1.4 Governo elettronico
Tradizionalmente, i primi governatori meccanici e meccanico-idraulici, hanno svolto la loro funzione principale di mantenere la sicurezza dell’unità in modo affidabile. La fornitura di arresto di emergenza in serie e di valvole di regolazione ha fornito protezione contro il fallimento occasionale di una valvola per rispondere al suo segnale di controllo, mentre il modo di fallimento del dispositivo meccanico di rilevamento degli errori di velocità è stato generalmente quello di deteriorare lentamente le prestazioni piuttosto che fallire improvvisamente. Anche così, la disposizione di due serie di valvole a vapore in serie, con una serie azionata direttamente da un sistema di protezione separato ha negato l’effetto di un guasto improvviso. L’affidabilità dei sistemi di governo meccanici non è stata quindi attentamente monitorata in passato.
Prima di discutere la configurazione dei sistemi di governo elettroidraulici attuali sui moderni impianti a turbina, è necessario capire il significato di affidabilità in questo contesto. La definizione generale di affidabilità è la probabilità di raggiungere con successo un compito desiderato, di solito in un determinato periodo di tempo. Prendendo il compito totale dei sistemi di governo e di protezione di prevenire una pericolosa sovravelocità, la probabilità di successo in questo deve essere di un ordine così alto che non si verifica mai un guasto. Questo si ottiene fornendo sistemi di governo e di protezione completamente indipendenti, utilizzando hardware diversi e tecniche diverse per il rilevamento della velocità, che operano per vie diverse ai due gruppi di valvole collegati in serie. Ovviamente, l’affidabilità del regolatore di velocità deve essere la più alta possibile per ottenere questo risultato e può essere definita come la probabilità di non superare il setpoint di intervento per eccesso di velocità. Tuttavia, in qualsiasi sistema di governo generale, l’uscita di posizione della valvola ha tre modi di guasto. Una valvola può chiudersi, aprirsi o rimanere nella sua posizione attuale. È solo quando si verifica uno degli ultimi due casi ed è seguito da un evento che porta a un improvviso scarico della turbina, per esempio l’apertura dell’interruttore su una turbina che aziona un generatore, che il dispositivo di intervento per sovravelocità entra in funzione. C’è anche la possibilità, in una turbina disaccoppiata, che un guasto si verifichi attraverso una richiesta di velocità eccessiva.
I guasti causati dall’apertura spuria della valvola possono essere progettati per essere meno probabili dei guasti che risultano nella chiusura della valvola. Per esempio, la perdita di alimentazione idraulica o elettrica può essere fatta per chiudere la valvola da una molla di chiusura o da una polarizzazione elettrica nulla preimpostata.
In pratica, l’effetto più probabile sul funzionamento sarà un guasto che causa una riduzione del carico o una perdita completa del carico. Si vedrà dal diagramma schematico a blocchi (Fig 2.11) che singoli guasti in un canale di valvole possono causare la chiusura di una valvola, dando una parziale perdita di carico. Una perdita di carico completa richiederebbe un guasto nella parte di elaborazione comune del regolatore. Ci sono quindi forti motivi per migliorare l’affidabilità di questa parte del regolatore fornendo ridondanza o tecniche di monitoraggio. Queste sono descritte più avanti in questa sezione. La probabilità di non raggiungere una completa perdita di carico è quindi un’altra importante caratteristica del regolatore.
Perché la ridondanza o il monitoraggio sono normalmente impiegati, quando si verificano guasti nella parte di elaborazione comune del regolatore, essi saranno annunciati all’operatore in modo che la manutenzione possa essere effettuata. I guasti possono anche verificarsi in canali di valvole individuali che causano solo una parziale perdita di carico. Questi possono di solito essere riparati on-line senza interferire con il funzionamento o registrarsi in una delle precedenti definizioni di affidabilità. Tuttavia, saranno incorporati nella statistica complessiva del “tempo medio tra i guasti” per il regolatore e saranno ovviamente importanti per l’utente dei sistemi di regolazione.
