多噴嘴沖擊式機(jī)組調(diào)速器改造及其控制研究

次仁桑珠，索　珍，余紀(jì)偉，蔡衛(wèi)江(．西藏滿拉水電廠，西藏江孜857400; ．南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇南京06)

多噴嘴沖擊式機(jī)組調(diào)速器改造及其控制研究

次仁桑珠1，索珍1，余紀(jì)偉2，蔡衛(wèi)江2
(1．西藏滿拉水電廠，西藏江孜857400; 2．南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇南京211106)

摘要:通過對(duì)草坡水電站多噴嘴沖擊式機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的改造以及調(diào)速系統(tǒng)的研制，討論了該類型調(diào)速器噴針及折向器液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以及機(jī)組停機(jī)到發(fā)電、發(fā)電到停機(jī)、事故保護(hù)等調(diào)速器控制流程;特別是對(duì)工況轉(zhuǎn)換時(shí)噴針的切換規(guī)律及折向器控制進(jìn)行了研究，并提供了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。圖5幅。

關(guān)鍵詞:多噴嘴沖擊式水輪機(jī);調(diào)速器;控制流程;噴針調(diào)節(jié);折向器控制

0　引言

近年來，我國水電建設(shè)蓬勃發(fā)展，預(yù)計(jì)2015年末水電裝機(jī)容量將突破3億kW。大規(guī)模開發(fā)需要大量的水電控制設(shè)備，而多噴嘴沖擊式水輪機(jī)則是其中重要組成部分。這一機(jī)型適合于高水頭小流量電站，與混流式機(jī)組相比，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢修維護(hù)方便，而且空蝕和磨損小，在云南、西藏、四川等高水頭地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用［1］。然而，與其他類型機(jī)組比較，它采用了噴針及折向器的多重調(diào)節(jié)與控制，且大多數(shù)沖擊式電站采用4噴嘴及以上的設(shè)計(jì)，所以該類型機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)比較復(fù)雜，如四川冶勒電站，單機(jī)容量125 MW，采用6噴嘴控制，由法國ALSTOM公司設(shè)計(jì)制造，調(diào)速器配套采用該公司設(shè)備;四川田灣河金窩電站，單機(jī)容量140 MW，采用美國GE公司設(shè)備［2］。近幾年來，中國水電制造技術(shù)突飛猛進(jìn)，已經(jīng)能夠制造多噴嘴機(jī)組及其調(diào)速設(shè)備［3］。本文就從四川草坡電站4噴嘴沖擊式機(jī)組調(diào)速器的改造出發(fā)，詳細(xì)討論了該類型機(jī)組調(diào)速器的設(shè)計(jì)和其控制策略。

1　工程概況

草坡電站位于四川省阿壩州汶川縣境內(nèi)，為引水式電站，地面廠房，總裝機(jī)容量48 MW。1、2號(hào)水輪機(jī)型號(hào)為CJ20—L—215/2×19，3號(hào)水輪機(jī)型號(hào)為CTA237—L—136/4×13.6。設(shè)計(jì)水頭392.7 m，其調(diào)速系統(tǒng)于2012年改造，采用了南瑞集團(tuán)公司最新研制的CJT/4—1沖擊式水輪機(jī)調(diào)速器。該系統(tǒng)微機(jī)調(diào)節(jié)器部分以B＆R公司的PCC2003控制器為核心，機(jī)械液壓部分則以DIPUMA公司的比例閥作為電液轉(zhuǎn)換單元，配合華德公司的電液閥作為液壓放大單元。該系統(tǒng)運(yùn)用了現(xiàn)代控制理論技術(shù)、先進(jìn)的可編程控制技術(shù)和現(xiàn)代液壓控制技術(shù)，具有較高的集成度和可靠性，運(yùn)行直觀、維護(hù)方便、操作簡(jiǎn)便。

