의 경우에도 부하 변동이 종종 2%에서 3%에 달합니다. 전력 시스템 부하의 지속적인 변화는 시스템 주파수의 변동을 초래합니다. 따라서 터빈 조절의 기본 임무는 터빈-발전기 세트의 출력 전력을 지속적으로 조정하고 장치의 회전 속도(주파수)를 지정된 정격 범위 내에서 유지하는 것입니다.

요약하면, 수력 터빈 조속기 는 수력 발전소의 터빈-발전기 세트를 위한 중요한 보조 장치입니다. 발전소의 2차 회로 및 컴퓨터 모니터링 시스템과 협력하여 터빈-발전기 세트의 시동 및 정지, 부하 증가 또는 감소, 비상 정지 등의 작업을 완료합니다. 터빈 조속기는 또한 다른 장치와 함께 자동 발전 제어, 그룹 제어 및 수위 조절과 같은 작업을 완료할 수 있습니다. 또한, 전력망에 고장이 발생하면 차단기와 협력하여 부하 차단 과정을 빠르고 안정적으로 완료하여 터빈 장치를 보호하고 가능한 한 빨리 정격 속도를 복원할 수 있도록 합니다.

결론적으로, 터빈 조속기의 기본 임무는 다음과 같이 요약됩니다.
◆ 장치의 정상 작동
◆ 장치의 안전한 작동 보장
◆ 병렬 장치 간의 부하 합리적 분배

수력 터빈 조속기의 유형

제어 대상의 수에 따라 단일 조정 조속기와 이중 조정 조속기로 나눌 수 있습니다.

• 일반적으로 단일 조정 조속기는 반응 터빈(예: 프란시스 터빈)의 다양한 고정 블레이드 장치에 사용됩니다. 제어 대상은 가이드 베인뿐이며, 터빈 블레이드를 통과하는 물의 흐름은 가이드 베인의 개방을 조정하여 제어됩니다.

• 이중 조정 조속기는 다양한 반응형 가변 블레이드 장치(예: 카플란 터빈)에 사용됩니다. 제어 대상은 가이드 베인과 러너 블레이드입니다. 터빈으로의 물 흐름 출력은 가이드 베인의 개방과 러너 블레이드의 각도를 조정하여 제어됩니다. 일반적으로 가변 블레이드 장치는 가이드 베인과 러너 블레이드 간에 조정된 제어를 수행합니다.

또한, 충격 터빈은 더 많은 제어 대상을 가지며, 이는 "다중 노즐 및 다중 디플렉터" 또는 "다중 노즐 및 단일 디플렉터" 조속기의 다른 유형으로 분류되며, 특히 충격 터빈용으로 설계되었습니다. 조속기의 제어 대상은 충격 터빈의 노즐 니들과 디플렉터의 수에 따라 다릅니다.

2. 수력 터빈 조속기는 일반적으로 전체적으로 메카트로닉 제품이며, 기계적 실행 부분은 유압 제어를 채택합니다. 전기-유압 변환 방법에 따라 디지털, 스텝 및 비례-디지털 조속기로 나눌 수 있습니다. 일반적으로 디지털 및 비례 유형이 결합됩니다.

• 디지털 조속기는 솔레노이드 밸브를 사용하여 디지털 펄스로 밸브의 온/오프를 제어하여 서보 모터의 온/오프를 제어하는 효과를 얻습니다.

• 스텝 조속기는 전류를 사용하여 스텝 모터를 전진 또는 후진으로 구동하여 수직 변위를 생성하고, 파일럿 밸브 및 메인 분배 밸브와 협력하여 서보 모터의 온/오프를 제어합니다.

• 비례 서보 밸브는 비례 컨트롤러 및 메인 분배 밸브를 통해 전기-유압 변환을 완료합니다.

3. 사용되는 유압에 따라 기존 유압 및 고압 유압 조속기로 나뉩니다.

• 기존 유압: 2.5MPa, 4.0MPa, 6.3MPa

• 고압 유압: 일반적으로 16MPa

압력 오일 탱크의 용량은 서보 모터 오일 캐비티의 크기에 따라 결정됩니다.

제어되는 장치의 용량에 따라 대형, 중형 및 소형 조속기로 나뉩니다.

의 개발 역사수력 터빈 조속기

수력 터빈 조속기는 수력 발전소에서 오랜 역사를 가지고 있습니다. 19세기 후반인 1891년에 독일 회사 Voith는 최초의 순수 기계식 조속기, 즉 기계식 원심 진자형 조속기를 제조했으며, 여기서 터빈의 개폐는 벨트에 의해 직접 구동되었습니다. 조속기 시스템에 대한 요구 사항, 특히 감도에 대한 요구 사항이 개선됨에 따라 짧은 시간 내에 개폐를 위한 큰 조절력이 필요하게 되었고, 이는 유압의 필요성을 이끌었습니다. 이는 수압 증폭 및 유압 증폭을 갖춘 기계식 조속기의 개발로 이어졌습니다. 1950년대 후반부터 1960년대까지 기계-유압 조속기는 절정에 달했습니다. 스웨덴은 1944년에 전기-유압 조속기를 생산했습니다.