La figura 2.12 mostra uno schema a blocchi dettagliato di un tipico sistema di regolazione. La caratteristica principale di un sistema analogico è che ogni funzione è svolta da un insieme discreto di componenti circuitali, il cui unico compito è quello di svolgere quella funzione convertendo i segnali di ingresso in segnali di uscita la cui ampiezza (in termini di tensione o corrente) è direttamente proporzionale alla funzione di trasferimento richiesta. Questa caratteristica è particolarmente adatta all’adozione di un approccio modulare all’hardware, dove una funzione (o un gruppo di funzioni) sono eseguite da un modulo e l’uscita (o le uscite) passate ai moduli successivi. Questo permette un approccio semplice alla ricerca dei guasti attraverso il monitoraggio dei livelli di segnale.
FIG. 2.12. Schema a blocchi dettagliato di un sistema di governo a un canale
Un sistema a tre canali può essere realizzato per soddisfare i requisiti di affidabilità stabiliti per i sistemi di governo. Se un guasto si verifica in un canale, fa sì che l’uscita di quel canale si discosti dagli altri due canali. I circuiti di rilevamento sono incorporati, oltre ai tre canali di elaborazione, per identificare i canali guasti e disconnetterli prima che possano contribuire a un’uscita errata. Poiché i circuiti di rilevamento determinano l’uscita sulla base dei canali che funzionano correttamente, sono spesso chiamati “circuiti di voto a maggioranza”. La figura 2.13 mostra lo schema a blocchi della figura 2.12 diviso in tre canali paralleli indipendenti. La parte centrale di elaborazione del regolatore termina dove le tre uscite di ogni rete di linearizzazione sono monitorate dai circuiti di votazione a maggioranza finale associati ai servi delle valvole del vapore. Questi circuiti sono estremamente semplici e quindi affidabili. Hanno la caratteristica che per piccole discrepanze nei segnali d’ingresso, il segnale d’uscita è la media degli ingressi mentre, per grandi discrepanze, la modalità d’azione diventa quella di un mediano-selettore.
FIG. 2.13. Schema a blocchi di un sistema di governo a tre canali
Si noterà dal diagramma che lo scaricatore di pressione di scarico è isolato dal percorso principale del segnale da un sistema di voto a maggioranza triplex. Poiché i guasti ai trasduttori sono un fattore importante nell’affidabilità del sistema, questo dà un’ulteriore misura di protezione per il regolatore di base che continuerà a funzionare come un sistema completo a tre canali.
Ogni servo amplificatore di valvola è apparentemente a canale singolo e la configurazione precisa è strettamente associata al sistema idraulico usato per amplificare i segnali elettronici in forze abbastanza grandi da posizionare le valvole del vapore. La varietà di configurazioni impiegate sono descritte in dettaglio nella sezione 1.5 di questo capitolo. Per il momento, va notato che un certo grado di auto-monitoraggio è fornito in modo che una valvola difettosa, un relè idraulico o un servo amplificatore si identifichi all’operatore e applichi un segnale di chiusura alla valvola. In alcuni regolatori viene eseguito il monitoraggio tra le valvole, poiché è normale che tutte le valvole di un tipo (ad esempio, le valvole del regolatore HP) abbiano la stessa percentuale di apertura, entro i limiti. Tuttavia, questa forma di monitoraggio deve essere vietata durante i test sotto carico delle valvole, dove solo una valvola di un set è chiusa in qualsiasi momento.
Avendo ora delineato la struttura di base di un sistema di regolazione analogico a tre canali, è ora opportuno esaminare più in dettaglio alcuni dei blocchi funzionali mostrati in Fig 2.12. Il rilevatore di velocità a gamma stretta e a gamma larga è dovuto alla necessità (per una turbina che aziona un generatore) di un controllo accurato alla frequenza di rete.