2　多噴嘴機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沖擊式水輪機(jī)調(diào)速器采用噴針及折向器的多重調(diào)節(jié)與控制，噴針數(shù)越多，控制策略越復(fù)雜。噴針作為主調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用連續(xù)控制，折向器則采用開關(guān)量控制，噴針與折向器獨(dú)立控制而不協(xié)聯(lián)。其調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)指:噴針調(diào)節(jié);折向器控制;啟動(dòng)噴針數(shù)及動(dòng)作方式的選擇;機(jī)組帶負(fù)荷時(shí)噴針數(shù)的選擇及切換。噴針對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能起決定性作用，而折向器僅在大波動(dòng)時(shí)對(duì)機(jī)組進(jìn)行過速保護(hù)，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到機(jī)組的調(diào)節(jié)品質(zhì)和安全穩(wěn)定，所以該系統(tǒng)控制的可靠性及是否最優(yōu)尤為關(guān)鍵［4］。

草坡電站水輪機(jī)采用4噴針4折向器結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的調(diào)速系統(tǒng)需要有8個(gè)控制對(duì)象和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，再綜合考慮上述沖擊式水輪機(jī)的控制特點(diǎn)和要求，設(shè)計(jì)的草坡調(diào)速系統(tǒng)液壓原理如下所示(見圖1)。從圖1中可以看出:調(diào)速器機(jī)械液壓部分由5套獨(dú)立的液壓控制單元組成，分別為4套噴針控制單元、1套折向器控制單元。其中，噴針控制系統(tǒng)采用電液比例閥實(shí)現(xiàn)閉環(huán)連續(xù)控制;折向器采用電液閥及液動(dòng)閥實(shí)現(xiàn)開關(guān)量控制，僅在系統(tǒng)甩負(fù)荷等大波動(dòng)時(shí)快速關(guān)閉折向器，起到機(jī)組過速保護(hù)的作用。整個(gè)液壓系統(tǒng)控制回路明確，取消了傳統(tǒng)的機(jī)械協(xié)聯(lián)、凸輪及復(fù)雜的連桿機(jī)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)大幅簡(jiǎn)化，而且有效地克服了機(jī)械傳遞死區(qū)，提高了系統(tǒng)的控制精度。

圖1　多噴針機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)液壓原理示意

每套噴針接力器均配置了高精度位移變送器，通過微機(jī)控制器檢測(cè)到噴針位置，再通過比例伺服閥實(shí)現(xiàn)噴針精確定位。4套噴針分別獨(dú)立可調(diào)，每套噴針采用自動(dòng)及手動(dòng)2個(gè)液壓調(diào)節(jié)通道，自動(dòng)通道選用比例閥，比例閥的功能是把輸入的電氣信號(hào)按比例地轉(zhuǎn)換成流量信號(hào)，通過電氣信號(hào)電流大小變化及方向變化，從而控制噴針接力器的運(yùn)動(dòng)速度和方向;該閥的最大特點(diǎn)是電磁操作力大，耐污染能力及防卡能力強(qiáng)，具有較高可靠性。每個(gè)噴針的手動(dòng)控制回路主要由10通徑電磁換向閥和單向節(jié)流閥組成，手動(dòng)控制的速度可以通過預(yù)先調(diào)節(jié)節(jié)流閥整定好。折向器接力器的全開和全關(guān)位均配置了位置開關(guān)，通過微機(jī)控制器檢測(cè)折向器位置，再通過電磁閥實(shí)現(xiàn)折向器的開關(guān)控制。4套折向器采用同步聯(lián)動(dòng)控制模式，由1套16通徑大流量電磁換向閥驅(qū)動(dòng)。由于系統(tǒng)不管是噴針自動(dòng)、手動(dòng)還是折向器控制，都是采用先導(dǎo)閥直接控制到接力器油缸，整個(gè)液壓控制系統(tǒng)簡(jiǎn)潔明快、可靠性較高。

