Kā vēja turbīnās darbojas pagrieziena kontroles sistēma
Mūsdienu vēja turbīnas ir konstruētas tā, lai uztvertu pēc iespējas vairāk enerģijas no mainīgā vēja straumju virziena un ātruma. Lai nodrošinātu, ka rotors (lāpstiņa) vienmēr ir "vērsta" pret vēju pareizā leņķī, turbīnai ir nepieciešams mehānisms, kas var pagriezt gondolu (gondolu) atbilstoši vēja virziena izmaiņām. Šo mehānismu sauc par pagrieziena vadības sistēmu. Vienkārši sakot, pagrieziens ir turbīnas rotācija ap vertikālo asi, lai rotora kustības plakne paliktu paralēla ienākošā vēja virzienam. Šajā rakstā ir aplūkots, kā darbojas pagrieziena vadības sistēma vēja turbīnās, tās galvenās sastāvdaļas, vadības stratēģijas, kā arī problēmas un apkope.
1. Kāpēc pagrieziena kontrole ir svarīga?
Galvenais pagrieziena kontroles mērķis ir līdz minimumam samazināt pagrieziena novirzi — leņķisko atšķirību starp vēja virzienu un rotora kustības virzienu. Ja rotors nav nobīdīts attiecībā pret vēju, daļa vēja enerģijas "iziet" caur rotoru, netiekot optimāli uztverta. Ietekme:
1. Samazināta jauda. Kopumā, jo lielāka ir nobīde, jo lielāks ir jaudas samazinājums.
2. Konstrukcijas slodzes palielinās. Kad vējš pūš no sāniem, aerodinamiskie spēki kļūst asimetriski un izraisa dinamiskas slodzes uz lāpstiņām, rumbu, asi un torni.
3. Vibrācija un paātrināts nodilums. Nepareiza izlīdzināšana var palielināt vibrāciju un paātrināt mehānisko komponentu nodilumu.
Ar labu pagrieziena kontroli turbīna var saglabāt efektivitāti un pagarināt tās kalpošanas laiku.
2. Zirgu kustības sistēmas pamatprincipi
Horizontālās ass vēja turbīnas (HAWT) parasti izmanto aktīvu novirzes sistēmu, kas ar motora palīdzību aktīvi rotē gondolu. Atšķirībā no mazām turbīnām, kas dažreiz izmanto asti (lāpstiņu), lai pasīvi "sekotu" vējam, liela mēroga turbīnas gandrīz vienmēr izmanto aktīvu novirzi lielās gondolas masas un precīzas vadības nepieciešamības dēļ.
Kad sensors konstatē vēja virziena izmaiņas, kontrolieris (PLC/SCADA kontrolieris) aprēķina, cik daudz turbīnai vajadzētu griezties. Ja novirzes leņķis pārsniedz noteiktu slieksni, novirzes motors ieslēdz novirzes gultņa zobratus, izraisot gondolas griešanos, līdz tā ir izlīdzināta.
3. Pagrieziena vadības sistēmas galvenās sastāvdaļas
a) Vēja ātruma un virziena sensors
Virs naceles parasti atrodas:
– Vēja rādītājs vēja virziena mērīšanai attiecībā pret gondolu.
- Anemometrs vēja ātruma mērīšanai.
Šie dati ir galvenie ievades dati, lai noteiktu, vai ir nepieciešams veikt pagrieziena korekciju.
b) Novirzes gultnis
Novirzošais gultnis ir liels, gredzenveida gultnis, kas ļauj gondolai griezties uz torņa. Šim gultnim jāspēj izturēt kopējo slodzi: gondolas svaru, rotora vilci un turbulences radītās dinamiskās slodzes.
c) Pagrieziena piedziņa un pagrieziena motors
Novirzīšanās piedziņa parasti sastāv no vairākiem elektromotoriem (bieži vien vairāk nekā viena redundances dēļ), kas darbina zobratu, kas saslēdzas ar gredzenveida zobratu uz novirzīšanās gultņa. Motori var darboties pārmaiņus vai vienlaicīgi atkarībā no konstrukcijas un griezes momenta prasībām.
