ابزار دقیق و سنسورینگ

کالیبره کردن شیر کنترل توربین بخار

steam valve calibration

در نیروگاه های سیکل ترکیبی[1] و کانونشنال از توربین های بخار به عنوان ماشین محرک ژنراتور بهره برده می شود، برای تولید بخار با شرایط دما و فشار مناسب از بویلر استفاده می شود. بخار خروجی بویلر پس از تثبیت شرایط دمایی و فشار و دبی از مسیر شیر کنترل بخار[2] یا همان گاورنر وارد توربین بخار شده و پس از گذر از میان پره های توربین یا تیغه ها، ضمن اعمال فشار به پره ها و به حرکت درآوردن آنها باعث حرکت شفت کوپل شده با شفت ژنراتور شده و در نهایت موجب گردش ژنراتور می شود.

نمای برش خورده از توربین بخار و ولو های ورود بخار
نمای برش خورده از توربین بخار و ولو های ورود بخار

هرچند وظیفه اصلی شیر کنترل بخار یا گاورنر همانا کنترل دبی بخار ورودی به توربین می باشد، اما از این طریق شاخص هایی نظیر دور توربین، میزان مگاوات تولیدی و پایداری فرکانسی شبکه، تحت کنترل قرار می گیرد، بنابراین کالیبره و تنظیم کردن گاورنر در راستای پاسخ دهشی سریع به تغییرات و نقاط تنظیم جدید به منظور باز و بسته شدن بسیار مهم و حیاتی و غیرقابل انکار است، به عنوان مثال شاید برای یک شیر کنترل که قرار باشد سطح مایعی در یک مخزن را تنظیم نماید، چندان نوسانات یا خطا از نقطه مطلوب حساسیت نداشته باشد و حاشیه خطای بالاتری داشته باشد، اما از آنجا که فشار و فلو بخار ورودی به توربین بسیار بالا هستند، به نحوی که کوچک ترین تغییر در درصد وضعیت شیر، موجب افزایش یا کاهش فرکانس برق خروجی می شود، بنابراین هیچگونه نوسان[3] یا خطایی در عملکرد آن قابل قبول نیست که تحقق این مهم مستلزم کالیبراسیون دقیق آن می باشد.

نمای برش خورده از ولو با اجزای داخلی
نمای برش خورده از ولو با اجزای داخلی

1. تنظیم صفر و صد پوزیشنر با حالت فیزیکی کاملاً بسته و کاملاً باز شیر

به منظور بالا بردن حساسیت در خواندن وضعیت و کسب کوچک ترین تغییرات در وضعیت از پوزیشنرهای مدل LVDT که خروجی 4 تا20 میلی آمپر دارند، استفاده شده است. (شکل شماره 1 و 2) با توجه به اینکه پک پوزیشنر و پیستون شیر در کارخانه به هم کوپل می شوند و در سایت امکان جداسازی آنها وجود ندارد و همچنین به دلیل تغییرات ناشی از جابجایی از محل تولید به سایت و تغییرات ناشی از نصب، در ابتدا باید کاملاً باز و کاملاً بسته بودن شیر را با پوزیشنر در حالت 100 و 0 درصد تنظیم و تثبیت نماییم.

نمای داخلی LVDT  به همراه STEM                           نمای داخلی LVDT
شکل شماره 1 : نمای داخلی LVDT  به همراه STEM شکل شماره 2 : نمای داخلی LVDT

در حالت ایده آل وقتی شیر کاملاً بسته است (شکل شماره 3) معادل پوزیشن صفر درصد می باشد و باید سیگنال 4 میلی آمپر را دریافت کنیم و وقتی کاملاً باز است  (شکل شماره 4) معادل پوزیشن صد درصد می باشد و باید سیگنال 20 میلی آمپر را دریافت نماییم، و سپس این اعداد الکترونیکی را با فرمول شماره 1 به معادل ریاضی 0 تا 100 درصد برای سهولت بیشتر کنترل کننده تبدیل کنیم، در صورتی که در حالت واقعی اینچنین نیست، یعنی بازه دقیق 16 میلی آمپری متناسب با کورس 100 درصدی شیر نداریم و باید با اصلاحات ریاضی این تناسب را بسازیم.

