小浪底水電站6號(hào)機(jī)組筒閥系統(tǒng)更新改造

楊 平，張延智，王世魁

（1.黃河明珠水利水電建設(shè)有限公司，河南省三門峽市 472000；2.黃河水利水電開發(fā)總公司，河南省濟(jì)源市 459017）

小浪底水電站位于河南省濟(jì)源市與洛陽市孟津縣交界處，是黃河最后一個(gè)峽谷出口，安裝了6臺(tái)300MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，是河南電網(wǎng)重要的調(diào)峰調(diào)頻電廠。由于黃河多泥沙、小浪底機(jī)組設(shè)計(jì)年利用小時(shí)數(shù)低等因素，小浪底水電廠機(jī)組采用了目前國內(nèi)較為少用的筒閥。小浪底機(jī)組的調(diào)速器和筒閥液壓系統(tǒng)共用一套壓油系統(tǒng)，兩者電氣部分相互獨(dú)立控制。

筒閥安裝在固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉之間，如圖1所示，在機(jī)組正常開機(jī)時(shí)，先提升筒閥，再打開導(dǎo)葉。正常關(guān)機(jī)時(shí)，則先關(guān)閉導(dǎo)葉，再關(guān)閉筒閥。當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，筒閥快速關(guān)閉；當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)失靈時(shí)，筒閥靠自重實(shí)現(xiàn)動(dòng)水自動(dòng)關(guān)閉，防止事故擴(kuò)大。

1 筒閥簡介

圖1 筒閥結(jié)構(gòu)示意圖

筒閥為碳鋼筒形環(huán)狀體，分成二瓣制作，在現(xiàn)場組焊調(diào)圓，直徑為8100 mm、高1710 mm、厚142mm。筒閥的外圓均勻分布10個(gè)青銅導(dǎo)軌，在與導(dǎo)軌相對(duì)應(yīng)的10個(gè)固定導(dǎo)葉的出水邊加工與導(dǎo)軌相配合的導(dǎo)向面，在筒閥上下移動(dòng)時(shí)起導(dǎo)向作用，避免發(fā)生傾斜[1]。為避免筒閥在下落時(shí)發(fā)卡，筒閥體的底部外緣成圓弧狀，便于筒閥關(guān)閉。

筒閥系統(tǒng)分為油壓裝置和液壓控制系統(tǒng)。油壓裝置由兩臺(tái)壓油泵向壓油罐供油，其額定工作壓力為6.4MPa，當(dāng)油壓系統(tǒng)壓力低于6MPa時(shí)，啟動(dòng)主泵，當(dāng)油壓系統(tǒng)壓力低于5.8MPa時(shí)，啟動(dòng)主泵和備泵。液壓控制系統(tǒng)由1套控制模塊、1個(gè)分流模塊、5個(gè)配油模塊及5臺(tái)直缸液壓接力器組成?？刂颇K主要通過接收PLC的信號(hào)來控制比例電磁閥開啟或關(guān)閉的油口開度，進(jìn)而控制接力器的開啟或關(guān)閉速度。分流模塊通過同軸液壓馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)控制管路的集成布置。配油模塊通過粗調(diào)電磁閥、微調(diào)電磁閥、液控單向閥來調(diào)整筒閥接力器上下腔供、排油和電氣同步。

筒閥系統(tǒng)的同步調(diào)整功能主要通過一套PLC來實(shí)現(xiàn)，如圖2所示，安裝在5個(gè)筒閥接力器上的直線位移傳感器，實(shí)時(shí)向PLC反饋筒閥接力器位置。當(dāng)筒閥打開或關(guān)閉時(shí)，PLC通過接力器的位移及位移偏差運(yùn)算，輸出電壓量信號(hào)控制比例閥開度，從而控制筒閥動(dòng)作速度。當(dāng)接力器的偏差小于允許位移偏差時(shí)，則認(rèn)為筒閥同步運(yùn)行；當(dāng)接力器的偏差大于允許偏差，未超過最大偏差，則PLC通過配油模塊中的粗調(diào)電磁閥和微調(diào)電磁閥調(diào)節(jié)筒閥偏差，使筒閥重新保持同步運(yùn)行。當(dāng)筒閥接力器偏差超過最大偏差時(shí)，筒閥報(bào)“發(fā)卡”信號(hào)，并停止工作。

