吉牛水電站六噴六折調(diào)速器的主要特點及應(yīng)用

白 維， 蔣 敏， 文 慶

(四川革什扎水電開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 丹巴 626300)

1 概 述

吉牛水電站位于革什扎河干流上，是革什扎河“一庫四級”水電開發(fā)方案中的最末一級，該電站裝有2臺沖擊式機(jī)組，單機(jī)容量均為120 MW，額定水頭為457 m，額定轉(zhuǎn)速為300 r/min。調(diào)速器采用武漢三聯(lián)生產(chǎn)的CJWT-6/6-6.3型微機(jī)(PLC)調(diào)速器。

2 吉牛水電站六噴六折調(diào)速器液壓系統(tǒng)工作原理

吉牛水電站調(diào)速器控制對象為六噴六折沖擊式機(jī)組，它與相應(yīng)的電氣部分配合對機(jī)組進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)整、機(jī)組負(fù)荷自動分配。該調(diào)速器可實現(xiàn)機(jī)組平穩(wěn)地開機(jī)、停機(jī)、并網(wǎng)和加減負(fù)荷，可自動調(diào)整和操作，并可以在事故情況下緊急停機(jī)以保護(hù)機(jī)組安全。

圖1 噴針接力器液壓控制圖

調(diào)速器機(jī)械柜主要由緊急停機(jī)電磁閥和六套相對獨立的電磁液動換向閥、比例伺服閥、液控單向閥、雙單向節(jié)流閥等液壓元件組成。吉牛水電站噴針接力器和折向器接力器控制油管路情況見圖1、2。

噴針與折向器的液壓控制分6組共12塊集成閥塊安裝在回油箱上。噴針接力器和折向器接力器分別由不同的電磁閥控制且均可自動和手動控制。安裝于噴針接力器和折向器接力器上的位移傳感器(0%～100%)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的測量信號送至調(diào)速器控制系統(tǒng)。

2.1 噴針接力器調(diào)節(jié)單元

吉牛水電站沖擊式機(jī)組噴針接力器全開、全關(guān)時間設(shè)計為130 s，其調(diào)節(jié)單元主要由伺服比例閥、液控單向閥、節(jié)流閥、單向閥等構(gòu)成(圖1)。伺服比例閥的基本原理：比例電磁鐵推力與電氣信號成正比，閥芯抵抗彈簧力后的位移與電氣信號成正比，從而產(chǎn)生一個給定的閥芯位置。當(dāng)接受到調(diào)速器控制屏的電信號后，伺服比例閥動作，控制壓力油的方向和流量，輸出流量的大小與輸入的電信號成比例，從而實現(xiàn)對噴針接力器開關(guān)方向和速度的控制，同時液控單向閥能確保伺服比例閥控制調(diào)節(jié)過程平穩(wěn)，調(diào)節(jié)后噴管接力器行程不變，節(jié)流閥通過控制油的流量調(diào)節(jié)噴針開啟、關(guān)閉的時間。當(dāng)伺服比例閥失電時，彈簧作用力將伺服比例閥閥芯推至中間位，液控單向閥確保噴管接力器行程不變，防止其誤動作，調(diào)速器保持在失電前的狀態(tài)。

2.2 折向器控制單元

折向器只有全開和全關(guān)兩種狀態(tài)，小波動時折向器不動，完全由噴針調(diào)節(jié)，可保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)品質(zhì)。當(dāng)機(jī)組自動停機(jī)、緊急停機(jī)和轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值時，折向器動作。正常開機(jī)時，折向器控制電磁閥15-A側(cè)線圈帶電后，壓力油經(jīng)液控單向閥進(jìn)入折向器接力器開啟腔；正常停機(jī)時，當(dāng)噴針關(guān)閉后，折向器控制電磁閥15-B側(cè)線圈帶電，折向器接力器的油經(jīng)液控單向閥進(jìn)入折向器接力器關(guān)閉腔。吉牛水電站折向器全開啟時間整定為5 s，全關(guān)閉時間整定為1.5 s。

圖2 折向器接力器液壓控制圖

2.3 緊急停機(jī)

當(dāng)水機(jī)保護(hù)或機(jī)組事故停機(jī)流程動作后，緊急停機(jī)電磁閥111在右側(cè)位置，壓力油經(jīng)111-B、13-A、液控閥等油路，使機(jī)組6組折向器全部關(guān)閉，以保證機(jī)組可靠停機(jī)。

