trabajo de estabilidad turbinas
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5/24/2018 Trabajo de Estabilidad Turbinas
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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERINGENIERIA ELCTRICA Y ELECTRNICA
ESTABILIDAD DE SISTEMAS DE POTENCIA
MODELAMIENTO DE LA TURBINA
PARA ESTUDIOS DE ESTABILIDAD
CTEDRA ESTABILIDAD DE SISTEMAS DE POTENCIA .:Ing. PEDRO TORRES MAYTA.ATEDRTICO
INTEGRANTE ORE ASTO Jhory P aul:
X.EMESTRE
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ESTABILIDAD DE SISTEMAS DE POTENCIA
Modelacin de turbinas hidrulicas en estudios de estabilidad
El grado de detalle requerido a un modelo para un estudio dado depende del alcance del
estudio y de las caractersticas del sistema.
Sintonizacin del sistema de regulacin de velocidad. El ancho de banda de los
controladores PID requiere una representacin precisa de la columna de agua.
Estudios de estabilidad transitoria: los reguladores de velocidad de las turbinas hidrulicas
tienen una respuesta muy lenta para los periodos analizados modelos no lineales de la
turbina y modelo del regulador de velocidad con alinealidades
Estudios de estabilidad de pequea seal: los reguladores de velocidad tienen un efecto
despreciable en los modos locales de oscilacin de frecuencia del orden de 1 Hz.
Sin embargo el efecto en modos de oscilaciones interreas de frecuencias del orden de 0.5
Hz puede ser significativo modelos linealizados de las figuras 9.7 para la turbina y 9.10
para el regulador de velocidad.
Estabilidad de frecuencia, dependiendo de la naturaleza del problema se requiere una
representacin detallada de la dinmica de la turbina y de la columna de agua (efecto de
ondas viajeras y de chimenea de equilibrio). Estos estudios son apropiados para definir
procedimientos de operacin.
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1. Sistemas de regulacin de velocidad y de control de turbinas
El conjunto turbina - sistema de regulacin de velocidad provee un medio para
controlar la frecuencia y la potencia.
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Se analiza el comportamiento de unidades trmicas, hidrulicas, turbogas y de
ciclo combinado en la regulacin de velocidad primaria de frecuencia
2. Turbinas hidrulicas y sus sistemas de regulacin de velocidadEl desempeo de una turbina hidrulica est influenciado por las caractersticas de
la columna de agua que alimenta la turbina, incluyendo el efecto de:
La inercia del agua La compresin del agua La elasticidad de las paredes de la tubera de presin.
La inercia del agua provoca retardo en los cambios en el flujo de agua ante cambios
en la apertura de los distribuidores.
El efecto de la elasticidad es provocar ondas viajeras de presin y flujo en la tubera
fenmeno conocido como golpe de ariete.
3. Funcin de transferencia de la turbina hidrulica
Fig 2 Esquema de una central hidrulica
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La representacin de la turbina hidrulica y de la columna de agua en los
estudios de estabilidad se realiza en base a:
La resistencia hidrulica es despreciable.
La tubera de presin es inelstica y agua incompresible. La velocidad del agua vara directamente con la apertura del distribuidor y
con la raz cuadrada del salto neto, ecuacin (3-1).
La potencia de salida de la turbina es proporcional al producto del salto y delflujo del volumen de agua, ecuacin (3-3).
Las caractersticas de la turbina y de la columna de agua se determinan con las
siguientes ecuaciones:
a) velocidad del agua en el tubo de presin
(3-1)
U: velocidad del agua
G: posicin del distribuidor
H: salto
Ku: constante de proporcionalidad
Para pequeos desplazamientos
(3-2)
b) Potencia mecnica de la turbina(3-3)
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c) La aceleracin de la columna de agua ante cambios en el salto (2da leydel movimiento de Newton).
(3-4)
L: largo del conducto
A: rea de la tubera de presin
: densidad
ag: aceleracin de la gravedad
LA: masa de agua en el conducto
agH: cambio incremental en la presin sobre el distribuidor
Normalizando
(3-5)
3.1Turbina no idealLos coeficientes a11 y a13 son derivadas parciales del flujo respecto al salto y a la
apertura del distribuidor, a21 y a23 son derivadas parciales de la salida de potencia
de la turbina respecto al salto y a la apertura del distribuidor.
Dependen de las condiciones de carga de la mquina y pueden ser calculadas para
un punto dado de operacin. Varan considerablemente con el tipo de turbina.
(3-6)
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Tabla de valores tpicos de los coeficientes para una turbina Francis de
una unidad de 40 MW
En una turbina Francis ideal sin prdidas a11=0.5, a13 =1., a21=1.5 y a23=1.
3.2Caractersticas especiales de las turbinas hidrulicasLa funcin de transferencia clsica de una turbina hidrulica corresponde a un
sistema de fase no mnima, tiene un cero en el semiplano derecho del plano s.
Esta caracterstica se puede observar analizando la respuesta a un cambio escaln en
la posicin del distribuidor.
La respuesta temporal est dada por
Se observa que la Pm inicial es opuesta a la direccin en el cambio de la posicin
del distribuidor.
La apertura no produce un cambio inmediato en el flujo de agua debido a su inercia,
sin embargo la presin en la turbina se ve reducida causando una reduccin de
potencia mecnica.
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Figura 3: Cambio de Pm en la turbina ante un cambio escaln en la
posicin del distribuidor.