ولو بخار در حالت بسته                           ولو بخار در حالت باز
شکل شماره3- ولو بخار در حالت بسته                           شکل شماره 4-ولو بخار در حالت باز
فرمول شماره 1)                            y=((x-4)*100)/16

ابتدا برای این منظور با راه اندازی دستی شیر و با صدور فرمان اقدام به باز و بسته کردن آن می نمایم و برای اطمینان از اینکه شیر از خشکی ناشی از چند وقت بی استفاده بودن رها شده باشد چندین بار این کار را تکرار می کنیم. در نهایت وقتی شیر کاملاً باز است وضعیت شیر را در سامانه کنترل (ورودی کارت آنالوگ) قرائت می کنیم، برای مثال عدد 18.7 میلی آمپر خوانده می شود و ناظر در محل نصب شیر نیز تایید می کند که به صورت محلی شیر کاملاً باز است، پس باید با تعیین ضرایب صحیح این مقدار به 100 تغییر یاید. سپس شیر را بسته و میلی آمپر معادل کاملاً بسته بودن شیر را می خوانیم برای مثال عدد 2/5 میلی آمپر برای کاملاً بسته بودن قرائت می شود که باید به 0 تنظیم شود.

در فرمول شماره 2 نحوه تبدیل این اعداد الکترونیکی 5.2 و 18.7 به اعداد ریاضی 0 و 100 به منظور محاسبات آسان تر در لاجیک، نشان داده شده است.

فرمول شماره 2)                  y=((x-5.2)*100)/(18.7-5.2)

که در فرمول بالا x عدد قرائت شده بر حسب میلی آمپر می باشد و y  وضعیت شیر بر حسب درصد. برای مثال اگر 2/5 میلی آمپر قرائت شود در فرمول بالا نتیجه 0 درصد می شود که بیان کننده کاملاً بسته بودن شیر است و اگر 18.7 قرائت شود خروجی عدد 100 می شود که معادل کاملاً باز بودن می باشد. برای تست فرمول بالا یک عدد وسط را مثال می زنیم، اگر شیر تا نیمه باز شود با توجه به خروجی خطی LVDT مقدار عدد 11.59 میلی آمپر قرائت می شود که اگر این عدد را در فرمول بالا بگذاریم:

   y=((11.59-5.2)*100)/(18.7-5.2) = (6.75*100)/13.5 =0.5*100 = 50%

می توان گفت فرمول شماره 3 فرمول کلی تبدیل می باشد:

فرمول شماره 3)                     y=((x-min)*100)/(max-min)  

2. کالیبره کردن حلقه کنترلی وضعیت

در حالت کلی و بسیار خلاصه شده، دو کنترل کننده بر روی کنترل شیر بخار تأثیر می گذارند و برای آن نقطه تنظیم تعیین می نمایند. (شکل شماره 5) این دو کنترل کننده که در آرایش حلقه ای درون هم قرار گرفته اند، یکی نقطه تنظیم فشار را در حلقه کنترل فشار تولید می کند و دیگری نقطه تنظیم وضعیت  کنترل را برای حلقه کنترل وضعیت تولید می کند، از آنجا که تعیین وضعیت از اهمیت بالاتری برخوردار است، بنابراین این حلقه در درون حلقه کنترل فشار قرار گرفته است و ابتدا باید کالیبراسیون وضعیت انجام پذیرد.

حلقه کنترل فشار توربین بخار
شکل شماره 5- حلقه کنترل فشار توربین بخار

همانطور که مشخص است هدف از کالیبراسیون در هر عملگری، دریافت پاسخ سریع و صحیح به نقطه تنظیم جدید می باشد. به عنوان مثال فرض کنید شیر با نقطه تنظیم 30 درصد در وضعیت 30% در حالت پایدار قرار دارد، اگر فرمان جدید با نقطه تنظیم 70% برای شیر صادر شود و انتظار داریم در کمترین زمان ممکن و بدون داشتن خطا یا حداقل با کمترین خطای ممکن شیر از 30% به 70% برسد و پایدار بماند.