중국은 1950년대 초부터 전기-유압 조속기를 개발하기 시작했으며, 1961년에는 중국 최초의 자체 제작 전기 조속기가 Liuxihe 발전소에서 가동되었습니다. 1960년대부터 1970년대는 전기-유압 조속기의 대규모 개발 기간이었습니다.

전기 조속기의 개발은 대략 여러 단계를 거쳤습니다.

• 진공관 단계, 진공관이 전기 증폭기로 사용되었고, 전기 주파수 측정 회로가 기계식 원심 진자를 대체했습니다.
• 나중에 트랜지스터가 진공관을 대체하여 트랜지스터형 전기-유압 조속기가 등장했습니다.
• 1970년대에는 대규모 집적 회로 기술이 빠르게 발전했으며, 집적 회로 연산 증폭기가 터빈 조속기에 적용되었습니다. 따라서 전기-유압 조속기는 개별 부품에서 집적 회로 구조로 점차 진화했습니다.

과학 기술의 발전과 함께 1970년대 중반에 마이크로프로세서가 시장에 진입한 후, 많은 국가에서 1970년대 후반과 1980년대 초에 마이크로컴퓨터 조속기를 개발하기 시작했습니다. 세계 최초의 디지털 조속기는 1970년대 초에 캐나다에서 개발되었습니다. 1976년에는 캐나다가 실시간 디지털 조속기를 개발했으며, 1981년에는 적응형 조속기의 테스트 결과가 발표되었습니다. 중국도 1980년대 초에 마이크로컴퓨터 조속기 개발을 시작했습니다. 1981년 말, 화중 과학 기술 대학교는 "수력 터빈 발전기용 적응형 가변 매개변수 PID 마이크로컴퓨터 프로세서 조속기"를 연구하기 시작했으며, 이는 장치의 작동 조건(수두 및 개방)에 따라 자동으로 변경되는 PID 매개변수를 특징으로 하며 고장 적응형 조속기였습니다.

실제로 마이크로컴퓨터 조속기는 아날로그 전기-유압 조속기에 비해 많은 장점이 있음이 입증되었습니다.

• 마이크로컴퓨터 조속기의 소프트웨어는 유연하게 구성되어 터빈 조절 시스템의 특성 및 각 발전소의 특정 요구 사항에 따라 제어 모드 및 전략을 설정하여 장치가 효율적이고 고품질이며 경제적으로 작동할 수 있도록 합니다. 따라서 마이크로컴퓨터 조속기는 등장 이후 강력한 생명력을 보여주었습니다.
• 마이크로컴퓨터 진단 기술 및 고장 허용 기술의 적용은 조속기의 신뢰성을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 마이크로컴퓨터의 통신, 인터페이스 및 강력한 확장 기능은 마이크로컴퓨터 조속기가 발전소의 컴퓨터 모니터링 시스템의 요구 사항에 잘 적응할 수 있도록 합니다.

1969년, 미국 회사 Digital Equipment Corporation(DEC)은 "프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)"를 성공적으로 개발했습니다. 이후 일본과 유럽 국가에서도 프로그래머블 컨트롤러를 성공적으로 개발하여 생산하기 시작했습니다. PLC는 광전 분리, 전자기 차폐, 아날로그/디지털 필터링과 같은 하드웨어의 일련의 간섭 방지 조치뿐만 아니라 워치독 타이머(WDT) 및 하드웨어 및 소프트웨어의 자체 검사와 같은 기능을 갖춘 시스템 소프트웨어를 포함하여 많은 산업 자동 제어 장비 및 시스템에 선호되는 제품이 되었습니다.

터빈 조속기는 수력 발전소의 통합 자동화를 위한 중요한 기본 장비입니다. 기술 수준과 신뢰성은 수력 발전소의 안전한 발전 및 전력 품질에 직접적인 영향을 미치므로 국가 경제의 모든 부문의 전력 품질에 영향을 미칩니다.

조속기 제어 법칙 및 시스템 구조의 진화

조속기의 제어 법칙 개발은 빠르게 진행되었습니다.

• 가장 초기의 조속기(기계식 유형)는 비례 링크였으며, 비례 제어 법칙을 형성하여 기호 P로 표시했습니다.
• 나중에 대부분의 조속기는 비례-적분 제어 법칙, 즉 PI형 조속기로 설계되었으며, 여기서 I는 적분 작용을 나타냅니다.
• 1950년대 후반과 1960년대 초반에는 가속도 조절의 채택으로 P-I-D 제어 법칙을 갖춘 조속기가 등장했으며, 여기서 D는 미분 제어를 나타냅니다. 예를 들어, 스웨덴 ASEA에서 생산한 FRVV-10S 전기-유압 조속기 및 프랑스 NEYRPIC의 RAPID 전기-유압 조속기는 모두 P-I-D 제어 법칙을 특징으로 합니다.
• 1970년대 중반에는 PID 조절기가 터빈 조속기에 직접 적용되어 PID 유형, 즉 병렬 비례(P), 적분(I) 및 미분(D) 링크를 갖춘 조속기가 등장했습니다. 여기서 적분 작용은 오일 압력 서보에 의해 적분 작용이 생성된 P-I-D 조속기와 명확히 다른 전기 링크에 의해 생성됩니다. 이 PID형 조속기는 우수한 정적 및 동적 특성을 가지며 더 진보된 조속기 중 하나입니다.
  (참고: P-I-D는 P, I, D 제어 법칙을 갖춘 전기 조속기를 나타내며, P-I-D 가속도형 조속기를 포함합니다. PID는 P, I, D 제어 법칙을 구현하는 병렬 P, I, D 링크를 갖춘 전기 조속기를 나타냅니다.)