3 機(jī)組開停機(jī)過程

3.1 開機(jī)過程

機(jī)組開機(jī)條件具備，LCU 開出開機(jī)命令，開機(jī)命令保持2 s以上后，調(diào)速器打開主噴針相對應(yīng)的折向器。空載運行時，始終是相對稱兩噴針(如1#、4#噴針；2#、5#噴針；3#、6#噴針)工作；在手動狀態(tài)下，自主選擇開機(jī)主噴針，噴針開啟至機(jī)組啟動噴針開度(17%)。當(dāng)噴針維持在啟動噴針開度時，調(diào)速器檢測機(jī)組轉(zhuǎn)速，分為3種狀態(tài)：機(jī)頻正常時，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到45 Hz和50 Hz之間時，調(diào)速器自動進(jìn)入到空載工況進(jìn)行PID調(diào)節(jié)；當(dāng)機(jī)頻正常，但噴針維持啟動噴針開度達(dá)到17%(現(xiàn)場整定)時調(diào)速器直接進(jìn)入空載工況進(jìn)行PID調(diào)節(jié)；當(dāng)機(jī)頻異常，則調(diào)速器進(jìn)入空載工況，將當(dāng)前開限限制在1%～5%開度位置。

3.2 停機(jī)過程

LCU監(jiān)控系統(tǒng)減負(fù)荷使調(diào)速器雙噴針運行至空載開度位置，有功小于1 MW 后，斷開發(fā)電機(jī)出口斷路器，發(fā)出正常停機(jī)命令，主噴針關(guān)至全關(guān)位置，判斷噴針目標(biāo)小于0.1%后，將所對應(yīng)的折向器全關(guān)，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速降至35 Hz以下時，調(diào)速器從停機(jī)過程進(jìn)入停機(jī)備用狀態(tài)，即認(rèn)為停機(jī)完成。

4 噴針切換模式

吉牛水電站沖擊式機(jī)組在各噴針之間切換及噴針與折向器之間的協(xié)作關(guān)系為：

(1)噴針與折向器的協(xié)作關(guān)系：折向器跟隨相對應(yīng)的噴針目標(biāo)或噴針開度而動作；在斷路器分的狀態(tài)下，當(dāng)噴針目標(biāo)大于設(shè)定值時，相對應(yīng)的折向器全開，反之全關(guān)；在斷路器合的狀態(tài)下，當(dāng)噴針開度大于設(shè)定值時，相對應(yīng)的折向器全開，反之全關(guān)；

(2)空載運行時，始終是相對稱的兩噴針(如1#、4#噴針；2#、5#噴針；3#、6#噴針)工作；

(3)負(fù)載運行時噴針上行切換由兩噴針→ 四噴針→六噴針；噴針下行切換由六噴針→四噴針→兩噴針；

噴針上行切換：先由主用兩噴針(以1#、4#噴針為例)工作，當(dāng)噴針目標(biāo)值大于2-4噴針切換值時，由兩噴針運行切至四噴針工作，切換過程中，1#、4#噴針以一定速率向關(guān)的方向動作，2#、5#噴針以一定速率往開的方向動作；當(dāng)四噴針開度平衡后，再同步往開的方向動作；當(dāng)噴針目標(biāo)值大于4-6噴針切換值時，由四噴針運行切至六噴針工作，切換過程中，1#、4#、2#、5#噴針以一定速率往關(guān)的方向動作，3#、6#噴針以一定速率往開的方向動作；當(dāng)六噴針開度平衡后，再同步往開的方向動作。

噴針下行切換：六噴針同步關(guān)閉，當(dāng)噴針目標(biāo)值小于6-4噴針切換值時，由六噴針運行切至四噴針工作，切換過程中，1#、4#、2#、5#噴針以一定速率往開的方向動作，3#、6#噴針以一定速率往關(guān)的方向動作；當(dāng)3#、6#噴針全關(guān)后，1#、4#、2#、5#噴針再同步關(guān)閉；當(dāng)噴針目標(biāo)值小于4-2噴針切換值時，由四噴針運行切至兩噴針工作，切換過程中，1#、4#噴針以一定速率往開的方向動作，2#、5#噴針以一定速率往關(guān)的方向動作；當(dāng)2#、5#噴針全關(guān)后，主用噴針再同步往關(guān)的方向動作。

5 吉牛水電站進(jìn)行的主要試驗

5.1 噴針開啟、關(guān)閉時間整定

噴針及折向器的開、關(guān)機(jī)時間調(diào)整方法相同。通過調(diào)整液壓系統(tǒng)上的液控?fù)Q向閥來實現(xiàn)接力器開啟、關(guān)閉時間的調(diào)整。吉牛水電站沖擊式調(diào)速器液壓系統(tǒng)是由幾個相同的液壓系統(tǒng)構(gòu)成的，所以，對于每個單元系統(tǒng)要調(diào)整一次全開、全關(guān)時間。吉牛水電站1#機(jī)組噴針及折向器在無水條件下開啟關(guān)閉時間整定情況見表1，滿足設(shè)計要求。

