一控N型水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

呂在生，趙 紅，張 強(qiáng)，肖 鵬

(武漢四創(chuàng)自動(dòng)控制技術(shù)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430070)

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一控N型水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

呂在生，趙 紅，張 強(qiáng)，肖 鵬

(武漢四創(chuàng)自動(dòng)控制技術(shù)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430070)

一控N型調(diào)節(jié)系統(tǒng)可同時(shí)控制多臺(tái)機(jī)組，共同采用1套油壓裝置和1套PLC，每臺(tái)機(jī)組測(cè)頻、信號(hào)輸入、控制輸出等回路采用獨(dú)立測(cè)量和控制單元，每臺(tái)機(jī)組測(cè)量和控制單元互不干擾。圖5幅。

水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)；一控N；油壓裝置；PLC

0 引 言

隨著農(nóng)村增效擴(kuò)容改造全面實(shí)施， 1995年之前建成的農(nóng)村水電站可得到政府配套改造資金；這些農(nóng)村水電站裝機(jī)容量都不大，設(shè)備比較陳舊，技術(shù)比較落后，自動(dòng)化程度較低，而且有些電站設(shè)計(jì)有十幾臺(tái)機(jī)組，單機(jī)容量幾百千瓦，廠房較緊湊。原調(diào)速器都是電機(jī)帶動(dòng)接力器，無(wú)法滿足自動(dòng)化要求，需改造成微機(jī)調(diào)速器，但微機(jī)調(diào)速器改造需增加油壓裝置和控制系統(tǒng)；如果每臺(tái)機(jī)組增加1套微機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，廠房?jī)?nèi)無(wú)法布置。針對(duì)該情況，筆者所在公司研制出1種新型調(diào)速系統(tǒng)：1臺(tái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)同時(shí)控制幾臺(tái)機(jī)組(可選擇2臺(tái)機(jī)組共用1套調(diào)節(jié)系統(tǒng)，也可選擇3臺(tái)機(jī)組共用1套調(diào)節(jié)系統(tǒng))，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇控制方式；這樣即滿足自動(dòng)化接口要求，又滿足廠房布置要求。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該型調(diào)節(jié)系統(tǒng)有多種組合方式，可采用一控二、一控三、一控四等多種控制方式，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可選擇其中一種組合控制方式，以下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圍繞一控三的控制方式進(jìn)行介紹。

一控三型調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由電氣控制系統(tǒng)、機(jī)械液壓控制系統(tǒng)、油壓裝置等幾大部分組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)采用機(jī)電合柜形式，即機(jī)械液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)采用機(jī)電合一柜，電氣系統(tǒng)柜下布置機(jī)械液壓系統(tǒng)，整個(gè)安裝在油壓裝置上，這三大部分組合成一體(見圖1)。

圖1 一控三調(diào)速系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意

1.1 電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一控三型調(diào)節(jié)系統(tǒng)電氣控制核心采用可編程控制器，整套可編程控制器采用模塊式結(jié)構(gòu)，1套可編程控制器控制3臺(tái)水輪機(jī)組，所有模塊均直接安裝在標(biāo)準(zhǔn)的總線上。各模塊均有自己的微處理器，完成各自特定的功能，CPU模塊僅完成邏輯判斷與PID運(yùn)算；3臺(tái)水輪機(jī)組信號(hào)采集、控制輸出等由各自單獨(dú)模塊完成，各處理器并行工作，速度快，擴(kuò)展、升級(jí)容易。

1.1.1 調(diào)節(jié)器控制原理

一控三型調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用新型PID控制規(guī)律，每臺(tái)機(jī)組控制采用獨(dú)立的PID控制，3臺(tái)機(jī)組PID控制互不干擾。由于每臺(tái)機(jī)組控制原理相同，下面以單臺(tái)機(jī)組控制原理介紹(見圖2)。

圖2 調(diào)節(jié)器控制原理框圖

一控三型調(diào)節(jié)器每臺(tái)機(jī)組都具有頻率調(diào)節(jié)、開度調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)3種控制模式，根據(jù)需要可選擇不同的控制模式。這種切換，一是通過(guò)操作終端上的觸摸鍵或二次回路接點(diǎn)來(lái)完成，二是通過(guò)數(shù)字通信接口來(lái)完成。

采用頻率調(diào)節(jié)模式時(shí)，又分為跟蹤頻給和跟蹤網(wǎng)頻方式。跟蹤網(wǎng)頻方式運(yùn)行時(shí)可實(shí)現(xiàn)機(jī)組頻率跟蹤電網(wǎng)頻率，這樣可以保證機(jī)組頻率與電網(wǎng)頻率相一致，便于并網(wǎng)。

當(dāng)采用功率調(diào)節(jié)模式時(shí)，PI環(huán)節(jié)按功率偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組有功功率恒定。這種方式運(yùn)行可以很容易實(shí)現(xiàn)全廠AGC(自動(dòng)發(fā)電控制)。

對(duì)于功率給定，它一方面作用于PI環(huán)節(jié)，另一方面通過(guò)開環(huán)控制直接作用于輸出，提高了功率增減速度。功率給定為數(shù)字量，適用于監(jiān)控系統(tǒng)有功給定。

電氣開限環(huán)節(jié)是針對(duì)PID運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行限制，限制輸出不超過(guò)一定值。

通過(guò)數(shù)字放大器可將PLC輸出與接力器反饋采集量進(jìn)行比較放大后輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)接力器的閉環(huán)控制。

1.1.2 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)框圖如下所示(見圖3)：

整個(gè)調(diào)節(jié)器采用四層結(jié)構(gòu)，即采集層、處理層、交換層、輸出層，每層之間通過(guò)總線進(jìn)行狀態(tài)采集和數(shù)據(jù)交換，該方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳輸速度快，抗干擾能力強(qiáng)。

(1)采集層。每臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)有獨(dú)立的采集單元，采集層主要完成各機(jī)組狀態(tài)、控制命令和數(shù)據(jù)采集工作(包含監(jiān)控系統(tǒng)和其他設(shè)備控制命令、機(jī)組頻率和機(jī)組有功等信號(hào))。

(2)處理層相當(dāng)于3臺(tái)機(jī)組控制大腦，主要完成以下功能：

圖3 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)框圖

(3)交換層。通過(guò)通訊模塊完成調(diào)節(jié)系統(tǒng)與觸摸屏和監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換，觸摸屏進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示，上送監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)、狀態(tài)和故障信息，也可接收監(jiān)控系統(tǒng)有功給定值。

(4)輸出層。執(zhí)行處理層命令，控制機(jī)械液壓系統(tǒng)電磁閥，使導(dǎo)葉按調(diào)節(jié)規(guī)律要求動(dòng)作，同時(shí)輸出層執(zhí)行故障判斷輸出。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)采用數(shù)字式機(jī)械液壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)全部由開關(guān)電磁閥、疊加式單向閥、疊加式節(jié)流閥等標(biāo)準(zhǔn)液壓元件構(gòu)成，體積小、性能高(見圖4)。

圖4 機(jī)械液壓原理示意

1.2.1 機(jī)械液壓系統(tǒng)的工作原理

(1)調(diào)節(jié)器無(wú)控制信號(hào)時(shí)，開關(guān)機(jī)電磁閥處于中間位置，切斷壓力油，接力器兩腔油均被閉鎖，接力器不動(dòng)作。

(2)調(diào)節(jié)器有動(dòng)作關(guān)信號(hào)時(shí)，開關(guān)機(jī)電磁閥關(guān)側(cè)得電，接力器向關(guān)機(jī)方向動(dòng)作。

(3)調(diào)節(jié)器有動(dòng)作開信號(hào)時(shí)，開關(guān)機(jī)電磁閥開側(cè)得電，接力器向開機(jī)方向動(dòng)作。

(4)調(diào)節(jié)器有緊急停機(jī)信號(hào)時(shí)，緊機(jī)停機(jī)電磁閥動(dòng)作，切斷通往開關(guān)機(jī)電磁閥的壓力油，壓力油通過(guò)防飄移裝置和時(shí)間調(diào)整裝置向接力器關(guān)腔配壓力油，實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)。

(5)手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，操作人員只需操作電磁閥上的開關(guān)按鈕，就能方便穩(wěn)定地增減負(fù)荷和手動(dòng)開停機(jī)。