2 改造原因

筒閥系統(tǒng)經(jīng)多年運(yùn)行，總體運(yùn)行穩(wěn)定可靠，故障率低，但也存在以下問題：

圖2 筒閥液壓同步控制系統(tǒng)原理圖

（1）筒閥系統(tǒng)電氣控制核心元件采用美國SAIA公司生產(chǎn)的PLC，該類型PLC已停產(chǎn)。

（2）筒閥系統(tǒng)電氣控制部分已進(jìn)入壽命末年，故障率和缺陷發(fā)生率明顯增高。

（3）筒閥系統(tǒng)未改造前，其主要以信號(hào)燈和按鈕為主，缺乏各個(gè)重要狀態(tài)點(diǎn)的數(shù)據(jù)監(jiān)測和趨勢分析功能，不能完全滿足現(xiàn)設(shè)備維護(hù)需求，給實(shí)際維護(hù)檢修工作帶來不便。

（4）筒閥系統(tǒng)對(duì)油質(zhì)要求很高，現(xiàn)場油的清潔度難以滿足要求，液壓管路中存在的金屬碎屑等雜質(zhì)易使比例閥、調(diào)節(jié)電磁閥等元器件無法正常工作，導(dǎo)致筒閥發(fā)卡。為改善油質(zhì)問題，在壓油裝置加裝在線濾油裝置和慮水裝置，較大程度改善液壓油質(zhì)量。當(dāng)機(jī)組長時(shí)間并網(wǎng)運(yùn)行，筒閥長期處于全開狀態(tài)，待停機(jī)時(shí)仍然會(huì)發(fā)生筒閥發(fā)卡的情況，無法得到很好的解決。

3 改造方案

小浪底水電站承擔(dān)著河南電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)，年機(jī)組開停機(jī)次數(shù)約500次/臺(tái)，筒閥系統(tǒng)常年頻繁動(dòng)作。小浪底水電站原筒閥系統(tǒng)具有操作靈活方便、開閉速度快、密封良好等特點(diǎn)，比較適應(yīng)小浪底水電站機(jī)組工作要求。綜合權(quán)衡筒閥系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和存在的問題，決定于2015年8月至2015年9月對(duì)小浪底水電站6號(hào)機(jī)組筒閥系統(tǒng)電氣部分進(jìn)行了更新改造，使用美國SAIA公司生產(chǎn)的型號(hào)為PCD 3.M5540的PLC作為控制核心，并針對(duì)以上問題進(jìn)行了重新優(yōu)化。

3.1 測量系統(tǒng)

筒閥位移測量的準(zhǔn)確性是保持筒閥接力器同步的重要環(huán)節(jié)。在原測量系統(tǒng)中，接力器位置測量由BTA-D11數(shù)字處理卡和與其配套的BTL2/5位移傳感器（安裝在接力器頂部）完成。傳感器為磁桿結(jié)構(gòu)，可直接測出接力器活塞位置的絕對(duì)值。傳感器配置16位輸出，將位移信號(hào)通過PLC的通道以16位不連續(xù)信號(hào)輸入PLC。BTA-D11以最高達(dá)1Hz的頻率發(fā)送10V方波給BTL2。BTL2根據(jù)磁桿的位移量返回方波，返回的方波中包含了位移與時(shí)間的關(guān)系，由此可計(jì)算出某一時(shí)刻位移的大小，即筒閥接力器的位置。

鑒于筒閥改造不能在大修期間進(jìn)行，舊傳感器則無法得到更換。在新測量系統(tǒng)中，筒閥接力器位置測量采用兩套測量系統(tǒng)。第一套為BTME1UV300數(shù)字處理卡和與其配套的BTL2/5位移傳感器組成（目前采用此測量系統(tǒng)），測量原理同舊測量系統(tǒng)；第二套采用BTL7位移傳感器，測量信號(hào)通過4～20mA模擬量直接傳輸給PLC（待大修時(shí)更換BTL7，并切換位移測量系統(tǒng)）。新測量系統(tǒng)中采用容錯(cuò)處理，當(dāng)一個(gè)筒閥接力器位移傳感器出現(xiàn)故障，使用相鄰兩個(gè)筒閥接力器位移信號(hào)平均值代替。

