trabajo de estabilidad turbinas

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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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.

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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.

(5-1)


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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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