Kuidas tuuleturbiinides lengerdusjuhtimissüsteem töötab
Kaasaegsed tuuleturbiinid on konstrueeritud nii, et need püüaksid tuulevoolude muutuvast suunast ja kiirusest võimalikult palju energiat kinni. Selleks, et rootor (laba) oleks alati õige nurga all tuule poole, vajab turbiin mehhanismi, mis suudab gondlit (gondlit) vastavalt tuule suuna muutustele pöörata. Seda mehhanismi nimetatakse lengerduse juhtimissüsteemiks. Lihtsamalt öeldes on lengerdus turbiini pöörlemine ümber vertikaaltelje, nii et rootori pühkimistasand jääb sissetuleva tuule suunaga paralleelseks. See artikkel käsitleb, kuidas lengerduse juhtimissüsteem tuuleturbiinides töötab, selle peamisi komponente, juhtimisstrateegiaid ning väljakutseid ja hooldust.
1. Miks on lengerduse kontroll oluline?
Lengerduse juhtimise peamine eesmärk on minimeerida lengerduse kõrvalekallet ehk tuule suuna ja rootori liikumissuuna vahelist nurkerinevust. Kui rootor on tuulega valesti joondatud, siis osa tuuleenergiast "läbib" rootori, ilma et seda optimaalselt kinni püütaks. Mõju:
1. Väiksem võimsus. Üldiselt, mida suurem on joondusviga, seda suurem on võimsuse vähenemine.
2. Konstruktsioonikoormused suurenevad. Kui tuul puhub küljelt, muutuvad aerodünaamilised jõud asümmeetriliseks ja käivitavad dünaamilised koormused labadele, rummule, teljele ja tornile.
3. Vibratsioon ja kiirenenud kulumine. Joondatuse puudumine võib suurendada vibratsiooni ja kiirendada mehaaniliste komponentide kulumist.
Hea lengerduse juhtimisega saab turbiin säilitada efektiivsust ja pikendada oma kasutusiga.
2. Suunamissüsteemi põhiprintsiibid
Horisontaalteljega tuuleturbiinid (HAWT-d) kasutavad tavaliselt aktiivset suunamuutust, mis pöörab mootori abil aktiivselt gondlit. Erinevalt väikestest turbiinidest, mis mõnikord kasutavad tuule passiivseks "jälgimiseks" saba (laba), kasutavad suuremahulised turbiinid peaaegu alati aktiivset suunamuutust gondli suure massi ja täpse juhtimise vajaduse tõttu.
Kui andur tuvastab tuule suuna muutuse, arvutab kontroller (PLC/SCADA kontroller), kui palju turbiin peaks pöörlema. Kui joondusnurk ületab teatud läve, lülitab suunamuutusmootor suunamuutuslaagri hammasrattad sisse, pannes gondli pöörlema, kuni see on joondatud.
3. Lengimisjuhtimissüsteemi peamised komponendid
a) Tuule kiiruse ja suuna andur
Gondoli kohal on tavaliselt:
– Tuulelaba tuule suuna mõõtmiseks gondli suhtes.
- Anemomeeter tuule kiiruse mõõtmiseks.
Need andmed on peamine sisend, mille põhjal tehakse kindlaks, kas on vaja teha lengerduskorrektsioon.
b) Suuna laager
Lendlaager on suur rõngakujuline laager, mis võimaldab gondlil tornil pöörata. See laager peab suutma taluda kombineeritud koormust: gondli kaal, rootori tõukejõud ja turbulentsi põhjustatud dünaamilised koormused.
c) Suunaajam ja suunamootor
Lengerdusajam koosneb tavaliselt mitmest elektrimootorist (sageli koondamise eesmärgil rohkem kui ühest), mis käitavad hammasratast, mis on haakunud lengerduslaagri rõngashammasrattaga. Mootorid võivad töötada vaheldumisi või samaaegselt, olenevalt konstruktsioonist ja pöördemomendi nõuetest.
d) Lendpidur
Lisaks mootorile on olemas pidurisüsteem, mis hoiab ära gondli vaba pöörlemise. Pöörlemispidurid on olulised järgmiseks:
– stabiliseerida asend, kui turbiin saavutab soovitud nurga,
– vältida pidevaid väikeseid liigutusi (pöördliigutusi),
– gondli hoidmine teatud tuuletingimustes või turbiini seiskumisel.
e) Turbiini kontroller (kontroller)
Kontroller võtab vastu andurite signaale, rakendab juhtimisloogikat ning saadab seejärel käsklused mootoritele ja piduritele. Kontroller rakendab ka ohutusblokeeringuid: näiteks takistab see lengerdamist anduri rikke korral, kui turbiin on teatud režiimides või kui tuulekiirus on äärmuslik.
4. Kuidas turbiin määrab, millal pöörata?
Turbiinid ei korrigeeri oma suunda iga kord, kui tuul veidi muutub. Kui need on liiga tundlikud, liigub süsteem sageli ja kiirendab mootori, väikese käigukasti ja lengerduslaagrite kulumist. Seetõttu kasutatakse lengerdusjuhtimisel üldiselt läviväärtuse (tundmatu tsooni) ja ajanihke mõisteid.
a) Suunamisviga ja tundetusala
– Suunavea = mõõdetud tuule suund – gondli praegune asukoht
– Surnud ala on tolerantsivahemik, näiteks ±5° kuni ±15° (varieerub tootjate ja juhtimisstrateegiate lõikes).