Il rilevatore di velocità a gamma stretta utilizza le caratteristiche di un circuito accordato o tecniche di temporizzazione degli impulsi per determinare la deviazione dalla velocità di riferimento corrispondente alla frequenza nominale di rete. Il circuito del rilevatore fornisce una conversione lineare della frequenza in tensione solo su una gamma limitata. La ragione per fornire un segnale separato a gamma stretta è che, utilizzando tali tecniche, si può ottenere una migliore precisione a lungo termine. Tuttavia, nessuna delle due tecniche funzionerà correttamente quando c’è una deviazione sostanziale (ad esempio, > 10%) dalla frequenza di riferimento. Nel circuito sintonizzato, questo è dovuto a una perdita di linearità lontano dal punto nullo nella misura in cui errori grossolani nel senso dell’uscita si verificheranno a frequenze sub-armoniche. Il circuito di temporizzazione misura il tempo che impiega un certo numero di denti di una ruota di rilevamento della velocità a passare il rilevatore e lo confronta con un riferimento temporale fisso e preciso. Il numero di denti che passano in un giro della ruota e il numero di denti presi per la misurazione sono determinati per fornire un compromesso tra la precisione della misurazione (più denti sono meglio è) e un’adeguata risposta transitoria, in particolare del segnale di accelerazione derivato (più misure al secondo sono meglio è). L’accuratezza con cui i denti sono tagliati sulla ruota e la combinazione di rilevatore di velocità e circuito di trigger per registrare il passaggio dei denti sono anche considerati attentamente nella progettazione.
Alcuni degli ultimi regolatori impiegano una tecnica di temporizzazione degli impulsi per il rilevamento della velocità con auto-ranging per determinare il numero ottimale di denti che devono essere temporizzati. Questo dà una gamma adeguata del segnale di velocità su tutto il regime operativo della turbina da circa la velocità di sbarramento alla gamma di velocità eccessiva.
Per le turbine dove c’è un rilevatore a gamma stretta, deve essere fornito un circuito separato di rilevamento della velocità a gamma larga. Tipicamente, questo comprende un circuito di pompa a diodi, dando una conversione lineare della frequenza in tensione su una gamma richiesta dalla velocità di sbarramento fino alla massima velocità sincrona. I sistemi di regolazione ad ampio raggio possono funzionare per controllare il run-up per mezzo delle valvole di regolazione o delle valvole di arresto HP. Il run-up sulle valvole di regolazione ha il vantaggio che il petto di vapore HP può essere “riscaldato” prima dell’ammissione del vapore alla turbina, ma questa disposizione richiede un controllo molto sensibile alle piccole aperture della valvola per fornire un aumento regolare della velocità. Il controllo delle valvole di arresto HP permette l’uso di una valvola pilota integrata per il controllo del vapore nella fase di avviamento. Poiché questa ha una caratteristica di posizione della valvola/flusso di vapore a guadagno inferiore, la sensibilità richiesta dal controllore di posizione della valvola è meno critica.
Le strutture tipiche richieste dall’operatore sono:
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La possibilità di preimpostare la velocità terminale.
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Un pulsante di ‘hold’ in modo che la velocità possa essere mantenuta al valore corrente.
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Un pulsante di ‘release’ per permettere la continuazione del run-up.
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La capacità di preselezionare i tassi di rampa della velocità su uno qualsiasi dei diversi valori (di solito cinque).
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Una modalità di run-up automatico; questo può essere selezionato come alternativa al tasso di rampa fisso che richiede una stretta supervisione da parte dell’operatore dei parametri della macchina.
Quindi, come nel caso del regolatore a gamma stretta, questi requisiti sono convenientemente eseguiti da un potenziometro motorizzato opportunamente controllato dall’operatore. Una pratica più recente impiega l’equivalente elettronico del potenziometro motorizzato (mostrato in Fig 2.14).