3　多噴針及折向器控制策略研究

3.1機(jī)組從停機(jī)到發(fā)電流程

從目前的研究成果來看，機(jī)組從停機(jī)到發(fā)電的流程圖如下所示(見圖2)。當(dāng)機(jī)組在停機(jī)態(tài)接到開機(jī)令后，首先打開折向器，然后按用戶設(shè)定的開機(jī)規(guī)律啟動(dòng)噴針(單噴針或2個(gè)對(duì)側(cè)噴針) ;當(dāng)轉(zhuǎn)速接近額定時(shí)(95%)，投入PID空載調(diào)節(jié)程序，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，機(jī)組并網(wǎng)，切換到雙噴針調(diào)節(jié)，接受監(jiān)控系統(tǒng)的增加負(fù)荷指令，調(diào)節(jié)雙噴針開度;當(dāng)負(fù)荷大于50%時(shí)，切換到4噴針控制，最后逐步調(diào)節(jié)全部噴針開度，機(jī)組負(fù)荷帶到額定。減負(fù)荷時(shí)情況類似，當(dāng)負(fù)荷小于50%時(shí)，4噴針調(diào)節(jié)則切換到雙噴針控制，直到負(fù)荷減到零。噴針切換是多噴嘴機(jī)組調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，保持切換時(shí)負(fù)荷的穩(wěn)定是控制的難點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)該控制目標(biāo)，設(shè)置了一定切換死區(qū)，增負(fù)荷過程中，當(dāng)負(fù)荷超過52%時(shí)再進(jìn)行切換;減負(fù)荷時(shí)，負(fù)荷低于48%時(shí)再切換，切換時(shí)為了保持負(fù)荷穩(wěn)定，兩噴針到4噴針時(shí)，兩噴針按一定速率關(guān)閉，另外兩噴針按同樣速率開啟，切換過程中保持總開度不變，直到4噴針開度一致，切換完成。同樣，4噴針到兩噴針時(shí)，兩對(duì)側(cè)噴針逐步開啟，另外兩噴針按同樣速率關(guān)閉，直到兩噴針關(guān)到零為止，另外兩噴針停止動(dòng)作，維持開度不變。

圖2　機(jī)組停機(jī)—空載—發(fā)電流程

圖3　機(jī)組發(fā)電—空載—停機(jī)流程

圖4　機(jī)組甩負(fù)荷流程

3.2機(jī)組從發(fā)電到停機(jī)流程

機(jī)組從發(fā)電到停機(jī)的流程如圖所示(見圖3)。當(dāng)機(jī)組在發(fā)電態(tài)，接到停機(jī)令或減負(fù)荷指令后，逐步降低4噴針開度，按減負(fù)荷規(guī)律再由4噴針過度到兩噴針，等兩噴針關(guān)閉到零，再調(diào)整另外兩噴針到空載開度，負(fù)荷到零，待機(jī)組斷路器跳開，馬上投入折向器控制電磁閥，切斷機(jī)組水流，并慢慢關(guān)閉兩噴針，機(jī)組轉(zhuǎn)速逐步下降，最終到零，完成停機(jī)流程。

3.3機(jī)組甩負(fù)荷流程

緊急情況下，當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)電氣或機(jī)械事故(如推力瓦溫度過高、發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作)，或者電網(wǎng)出現(xiàn)短路等故障，需要機(jī)組馬上與系統(tǒng)解列;此時(shí)斷路器跳開，機(jī)組轉(zhuǎn)入甩負(fù)荷流程(見圖4)。當(dāng)斷路器斷開，調(diào)速器馬上控制折向器關(guān)閉電磁閥動(dòng)作，快速切斷噴嘴水流，同時(shí)逐漸關(guān)閉兩噴針接力器到零，調(diào)節(jié)兩外噴針到空載開度，待轉(zhuǎn)速接近50 Hz時(shí)，退出折向器，按轉(zhuǎn)速偏差的PID調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)整兩噴針開度，維持機(jī)組轉(zhuǎn)速在額定，等待下次并網(wǎng)。

