大渡河猴子巖水電站圓筒閥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

房道明，王書楓，孫 影

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

大渡河猴子巖水電站圓筒閥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

房道明，王書楓，孫 影

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

簡要地介紹了大渡河猴子巖水電站圓筒閥控制系統(tǒng)的構(gòu)成，闡述了各部分的功能，詳細(xì)敘述了圓筒閥控制系統(tǒng)的原理。

圓筒閥；PID；同步調(diào)節(jié)；手動(dòng)糾偏；比例閥

1 引言

大渡河猴子巖水電站裝有4臺(tái)套425 MW水輪發(fā)電機(jī)組。水輪機(jī)為立軸混流式，發(fā)電機(jī)為立軸半傘式；額定轉(zhuǎn)速125 r/min，額定水頭130 m，進(jìn)水閥采用圓筒閥形式。圓筒閥本體、液壓接力器（每臺(tái)機(jī)組數(shù)量6個(gè)）、控制系統(tǒng)均由哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)制造。圓筒閥在緊急關(guān)機(jī)時(shí)起到隔斷水源的保護(hù)作用，安裝在水輪機(jī)的固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉之間，關(guān)閉時(shí)作為止水閥；開啟時(shí)，位于水輪機(jī)座環(huán)上環(huán)和頂蓋間空腔內(nèi)，不干擾水流流態(tài)；圓筒閥處于全開或全關(guān)位置，不作流量調(diào)節(jié)用。

圓筒閥在軸線方向運(yùn)動(dòng)，在每個(gè)接力器中均裝有磁致伸縮式位移傳感器（測量精度2 μm），可實(shí)時(shí)跟蹤每個(gè)接力器的相對位移情況。當(dāng)接力器最大行程偏差值超過設(shè)計(jì)的極限偏差值時(shí)，圓筒閥將造成卡阻而影響正常開啟和關(guān)閉，所以，圓筒閥的軸向同步運(yùn)動(dòng)是控制系統(tǒng)需解決的最關(guān)鍵問題。

2 圓筒閥控制系統(tǒng)構(gòu)成

圓筒閥控制系統(tǒng)包括機(jī)械液壓控制部分和電氣控制柜，兩者充分配合實(shí)現(xiàn)電液轉(zhuǎn)換同步控制。

2.1 機(jī)械液壓控制部分

本液壓控制系統(tǒng)主要由一個(gè)主配壓閥，一套集成控制閥組，一個(gè)流量分配器，六個(gè)同步調(diào)節(jié)單元組成。液壓控制系統(tǒng)如圖1所示。各部分功能如下：

主配壓閥具有最大的流量調(diào)節(jié)能力，具有開啟位置、關(guān)閉位置、定中位置；定中位置結(jié)合控制閥組相應(yīng)的控制狀態(tài)可使圓筒閥停在任意位置，該功能一般在調(diào)試及圓筒閥卡阻時(shí)使用。可以通過調(diào)整主配壓閥相應(yīng)開口大小使圓筒閥開啟和關(guān)閉時(shí)間根據(jù)需要在60～90 s范圍內(nèi)整定。

集成控制閥組用來控制圓筒閥的運(yùn)動(dòng)方向及運(yùn)動(dòng)速度。

流量分配器的作用是實(shí)現(xiàn)機(jī)械同步分流，進(jìn)行流量的初步分配。

同步調(diào)節(jié)單元主要由進(jìn)行精細(xì)調(diào)整流量的比例閥及液控單向閥、保護(hù)管路的溢流閥等組成。當(dāng)圓筒閥接力器出現(xiàn)偏差時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)精細(xì)調(diào)整。

圖1 圓筒閥液壓控制系統(tǒng)圖

2.2 圓筒閥電氣控制柜

可編程控制器組合的選擇上采用施奈德Magelis系列觸摸屏和Premium系列PLC。控制電源部分設(shè)計(jì)了雙冗余形式，如圖2所示。即交直流雙輸入DC24V輸出的一組開關(guān)控制電源和交直流雙輸入DC24V輸出的一組儲(chǔ)能電源組成雙冗余的形式，經(jīng)過電源切換模塊的轉(zhuǎn)換，最終將控制電源輸出到電源總線端子上。此設(shè)計(jì)保證了電源的安全可靠，即使在失去所有外部輸入電源的情況下，仍能使整個(gè)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行30 min。

可編程控制器通過輸入模塊對外部數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行采集，這些信息經(jīng)過內(nèi)部各程序段進(jìn)行綜合分析、計(jì)算，然后通過輸出模塊發(fā)出執(zhí)行命令至各個(gè)執(zhí)行元件，完成各種功能。觸摸屏設(shè)置了數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)修改、信息記錄、故障復(fù)歸等界面，可以實(shí)現(xiàn)對圓筒閥PID參數(shù)、接力器位移傳感器參數(shù)、同步運(yùn)行精度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改，同時(shí)顯示各工況狀態(tài)和故障報(bào)警等。

