Як працуе сістэма кіравання рысканнем у ветраных турбінах
Сучасныя ветраныя турбіны распрацаваны такім чынам, каб збіраць як мага больш энергіі са змены кірунку і хуткасці ветравых патокаў. Каб ротар (лопасць) заўсёды быў "павернуты" да ветру пад правільным вуглом, турбіне патрабуецца механізм, які можа паварочваць гондолу (гандолу) у залежнасці ад змен кірунку ветру. Гэты механізм называецца сістэмай кіравання рысканнем. Проста кажучы, рысканне - гэта паварот турбіны вакол вертыкальнай восі, каб плоскасць стрэлападобнасці ротара заставалася паралельнай кірунку ўваходнага ветру. У гэтым артыкуле абмяркоўваецца, як працуе сістэма кіравання рысканнем у ветраных турбінах, яе асноўныя кампаненты, стратэгіі кіравання, а таксама праблемы і тэхнічнае абслугоўванне.
1. Чаму важны кантроль рыскання?
Асноўная мэта кантролю рыскання — мінімізаваць зрушэнне рыскання, вуглавую розніцу паміж кірункам ветру і кірункам руху ротара. Калі ротар няправільна сумяшчальны з ветрам, частка энергіі ветру «праходзіць» праз ротар, не будучы аптымальна захопленай. Уплыў:
1. Зніжэнне выходнай магутнасці. У цэлым, чым большы зрушэнне, тым большае зніжэнне выходнай магутнасці.
2. Павялічваюцца структурныя нагрузкі. Калі вецер дзьме збоку, аэрадынамічныя сілы становяцца асіметрычнымі і выклікаюць дынамічныя нагрузкі на лопасці, ступіцу, вось і вежу.
3. Вібрацыя і паскораны знос. Няправільнае сумяшчэнне можа павялічыць вібрацыю і паскорыць знос механічных кампанентаў.
Пры добрым кантролі рыскання турбіна можа падтрымліваць эфектыўнасць і падоўжыць тэрмін службы.
2. Асноўныя прынцыпы сістэмы рыскання
Гарызантальна-восевыя ветраныя турбіны (ГАВТ) звычайна выкарыстоўваюць сістэму актыўнага рыскання, якая актыўна круціць гандолу з дапамогай рухавіка. У адрозненне ад невялікіх турбін, якія часам выкарыстоўваюць хвост (лопасць) для пасіўнага «сачэння» за ветрам, турбіны вялікага маштабу амаль заўсёды выкарыстоўваюць актыўнае рысканне з-за вялікай масы гандолы і неабходнасці дакладнага кіравання.
Калі датчык выяўляе змену кірунку ветру, кантролер (PLC/SCADA) разлічвае, на колькі павінна павярнуцца турбіна. Калі вугал зрушэння перавышае пэўны парог, рухавік рыскання ўключае шасцярні на падшыпніку рыскання, прымушаючы гандолу круціцца да выраўноўвання.
3. Асноўныя кампаненты сістэмы кіравання рысканнем
а) Датчык хуткасці і кірунку ветру
Над гандолай звычайна размяшчаюцца:
– Флюгер для вымярэння кірунку ветру адносна гондолы.
— Анемометр для вымярэння хуткасці ветру.
Гэтыя дадзеныя з'яўляюцца асноўнымі ўваходнымі для вызначэння неабходнасці карэкцыі рыскання.
б) Рысканне
Падшыпнік рыскання — гэта вялікі кальцавы падшыпнік, які дазваляе гандоле круціцца на вежы. Гэты падшыпнік павінен вытрымліваць сумарную нагрузку: вагу гандолы, цягу ротара і дынамічныя нагрузкі, выкліканыя турбулентнасцю.
c) Прывад па рысканні і рухавік па рысканні
Прывад рыскання звычайна складаецца з некалькіх электрарухавікоў (часта больш за адзін для рэзервавання), якія прыводзяць у рух вядучую шасцярню, што ўваходзіць у зачапленне з зубчастым вянцом на падшыпніку рыскання. Рухавікі могуць працаваць па чарзе або адначасова ў залежнасці ад канструкцыі і патрабаванняў да крутоўнага моманту.
