როგორ მუშაობს ქარის ტურბინებში ხრახნიანი მოძრაობის კონტროლის სისტემა
თანამედროვე ქარის ტურბინები შექმნილია ისე, რომ ქარის დენების ცვალებადი მიმართულებისა და სიჩქარისგან რაც შეიძლება მეტი ენერგია მიიღონ. იმისათვის, რომ როტორი (ფრთი) ყოველთვის სწორი კუთხით იყოს მიმართული ქარისკენ, ტურბინას სჭირდება მექანიზმი, რომელსაც შეუძლია გონდოლის (გონდოლის) ბრუნვა ქარის მიმართულების ცვლილებების შესაბამისად. ამ მექანიზმს ეწოდება ხრახნიანი მოძრაობის კონტროლის სისტემა. მარტივად რომ ვთქვათ, ხრახნიანი მოძრაობა არის ტურბინის ბრუნვა ვერტიკალური ღერძის გარშემო, ისე, რომ როტორის სრიალის სიბრტყე პარალელური დარჩეს შემომავალი ქარის მიმართულებით. ეს სტატია განიხილავს, თუ როგორ მუშაობს ხრახნიანი მოძრაობის კონტროლის სისტემა ქარის ტურბინებში, მის ძირითად კომპონენტებს, კონტროლის სტრატეგიებს, გამოწვევებსა და მოვლა-პატრონობას.
1. რატომ არის მნიშვნელოვანი იერის კონტროლი?
როტორის გადახრის კონტროლის ძირითადი მიზანია გადახრის არასწორი განლაგების, ანუ ქარის მიმართულებასა და როტორის მოძრაობის მიმართულებას შორის კუთხური სხვაობის მინიმუმამდე დაყვანა. თუ როტორი ქართან არასწორი განლაგებაშია, ქარის ენერგიის ნაწილი როტორში „გაივლის“ ოპტიმალურად დაჭერის გარეშე. ზემოქმედება:
1. გამომავალი სიმძლავრის შემცირება. ზოგადად, რაც უფრო დიდია გადახრა, მით უფრო მცირდება გამომავალი სიმძლავრე.
2. სტრუქტურული დატვირთვები იზრდება. როდესაც ქარი გვერდიდან უბერავს, აეროდინამიკური ძალები ასიმეტრიული ხდება და იწვევს დინამიურ დატვირთვებს ფრთებზე, კერაზე, ღერძსა და კოშკზე.
3. ვიბრაცია და დაჩქარებული ცვეთა. არასწორი განლაგება შეიძლება გაზარდოს ვიბრაცია და დააჩქაროს მექანიკური კომპონენტების ცვეთა.
კარგი გადახრის კონტროლის შემთხვევაში, ტურბინას შეუძლია შეინარჩუნოს ეფექტურობა და გაახანგრძლივოს თავისი მომსახურების ვადა.
2. იავ სისტემის ძირითადი პრინციპები
ჰორიზონტალური ღერძის მქონე ქარის ტურბინები (HAWT) როგორც წესი, იყენებენ აქტიური მოხრის სისტემას, რომელიც აქტიურად აბრუნებს გონდოლას ძრავის გამოყენებით. პატარა ტურბინებისგან განსხვავებით, რომლებიც ზოგჯერ იყენებენ კუდს (ფრთას) ქარის პასიურად „მიმდევრობისთვის“, კომუნალური მასშტაბის ტურბინები თითქმის ყოველთვის იყენებენ აქტიურ მოხრის სისტემას გონდოლას დიდი მასისა და ზუსტი კონტროლის საჭიროების გამო.
როდესაც სენსორი ქარის მიმართულების ცვლილებას აღმოაჩენს, კონტროლერი (PLC/SCADA კონტროლერი) ითვლის, თუ რამდენად უნდა ბრუნოს ტურბინამ. თუ გადახრის კუთხე გარკვეულ ზღვარს გადააჭარბებს, გადახრის ძრავა ჩართავს გადახრის საკისარზე არსებულ გადაცემათა კოლოფებს, რაც იწვევს გონდოლის ბრუნვას გასწორებამდე.