از دروس دانشگاه بخاطر داریم عملاً 3 نوع پاسخ برای ورودی پله به سامانه می توان دریافت کرد، حالت اول سریع و نوسانی حالت دوم کند و خطای بالا و حالت سوم که مطلوب است در زمانی معقول و کمترین به پاسخ می رسد و پایدار می ماند، که در کالیبراسیون شیر نیز مقصود همین است. (شکل شماره 6)

نمودار آورشوت یک کنترلر
شکل شماره 6 – نمودار آورشوت یک کنترلر

برای این کالیبراسیون لازم است تا همزمان هم فرمان و هم بازخورد را بر روی نمایشگر مشاهده نماییم، اما با توجه به رویه های مشخص شده توسط سازندگان شیرها و مشخص بودن روش کالیبراسیون و با دانستن اینکه در هر مرحله چه نقطه تنظیمی وارد می شود مشاهده تنها وضعیت کفایت می کند.

2-1.  تنظیم زمان مناسب شیر

نکته حائز اهمیت دیگری که برای کالیبراسیون شیرها از سوی سازندگان مشخص شده است، حداقل و حداکثر زمانی است که طول می کشد یک شیر کل کورس خود (از 0 به 100 درصد و بالعکس) را طی نماید، این زمان های به ویژه برای شیرهای کنترل بخار از یک میزان حداقل و حداکثر نباید تجاوز نمایند، چراکه تبعات ناشی از کندی و تندی باز شدن شیر موجب نوسان در دبی بخار ورودی و در نهایت نوسان در توربین بخار می شود. برای شیرهای ذکر شده این زمان ها حدود 2 ثانیه می باشد، یعنی اگر شیر 100 درصد باز باشد و فرمان بسته شدن صادر شود باید با شیب پیوسته و در مدت زمان 2 ثانیه بسته شود و بالعکس اگر شیر 0 درصد و بسته باشد و فرمان 100 درصد صادر شود باید در مدت زمان 2 ثانیه و پیوسته باز شود.

در شکل شماره 7 تغییرات پوزیشن شیر به ازای تغییر فرمان از 0 تا 100 را مشاهده می نمایید. در این حالت اپراتور فرمان 100 را صادر کرده و نقطه تنظیم 100 بر روی کنترل کننده قرار گرفته است و با توجه به ضرایب در یک مدت زمان 3/2 ثانیه ای شیر کل کورس خود را طی کرده است.

فیدبک دریافتی از پوزیشن ولو درب حالت باز شدن
شکل شماره 7-فیدبک دریافتی از پوزیشن ولو درب حالت باز شدن

همچنین در شکل شماره 8 شیر در وضعیت 100 درصد باز قرار دارد که اپراتور فرمان 01 درصد را صادر کرده و نقطه تنظیم 0 درصد بر روی کنترل کننده قرار گرفته است و شیر در مدت زمان 6/2 ثانیه این کورس را پیموده است.

فیدبک دریافتی از پوزیشن ولو درحالت بسته شدن
شکل شماره 8- فیدبک دریافتی از پوزیشن ولو درحالت بسته شدن

اینکه این مدت زمان چه مقدار باشد بسته به فرآیند و پارامترهای بخار و همچنین سازنده، متفاوت می باشد. آنچه در اینجا به آن می پردازیم چگونگی تنظیم این زمان می باشد در حالتی که بسیار کم یا بسیار زیاد باشد، در کلیه کنترل کننده های نرم افزاری امکانات زیادی بر روی کنترل کننده قرار داده شده است که با تنظیم آنها می توان به خروجی دلخواه در حالت های مختلف رسید. دو پارامتری که برای این منظور در نرم افزار زیمنس S7 بر روی کنترل کننده تعبیه شده است عبارت اند از  UPPER LIMIT و LOWER LIMIT.

