会社のニュース 水力発電所における水力タービン管理者の役割と地位

水力タービンのガバナー水力発電所における

 

電力運転時には、電力供給と負荷のバランスを常に維持する必要があります。さらに、電気エネルギーの質の確保は、発電プロセスにおける重要な課題です。電気エネルギーの品質を測定するための主な指標は、一般的に電圧と周波数であり、次に波形が続きます。周波数の偏差は、電力利用者の正常な運転に深刻な影響を与えます。電動機の場合、周波数の低下はモーターの速度低下を引き起こし、それによって生産性が低下し、モーターの寿命に影響を与えます。逆に、周波数の上昇はモーターの速度上昇を引き起こし、消費電力が増加し、経済性が低下します。特に、厳格な速度要件を持つ特定の産業部門（繊維、製紙など）では、周波数の偏差は製品の品質に大きく影響し、不良品の発生につながる可能性もあります。さらに、周波数の偏差は、発電所自体にもより深刻な影響を与えます。たとえば、火力発電所では、ボイラー給水ポンプやファンなどの遠心機械の場合、周波数が低下すると出力が急激に低下し、ボイラーの出力を大幅に削減せざるを得なくなったり、ボイラーの緊急停止を引き起こしたりします。これにより、システムの電力出力がさらに減少し、システムの周波数がさらに低下することになります。さらに、周波数を下げて運転すると、タービンブレードが振動の増加により亀裂を生じ、タービンの寿命が短くなります。したがって、システムの周波数の急激な低下の傾向をタイムリーに止めることができなければ、悪循環を引き起こし、最終的には電力システム全体の崩壊につながる可能性があります。

 

中国の電力部門の規制によると、電力網の定格周波数は50Hzであり、大規模電力網の許容周波数偏差は±0.2Hzです。中小規模の電力網の場合、システムの負荷変動は、その総容量の5％から10％に達することがあります。大規模な電力システムでさえ、負荷変動は2％から3％に達することがよくあります。電力システムの負荷の継続的な変化は、システムの周波数の変動につながります。したがって、タービン制御の基本的なタスクは、タービン発電機セットの出力電力を継続的に調整し、ユニットの回転速度（周波数）を規定の定格範囲内に維持することです。

 

要約すると、水力タービンガバナーは、水力発電所におけるタービン発電機セットの重要な補助装置です。発電所の二次回路およびコンピュータ監視システムと連携して、タービン発電機セットの起動と停止、負荷の増減、および緊急停止などのタスクを完了します。タービンガバナーは、他のデバイスと連携して、自動発電制御、グループ制御、および水位に応じた調整などのタスクを完了することもできます。さらに、電力網で障害が発生した場合、遮断器のトリップと連携して、負荷遮断プロセスを迅速かつ安定的に完了し、タービンユニットを保護し、できるだけ早く定格速度を回復できるようにします。

 

結論として、タービンガバナーの基本的なタスクは次のとおりです。
◆ ユニットの正常な運転
◆ ユニットの安全な運転の確保
◆ 並列ユニット間の負荷の合理的な配分

 

水力タービンガバナーの種類

制御対象の数によって分類すると、単一調整ガバナーと二重調整ガバナーに分けられます。

• 一般的に、単一調整ガバナーは、反応タービン（フランシス水車など）のさまざまな固定ブレードユニットに使用されます。制御対象はガイドベーンのみであり、タービンブレードを通る水の流れは、ガイドベーンの開度を調整することによって制御されます。

• 二重調整ガバナーは、さまざまな反応型可変ブレードユニット（カプラン水車など）に使用されます。制御対象はガイドベーンとランナーブレードです。タービンへの水の流れの出力は、ガイドベーンの開度とランナーブレードの角度を調整することによって制御されます。一般的に、可変ブレードユニットは、ガイドベーンとランナーブレードの間で調整された制御を行います。

さらに、衝動タービンはより多くの制御対象を持ち、「マルチノズルおよびマルチディフレクター」または「マルチノズル＆ワンディフレクター」ガバナーの別のタイプとして分類され、衝動タービン専用に設計されています。ガバナーの制御対象は、衝動タービンのノズルニードルとディフレクターの数によって異なります。

2. 水力タービンガバナーは、全体として一般的にメカトロニクス製品であり、その機械的実行部分は油圧制御を採用しています。電気油圧変換方法によって分類すると、デジタル、ステッピング、比例デジタルガバナーに分けられます。一般的に、デジタルタイプと比例タイプが組み合わされています。

• デジタルガバナーは、ソレノイドバルブを使用してバルブのオン/オフをデジタルパルスで制御し、サーボモーターのオン/オフを制御する効果を実現します。

• ステッピングガバナーは、電流を使用してステッピングモーターを前進または後退させ、垂直変位を生成し、パイロットバルブとメイン分配バルブと連携してサーボモーターのオン/オフを制御します。