d) Griešanās bremze
Papildus motoram ir arī bremžu sistēma, kas neļauj gondolei brīvi griezties. Griešanās bremzes ir būtiskas:
– stabilizēt pozīciju, kad turbīna sasniedz vēlamo leņķi,
– novērst nepārtrauktas nelielas kustības (virziena medības),
– gondolas noturēšana noteiktos vēja apstākļos vai turbīnas apstādināšanas laikā.
e) Turbīnas kontrolieris (kontrolieris)
Kontrolieris saņem sensoru signālus, piemēro vadības loģiku un pēc tam nosūta komandas motoriem un bremzēm. Kontrolieris ievieš arī drošības bloķēšanas mehānismus: piemēram, novēršot novirzi, ja sensors atteicas, kad turbīna darbojas noteiktos režīmos vai ja vēja ātrums ir ārkārtīgi liels.
4. Kā turbīna nosaka, kad pagriezties?
Turbīnas ne vienmēr koriģē virzienu katru reizi, kad vējš nedaudz mainās. Ja tās ir pārāk jutīgas, sistēma bieži kustēsies un paātrinās motora, mazās pārnesumkārbas pagrieziena piedziņas daļā un pagrieziena gultņu nodilumu. Tāpēc pagrieziena kontrolē parasti tiek izmantoti sliekšņa (nejutīguma zonas) un laika aizkaves jēdzieni.
a) Novirzes kļūda un nestrādes zona
– Pagrieziena kļūda = izmērītais vēja virziens – pašreizējā gondolas pozīcija
– Nestrādes zona ir pielaides diapazons, piemēram, no ±5° līdz ±15° (atšķiras atkarībā no ražotāja un vadības stratēģijas).
Ja novirzes kļūda joprojām atrodas nejutīguma zonā, turbīna izvēlas nekustēties.
b) Laika aizkave un datu filtrēšana
Vēja virziens svārstās turbulences dēļ. Tāpēc sensoru dati parasti ir:
– filtrēts, izmantojot slīdošo vidējo vērtību,
– novērtēts noteiktā laika periodā (piemēram, 10–60 sekundes),
lai turbīna nereaģētu uz īslaicīgu “troksni”.
c) Pagrieziena stratēģija
Turbīnas negriežas nepārtraukti, bet bieži vien svārstās ar nelieliem soļiem. Tās pagriežas par dažiem grādiem, apstājas, atkārtoti novērtē darbību un pēc tam atsāk darbību, ja nepieciešams. Šī pieeja palīdz samazināt svārstības un kontrolēt mehāniskās slodzes.
5. Pagrieziena vadības darba process secīgi
Tālāk ir sniegta izplatīta darbplūsma liela mēroga turbīnām:
1. Vēja apstākļu mērīšana. Vēja spārns nolasa vēja virzienu attiecībā pret gondolu, anemometrs nolasa ātrumu.
2. Novirzes aprēķins. Regulators aprēķina novirzes kļūdu un pārbauda, vai tā pārsniedz nejutīguma zonu.
3. Darbības stāvokļa pārbaude. Sistēma nodrošina, ka turbīna ir drošā pagrieziena stāvoklī: nav kritisku trauksmju, bremzes ir gatavas, motori ir pieejami un trošu rotācijas ierobežojumi ir droši (konstrukcijām ar trosēm torņa iekšpusē).
4. Atlaidiet pagrieziena bremzes (ja nepieciešams). Bremzes var atbrīvot, lai gondole varētu kustēties.
5. Pagrieziena motora aktivizēšana. Motors griež gondolu pret vēju. Pagrieziena ātrums tiek uzturēts relatīvi lēns, lai samazinātu slodzi (piemēram, dažus grādus sekundē).