3. გადახრის კონტროლის სისტემის ძირითადი კომპონენტები
ა) ქარის სიჩქარისა და მიმართულების სენსორი
გონდოლის ზემოთ, როგორც წესი, არის:
– ქარის ფრთა გონდოლასთან მიმართებაში ქარის მიმართულების გასაზომად.
- ანემომეტრი ქარის სიჩქარის გასაზომად.
ეს მონაცემები წარმოადგენს მთავარ შეყვანის მეთოდს იმის დასადგენად, საჭიროა თუ არა გადახრის კორექტირება.
ბ) მხრის საკისარი
კუთხის ფორმის საკისარი არის დიდი, რგოლისებრი საკისარი, რომელიც საშუალებას აძლევს გონდოლას ბრუნოს კოშკზე. ამ საკისარს უნდა შეეძლოს კომბინირებული დატვირთვის გაუძლება: გონდოლის წონა, როტორის ბიძგი და ტურბულენტობით გამოწვეული დინამიური დატვირთვები.
გ) ცვალებადი მექანიზმი და ცვალებადი ძრავა
კუთხის მიმართულებით მიმართული ამძრავი, როგორც წესი, შედგება რამდენიმე ელექტროძრავისგან (ხშირად ერთზე მეტი დამატებითი ელექტროძრავისგან), რომლებიც ამოძრავებენ პინიონურ მექანიზმს, რომელიც უკავშირდება კუთხის მიმართულებით მიმართულ რგოლიან მექანიზმს კუთხის მიმართულებით მიმართულ ამძრავ საკისარზე. ძრავებს შეუძლიათ მუშაობა მონაცვლეობით ან ერთდროულად, დიზაინისა და ბრუნვის მომენტის მოთხოვნების მიხედვით.
დ) იერის მუხრუჭი
ძრავის გარდა, არსებობს სამუხრუჭე სისტემა, რომელიც ხელს უშლის გონდოლის თავისუფლად ბრუნვას. ირიბი მუხრუჭები აუცილებელია:
– პოზიციის სტაბილიზაცია, როდესაც ტურბინა სასურველ კუთხეს მიაღწევს,
– უწყვეტი მცირე მოძრაობების თავიდან აცილება (გადახრის ზონის ნადირობა),
– გონდოლის დაჭერა გარკვეული ქარის პირობებში ან ტურბინის გაჩერების დროს.
ე) ტურბინის კონტროლერი (კონტროლერი)
კონტროლერი იღებს სენსორულ სიგნალებს, იყენებს მართვის ლოგიკას და შემდეგ უგზავნის ბრძანებებს ძრავებსა და მუხრუჭებს. კონტროლერი ასევე ახორციელებს უსაფრთხოების ბლოკირებას: მაგალითად, ხელს უშლის გადახრას სენსორის გაუმართაობის შემთხვევაში, ტურბინის გარკვეულ რეჟიმებში მუშაობისას ან ქარის ექსტრემალური სიჩქარის დროს.
4. როგორ განსაზღვრავს ტურბინა გადახრის დროს?
ტურბინები ყოველთვის არ ასწორებენ ქარის ყოველ უმნიშვნელო ცვლილებას. თუ ისინი ძალიან მგრძნობიარეა, სისტემა ხშირად იმოძრავებს და დააჩქარებს ძრავის, გადახრის მექანიზმში არსებული პატარა გადაცემათა კოლოფის და გადახრის საკისრების ცვეთას. ამიტომ, გადახრის კონტროლი ზოგადად იყენებს ზღურბლის (მკვდარი ზოლის) და დროის შეფერხების კონცეფციებს.
ა) გადახრის შეცდომა და მკვდარი ზოლი
– გადახრის შეცდომა = გაზომილი ქარის მიმართულება – გონდოლის მიმდინარე პოზიცია
– მკვდარი ზოლი არის ტოლერანტობის დიაპაზონი, მაგალითად, ±5°-დან ±15°-მდე (განსხვავდება მწარმოებლებისა და კონტროლის სტრატეგიების მიხედვით).
თუ გადახრის შეცდომა კვლავ მკვდარი დიაპაზონის ფარგლებშია, ტურბინა ირჩევს არ იმოძრაოს.