表1 1#機(jī)組噴針及折向器開關(guān)閉時間整定表

5.2 靜特性試驗

試驗參數(shù)Kp=9.99,Ki=9.99，Kd=0,Bp=6%,空載PID下限修改為0。吉牛水電站調(diào)速器靜特性試驗相鄰測試點間的頻差為0.24 Hz,非線性度為0.05%，轉(zhuǎn)速死區(qū)最大為1.02%,最小為0.48‰，滿足國標(biāo)轉(zhuǎn)速死區(qū)<2‰的要求。

5.3 噴針切換試驗

吉牛水電站沖擊式機(jī)組在帶負(fù)荷過程中，按照負(fù)荷的變化，調(diào)速器共有2噴針、4噴針、6噴針3種運行方式。調(diào)速器按照流量平衡、水輪機(jī)運行效率最高的原則進(jìn)行噴針的切換。噴針按照幾何位置對稱、水力平衡的要求進(jìn)行切換。在噴針切換時，開啟參與調(diào)節(jié)的噴針，關(guān)閉退出調(diào)節(jié)的噴針。吉牛水電站1#機(jī)組帶負(fù)荷過程中噴針變化情況見表2。

表2 1#機(jī)組噴針切換及負(fù)荷表

在功率調(diào)節(jié)模式下，吉牛水電站沖擊式調(diào)速器噴針在上行過程切換中，負(fù)荷變化趨勢為升高；下行過程中，負(fù)荷變化趨勢為下降，負(fù)荷變化無反調(diào)趨勢。在噴針切換過程中，試 驗 參 數(shù)Kp=2.25,Ki=0.25，Kd=0.15,Bp=6%,噴針4切6上行過程中，有功波動超調(diào)量為8 MW，略高于電網(wǎng)要求，但不影響機(jī)組的穩(wěn)定運行。

在開度調(diào)節(jié)模式下，由于調(diào)速器沒有采集機(jī)組過機(jī)流量，按照等噴針開度已不能準(zhǔn)確反映流量，噴針切換后有功波動高達(dá)10 MW，故功率調(diào)節(jié)方式為吉牛水電站正常運行時的最優(yōu)運行方式。

5.4 甩負(fù)荷試驗

調(diào)速器處于負(fù)載運行狀態(tài)，分別將機(jī)組帶25%、50%、75%、100%的額定負(fù)荷進(jìn)行甩負(fù)荷試驗，具體試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 1#機(jī)組噴針切換及負(fù)荷表

吉牛水電站機(jī)組在甩100%負(fù)荷時，最大轉(zhuǎn)速為53.207 Hz，波動次數(shù)為1次，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時間為77.9 s,配水環(huán)管水壓上升率為5.66%,遠(yuǎn)低于設(shè)計要求(配水環(huán)管最大壓力上升不大于20%Hmax，最大轉(zhuǎn)速升高率不大于30%)。甩負(fù)荷過程中噴針及折向器已全關(guān)，此時機(jī)組轉(zhuǎn)速依賴慣性下降，進(jìn)而造成甩負(fù)荷調(diào)節(jié)時間過長，此現(xiàn)象為

沖擊式機(jī)組獨有的特性。

6 結(jié) 語

吉牛水電站1#機(jī)組于2013年12月24日并網(wǎng)運行以來，調(diào)速器運行穩(wěn)定且基本可靠，由1、2、3、4、6五種運行方式改為2、4、6三種運行調(diào)節(jié)方式，減少了噴針切換次數(shù)，同時功率調(diào)節(jié)的引入，基本解決了噴針切換過程中有功功率反調(diào)現(xiàn)象，其加減負(fù)荷的速率滿足四川電網(wǎng)要求。

在運行過程中存在的主要問題：噴針切換過程涉及多個噴針操作，因噴針開啟關(guān)閉時間為動態(tài)，由于水流特性作用，造成噴針開啟時間由130 s變?yōu)?90 s，而關(guān)閉時間由130 s變?yōu)?10 s，致使在噴針切換過程中，噴針開啟過慢，在由4噴針切換到6噴針過程中，存在負(fù)荷波動，這一問題還有待商討解決方案。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介:白 維(1973-)，男，四川廣安人，副總經(jīng)理，高級工程師，碩士，從事水電工程管理工作；