همان طور که از نام این دو پارامتر بر می آید محدود کننده های دیجیتال می باشند، که با محدود کردن میزان خروجی کنترل کننده شیب خط را تغییر داده و در نهایت زمان را تنظیم می کنند، با توجه به مدار هیدرولیکی راه انداز شیر گاورنر خروجی کنترل کننده به صورت متقارن در بازه 100+ …… 100- می باشد. بدین معنی که اگر خروجی کنترل کننده در بازه منفی باشد شیر به سمت بسته شدن پیش می رود و اگر در بازه مثبت باشد شیر به سمت باز شدن پیش می رود، حال هرچه در بازه منفی عدد بزرگ تر باشد، با سرعت بیشتری شیر بسته می شود و همین طور هرچه در بازه مثبت عدد بزرگ تر باشد، با سرعت بیشتر شیر باز می شود و در حالتی که خروجی کنترل بر روی عدد صفر قرار بگیرد، شیر نیز در جای خود ثابت می ماند.
در شکل شماره 9 مربع قرمز رنگ نماد محدود کننده در هر دو بازه مثبت و منفی می باشد، با توضیحات ارایه شده پر واضح است که بیشینه مقدار برای باز و بسته شدن عدد 100 می باشد که می توان آن را از گستره 0 تا 100 تنظیم نمود، معمولاً این عدد بر حسب تجربه بین بازه 45 تا 55 برای هردو جهت می باشد.

دیاگرام کلی یک حلقه کنترلی
شکل شماره 9- دیاگرام کلی یک حلقه کنترلی

با کمی تأمل به راحتی به این نتیجه می رسیم که پارامتر Upper limit برای تنظیم سرعت باز شدن از نقطه تنظیم 0 درصد به 100 درصد استفاده می شود و  پارامتر Lower limit  برای تنظیم سرعت بسته شدن از نقطه تنظیم 100 درصد به 0 درصد استفاده می شود.

فرض کنید که با عدد 90 برای UL، پس از ثبت رکورد باز شدن (منظور از 0 به 100) زمان حاصل شده 5/1 ثانیه ثبت شده باشد، پر واضح است که سرعت باز شدن زیاد می باشد، به عبارتی عدد UL به کنترل کننده این اجازه را داده است تا در خروجی عدد بزرگی را بارگذاری نماید، پس باید این عدد را کاهش داده و مجدد رکوردگیری کنیم، در رکورد گیری دوم عدد را به 70 کاهش می دهیم و مجدد رکورد گیری می نماییم و برای مثال زمان 3 ثانیه ثبت می شود، که از زمان مطلوب ما بیشتر می باشد، به عبارتی با کاهش از 90 به 70 برای UL زمان از 5/1 ثانیه به 3 ثانیه افزایش یافت، بنابراین باید دوباره خروجی را زیاد نماییم و بار سوم عددی حدود 80 را برای UL تنظیم می کنیم و مجدداً رکورد گیری می نماییم،
به همین منوال ادامه می دهیم تا به زمان دلخواه دست یابیم. (جدول شماره 1) برای تنظیم بسته شدن (منظور از 100 به 0) نیز رویه کالیبره کردن به همین صورت و با پارامتر LL می باشد. (جدول شماره 2)  توجه داشته باشید که برای یک شیر در هر دو جهت رویه تنظیم زمان به یک صورت می باشد اما به هیچ وجه اعداد به دست آمده یکسان نخواهند بود، چرا که ساختار مدار هیدرولیکی واسط در مسیر رفت و برگشت یکسان نیست.

2-2.  تنظیم ضرایب PID کنترل کننده

پس از تنظیم زمان های رفت و برگشت (زمان باز شدن کامل و زمان بسته شدن کامل)، نوبت تنظیم ضرایب PID می باشد، باید به این نکته توجه داشت که در تنظیمات مرحله قبل ما به فراجهش[4] و فروجهش[5] نمودار ثبت شده توجهی نداشتیم و اصولاً در مرحله تنظیم زمان این مسأله رخ نمی دهد و مشاهده نمی شود، مگر آنکه ضریب KP که ضریب تناسبی می باشد بسیار نامعقول و خارج از رنج گذاشته شده باشد که در این حالت باید این ضریب را به شدت کم کرد و سپس مرحله یک را به اتمام رساند.