ბ) დროის შეფერხება და მონაცემთა ფილტრაცია
ქარის მიმართულება ტურბულენტობის გამო მერყეობს. ამიტომ, სენსორის მონაცემები, როგორც წესი, შემდეგია:
– გაფილტრული მოძრავი საშუალოს გამოყენებით,
– შეფასებულია გარკვეული პერიოდის განმავლობაში (მაგ. 10–60 წამი),
რათა ტურბინა არ რეაგირებდეს მომენტალურ „ხმაურზე“.
გ) ირიბი ნაბიჯის სტრატეგია
უწყვეტი ბრუნვის ნაცვლად, ტურბინები ხშირად მცირე ნაბიჯებით იხრებიან. ისინი რამდენიმე გრადუსით ბრუნავენ, გაჩერდებიან, ხელახლა შეაფასებენ და საჭიროების შემთხვევაში განაახლებენ მუშაობას. ეს მიდგომა ხელს უწყობს რხევების შემცირებას და მექანიკური დატვირთვების კონტროლს.
5. გადახრის კონტროლის სამუშაო პროცესი თანმიმდევრულად
ქვემოთ მოცემულია ფართომასშტაბიანი ტურბინების სამუშაო პროცესის საერთო სქემა:
1. ქარის პირობების გაზომვა. ქარის ფრთა აჩვენებს ქარის მიმართულებას გონდოლასთან მიმართებაში, ანემომეტრი კითხულობს სიჩქარეს.
2. არასწორი განლაგების გამოთვლა. კონტროლერი ითვლის გადახრის შეცდომას და ამოწმებს, აღემატება თუ არა ის მკვდარ ზოლს.
3. ოპერაციული მდგომარეობის შემოწმება. სისტემა უზრუნველყოფს, რომ ტურბინა უსაფრთხო გადახრის მდგომარეობაშია: არ არსებობს კრიტიკული სიგნალიზაცია, მუხრუჭები მზადაა, ძრავები ხელმისაწვდომია და კაბელის ბრუნვის შეზღუდვები უსაფრთხოა (კოშკის შიგნით კაბელების მქონე კონსტრუქციებისთვის).
4. საჭიროების შემთხვევაში, მოხსენით მოხვევის საწინააღმდეგო მუხრუჭები. მუხრუჭების მოხსნა შესაძლებელია გონდოლის გადასაადგილებლად.
5. რხევის ძრავის გააქტიურება. ძრავა გონდოლას ქარის მიმართულებით ატრიალებს. რხევის სიჩქარე შედარებით დაბალია დატვირთვის შესამცირებლად (მაგ., რამდენიმე გრადუსი წამში).
6. დამუხრუჭება და პოზიციის ფიქსაცია. სამიზნის კუთხის მიახლოებისას, ძრავა ჩერდება და მუხრუჭები გონდოლას სტაბილურად ინარჩუნებს.
7. შემოწმება. სენსორი ხელახლა კითხულობს, რათა დაადგინოს, შემცირდა თუ არა გადახრის შეცდომა. თუ არა, ციკლი მეორდება.
6. იერის კონტროლის კავშირი სიმაღლისა და სიმძლავრის კონტროლთან
იზოლირებულად არ არსებობს გადახრის კონტროლი. თანამედროვე ტურბინებში არსებობს სამი ძირითადი, დამატებითი მართვის სისტემა:
– დახრილობის კონტროლი: ცვლის პირების კუთხეს სიმძლავრისა და დატვირთვის რეგულირებისთვის.
– როტორის სიჩქარის კონტროლი: არეგულირებს როტორის ბრუნვას (გენერატორისა და გადამყვანის მეშვეობით).
– გადახრის კონტროლი: უზრუნველყოფს, რომ როტორი ქარისკენ იყოს მიმართული.
მაგალითად, ძალიან ძლიერი ქარის დროს, ტურბინა შეიძლება გარკვეული დახრილობის დროს გადავიდეს სიმძლავრის შეზღუდვის რეჟიმში. ამ პირობებში, დატვირთვის გაზრდის თავიდან ასაცილებლად, ტურბინის რხევის სისტემა შეიძლება უფრო კონსერვატიული იყოს. პირიქით, ნორმალური წარმოების პირობებში, რხევის რხევა უფრო აქტიური იქნება ეფექტურობის მისაღწევად.