3.2 電氣同步系統(tǒng)

原筒閥電氣同步系統(tǒng)，PLC內(nèi)部設(shè)定了與筒閥接力器位移相關(guān)的允許偏差，以筒閥接力器活塞中位置最低的接力器位移作為基準(zhǔn)值。如圖3所示，在筒閥運(yùn)動(dòng)過程中，當(dāng)筒閥其他4個(gè)接力器與基準(zhǔn)接力器之間的最大偏差小于允許偏差，則認(rèn)為筒閥運(yùn)行同步；如果某個(gè)接力器位移與基準(zhǔn)接力器位移的偏差大于允許偏差的30%，則微調(diào)電磁閥動(dòng)作使接力器下腔排油；如果偏差大于允許偏差的70%，則粗調(diào)電磁閥動(dòng)作使接力器下腔排油，從而使有偏差的接力器與其他接力器保持同步。如果實(shí)際偏差大于允許偏差，經(jīng)過延時(shí)反向運(yùn)動(dòng)仍不能調(diào)整到允許偏差范圍之內(nèi)，筒閥停止運(yùn)動(dòng)，發(fā)出發(fā)卡報(bào)警。

新筒閥同步系統(tǒng)中，同步控制方式更加精準(zhǔn)、智能、安全、可靠、多樣，主要體現(xiàn)在：基準(zhǔn)值選取、同步判斷、同步調(diào)整、減速運(yùn)行、報(bào)警處理等方面。

圖3 筒閥運(yùn)行允許誤差曲線

基準(zhǔn)值選取方式共三種，以接力器活塞相對(duì)位置最小值作為基準(zhǔn)；以接力器活塞相對(duì)位置最大值作為基準(zhǔn)；以接力器活塞位置平均值作為基準(zhǔn)。筒閥控制柜觸摸屏OP可選擇任何一種基準(zhǔn)值，筒閥處于自動(dòng)方式下時(shí)自動(dòng)以最小值為基準(zhǔn)值。

同步判斷主要是接力器位置值與基準(zhǔn)值之間偏差的計(jì)算和判斷、相鄰接力器之間位置值的偏差計(jì)算和判斷。當(dāng)接力器位置值與基準(zhǔn)值之間偏差小于5mm或者相鄰接力器之間位置值偏差小于3mm，認(rèn)為筒閥同步運(yùn)行，否則筒閥處于不同步運(yùn)行或者發(fā)卡。

同步調(diào)整主要是當(dāng)接力器位置值與基準(zhǔn)值之間偏差大于5mm時(shí)，微調(diào)電磁閥動(dòng)作，當(dāng)接力器位置值與基準(zhǔn)值之間偏差大于7mm時(shí)，粗調(diào)電磁閥動(dòng)作。當(dāng)相鄰接力器之間位置值偏差大于3mm時(shí)，微調(diào)電磁閥動(dòng)作。

減速運(yùn)行分為筒閥減速一級(jí)速度運(yùn)行和在減速基礎(chǔ)上再減一級(jí)速度運(yùn)行兩種方式。當(dāng)超過3個(gè)細(xì)調(diào)電磁閥動(dòng)作、超過2個(gè)粗調(diào)電磁閥動(dòng)作、接力器位置值與基準(zhǔn)值之間偏差大于12mm并延時(shí)5s后、相鄰接力器之間位置值偏差大于10mm并延時(shí)5s則筒閥減一級(jí)速度運(yùn)行。當(dāng)超過5個(gè)細(xì)調(diào)電磁閥動(dòng)作、超過3個(gè)粗調(diào)電磁閥動(dòng)作、接力器位置值與基準(zhǔn)值之間偏差大于12mm并延時(shí)10s后、相鄰接力器之間位置值偏差大于12mm并延時(shí)5s則筒閥再減一級(jí)速度運(yùn)行。