اما در مرحله دوم، هدف بررسی فراجهش  و فروجهش حین تغییر نقطه تنظیم شیر و حرکت شیر از یک وضعیت به وضعیت دیگر می باشد. به عنوان مثال فرض کنید که شیر بر روی وضعیت 25 % باشد و فرمان به 55% تغییر کند، می خواهیم با تنظیم ضرایب به پاسخ مناسب (نمودار سبز رنگ شکل شماره 5) برسیم، در توضیحات شکل شماره 5 بیان شد که پاسخ مناسب پاسخی است که در کمترین زمان ممکن و کمترین نوسان به نقطه تنظیم برسد. پرواضح است کند بودن پاسخ (نمودار قرمز رنگ شکل شماره 6) به معنی ورود بخار بیشتر به توربین و عدم کنترل مناسب و نوسانی شدن سامانه می باشد و همچنین سریع و نوسانی بودن پاسخ (نمودار سیاه رنگ شکل شماره 6) موجب باز و بسته شدن شیر و نوسان دبی بخار حول نقطه تنظیم شده که نتایج نامطلوب حالت قبل را به دنبال خواهد داشت.

برای ادامه کار ابتدا فرمان 40% به شیر اعمال می کنیم و پس از رسیدن وضعیت به 40 درصد رکورد گیری را آغاز می کنیم و فرمان 60% را به شیر می دهیم و تغییرات وضعیت را ثبت می کنیم.

پاسخ تند ولو  
پاسخ کند ولو
شکل شماره 10 – پاسخ تند ولو                       شکل شماره 11-پاسخ کند ولو

در دریافت پاسخ ممکن است یکی از دو شکل شماره 10 یا 11 رکورد شود، که در ادامه به تحلیل آنها و چگونگی تنظیم ضرایب به منظور جبران سازی می پردازیم. در شکل 10 اگر چه خیلی زود به نقطه تنظیم رسیده ایم، اما همانطور که مشاهده می شود، به دلیل بروز فراجهش و گذر از نقطه تنظیم، سامانه نوسانی شده و حول نقطه تنظیم نوسان می کند، برای جبران این حالت باید ضریب KP را تدریجاً کاهش داده و مجدد رکورد گیری نماییم، در کم کردن گام به گام KP باید این روند را تا جایی ادامه بدهیم که هیچ اثری از فراجهش در رکورد گیری مشاهده نشود.
پس از کاهش KP مشخصاً به نمودار قرمز رنگ شکل شماره 2 خواهیم رسید، همانطور که مشاهده می شود، در این پاسخ اگرچه نوسانی مشاهده نمی شود ، اما دو ایراد وجود دارد، اول آنکه زمان رسیدن به نقطه تنظیم خیلی طولانی شده است و دوم در انتهای نمودار قرمز رنگ حالت شکستگی وجود دارد و با قوسی طولانی به سمت نقطه تنظیم مایل شده است. همین کندی در واکنش شیر کافی است تا باعث ورود بخار بیش از حد به توربین و نوسانات بعدی را در پی داشته باشد. در این حالت باید با افزایش ضریب جبران ساز خطا یا KI به اصلاح رفتار سامانه بپردازیم که پس از چندبار افزایش تدریجی و رکورد گیری باید به شکل شماره 11 که شکل مطلوب پاسخ می باشد برسیم.

پاسخ نرمال ولو
شکل شماره 12- پاسخ نرمال ولو

شکل شماره 12، در واقع یک رکورد نهایی پس از تنظیم ضرایب می باشد، همان طور که مشاهده می شود در این تغییر نقطه تنظیم از 40% به 60% هیچ گونه نوسانی در انتها مشاهده نمی شود، فراجهش در وضعیت شیر وجود ندارد و همچنین شیب خط پیوسته و ممتد و بدون شکستگی می باشد.

در حالت دوم کاهش نقطه تنظیم را مورد پایش قرار می دهیم، و به عنوان مثال وضعیت شیر را در موقعیت 70% قرار می دهیم و با اعمال یک نقطه تنظیم با اختلاف قابل توجه برای مثال 30% یک پالس در نقطه تنظیم ورودی کنترل کننده ایجاد می کنیم، تا نحوه پاسخ و رفتار شیر و نحوه کنترل خروجی به این تغییرات را مشاهده نماییم.