6. Bremzēšana un pozīcijas fiksēšana. Tuvojoties mērķa leņķim, motors apstājas un bremzes notur gondoli nekustīgi.
7. Verifikācija. Sensors vēlreiz nolasa, lai redzētu, vai novirzes kļūda ir samazinājusies. Ja nē, cikls atkārtojas.
6. Novirzes kontroles saistība ar slīpuma un jaudas kontroli
Novirzes vadība nepastāv atsevišķi. Mūsdienu turbīnās ir trīs galvenās savstarpēji papildinošās vadības ierīces:
– Leņķa kontrole: maina lāpstiņu leņķi, lai regulētu jaudu un slodzi.
– Rotora ātruma kontrole: regulē rotora griešanos (izmantojot ģeneratoru un pārveidotāju).
– Virziena kontrole: nodrošina, ka rotors ir vērsts pret vēju.
Piemēram, ļoti spēcīga vēja gadījumā turbīna noteiktā leņķī var pāriet jaudas ierobežošanas režīmā. Šādos apstākļos novirzes sistēma var tikt padarīta konservatīvāka, lai izvairītos no slodzes palielināšanās. Turpretī normālos ražošanas apstākļos novirze būs aktīvāka, lai sasniegtu efektivitāti.
7. Bieži sastopamas problēmas un izaicinājumi pagrieziena sistēmās
a) Žiedošanas medības
Tas notiek, ja turbīna pārāk bieži maina pagrieziena virzienu trokšņaina vēja virziena signāla vai ļoti mazas nejūtības zonas dēļ. Tas izraisa motora, bremžu un gultņu nodilumu.
b) Novirzes gultņa un zobratu nodilums
Lielo slodžu un atkārtotu kustību dēļ eļļošana un pārbaude ir būtiska. Zobratu nepareiza izlīdzināšana, slikta eļļošana vai piesārņotāju iekļūšana var paātrināt bojājumus.
c) Sensora kļūme
Ja vēja spārns ir bojāts vai anemometrs sniedz nepareizus rādījumus, turbīna varētu būt vērsta nepareizā virzienā. Daudzas turbīnas izmanto diagnostiku un redundanci, lai atklātu bojātus sensorus.
d) Kabeļa sagriešanās ierobežojums
Dažos projektos elektriskie un signāla kabeļi gondolas iekšpusē var savīties, ja novirze tiek pārāk tālu pagriezta vienā virzienā. Tāpēc gondolas atjaunošanai ir ieviestas sagriešanās pārvaldības sistēmas, piemēram, sagriešanās sensors un atritināšanas procedūra.
8. Aprūpe un labākā prakse
Lai pagrieziena sistēma darbotos optimāli, operatori parasti piemēro:
– Periodiski kalibrējiet vēja virziena sensoru.
– Bremzes un motora pārbaude: temperatūra, strāva un bremzēšanas reakcija.
– Ieeļļojiet pagrieziena rādītāju gultņus un zobratus saskaņā ar ražotāja noteikto grafiku.
– SCADA datu analīze: uzrauga novirzes biežumu, ilgumu un kļūdu modeļus. Izmaiņas modeļos var norādīt uz agrīnām problēmām.
– Gredzena zobrata, skrūvju un gondolas konstrukcijas vizuāla pārbaude.
Secinājums
Virziena vadības sistēma ir ļoti svarīga, lai vēja turbīnas būtu vērstas pret vēju un efektīvi ražotu enerģiju, vienlaikus saglabājot drošas konstrukcijas slodzes. Izmantojot vēja ātruma un virziena sensorus, kontrolieris nosaka, kad nobīde ir pietiekami liela, lai to labotu, pēc tam ieslēdz pagrieziena piedziņu, izmantojot motoru, un notur pozīciju ar bremzēm. Tādas stratēģijas kā nejutīguma zona, signāla filtrēšana un pagrieziena soļu regulēšana tiek izmantotas, lai līdzsvarotu divus bieži vien pretrunīgus mērķus: ātru reaģēšanu uz vēja izmaiņām un komponentu nodiluma samazināšanu. Tā kā tās darbojas ekstremālos apstākļos un pārvadā ievērojamas slodzes, pagrieziena vadības sistēmām ir nepieciešama uzticama konstrukcija un regulāra apkope, lai uzturētu optimālu turbīnu darbību visā to ekspluatācijas laikā.