г) Тормаз рыскання
Акрамя рухавіка, ёсць тармазная сістэма, якая прадухіляе свабоднае кручэнне гандолы. Тармазы супраць рыскання неабходныя для:
– стабілізаваць становішча, калі турбіна дасягне патрэбнага вугла,
– прадухіляць бесперапынныя дробныя рухі (рысканне),
– утрыманне гандолы пры пэўных ветраных умовах або пры спыненні турбіны.
e) Кантролер турбіны (кантролер)
Кантролер атрымлівае сігналы датчыкаў, прымяняе логіку кіравання, а затым пасылае каманды на рухавікі і тармазы. Кантролер таксама рэалізуе блакіроўку бяспекі: напрыклад, прадухіляе рысканне пры збоі датчыка, калі турбіна знаходзіцца ў пэўных рэжымах або калі хуткасць ветру надзвычай высокая.
4. Як турбіна вызначае, калі трэба павярнуць?
Турбіны не заўсёды карэктуюць сваю пазіцыю пры нязначнай змене ветру. Калі яны занадта адчувальныя, сістэма будзе часта рухацца і паскараць знос рухавіка, невялікай каробкі перадач у прывадзе рыскання і падшыпнікаў рыскання. Таму кіраванне рысканнем звычайна выкарыстоўвае паняцці парога (зоны неўспрымальнасці) і часовай затрымкі.
а) Памылка рыскання і зона неўспрымальнасці
– Памылка рыскання = вымераны кірунак ветру – бягучае становішча гандолы
– Зона неўспрымальнасці — гэта дыяпазон дапушчальных адхіленняў, напрыклад, ад ±5° да ±15° (залежыць ад вытворцы і стратэгіі кіравання).
Калі памылка рыскання ўсё яшчэ знаходзіцца ў межах мёртвай зоны, турбіна вырашае не рухацца.
б) Затрымка часу і фільтрацыя дадзеных
Кірунак ветру вагаецца з-за турбулентнасці. Таму дадзеныя датчыкаў звычайна:
– адфільтраваныя з выкарыстаннем слізгальнай сярэдняй,
– ацэньваецца на працягу пэўнага перыяду часу (напрыклад, 10–60 секунд),
каб турбіна не рэагавала на кароткачасовы «шум».
c) Стратэгія крокаў па рысканні
Замест таго, каб круціцца бесперапынна, турбіны часта адхіляюцца ад курсу невялікімі крокамі. Яны паварочваюцца на некалькі градусаў, спыняюцца, пераацэньваюць хуткасць, а затым пры неабходнасці аднаўляюць працу. Такі падыход дапамагае паменшыць ваганні і кантраляваць механічныя нагрузкі.
5. Паслядоўны працоўны працэс кіравання рысканнем
Ніжэй прыведзены тыповы працоўны працэс для буйных турбін:
1. Вымярэнне ўмоў ветру. Флюгер счытвае кірунак ветру адносна гондолы, анемометр — хуткасць.
2. Разлік няправільнага выраўноўвання. Кантролер вылічвае памылку рыскання і правярае, ці перавышае яна зону неўспрымальнасці.
3. Праверка эксплуатацыйнага стану. Сістэма гарантуе, што турбіна знаходзіцца ў бяспечным стане рыскання: адсутнасць крытычных сігналаў трывогі, тармазы гатовыя, рухавікі даступныя, а межы кручэння кабеляў бяспечныя (для канструкцый з кабелямі ўнутры вежы).
4. Адпусціце тормазы рыскання (пры неабходнасці). Тормазы можна адпусціць, каб дазволіць гандоле рухацца.
5. Актывацыя рухавіка рыскання. Рухавік паварочвае гандолу ў бок ветру. Хуткасць рыскання падтрымліваецца адносна павольнай, каб паменшыць нагрузку (напрыклад, некалькі градусаў у секунду).
6. Тармазное ўстаноўка і фіксацыя становішча. Па меры набліжэння да мэтавага вугла рухавік спыняецца, і тармазы ўтрымліваюць гандолу ў нерухомым становішчы.
7. Праверка. Датчык зноў счытвае паказанні, каб праверыць, ці паменшылася памылка рыскання. Калі не, цыкл паўтараецца.