在筒閥報(bào)警處理方面，當(dāng)接力器位置值與基準(zhǔn)值之間偏差大于12mm，直接報(bào)警；當(dāng)接力器位置值與基準(zhǔn)值之間偏差大于15mm，延時(shí)2s后報(bào)筒閥發(fā)卡；開啟或關(guān)閉筒閥時(shí)，超過3min則停止運(yùn)行，并發(fā)出延時(shí)報(bào)警。

3.3 速度控制

筒閥在運(yùn)動(dòng)過程中，PLC按照曲線（如圖4所示）向比例閥發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)，比例閥根據(jù)調(diào)節(jié)信號(hào)控制開啟側(cè)或關(guān)閉側(cè)的油口開度，進(jìn)而控制接力器運(yùn)動(dòng)速度。在筒閥運(yùn)動(dòng)過程中，中間段速度為最大，起始段和終止段運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)小很多。此設(shè)計(jì)方法是為了防止筒閥在行程的起始段和終止段運(yùn)動(dòng)速度過快產(chǎn)生發(fā)卡或撞擊到相鄰部件。

筒閥新系統(tǒng)程序中，筒閥速度控制分為13段，如圖5所示，筒閥運(yùn)動(dòng)速度曲線形如梯狀。在筒閥提升的起動(dòng)階段，輔助電磁閥向5個(gè)接力器下腔供高壓油沖洗，幫助筒閥起動(dòng)快速脫離底座。筒閥開度隨比例閥開度不斷增加，筒閥運(yùn)動(dòng)速度也隨之分段變化。筒閥運(yùn)動(dòng)速度不斷上升，在筒閥47.5%至52.5%開度時(shí)速度達(dá)到最大值。筒閥開度持續(xù)增加直至筒閥全開，筒閥運(yùn)動(dòng)速度逐漸下降。當(dāng)筒閥達(dá)到全開時(shí)輔助電磁閥勵(lì)磁，接力器下腔注入高壓油，筒閥保持全開狀態(tài)不下落。筒閥下落與提升過程類同，當(dāng)筒閥達(dá)到全關(guān)時(shí)輔助電磁閥勵(lì)磁，接力器下腔油被排空，筒閥保持全關(guān)狀態(tài)。

圖4 筒閥運(yùn)行速度曲線

當(dāng)機(jī)組長時(shí)間并網(wǎng)運(yùn)行，筒閥長期處于全開狀態(tài)，待停機(jī)時(shí)仍然會(huì)發(fā)生筒閥發(fā)卡，無法下落的情況。改造后，通過先打開輔助電磁閥，使筒閥下腔供油和排油管路接通，對(duì)筒閥接力器下腔持續(xù)3s沖洗，保證筒閥順利下落。

圖5 筒閥運(yùn)動(dòng)速度曲線（新）

4 結(jié)束語

小浪底水電站機(jī)組筒閥系統(tǒng)自投運(yùn)以來，其可靠性、控制精度、運(yùn)行穩(wěn)定性相對(duì)較好。通過對(duì)小浪底水電站6號(hào)機(jī)組筒閥系統(tǒng)更新改造，運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性得到了進(jìn)一步的提升，原筒閥系統(tǒng)存在的不足得到了很好的解決，運(yùn)行性能較之前有了很大程度地提高。鑒于筒閥系統(tǒng)改造完成時(shí)間較短，我們將對(duì)筒閥系統(tǒng)以后的運(yùn)行狀態(tài)繼續(xù)加以關(guān)注。

[1] 張建生，劉定友，趙旭春.電液同步控制筒閥在小浪底水電廠的應(yīng)用.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測，2003，27（4）:29-31.

[2] 馬新紅，李濤，鐘光華.小浪底電廠筒閥液壓控制系統(tǒng).大電機(jī)技術(shù)，2006，2:67-70.

[3] 馬新紅，等.小浪底水電站筒閥發(fā)卡信號(hào)出現(xiàn)原因分析.水力發(fā)電，2006，32（2）:89-91.