7. ცვალებადი სისტემებში გავრცელებული გამოწვევები და პრობლემები
ა) იავ-ჰანტინგი
ეს მაშინ ხდება, როდესაც ტურბინა ძალიან ხშირად იცვლის გადახრის მიმართულებას ხმაურიანი ქარის მიმართულების სიგნალის ან ძალიან მცირე „მკვდარი ზოლის“ გამო. ეს იწვევს ძრავის, მუხრუჭების და საკისრების ცვეთას.
ბ) ხრახნიანი საკისრებისა და მექანიზმის ცვეთა
მძიმე დატვირთვისა და განმეორებითი მოძრაობის გამო, შეზეთვა და შემოწმება აუცილებელია. გადაცემათა კოლოფის არასწორმა განლაგებამ, არასწორმა შეზეთვამ ან დამაბინძურებლების მოხვედრამ შეიძლება დააჩქაროს დაზიანება.
გ) სენსორის გაუმართაობა
თუ ქარის ფრთა დაზიანებულია ან ანემომეტრი არასწორ მაჩვენებლებს იძლევა, ტურბინა შესაძლოა არასწორი მიმართულებით იყოს მიმართული. ბევრი ტურბინა გაუმართავი სენსორების აღმოსაჩენად დიაგნოსტიკასა და რეზერვაციას იყენებს.
დ) კაბელის ბრუნვის ლიმიტი
ზოგიერთ დიზაინში, გონდოლის შიგნით არსებული ელექტრო და სიგნალის კაბელები შეიძლება დაგრეხილი გახდეს, თუ გადახრის კუთხე ერთი მიმართულებით ზედმეტად იქნება შემობრუნებული. ამიტომ, გონდოლის აღსადგენად არსებობს ბრუნვის მართვის სისტემები, როგორიცაა ბრუნვის სენსორი და მოხსნის პროცედურა.
8. მზრუნველობა და საუკეთესო პრაქტიკა
იმისათვის, რომ ირიბი სისტემა ოპტიმალურად მუშაობდეს, ოპერატორები, როგორც წესი, იყენებენ:
– პერიოდულად დააკალიბრეთ ქარის მიმართულების სენსორი.
– მუხრუჭისა და ძრავის შემოწმება: ტემპერატურა, დენი და დამუხრუჭების რეაგირება.
– მწარმოებლის მიერ დადგენილი გრაფიკის მიხედვით შეზეთეთ ირიბი საკისრები და გადაცემათა კოლოფები.
– SCADA მონაცემთა ანალიზი: აკონტროლეთ გადახრის სიხშირე, ხანგრძლივობა და შეცდომების ნიმუშები. ნიმუშების ცვლილებებმა შეიძლება ადრეულ პრობლემებზე მიუთითოს.
– რგოლისებრი მექანიზმის, ჭანჭიკების და გონდოლის სტრუქტურის ვიზუალური შემოწმება.
დასკვნა
ქარის ტურბინების ქარისკენ მიმართული შენარჩუნებისა და ენერგიის ეფექტურად გენერირებისთვის, სტრუქტურული დატვირთვების უსაფრთხო შენარჩუნების პარალელურად, გადამწყვეტი ფაქტორია ქარის სიჩქარისა და მიმართულების სენსორების გამოყენებით, კონტროლერი განსაზღვრავს, როდის არის შეუსაბამობა საკმარისად დიდი გამოსასწორებლად, შემდეგ ძრავის მეშვეობით იყენებს გადახრის მოძრაობას და მუხრუჭებით ინარჩუნებს პოზიციას. ისეთი სტრატეგიები, როგორიცაა „მკვდარი ზოლი“, სიგნალის ფილტრაცია და გადახრის ნაბიჯი, გამოიყენება ორი ხშირად კონფლიქტური მიზნის დასაბალანსებლად: ქარის ცვლილებებზე სწრაფი რეაგირება და კომპონენტების ცვეთის მინიმიზაცია. რადგან ისინი მუშაობენ ექსტრემალურ გარემოში და მნიშვნელოვან დატვირთვას ატარებენ, გადახრის სისტემებს სჭირდებათ საიმედო დიზაინი და დაგეგმილი მოვლა, რათა შეინარჩუნონ ტურბინის ოპტიმალური მუშაობა მთელი მათი ექსპლუატაციის ვადის განმავლობაში.