FIG. 2.14. Riferimento di velocità digitale – schema a blocchi
Il controllo di velocità sul terminale dell’operatore fornisce un ingresso a due comparatori di segnale C1 e C2, il cui altro ingresso è equivalente alla velocità richiesta. Se non c’è differenza tra queste due richieste di velocità, nessuno dei due oscillatori viene attivato e il contatore mantiene il suo conteggio esistente, dando il segnale di richiesta definito all’uscita del convertitore digitale-analogico (DAC). Se l’operatore richiede una velocità terminale superiore, il comparatore appropriato attiva il suo oscillatore associato per aumentare il conteggio fino a quando l’uscita del DAC raggiunge la velocità terminale selezionata dall’operatore. L’effetto è che l’uscita del DAC viene incrementata fino a raggiungere la velocità terminale, il tasso di incremento è proporzionale alla frequenza dell’oscillatore, impostata dal controllo del tasso di incremento che è anche sulla scrivania dell’operatore. Anche se tipicamente c’è una scelta di cinque tassi di run-up, l’oscillatore “inferiore” è normalmente fissato per dare un singolo veloce tasso di diminuzione della velocità.
La velocità richiesta è confrontata con la velocità misurata nell’amplificatore di errore di velocità, il cui guadagno è impostato in modo tale che un cambiamento del 10% nella posizione della valvola è raggiunto per circa l’1% di cambiamento nell’errore di velocità della turbina. Questo implica un guadagno di loop inferiore al normale droop del 4% del regolatore a gamma stretta, dando un ampio margine di stabilità. L’amplificatore dell’errore di velocità agisce attraverso i regolatori della valvola di arresto o di governo per dare un controllo preciso della velocità effettiva della turbina a quella selezionata dall’operatore. Poiché la turbina-generatore rimane non sincronizzata durante il run-up, il carico è leggero e con pressioni di vapore quasi normali solo una piccola parte dell’apertura completa della valvola è necessaria per raggiungere la velocità. Spesso viene applicato un limite di richiesta di vapore durante il run-up e se questo limite viene superato l’operatore viene avvisato di un possibile guasto.
Sono in uso comune due tipi di dispositivi di rilevamento della velocità, entrambi utilizzano il rilevamento senza contatto della rotazione di una ruota dentata direttamente collegata all’albero principale della turbina. Per ragioni di sicurezza, la ruota dentata è montata all’estremità HP della macchina in modo che nel caso improbabile di un guasto all’albero o al giunto, l’improvvisa perdita della coppia di carico sarebbe percepita dal sovraccarico dell’estremità HP della macchina e il regolatore agirebbe per chiudere tutte le valvole del vapore della turbina.
Il primo tipo di dispositivo di rilevamento della velocità è il pick-up magnetico mostrato in Fig 2.15. La bobina di rilevamento è avvolta intorno alla parte polare che dirige il campo magnetico dal magnete permanente verso la ruota dentata. Una tensione è generata ogni volta che il campo magnetico è disturbato.
FIG. 2.15. Dispositivo di rilevamento della velocità del pick-up magnetico
Se un dente della ruota è opposto al pezzo di polo, il campo magnetico è concentrato dal dente. In assenza di un dente, il campo è meno concentrato. Il passaggio dei denti della ruota oltre il polo fa variare il flusso che collega la bobina e genera una tensione, che è di forma d’onda quasi sinusoidale a velocità normali. Tuttavia, a basse velocità la forma d’onda sarà più distorta e al di sotto di qualche soglia ben definita l’uscita della sonda sarà inadeguata. Questo è accettabile per gli scopi di governo, dato che i controlli di integrità della velocità sono incorporati fin dalle prime fasi del rodaggio. L’ampiezza della tensione di uscita della sonda dipende dall’impostazione del gap, che dovrebbe essere controllato rispetto alle raccomandazioni del produttore della turbina durante le revisioni. In generale, un sistema di governo analogico triplicato richiede tre sonde; tuttavia, una sonda di riserva è spesso montata, che può essere sostituita da una sonda difettosa mediante un collegamento manuale mentre è in linea.