پاسخ تند ولو 
پاسخ کند ولو
شکل شماره 13 – پاسخ تند ولو                           شکل شماره 14-پاسخ کند ولو

مشابه پاسخ شیر در افزایش نقطه تنظیم، ممکن است یکی از دو شکل شماره 13 یا 14 در دریافت پاسخ حین کاهش نقطه تنظیم اتفاق بیفتد یعنی یا خیلی سریع و نوسانی پاسخ دریافت می شود یا کند و با خطای زیاد. قطعاً در این وضعیت نیز باید به اصلاح ضرایب کنترل کننده بپردازیم، اما سؤالی که ایجاد می شود این است که در مرحله قبل ضرایب را تنظیم کردیم و اگر مجدد ضرایب دستکاری شوند، پاسخ حالت افزایش نقطه تنظیم مورد تأثیر قرار می گیرد و از تنظیم خارج می شود.

نکته ای که باید به آن توجه داشت این است که ما شیر بخار را در ناحیه کارکرد خطی خود کالیبره می کنیم، و در این ناحیه ضرایب کنترل کننده هم برای حالت افزایش و هم کاهش ناگهانی نقطه تنظیم ورودی، پاسخ خروجی بدون نوسان و بدون خطا و در زمان معقول ارائه می دهند، در نتیجه با تنظیم برای حالت افزایش باید برای حالت کاهش در همان ناحیه جواب بدون خطا دریافت کنیم. (شکل شماره 15)

پاسخ نرمال ولو
شکل شماره 15- پاسخ نرمال ولو

 ناحیه کارکرد خطی توسط سازنده در نمودار مشخصه شیر بیان می شود و در کاتالوگ شیر بر حسب درصد مشخص می شود، مثلاً سازنده اعلام می کند شیر در ناحیه 30% تا 70% درصد عملکرد خطی دارد.

منظور از ناحیه کارکرد خطی شیر، ناحیه ای است که نسبت باز شدن شیر به دبی عبور سیال نسبت خطی دارد. به طور کلی برای بازه 100 درصد شیر، درصد بازشدن شیر به دبی عبوری از شیر نسبت کاملاً خطی ندارد، به عنوان مثال اگر شیر 10 درصد باز شود، اینگونه نیست که دبی عبوری نیز 10 درصد شود و یا اگر شیر 80 درصد باز شود، دبی ورودی نیز 80 درصد بشود. این خصیصه ناشی از ساختار مکانیکی داخلی شیر و سایر المان های داخلی می باشد، برای بررسی بیشتر این موضوع باید به مشخصه کاتالوگ شیر مراجعه شود و در اینجا مختصراً به آن اشاره می کنیم.

ناحیه کارکرد خطی ولو
شکل شماره 16- ناحیه کارکرد خطی ولو

همانطور که در شکل شماره 16 مشاهده می شود، در این شکل ناحیه خطی عملکرد شیر، از 40% تا 80% مشخص شده است، یعنی در این ناحیه به ازای هر مقدار درصد در باز شدن شیر، دبی عبوری نیز به همان مقدار باز می شود و برعکس هنگام بسته شدن در این ناحیه به همان مقدار دبی عبوری کاهش می یابد.

اما برای بازه زیر 40% و بالای 80% نمودار حالت نمایی دارد و افزایش و کاهش درصد باز شدن شیر، نسبت خطی با دبی عبور ندارد، لذا طراحی سامانه ها به گونه ای صورت می گیرد که در ناحیه خطی پاسخ شیر به تغییرات نقطه تنظیم ورودی کنترل کننده کاملاً دقیق و بدون خطا باشد و برای ناحیه خارج از قسمت خطی نمودار با کم ترین خطا در پاسخ شیر، آن پاسخ را با تقریب قبول می نماییم.

نیروگاه بخار قدیمی Conventional Power Plant؛

پاسخ حالت گذرا Transient state Respond؛

پاسخ حالت ماندگار Steady state Respond


[1] – Combine Cycle Power Plant

[2] – Steam Control Valve

[3] – Fluctuation

[4] – Overshoot

[5] – Undershoot

برای امتیاز به این نوشته کلیک کنید!
[کل: 3 میانگین: 2.7]

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *