新型調(diào)速器在石泉水電廠的應(yīng)用

茍先智（大唐陜西發(fā)電有限公司石泉水力發(fā)電廠，陜西 石泉 725200）

新型調(diào)速器在石泉水電廠的應(yīng)用

茍先智
（大唐陜西發(fā)電有限公司石泉水力發(fā)電廠，陜西 石泉 725200）

摘要：以石泉水電廠3號機(jī)組調(diào)速器改造為例，論述CVT-100數(shù)字式水輪機(jī)調(diào)速器在3號機(jī)組的應(yīng)用。對CVT-100數(shù)字式水輪機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)的硬件、工作原理進(jìn)行了說明，并且重點介紹其技術(shù)創(chuàng)新點及具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：技術(shù)創(chuàng)新；冗余配置；高速開關(guān)閥

0　引言

石泉水電廠5臺水輪發(fā)電機(jī)組原調(diào)速器為雙微機(jī)比例伺服閥電液調(diào)速器，該型調(diào)速器采用“工控機(jī)（IPC）+液壓隨動系統(tǒng)”結(jié)構(gòu)模式，隨著使用年限的增加，原調(diào)速器關(guān)鍵電氣元件老化嚴(yán)重，各性能參數(shù)明顯下降，機(jī)械元件/組件也磨損嚴(yán)重，多次發(fā)生機(jī)組偷開誤開、開機(jī)過程機(jī)組過速及運(yùn)行中溜負(fù)荷異常事件，其工作性能危及機(jī)組的安全運(yùn)行，無法滿足電廠正常生產(chǎn)要求，需要采用一種各項功能及性能滿足國標(biāo)及相關(guān)規(guī)程要求、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的新型水輪機(jī)調(diào)速器，以取代原調(diào)速器系統(tǒng)。

通過廣泛的市場調(diào)研、反復(fù)甄別與比較，決定在3號機(jī)調(diào)速器改造中采用北京中水科工程總公司生產(chǎn)的基于現(xiàn)代液壓數(shù)字邏輯插裝技術(shù)的新一代水輪機(jī)調(diào)速器CVT-100，對原有調(diào)速器進(jìn)行技術(shù)改造。

1　系統(tǒng)構(gòu)成

3號機(jī)CVT-100調(diào)速器采用的是機(jī)、電柜分體式結(jié)構(gòu)，由電氣調(diào)節(jié)器、液壓隨動系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成。

（1）電氣調(diào)節(jié)器：其核心部件為可編程控制器、輸入/輸出信號調(diào)理模塊、智能功放/驅(qū)動回路；具有高可靠性和直觀、方便的人機(jī)接口，提供了全方位、最直接的監(jiān)測、調(diào)試和維護(hù)手段。

（2）液壓隨動系統(tǒng)：其基本結(jié)構(gòu)特征可歸納為先導(dǎo)控制（高速數(shù)字開關(guān)閥）、閥座主級（邏輯插裝閥）、嵌入式聯(lián)接。各組件之間采用模塊化結(jié)構(gòu)有機(jī)地組合在一起。液壓隨動系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，可根據(jù)使用需要進(jìn)行靈活的組合和布置。整個液壓控制系統(tǒng)具有很高的集成度，無任何桿件、鋼絲繩及內(nèi)部外露管道。

2　工作原理

調(diào)節(jié)規(guī)律的綜合及控制量的計算由電氣調(diào)節(jié)器部分實現(xiàn)，而純粹將CVT型液壓隨動系統(tǒng)作為功率放大部件，跟隨電氣控制量并同時實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，以驅(qū)動導(dǎo)葉接力器。

2.1電氣調(diào)節(jié)器的工作原理

CVT型微機(jī)調(diào)節(jié)器接收LCU命令，根據(jù)采集得到的機(jī)頻/網(wǎng)頻、有功、水頭、開度等信號，通過軟件進(jìn)行調(diào)節(jié)規(guī)律的綜合，進(jìn)而得出相應(yīng)的控制量，其控制量通過高速開關(guān)量接口與智能功放板驅(qū)動液壓隨動系統(tǒng)的高速開關(guān)閥；最終實現(xiàn)對機(jī)組導(dǎo)葉接力器的相應(yīng)調(diào)節(jié)與控制。

2.2高速開關(guān)閥（數(shù)字閥）原理

高速開關(guān)閥在 CVT系列調(diào)速器中起到從電氣脈沖量到液壓量轉(zhuǎn)換的作用，即“電－液轉(zhuǎn)換”的作用。它屬于脈沖式流體控制，只有開/關(guān)兩個狀態(tài)，響應(yīng)時間約0.5～3ms，作為計算機(jī)與液壓系統(tǒng)的橋梁，它可直接與計算機(jī)接口而無需D/A轉(zhuǎn)換，從而使流體控制數(shù)字化，起到了“數(shù)字閥”的作用。而且高速開關(guān)閥的重復(fù)精度可達(dá)0.05ms，充分保證隨動系統(tǒng)的控制精度。其功能是接收電氣柜的數(shù)字脈沖序列信號，使其直動式閥芯產(chǎn)生通/斷動作，進(jìn)而控制先導(dǎo)油口壓力油的通斷，以控制主控閥或主配產(chǎn)生相應(yīng)的動作。它具有結(jié)構(gòu)簡單、抗污能力強(qiáng)、重復(fù)性好、工作穩(wěn)定可靠、節(jié)能等優(yōu)點。

2.3系統(tǒng)工作原理

自動狀態(tài)下導(dǎo)葉反饋信號通過位移傳感器經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換反饋至微機(jī)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)不同的控制要求，將控制量與反饋量比較后輸出控制信號，此信號經(jīng)轉(zhuǎn)換放大后作用于先導(dǎo)控制高速開關(guān)閥；與此同時，經(jīng)高速開關(guān)閥轉(zhuǎn)換后的液流信號就會立即作用于由邏輯插裝單元組合而成的液壓功率驅(qū)動閥板（接力器控制閥），通過功率驅(qū)動閥板轉(zhuǎn)換放大后的液流最終進(jìn)入主接力器，使其跟隨調(diào)節(jié)柜控制信號的變化，直至調(diào)節(jié)過程結(jié)束。

3　技術(shù)創(chuàng)新

CVT-100調(diào)速器由電子調(diào)節(jié)器、液壓隨動系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成。該調(diào)速器采用邏輯插裝技術(shù)，由高速開關(guān)閥與邏輯插裝閥等標(biāo)準(zhǔn)液壓件進(jìn)行元件-組件-回路的多層次組合與優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)而實現(xiàn)調(diào)速器調(diào)節(jié)與控制的所有功能。它突破了近一個世紀(jì)以來一成不變的電氣-機(jī)械/液壓轉(zhuǎn)換元件（比例伺服閥等電液轉(zhuǎn)換器）+滑閥式主配壓閥的經(jīng)典形式、以及制造工藝與結(jié)構(gòu)布置等方面的種種制約，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)、控制無需由“中間位置”與機(jī)械反饋來保證，使調(diào)速器的設(shè)計、制作與生產(chǎn)發(fā)生了根本性的變化；它兼顧了機(jī)械液壓動作的可靠性、微機(jī)的適用性和閥的簡單化。具有高可靠性、響應(yīng)快、動作平穩(wěn)性能好、定位精度高、工作效率高、節(jié)省油源消耗等獨特優(yōu)點，在調(diào)速器領(lǐng)域獨樹一幟。

（1）調(diào)速器控制核心部件采用高可靠PCC控制器，并采用雙微機(jī)通道冗余控制結(jié)構(gòu)，且按獨立雙通道主從（或并聯(lián)）方式工作，任一通道退出時，不會導(dǎo)致頻率或有功波動，且另一套立即投入自動運(yùn)行。廢棄了原來的一路輸入，兩路輸出的控制方式。雙套調(diào)節(jié)器的工作（穩(wěn)壓）電源各自獨立，并分別由雙路交/直流電源供電。從而提高了設(shè)備的可靠性、安全性、穩(wěn)定性。

（2）人機(jī)界面：液晶彩色顯示器作為人機(jī)交互顯示接口，具有良好的全中文圖形人機(jī)界面和在線幫助系統(tǒng)，操作簡單方便。它可以實時顯示調(diào)節(jié)器雙微機(jī)控制器各種運(yùn)行參數(shù)與曲線，并可對各種控制參數(shù)進(jìn)行修改，且軟件具備修后試驗功能，能完整的記錄修后試驗數(shù)據(jù)和曲線。

（3）殘壓測頻加齒盤測速：測頻裝置是決定水輪發(fā)電機(jī)組及調(diào)速器安全、穩(wěn)定運(yùn)行極為關(guān)鍵的部件，而齒盤測頻檢測機(jī)組頻率，具有信號穩(wěn)定，不易受現(xiàn)場干擾的優(yōu)點，是可靠的測頻信號源。改造中采用了齒盤測頻和殘壓測頻（PT測頻）的雙重測頻方式，雙重測頻互為熱備用，一旦PT測頻故障，立即無擾動切換到齒盤測頻，并發(fā)故障信號。

（4）調(diào)速器信號測量與反饋的核心元件-導(dǎo)葉位移傳感器分別采用獨立兩路輸入接入A機(jī)（PCC），B機(jī)（PCC）。若一套故障退出運(yùn)行時，另一套立即投入自動運(yùn)行。避免了自動狀態(tài)下發(fā)生因?qū)~位移傳感器的損壞而甩負(fù)荷及負(fù)荷波動，提高了設(shè)備的利用率、可靠性與穩(wěn)定性。

（5）診斷與容錯子程序：完成對系統(tǒng)主要狀態(tài)、外部輸入信號的故障診斷。對某些特定的故障現(xiàn)象采取容錯控制策略，例如在并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)，若檢測到網(wǎng)頻信號故障或機(jī)頻信號故障或接力器位移反饋故障，此時仍維持接力器開度在當(dāng)前開度不變，以保證機(jī)組在當(dāng)前負(fù)荷仍然正常運(yùn)行，同時向LCU報故障信號；當(dāng)機(jī)組處于空載時，若檢測到機(jī)頻信號故障或接力器位移反饋故障，則調(diào)速器將實行關(guān)機(jī)保護(hù)，以避免故障面的進(jìn)一步擴(kuò)大及機(jī)組可能面臨的事故威脅。

（6）液壓隨動系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，可根據(jù)使用需要進(jìn)行靈活的組合和布置。整個液壓控制系統(tǒng)具有很高的集成度，無任何桿件、鋼絲繩及內(nèi)部外露管道。液壓隨動系統(tǒng)采用邏輯插裝技術(shù)：由組合結(jié)構(gòu)的邏輯插裝控制閥單元取代主配壓閥，由于邏輯插裝控制閥單元的工作位置是直接由數(shù)百公斤以上的液壓作用力驅(qū)動，動作可靠性有了很大的提高，亦避免了傳統(tǒng)的主配壓閥存在的標(biāo)準(zhǔn)化程度低、性能一致性難以保證、互換性不好等不足。

（7）采用高速開關(guān)閥作為電液轉(zhuǎn)換組件，可以實現(xiàn)容錯控制。高速開關(guān)閥采用多通道冗余結(jié)構(gòu)，一旦某一個通道失靈，可自行切換，由正常通道來維持系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。即使電氣部分徹底失靈，也能使主接力器保持當(dāng)前開度不變，并自動地切為手動運(yùn)行,從而避免了故障的擴(kuò)大以及由此造成的不良后果。該調(diào)速器液壓部分除了能實現(xiàn)傳統(tǒng)機(jī)械液壓系統(tǒng)的所有功能外，還能實現(xiàn)容錯降級運(yùn)行，以及自動/機(jī)手動/電手動之間無條件、無擾動的平滑切換。容錯控制功能與濾油工作回路的獨特可靠設(shè)計從根本上保證了真正意義上的免維護(hù)。

（8）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單明了，內(nèi)部液流阻力小，從元件到系統(tǒng)密封性能好，泄漏小，穩(wěn)定工況下基本無油耗，調(diào)速器更換前漏油系統(tǒng)平均1h啟動1次，現(xiàn)漏油系統(tǒng)平均3h啟動1次。更換前壓油系統(tǒng)平均10min啟動1次，現(xiàn)壓油系統(tǒng)平均48min啟動1次。延長了油泵以及電機(jī)的使用壽命，節(jié)省了廠用電消耗。

4　性能試驗

3號機(jī)調(diào)速器改造完成后，按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T9652. 1-2007、GB/T9652.2-2007、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T563-2004、DL/T496-2001的要求進(jìn)行了性能驗收試驗，包括調(diào)速器測頻單元、整機(jī)靜特性、空載試驗、一次調(diào)頻、甩負(fù)荷、不動時間等試驗，所有指標(biāo)優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4.1調(diào)速器靜特性試驗（圖1）

圖1靜特性曲線

4.2并網(wǎng)狀態(tài)下故障模擬試驗

機(jī)組處于滿負(fù)荷自動運(yùn)行狀態(tài)下，模擬調(diào)速器雙電源消失、頻率反饋和導(dǎo)葉反饋故障，觀察調(diào)速器動作狀態(tài)，記錄故障前后導(dǎo)葉開度（表1）。

表1

4.3甩負(fù)荷試驗

調(diào)速器處于自動發(fā)電方式，負(fù)荷平衡狀態(tài)。依次分別甩掉25%、50%、75%、100%的額定負(fù)荷，觀測并記錄機(jī)組轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉接力器行程的變化及有關(guān)特征參數(shù)（表2）。

表2

4.4試驗結(jié)果匯總（表3）

表3

5　結(jié)論

3號機(jī)調(diào)速器改造后，徹底解決了原調(diào)速器存在的問題，大大提高了3號機(jī)運(yùn)行的安全性、可靠性，確保了機(jī)組穩(wěn)定快速的開/停機(jī)及負(fù)荷增減控制，保障了機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。鑒于改造后調(diào)速器優(yōu)異的性能表現(xiàn)，在后續(xù)幾臺機(jī)調(diào)速器改造中繼續(xù)采用CVT-100型調(diào)速器產(chǎn)品，現(xiàn)已完成2號機(jī)、4號機(jī)調(diào)速器改造工作，5號機(jī)調(diào)速器改造計劃在2015年機(jī)組A修中實施。改造后的3、2、4號機(jī)調(diào)速器運(yùn)行穩(wěn)定，零故障、零缺陷！CVT-100調(diào)速器達(dá)到真正意義的免檢修、免維護(hù)，為電廠實現(xiàn)無人值班、少人值守電站打下了良好的基礎(chǔ)。

中圖分類號：TK730.4+1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）03-0041-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.012

收稿日期：2014-12-09

作者簡介：茍先智（1963-），男，助理工程師，從事水電廠電氣二次技術(shù)工作。