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Figura 4: Respuesta de una turbina hidrulica ante cambios escaln y
rampa en la posicin del distribuidor con Tw=1.0 s
4. Regulacin de velocidad en turbinas hidrulicasLa regulacin de velocidad en mquinas hidrulicas involucra la realimentacin del
error de velocidad para generar una accin de control que acta sobre la posicin
del distribuidor.
Para asegurar una operacin estable y paralela de mltiples mquinas los
reguladores de velocidad estn provistos con una caracterstica de estatismo de
estado estacionario (estatismo permanente R). Los valores tpicos de estatismo
permanente son del orden del 5%, una variacin de velocidad del 5% causa un
cambio del 100% en la posicin del distribuidor o en la potencia de salida
ganancia=20. Para una turbina hidrulica, un regulador de velocidad slo con
estatismo permanente podra no ser satisfactorio
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Figura 5: Diagrama de bloques simplificado del control de velocidad una central
hidrulica con una carga aislada.
En turbinas hidrulicas es necesario tambin incluir un estatismo transitorio para asegurar
el comportamiento estable para los valores pequeos de estatismo permanente.
Esto se logra con una reduccin de ganancia transitoria a travs de un lazo menor de
realimentacin. La realimentacin retarda o limita el movimiento de la compuerta hasta que
el flujo de agua y la potencia de salida tienen tiempo de crecer.
Figura 6: Regulador de velocidad con estatismo transitorio
Con este esquema se consigue un estatismo grande (baja ganancia) para desviaciones
rpidas de frecuencia y un estatismo normal (alta ganancia) en estado estacionario.
Adems asegura una regulacin de velocidad estable en operacin aislada. Como
consecuencia la respuesta de la unidad ante cambios en la frecuencia es relativamente lenta
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4.1Regulador de velocidad mecnico-hidrulicoAsumiendo que el fluido del amortiguador que fluye a travs de la vlvula de aguja
es proporcional a la presin del amortiguador resulta:
Figura 6.: Esquema de un regulador mecnico-hidrulico de una turbina hidrulica.
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El estatismo transitorio RT est determinado por la relacin de brazos de palanca, y el
tiempo de reset TR (tiempo que demora el estatismo en variar de RT a RP) est
determinado por el ajuste de la vlvula.
El agua no es un fluido muy compresible, si la compuerta se cierra muy rpido lapresin resultante puede daar la tubera por ello se limita la velocidad de
movimiento de la compuerta.
Tambin se limita la posicin de totalmente cerrada a totalmente abierta
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4.2Sintonizacin de un sistema de regulacin de velocidad
En la sintonizacin de los parmetros del sistema de regulacin de velocidad sedebe considerar:
Comportamiento estable en operacin aislada (la peor situacin esalimentando una carga local a potencia mxima).
Aceptable velocidad de respuesta para tomar y liberar carga en operacinnormal.
Para operacin estable en condiciones de operacin aislada la sintonizacin del
valor de estatismo transitorio y de tiempo de reset se realiza con:
4.3Regulador de velocidad PID
Figura 7: Regulador de velocidad PID.
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5. Turbinas a vapor y sus sistemas de regulacin de velocidadUna turbina a vapor convierte energa almacenada en el vapor (a alta presin y a alta
temperatura) en energa rotante. La energa cintica del vapor a alta velocidad esconvertida en la cupla en el eje de la turbina.
La fuente de calor de la caldera que provee el vapor puede ser un reactor nuclear o un
horno que quema combustibles fsiles (carbn, fuel-oil o gas).
5.1Modelos de las turbinas a vapor
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TCH: constante de tiempo de admisin principal y almacenamiento de vapor en zona
de vlvulas.
TRH:constante de tiempo del recalentador
TCO:constante de tiempo del puente de vapor (crossover piping) y de admisin dela vlvula LP
Pm: potencia mecnica total de la turbina en pu con potencia base la potencia
mxima de la unidad.
Pmc:potencia mecnica total de la turbina en pu con la potencia base en MVA del
sistema
PMAX:potencia mxima de la unidad en MW
FHP, FIP, FLP: fraccin de la potencia total generada por las secciones de alta,
media y baja presin, respectivamente.
MVAbase:base comn a todo el sistema en MVA
La respuesta del flujo de vapor a travs de la apertura de CV presenta una constante
de tiempo TCH debido al tiempo de carga del depsito de vapor y de la tubera de
admisin. TCH es del orden de 0.2 a 0.3 s.
5.2Funcin de transferencia simplificadaPara encontrar la funcin de transferencia simplificada de la turbina se asume que
TCO es despreciable frente al valor de TRH y que la caracterstica de la vlvula es
lineal.
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5.3Respuesta de la turbinaLa respuesta de una turbina tandem-compound ante el cierre de la vlvula CV en
forma de rampa:
No presenta la particularidad provocada por la inercia de la columna deagua en las turbinas hidrulicas.
Los requerimientos al regulador de velocidad son ms directos. A valores requeridos de estatismo permanente es estable en operacin
aisladano requiere estatismo transitorio.
Figura 8: Respuesta de una turbina a vapor a un cambio en la apertura de la vlvulaCV .
5.4Modelo genrico detallado de la turbinaEl modelo general para turbinas de la figura 9. es el aplicado a las configuraciones
ms comunes de turbinas a vapor.
Se puede usar este modelo para representar cualquier configuracin de turbina
despreciando algunas constantes de tiempo y colocando algunas fracciones de
potencia asociadas a distintos niveles de presin en cero.
Vlido para configuracin cross-compound.
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Figura 9: Modelo general para turbinas a vapor
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