Kui kaldenurk on endiselt surnud tsoonis, otsustab turbiin mitte liikuda.
b) Ajaline viivitus ja andmete filtreerimine
Tuule suund kõigub turbulentsi tõttu. Seetõttu on andurite andmed tavaliselt järgmised:
– filtreeritud liikuva keskmise abil,
– hinnatakse teatud ajaperioodi jooksul (nt 10–60 sekundit),
nii et turbiin ei reageeriks hetkelisele „mürale”.
c) Suunasammu strateegia
Pideva pöörlemise asemel liiguvad turbiinid sageli väikeste sammudega. Nad pöörlevad paar kraadi, peatuvad, hindavad oma pöörlemiskiirust uuesti ja jätkavad vajadusel. See lähenemisviis aitab vähendada võnkumist ja kontrollida mehaanilisi koormusi.
5. Lengi juhtimise tööprotsess järjestikku
Järgnev on suurte turbiinide puhul tavaline töövoog:
1. Tuuleolude mõõtmine. Tuulelaba näitab tuule suunda gondli suhtes, anemomeeter näitab kiirust.
2. Joondumise hälbe arvutamine. Kontroller arvutab kaldenurga vea ja kontrollib, kas see ületab tundetusala.
3. Töökorras oleku kontroll. Süsteem tagab, et turbiin on ohutul pöördenurgal: kriitilisi alarme pole, pidurid on töökorras, mootorid on saadaval ja kaabli pöörlemispiirid on ohutud (konstruktsioonide puhul, mille kaablid on torni sees).
4. Vabastage suunapidurid (vajadusel). Pidurid saab vabastada, et gondel saaks liikuda.
5. Lengerdusmootori aktiveerimine. Mootor pöörab gondlit tuule suunas. Lengerduskiirust hoitakse koormuse vähendamiseks suhteliselt madalal (nt paar kraadi sekundis).
6. Pidurdamine ja asendi lukustamine. Sihtnurga lähenedes mootor peatub ja pidurid hoiavad gondlit paigal.
7. Kontrollimine. Andur mõõdab uuesti, et näha, kas pöördeviga on vähenenud. Kui mitte, siis tsükkel kordub.
6. Lengi juhtimise seos kalde ja võimsuse juhtimisega
Lengi suuna muutmine ei eksisteeri isoleeritult. Kaasaegsetes turbiinides on kolm peamist üksteist täiendavat juhtimist:
– Sammu reguleerimine: muudab labade nurka võimsuse ja koormuse reguleerimiseks.
– Rootori kiiruse reguleerimine: reguleerib rootori pöörlemist (generaatori ja konverteri kaudu).
– Lengerdamise kontroll: tagab, et rootor on tuule poole.
Näiteks väga tugeva tuule korral võib turbiin teatud kaldenurga juures minna võimsuse piiramise režiimi. Sellistel tingimustel võib lengerdussüsteem olla koormuse suurenemise vältimiseks konservatiivsem. Seevastu tavapäraste tootmistingimuste korral on lengerdus efektiivsuse saavutamiseks aktiivsem.
7. Lengerdussüsteemide levinud väljakutsed ja probleemid
a) Lengijaht
See juhtub siis, kui turbiin muudab mürarikka tuule suuna signaali või väga väikese tundetusala tõttu liiga sageli pöördesuunda. See põhjustab mootori, pidurite ja laagrite kulumist.
b) Suunalaagri ja hammasratta kulumine
Suurte koormuste ja korduvate liikumiste tõttu on määrimine ja kontrollimine hädavajalikud. Hammasrataste joondusviga, halb määrimine või saasteainete sissepääs võivad kahjustusi kiirendada.
c) Anduri rike
Kui tuulelipp on kahjustatud või anemomeeter annab valesid näitu, võib turbiin olla vales suunas. Paljud turbiinid kasutavad vigaste andurite tuvastamiseks diagnostikat ja redundantsust.
d) Kaabli keerdumispiirang
Mõne konstruktsiooni puhul võivad gondli sees olevad elektri- ja signaalikaablid väänduda, kui suunda ühes suunas liiga palju pöörata. Seetõttu on gondli taastamiseks olemas väändumise juhtimise süsteemid, näiteks väändumisandur ja lahtikeerdumise protseduur.
8. Hooldus ja parimad tavad
Selleks, et suunamuutussüsteem töötaks optimaalselt, rakendavad operaatorid tavaliselt järgmist:
– Kalibreerige tuule suuna andurit perioodiliselt.
– Piduri ja mootori kontroll: temperatuur, voolutugevus ja pidurdusreaktsioon.
– Määrige kaldenurga laagreid ja hammasrattaid vastavalt tootja ettenähtud ajakavale.
– SCADA-andmete analüüs: jälgige lengerdussagedust, kestust ja veamustreid. Mustrite muutused võivad viidata varajastele probleemidele.
– Hammasratta, poltide ja gondli konstruktsiooni visuaalne kontroll.
Järeldus
Suuna juhtimissüsteem on võtmetähtsusega, et hoida tuulikud tuule poole ja toota energiat tõhusalt, säilitades samal ajal ohutu konstruktsioonikoormuse. Tuule kiiruse ja suuna andurite abil määrab kontroller, millal on joondusviga piisavalt suur korrigeerimiseks, seejärel rakendab mootori kaudu suuna juhtimist ja hoiab asendit piduritega. Selliseid strateegiaid nagu tundetusala, signaali filtreerimine ja suuna astmeline muutmine kasutatakse kahe sageli vastuolulise eesmärgi tasakaalustamiseks: kiire reageerimine tuule muutustele ja komponentide kulumise minimeerimine. Kuna need töötavad äärmuslikes keskkondades ja kannavad märkimisväärseid koormusi, vajavad suuna süsteemid usaldusväärset konstruktsiooni ja plaanipärast hooldust, et säilitada turbiini optimaalne jõudlus kogu nende tööea jooksul.