• 比例サーボバルブは、比例コントローラーとメイン分配バルブを介して電気油圧変換を完了します。

3. 使用される油圧によって分類すると、従来の油圧と高油圧ガバナーに分けられます。

• 従来の油圧：2.5MPa、4.0MPa、6.3MPa

• 高油圧：一般的に16MPa

圧力油タンクの容量は、サーボモーターの油腔のサイズによって決定されます。

制御対象ユニットの容量によって分類すると、大、中、小ガバナーに分けられます。

 

 

の発展の歴史水力タービンガバナー

 

水力タービンガバナーは、水力発電所での長い応用歴史を持っています。19世紀後半の1891年には、ドイツのVoith社が最初の純粋な機械式ガバナー、つまり機械式遠心振り子型ガバナーを製造し、タービンの開閉はベルトによって直接駆動されました。ガバナーシステムに対する要件、特に感度に対する要件が改善され、短時間での開閉には大きな調整力が必要となり、油圧が必要となりました。これにより、水圧増幅と油圧増幅を備えた機械式ガバナーが開発されました。1950年代後半から1960年代にかけて、機械油圧ガバナーはピークに達しました。スウェーデンは1944年に電気油圧ガバナーを製造しました。

中国は1950年代に電気油圧ガバナーの開発を開始し、1961年には中国初の自社製造の電気ガバナーが柳渓発電所で運用を開始しました。1960年代から1970年代は、電気油圧ガバナーの大規模な開発期でした。

 

電気ガバナーの開発は、おおよそいくつかの段階を経てきました。

 

• 真空管段階では、真空管が電気増幅器として使用され、電気周波数測定回路が機械式遠心振り子に取って代わりました。
• その後、トランジスタが真空管に取って代わり、トランジスタ型電気油圧ガバナーが誕生しました。
• 1970年代には、大規模集積回路技術が急速に発展し、集積回路演算増幅器がタービンガバナーに適用されました。したがって、電気油圧ガバナーは、ディスクリートコンポーネントから集積回路構造へと徐々に進化しました。

 

科学技術の発展に伴い、1970年代半ばにマイクロプロセッサが市場に参入した後、多くの国が1970年代後半から1980年代初頭にかけてマイクロコンピュータガバナーの開発を相次いで開始しました。世界初のデジタルガバナーは、1970年代初頭にカナダで開発されました。1976年には、カナダがリアルタイムデジタルガバナーを開発し、1981年には適応型ガバナーの試験結果が発表されました。中国も1980年代初頭にマイクロコンピュータガバナーの開発を開始しました。1981年末には、華中科技大学が「水力タービン発電機用適応型可変パラメータPIDマイクロコンピュータプロセッサガバナー」の研究を開始し、ユニットの運転条件（水頭と開度）に応じてPIDパラメータが自動的に変化し、故障適応型ガバナーでした。

 

実践により、マイクロコンピュータガバナーは、アナログ電気油圧ガバナーよりも多くの利点があることが証明されています。

 

• マイクロコンピュータガバナーのソフトウェアは柔軟に構成されており、タービン制御システムの特性と各発電所の具体的な要件に応じて制御モードと戦略を設定できるため、ユニットは効率的、高品質、かつ経済的に運転できます。したがって、マイクロコンピュータガバナーは、その出現以来、強力な活力を示しています。
• マイクロコンピュータ診断技術と耐故障技術の適用は、ガバナーの信頼性の向上に役立ちます。マイクロコンピュータの通信、インターフェース、および強力な拡張機能により、マイクロコンピュータガバナーは、発電所のコンピュータ監視システムの要件にうまく適応できます。

 

1969年、アメリカのDigital Equipment Corporation（DEC）は、「プログラマブルロジックコントローラー（PLC）」の開発に成功しました。その後、日本とヨーロッパの国々もプログラマブルコントローラーの開発に成功し、生産を開始しました。PLCは、フォトエレクトリックアイソレーション、電磁シールド、アナログ/デジタルフィルタリングなどのハードウェアにおける一連の干渉防止対策、およびウォッチドッグタイマー（WDT）やハードウェアとソフトウェアの自己検査などの機能を備えたシステムソフトウェアなど、その信頼性により、多くの産業用自動制御機器およびシステムの最適な製品となっています。

 

タービンガバナーは、水力発電所の統合自動化のための重要な基本設備です。その技術レベルと信頼性は、水力発電所の安全な発電と電力品質に直接影響し、ひいては国民経済のすべてのセクターの電力品質に影響を与えます。

 

ガバナー制御法則とシステム構造の進化

ガバナーにおける制御法則の開発は急速に進んでいます。

 