6. Сувязь кіравання рысканнем з кіраваннем тангажам і магутнасцю
Кіраванне рысканнем не існуе асобна. У сучасных турбінах ёсць тры асноўныя дапаўняльныя элементы кіравання:
– Рэгуляванне кута нахілу: змяняе кут нахілу лопасцяў для рэгулявання магутнасці і нагрузкі.
– Рэгуляванне хуткасці ротара: рэгулюе кручэнне ротара (праз генератар і пераўтваральнік).
– Кіраванне рысканнем: гарантуе, што ротар накіраваны супраць ветру.
Напрыклад, пры вельмі моцным ветры турбіна можа перайсці ў рэжым абмежавання магутнасці пры пэўным куце тангажу. У такіх умовах сістэма рыскання можа быць зроблена больш кансерватыўнай, каб пазбегнуць павелічэння нагрузкі. І наадварот, пры нармальных умовах вытворчасці рысканне будзе больш актыўным для дасягнення эфектыўнасці.
7. Агульныя праблемы і праблемы ў сістэмах рыскання
а) Паляванне на рысканне
Гэта адбываецца, калі турбіна занадта часта змяняе кірунак рыскання з-за шумнага сігналу кірунку ветру або вельмі малой зоны неўспрымальнасці. Гэта прыводзіць да зносу рухавіка, тармазоў і падшыпнікаў.
б) Знос падшыпніка рыскання і шасцярні
З-за вялікіх нагрузак і паўтаральных рухаў змазка і праверка маюць важнае значэнне. Няправільнае сумяшчэнне перадач, дрэнная змазка або трапленне забруджванняў могуць паскорыць пашкоджанне.
в) Няспраўнасць датчыка
Калі флюгер пашкоджаны або анемометр дае няправільныя паказанні, турбіна можа быць накіравана ў няправільным кірунку. Многія турбіны выкарыстоўваюць дыягностыку і рэзерваванне для выяўлення няспраўных датчыкаў.
г) Ліміт скручвання кабеля
У некаторых канструкцыях электрычныя і сігнальныя кабелі ўнутры гандолы могуць перакручвацца, калі рысканне занадта моцна павернута ў адзін бок. Таму для аднаўлення гандолы выкарыстоўваюцца сістэмы кіравання перакручваннем, такія як датчык перакручвання і працэдура раскручвання.
8. Сыход і найлепшыя практыкі
Каб сістэма рыскання працавала аптымальна, аператары звычайна ўжываюць:
– Перыядычна калібруйце датчык кірунку ветру.
– Праверка тормазаў і рухавіка: тэмпература, сіла току і рэакцыя на тармажэнне.
– Змазвайце падшыпнікі і шасцярні рыскання ў адпаведнасці з графікам вытворцы.
– Аналіз дадзеных SCADA: маніторынг частаты рыскання, працягласці і шаблонаў памылак. Змены ў шаблонах могуць сведчыць аб ранніх праблемах.
– Візуальны агляд зубчастага вянца, нітаў і канструкцыі гандолы.
Выснова
Сістэма кіравання рысканнем з'яўляецца ключом да ўтрымання ветраных турбін павернутымі да ветру і эфектыўнай выпрацоўкі энергіі, захоўваючы пры гэтым бяспечныя структурныя нагрузкі. Выкарыстоўваючы датчыкі хуткасці і кірунку ветру, кантролер вызначае, калі зрушэнне дастаткова вялікае для выпраўлення, затым ужывае прывад рыскання праз рухавік і ўтрымлівае становішча з дапамогай тармазоў. Такія стратэгіі, як зона неўраўнаважанасці, фільтрацыя сігналаў і крок рыскання, выкарыстоўваюцца для балансавання дзвюх часта супярэчлівых мэтаў: хуткага рэагавання на змены ветру і мінімізацыі зносу кампанентаў. Паколькі сістэмы рыскання працуюць у экстрэмальных умовах і нясуць значныя нагрузкі, яны патрабуюць надзейнай канструкцыі і планавага тэхнічнага абслугоўвання для падтрымання аптымальнай прадукцыйнасці турбін на працягу ўсяго тэрміну службы.