(6)通過(guò)時(shí)間調(diào)整裝置可調(diào)整導(dǎo)葉開啟和關(guān)閉時(shí)間，滿足機(jī)組調(diào)保計(jì)算時(shí)間要求。

1.2.2 機(jī)械液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該型調(diào)速器將導(dǎo)葉控制單元和緊急停機(jī)控制單元都設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)模塊，可相互疊加，構(gòu)成一控N型調(diào)速器(見圖5)。

圖5是用于一控三型水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械液壓系統(tǒng)的布置圖，不同數(shù)量的機(jī)組只需增減機(jī)械液壓?jiǎn)卧獢?shù)而已，該結(jié)構(gòu)大大節(jié)約了安裝空間，采用同一標(biāo)準(zhǔn)單元有利于電站備件采購(gòu)。

圖5 疊加式結(jié)構(gòu)示意

這種疊加方式采取的是垂直疊加，也可以水平疊加，壓力表也可裝在其他位置。

1.3 油壓裝置

油壓裝置由壓力油罐、回油箱、油泵、油泵附件和自動(dòng)化元器件等組成。其基本技術(shù)要求符合GB/T 9562.1—2007、GB150的相關(guān)規(guī)定并滿足電站安全運(yùn)行的需要，該油壓裝置滿足3臺(tái)機(jī)同時(shí)運(yùn)行各種工況要求，并配有相應(yīng)自動(dòng)化元器件，滿足機(jī)組自動(dòng)化控制要求。

油壓裝置上配有安全閥和溢流閥，保證壓力油罐安全，并配有油位和油壓監(jiān)測(cè)裝置，油壓和油位信號(hào)通過(guò)開關(guān)量和模擬量上送給監(jiān)控系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)主要特點(diǎn)

(1)整套電氣系統(tǒng)采用全數(shù)字式結(jié)構(gòu)，所有信號(hào)采集采用總線傳輸，輸出采用開關(guān)量控制，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)。

(2)3臺(tái)機(jī)組具有獨(dú)立的采集、輸出控制單元，具有一控一型調(diào)節(jié)器所有功能，操作維護(hù)極其方便。

(3)每臺(tái)機(jī)組具有獨(dú)立控制程序，執(zhí)行各自程序，互不干擾，控制靈活方便，可靠性極高。

(4)機(jī)械液壓系統(tǒng)取消了常規(guī)調(diào)速器的電液轉(zhuǎn)換器、引導(dǎo)閥、輔助接力器、主配壓閥及所有桿件等中間結(jié)構(gòu)，環(huán)節(jié)少、可靠性高；并直接控制接力器，速動(dòng)性好、靈敏度高、死區(qū)小。

(5)機(jī)械液壓系統(tǒng)采用開關(guān)電磁閥、疊加式單向閥、疊加式節(jié)流閥的通徑大，抗油污好、無(wú)機(jī)械元件發(fā)卡、對(duì)油質(zhì)要求低。

(6)機(jī)械液壓系統(tǒng)設(shè)有防漂移裝置，整個(gè)液壓系統(tǒng)無(wú)油耗、接力器無(wú)飄移。

(7)無(wú)機(jī)械零位安裝，調(diào)試便捷、免維護(hù)。

(8)機(jī)械液壓系統(tǒng)采用集成式結(jié)構(gòu)，體積小。

(9)3臺(tái)機(jī)組共采用1套PLC控制、1套集成液壓系統(tǒng)和1套油壓裝置，節(jié)省了整個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)改造成本，減少了投資成本，同時(shí)解決了廠房空間不足的問題。

3 結(jié) 語(yǔ)

一控N型調(diào)節(jié)系統(tǒng)在增效擴(kuò)容改造中成功投運(yùn)了多座電站，各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)于國(guó)標(biāo)要求，滿足了電站自動(dòng)化改造要求，大大節(jié)約了電站業(yè)主設(shè)備投資，并得到電站業(yè)主一致好評(píng)。

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責(zé)任編輯 吳 昊

2015-07-01

呂在生(1981-)，男，主要從事水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器的開發(fā)和設(shè)計(jì)工作。 E_mail：technical@strongn.com