• 初期のガバナー（機械式）は比例リンクであり、比例制御法則を形成し、記号Pで示されます。
• その後、ほとんどのガバナーは比例積分制御法則、つまりPI型ガバナーで設計され、Iは積分作用を表します。
• 1950年代後半から1960年代初頭にかけて、加速制御の採用により、P-I-D制御法則を備えたガバナーが登場し、Dは微分制御を表します。たとえば、スウェーデンのASEAが製造したFRVV-10S電気油圧ガバナーと、フランスのNEYRPICのRAPID電気油圧ガバナーはどちらもP-I-D制御法則を備えています。
• 1970年代半ばには、PIDレギュレーターがタービンガバナーに直接適用され、PID型、つまり並列比例（P）、積分（I）、および微分（D）リンクを備えたガバナーが登場しました。ここで積分作用は電気リンクによって生成され、積分作用が油圧サーボによって生成されたP-I-Dガバナーとは明らかに異なります。このPID型ガバナーは、優れた静的および動的特性を持ち、より高度なガバナーの1つです。
  （注：P-I-Dは、P、I、D制御法則を備えた電気ガバナーを表し、P-I-D加速型ガバナーを含みます。PIDは、P、I、D制御法則を具体化する並列のP、I、Dリンクを備えた電気ガバナーを表します。）

 

1960年代以前は、ほとんどのガバナーがPI制御法則を使用していました。1970年代以降、世界中で製造された電気油圧ガバナーは、周波数制御の調整品質を大幅に向上させた速度微分制御ソフトウェアの導入により、PID制御法則を広く採用しました。

高度な制御法則の研究と応用

近年、マイクロコンピュータ技術と制御理論の発展に伴い、高度な制御法則をタービンガバナーに適用する研究が本格的に開始され、最適制御、状態フィードバック制御、適応制御、予測制御、ファジー制御、適応可変パラメータ制御、可変構造制御、スライディングモード可変構造制御戦略、および水圧補償信号制御が含まれます。

• プログラマブルロジックコントローラー（PLC）の出現は、タービンガバナー制御に新たな活力を注入し、複数の制御機能を統合し、制御性能を大幅に向上させ、電気制御ユニットの構造を簡素化しました。その後の研究開発と生産における実践は、PLCをタービンガバナーの制御コアとして使用することが徐々に主流となり、さまざまなメーカーによるさまざまなガバナータイプの開発の基礎を形成したことを証明しました。
• デジタルバルブ型ガバナーの開発と試運転は、ガバナーの機械部分の改革の始まりを告げました。電気油圧変換リンクは、メイン分配バルブへの依存から（解放され）、低コスト、安定した性能、および油質に対する低い要件を特徴とし、その後、中小水力発電所の急速な発展を大いに支援しました。
• 衝動タービンユニットは、短いサーボモーターのストロークと複数の制御対象を特徴としています。このガバナーの開発と試運転は、その後の特殊な衝動ガバナーの研究のための経験を蓄積しました。
• 電気油圧変換リンクのさらなる発展は、デュアル変換モードの共存、（相互バックアップ）、非干渉を実現し、一方のリンクが動作している間、もう一方がメンテナンス中になることを可能にしました。複数の発電所での運用経験が成功したことで、大規模水力発電所の最適な製品となっています。

性能指標

• ガイドベーンサーボモーター全閉時間の調整範囲：3〜100 S

• ガイドベーンサーボモーター全開時間の調整範囲：3〜100 S

• ランナーブレードサーボモーター全閉時間の調整範囲：10〜120 S

• ランナーブレードサーボモーター全開時間の調整範囲：10〜120 S

• 周波数調整範囲：45〜55 Hz

• 永久速度低下の調整範囲：0〜10％

• 比例ゲインの調整範囲：0.5〜20

• 積分ゲインの調整範囲：0.05〜10 1/s

• 微分ゲインの調整範囲：0.0〜10 s

• 人工デッドゾーンの調整範囲：0〜±1.5％

• メインサーボモーターで測定された速度デッドゾーン：≤0.02％

• タービンが25％の負荷を遮断した後、サーボモーターの非動作時間：≤0.2 s

• 静的特性曲線の非線形性：≤0.5％

• 3分間の自動無負荷運転中、ユニットの相対速度変動：≤±0.15％。

• 定格負荷の100％を遮断した後、3％を超える速度変動の回数：≤2回。ガバナーによって引き起こされるユニットの連続速度変動の相対値：≤±0.15％。

• ユニットが負荷を遮断した瞬間から、相対速度偏差が±1％未満になるまでの間、調整時間の、負荷遮断から最高速度までの時間に対する比率は、中/低落差反応タービンおよび衝動タービンでは≤15である必要があります。電力網から切り離された後、発電所に電力を供給するユニットの場合、負荷遮断後のユニットの最小相対速度は≥0.9である必要があります。

2.4.4 ガバナーシステムの信頼性

• 自動モードでの可用性：>99.99％

• 自動+手動モードでの可用性：100％

• 平均故障間隔（現場での受入から）：≥35,000時間

• オーバーホール間隔：10年

• 廃止前の耐用年数：>20年