3.4噴針故障處理流程

極端情況下，由于調(diào)速系統(tǒng)油質(zhì)原因可能造成比例閥卡澀，或由于人為或電源故障導(dǎo)致噴針變送器故障;若控制不當(dāng)，可能造成噴針失控，全開或全關(guān)，機(jī)組可能過負(fù)荷或進(jìn)入調(diào)相，引起事故擴(kuò)大，必須采取緊急措施(見圖5)。此時(shí)若機(jī)組處于空載工況，調(diào)速器直接輸出開環(huán)關(guān)閉電壓，直接關(guān)閉所有的噴針到零;若系統(tǒng)處于發(fā)電工況，則首先切除到比例閥的電氣信號(hào)，保持噴針在當(dāng)前開度，維持機(jī)組負(fù)荷，同時(shí)輸出報(bào)警信號(hào)到監(jiān)控，提請(qǐng)運(yùn)行人員注意，切換系統(tǒng)到手動(dòng)模式運(yùn)行。

圖5　噴針故障處理流程

4　應(yīng)用情況

草坡電站由于2008年四川地震損毀重建，調(diào)速系統(tǒng)由南京南瑞集團(tuán)公司提供，2012年5月，3套系統(tǒng)全部投產(chǎn)。投產(chǎn)期間，機(jī)組進(jìn)行了詳細(xì)的開機(jī)、空載、并網(wǎng)、停機(jī)、甩負(fù)荷、故障模擬等試驗(yàn)，機(jī)組開機(jī)時(shí)間、空載擺動(dòng)、帶負(fù)荷速度等試驗(yàn)結(jié)果均滿足國標(biāo)及電廠相關(guān)要求。工況轉(zhuǎn)換過程中，多路噴針切換及調(diào)節(jié)均符合控制流程設(shè)計(jì)，折向器動(dòng)作也滿足程序控制要求，調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈敏，控制平穩(wěn)，機(jī)組工況轉(zhuǎn)換正常，為電站災(zāi)后重建恢復(fù)發(fā)電提供了可靠的保障。

5　結(jié)語

近年來，中國水電建設(shè)快速發(fā)展，制造技術(shù)不斷提高，沖擊式機(jī)組容量越來越大，控制系統(tǒng)也越加復(fù)雜。特別是大型的沖擊式水電站進(jìn)入建設(shè)高峰期，亟需推動(dòng)國內(nèi)配套的水輪機(jī)調(diào)速器的研究進(jìn)程，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水輪機(jī)調(diào)速器技術(shù)，而國內(nèi)雖然在中小型、4噴4折機(jī)組上有一些應(yīng)用，但大容量復(fù)雜的沖擊機(jī)組(6噴6折100 MW以上)調(diào)速器基本還是空白，目前在關(guān)鍵核心技術(shù)上還有待研究［5］。本論文通過草坡電站多噴嘴機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的研制，研究了沖擊式機(jī)組的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制流程，特別是對(duì)工況轉(zhuǎn)換時(shí)噴針的切換規(guī)律、折向器控制進(jìn)行了研究，并提供了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，希望能為大型機(jī)組控制系統(tǒng)提供一定的經(jīng)驗(yàn)積累，并逐步實(shí)現(xiàn)完全國產(chǎn)化。

參考文獻(xiàn):

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［2］王容，等．大型沖擊式水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器在田灣河流域梯級(jí)水電站中的應(yīng)用［J］．四川水力發(fā)電，2011 (2) : 26_28．

［3］涂振祥．多噴嘴沖擊式大型水輪機(jī)組的調(diào)速器控制與特殊工況運(yùn)行問題的研究［J］．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(16) : 16_19．

［4］文斌．沖擊式機(jī)組微機(jī)調(diào)速器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］．科技信息，2011(3) : 132_133．

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責(zé)任編輯吳昊

作者簡(jiǎn)介:次仁桑珠(1974－)，男，工程師，主要從事水電站自動(dòng)化設(shè)備維護(hù)檢修及管理工作。E_ mail: xzmlcrsz@163.com

收稿日期:2015－10－19