Il secondo tipo di dispositivo di rilevamento della velocità è il trasduttore di prossimità che consiste in una sonda collegata a un’unità oscillatore-demodulatore mediante un cavo di prolunga di interconnessione. Il vantaggio di questo sistema è che può rilevare il passaggio dei denti fino a velocità zero, il che può essere importante in applicazioni che richiedono una bassa velocità di sbarramento. L’attrezzatura è però più complessa e si basa sull’uso di cavi di interconnessione appositamente tagliati tra le due unità. Il principio di funzionamento è che un segnale di radiofrequenza viene generato dall’oscillatore e irradiato nella regione della punta della sonda. Quando questo campo elettromagnetico viene intercettato dalla ruota dentata, si generano correnti parassite nel materiale e, a seconda della presenza o meno di un dente, si verifica una perdita di energia variabile nella forza del segnale di ritorno che viene rilevata dal demodulatore.
Una caratteristica della maggior parte dei regolatori elettronici è che esercitano un controllo individuale su ogni valvola di controllo del vapore nella turbina in risposta a un segnale di richiesta di vapore complessivo. Questo permette il test sotto carico delle singole valvole e anche il monitoraggio dei guasti con la capacità di chiudere una valvola in caso di guasto. In questa sede si fa particolare menzione delle caratteristiche del circuito di posizione delle valvole e della sua importanza nel raggiungimento del controllo desiderato del carico della turbina.
In condizioni di ingresso costante del vapore, la potenza di uscita di una turbina è una funzione lineare del flusso di vapore che passa attraverso il punto di non carico ad una piccola percentuale del flusso di vapore massimo. Questa caratteristica è nota come linea di Willans ed è mostrata in Fig 2.16 (a). Nella turbina a condensazione convenzionale usata per azionare un generatore di potenza, la caduta di pressione attraverso la turbina è anche direttamente proporzionale al flusso di vapore attraverso di essa.
FIG. 2.16. Caratteristiche tipiche di flusso di vapore/carico/valvola
La caratteristica desiderata è quindi che la domanda di vapore in ingresso al regolatore di posizione della valvola dovrebbe avere una relazione lineare con il flusso di vapore. Tuttavia, le caratteristiche intrinseche del design della valvola non sono lineari, così che una funzione di linearizzazione della valvola deve essere introdotta nel regolatore per ripristinare la linearità richiesta. In particolare, la relazione area della valvola/flusso di vapore non è lineare per valori del rapporto di pressione (attraverso la valvola) inferiori al valore critico. Fare riferimento a Kearton, pagina 628 e la caratteristica tipica è mostrata in Fig 2.16 (b). A seconda della forma della valvola, ci sarà anche una relazione non lineare tra l’alzata della valvola e l’area della valvola, dando la caratteristica mostrata in Fig 2.16 (c). Per linearizzare questi due effetti, la domanda di vapore è modellata da circuiti di linearizzazione per dare una caratteristica della forma mostrata in Fig 2.16 (d). Nella compensazione possono essere inclusi anche ulteriori effetti versus che derivano dalla disposizione della leva che guida il pick-off della posizione della valvola.
Ogni regolatore di valvola individuale ha in ingresso i segnali di richiesta di vapore delle valvole a tre canali. La sua funzione è quella di prendere un voto di maggioranza di questi segnali per formare una richiesta di segnale, di fornire la linearizzazione e di fornire il controllo della posizione della valvola del vapore della turbina, usando il segnale derivato da un trasduttore di posizione della valvola come feedback. Inoltre, viene effettuato il monitoraggio del funzionamento dell’elettore di maggioranza e dei guasti della servovalvola o del trasduttore di posizione, con la capacità di arresto automatico in caso di perdita del controllo accurato della posizione della valvola.
1.4.1 Elaborazione digitale
Sugli ultimi sistemi di governo delle macchine CEGB sono impiegati due tipi di elaborazione digitale. Entrambi forniscono una misurazione molto accurata della velocità della turbina e hanno funzioni precise, come le caratteristiche di linearizzazione delle valvole del vapore, residenti nel software per la precisione e la facilità di impostazione.