1960년대 이전에는 대부분의 조속기가 PI 제어 법칙을 사용했습니다. 1970년대 이후, 전 세계적으로 생산된 전기-유압 조속기는 PID 제어 법칙을 널리 채택했으며, 속도 미분 조절 소프트웨어의 도입으로 주파수 제어의 조절 품질이 크게 향상되었습니다.

고급 제어 법칙의 연구 및 적용

최근 몇 년 동안, 마이크로컴퓨터 기술 및 제어 이론의 발전과 함께, 최적 제어, 상태 피드백 제어, 적응 제어, 예측 제어, 퍼지 제어, 적응 가변 매개변수 제어, 가변 구조 제어, 슬라이딩 모드 가변 구조 제어 전략 및 수압 보상 신호 제어를 포함하여 터빈 조속기에 고급 제어 법칙을 적용하는 연구가 본격적으로 시작되었습니다.

• 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)의 등장은 터빈 조속기 제어에 새로운 활력을 불어넣어 여러 제어 기능을 통합하고 제어 성능을 크게 향상시키고 전기 제어 장치의 구조를 단순화했습니다. 후속 연구 개발 및 생산에서 PLC를 터빈 조속기의 제어 코어로 사용하는 것이 점차 주류가 되어 다양한 제조업체의 다양한 조속기 유형 개발의 기반을 형성한다는 것이 입증되었습니다.
• 디지털 밸브형 조속기의 개발 및 시운전은 조속기의 기계적 부분의 개혁의 시작을 알렸습니다. 전기-유압 변환 링크는 (제거됨) 메인 분배 밸브에 대한 의존성을 특징으로 하며, 저렴한 비용, 안정적인 성능 및 오일 품질에 대한 낮은 요구 사항을 특징으로 하여 이후 소규모 수력 발전소의 급속한 발전에 크게 기여했습니다.
• 충격 터빈 장치는 짧은 서보 모터 스트로크와 여러 제어 대상을 특징으로 합니다. 이 조속기의 개발 및 시운전은 이후 특수 충격 조속기에 대한 연구에 대한 경험을 축적했습니다.
• 전기-유압 변환 링크의 추가 개발은 이중 변환 모드의 공존, (상호 백업), 간섭 없음, 한 링크가 작동하는 동안 다른 링크가 유지 보수 중일 수 있도록 했습니다. 여러 발전소에서 성공적인 운영 경험을 통해 대형 수력 발전소의 선호 제품이 되었습니다.

성능 지표

• 가이드 베인 서보 모터 완전 폐쇄 시간 조정 범위: 3–100 S

• 가이드 베인 서보 모터 완전 개방 시간 조정 범위: 3–100 S

• 러너 블레이드 서보 모터 완전 폐쇄 시간 조정 범위: 10–120 S

• 러너 블레이드 서보 모터 완전 개방 시간 조정 범위: 10–120 S

• 주파수 조정 범위: 45–55 Hz

• 영구 속도 강하 조정 범위: 0–10%

• 비례 이득 조정 범위: 0.5–20

• 적분 이득 조정 범위: 0.05–10 1/s

• 미분 이득 조정 범위: 0.0–10 s

• 인공 데드 존 조정 범위: 0–±1.5%

• 주 서보 모터에 측정된 속도 데드 존: ≤0.02%

• 터빈이 25% 부하를 차단한 후, 서보 모터 비작동 시간: ≤0.2 s

• 정적 특성 곡선의 비선형성: ≤0.5%

• 3분 자동 무부하 작동 중, 장치의 상대 속도 변동: ≤±0.15%.

• 정격 부하의 100%를 차단한 후, 3%를 초과하는 속도 변동 횟수: ≤2회; 조속기에 의해 발생하는 장치의 연속 속도 변동의 상대 값: ≤±0.15%.

• 장치가 부하를 차단하는 순간부터 상대 속도 편차가 ±1% 미만이 될 때까지, 조절 시간과 부하 차단에서 최고 속도까지의 시간의 비율은 중/저낙차 반응 터빈 및 충격 터빈의 경우 ≤15여야 합니다. 전력망에서 분리된 후 발전소에 전력을 공급하는 장치의 경우, 부하 차단 후 장치의 최소 상대 속도는 ≥0.9여야 합니다.

2.4.4 조속기 시스템의 신뢰성

• 자동 모드 가용성: >99.99%

• 자동 + 수동 모드 가용성: 100%

• 평균 고장 간격(현장 수용 시부터): ≥35,000시간

• 정비 간격: 10년

• 폐기 전 수명: >20년