Un tipo utilizza la configurazione triplex, modulare ridondante, molto simile a quella mostrata in precedenza in Fig 2.13. Ogni singolo canale usa un modulo combinato di processore e memoria che è un elemento indipendente di velocità di calcolo a sé stante. Il modulo include anche tutte le caratteristiche incorporate per permetterne l’uso nel sistema triplex. Per la comunicazione con le periferiche vengono utilizzati dei bus-link paralleli, mentre dei link seriali sicuri forniscono la comunicazione tra i canali per l’armonizzazione dei canali e la rilevazione dei guasti.
Come per un regolatore analogico, il voto a maggioranza ‘2 su 3’ viene effettuato nei punti chiave del sistema. Le variabili di controllo sono inserite per mezzo di setpoint che possono essere aumentati o diminuiti dall’utente. I setpoint ad alta priorità, come i setpoint di velocità e di carico, sono disponibili all’operatore tramite accesso diretto al processore. I setpoint a bassa priorità, che alterano le caratteristiche di controllo (ad esempio, la variazione dello statismo), sono accessibili tramite un collegamento di comunicazione seriale al processore di interfaccia. I modificatori di controllo, come lo scarico del vuoto, sono inviati ai canali dal processore di interfaccia tramite collegamenti seriali. La tempistica del sistema, la sincronizzazione tra i canali e il processo di monitoraggio dei guasti sono scelti per soddisfare le esigenze di un’adeguata risposta transitoria e per consentire un funzionamento anomalo, come il funzionamento con un canale difettoso e il successivo ripristino del canale.
Come per il regolatore analogico, i singoli amplificatori delle valvole accettano le uscite dei tre canali di velocità triplex in forma analogica e le elaborano per guidare le bobine delle servovalvole su ogni valvola a vapore.
Il secondo tipo di regolatore che impiega l’elaborazione digitale utilizza una configurazione completamente diversa. Un regolatore di velocità di base a canale singolo separato è fornito per ogni valvola a vapore. A questo livello, chiamato regolatore di livello base (BLG), c’è un’elevata integrità grazie alla ridondanza multipla e ai controlli di errore integrati che avviano la chiusura della relativa valvola del vapore in caso di guasto del canale della valvola.
Al livello di controllo superiore (UCL), un singolo Unit Processor fornisce tutte le altre funzioni richieste in un sistema di governo. Tutte le interfacce verso l’operatore e l’impianto, tranne i segnali di base collegati direttamente al BLG, sono elaborate dall’UCL. I comandi di uscita dall’UCL per modificare la velocità, il carico o il modo operativo hanno effetto attraverso il BLG, ma solo se soddisfano i criteri di accettabilità memorizzati a livello base. Questa forma di governatore digitale è mostrata schematicamente in Fig 2.17.
FIG. 2.17. Microgovernatore – schema a blocchi
L’hardware e il software del BLG sono totalmente standard per tutte le applicazioni mentre, all’UCL, l’hardware è un minicomputer standard ma il software incorpora tutte le funzioni e i parametri speciali dell’applicazione. Una caratteristica particolare del design è la capacità dell’UCL di fornire comunicazioni all’operatore tramite un pannello di visualizzazione a più caratteri. Questo permette il richiamo interattivo dell’operatore per ogni modalità di funzionamento e gli permette di vedere la risposta alle sue azioni. Inoltre, vengono forniti dettagli precisi di qualsiasi allarme di guasto del regolatore che potrebbe verificarsi. L’operatore può anche selezionare forme particolari di visualizzazione, per esempio, per facilitare l’avviamento della turbina.
Il canale BLG include tutto l’hardware e i percorsi del segnale dal bus di segnale della sonda di velocità alla servovalvola elettroidraulica del suo relè di valvola a vapore associato. Oltre a convalidare gli ingressi di dati dall’UCL, il BLG incorpora ampie possibilità di autocontrollo. In caso di guasto, la valvola del vapore viene chiusa da un mezzo indipendente attraverso il proprio hardware watchdog failsafe.
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