圖2 雙冗余電源設(shè)計(jì)方案

3 圓筒閥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

圖3 筒形閥控制程序流程圖

圓筒閥控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)圓筒閥遠(yuǎn)方自動(dòng)控制、現(xiàn)地自動(dòng)控制。主要控制部分為圓筒閥正常開啟、正常關(guān)閉和事故關(guān)閉過程，控制程序流程如圖3所示。圓筒閥同步控制是核心部分，是圓筒閥實(shí)現(xiàn)開啟、關(guān)閉等操作的基礎(chǔ)?？刂葡到y(tǒng)同步液壓元件采用比例閥，控制電壓范圍-10V～+10V，比例閥根據(jù)其控制電壓的極性具有雙向調(diào)節(jié)能力。同時(shí)由接力器位移傳感器、比例閥、PLC組成一個(gè)閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖4所示。只要圓筒閥工作的位置不在全開或全關(guān)狀態(tài)，即調(diào)用同步調(diào)節(jié)流程，對接力器的偏差進(jìn)行調(diào)整，使圓筒閥接力器保持在平衡位置。

圖4 圓筒閥同步調(diào)節(jié)功能框圖

本控制系統(tǒng)程序架構(gòu)由以下程序段組成：數(shù)據(jù)初始化程序段、模擬量輸入輸出數(shù)據(jù)處理程序段、開啟圓筒閥程序段、關(guān)閉圓筒閥程序段、停止圓筒閥程序段、事故及緊急關(guān)閉圓筒閥程序段、PID同步調(diào)節(jié)程序段、故障報(bào)警程序段、手動(dòng)糾偏程序段，各程序段相互調(diào)用有機(jī)結(jié)合成一個(gè)閉環(huán)的圓筒閥控制解決方案，實(shí)現(xiàn)了圓筒閥運(yùn)行中各個(gè)功能。

3.1 開啟圓筒閥方案

當(dāng)機(jī)組外部條件滿足開啟條件時(shí)，由LCU或現(xiàn)地按鈕發(fā)出開啟圓筒閥信號(hào)，圓筒閥會(huì)按照既定的控制邏輯自動(dòng)開啟。為了防止開啟初始階段圓筒閥卡阻以及到減小全開時(shí)圓筒閥對頂蓋的沖擊，程序?qū)㈤_啟過程分為三個(gè)步驟：初始提升、中間開啟、緩沖至全開。其中初始提升、緩沖至全開為緩沖階段。

3.2 正常關(guān)閉圓筒閥方案

當(dāng)機(jī)組外部條件滿足關(guān)閉條件時(shí)，由LCU或現(xiàn)地按鈕發(fā)出關(guān)閉圓筒閥信號(hào)，圓筒閥會(huì)按照既定的控制邏輯自動(dòng)關(guān)閉。為了減小對密封面的沖擊，圓筒閥關(guān)閉分為二個(gè)步驟：分別為正常關(guān)閉、緩沖至全關(guān)。

3.3 事故及緊急關(guān)閉圓筒閥方案

事故及緊急關(guān)閉的電氣控制部分與正常關(guān)閉基本相同，液壓部分為冗余設(shè)置，可確保接力器進(jìn)行關(guān)閉。事故關(guān)閉過程不受導(dǎo)葉接力器全關(guān)條件的限制，即圓筒閥有可能在動(dòng)水下關(guān)閉，在充分考慮水拉力對接力器下腔的沖擊作用后，程序中設(shè)置了讓圓筒閥比正常關(guān)閉時(shí)較早進(jìn)入自重關(guān)閉階段。

3.4 圓筒閥卡阻方案

圓筒閥在運(yùn)動(dòng)過程中，系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)時(shí)計(jì)算，一旦檢測到最大行程偏差超過預(yù)先設(shè)置的最大偏差允許值，PLC將調(diào)用圓筒閥停止程序段，使圓筒閥停止在卡阻位置，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，等待運(yùn)行維護(hù)人員分析問題原因所在。

在查閱了以往控制方案中，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)者習(xí)慣在圓筒閥卡組時(shí)利用圓筒閥反向運(yùn)動(dòng)的方式試圖消除卡阻現(xiàn)象，如果經(jīng)過幾次反向運(yùn)動(dòng)后仍未達(dá)到解決問題的目的再將筒閥停止。綜合分析反向運(yùn)動(dòng)的處理方案，將有可能導(dǎo)致卡阻現(xiàn)象更為嚴(yán)重。因?yàn)閷?dǎo)致圓筒閥卡阻的不定因素很多，例如如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)中比例閥出現(xiàn)了機(jī)械故障，將可能導(dǎo)致偏差的累積使圓筒閥受力更加不均衡，在此情況下再進(jìn)行處理的難度較最初就停止運(yùn)動(dòng)大得多。

3.5 手動(dòng)糾偏功能

手動(dòng)糾偏功能實(shí)現(xiàn)了可以人為在觸摸屏上給每個(gè)同步調(diào)節(jié)模塊中的比例閥控制電壓賦值，即調(diào)節(jié)比例閥的流量值，可以實(shí)現(xiàn)對每個(gè)接力器進(jìn)行單獨(dú)控制，此功能在圓筒閥最初調(diào)試及圓筒閥卡阻時(shí)具有重要作用，功能操作界面如圖5所示。使用時(shí)一般將主配壓閥調(diào)整至中間位置，使主配壓閥暫時(shí)不具有流量調(diào)節(jié)能力，因比例閥流量調(diào)節(jié)能力較小，故可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)的平穩(wěn)性。

根據(jù)圖5左側(cè)實(shí)時(shí)反饋的行程值和偏差值（傳感器標(biāo)定完成后該組值可信）或在蝸殼內(nèi)部測量的筒閥實(shí)際位移值（因調(diào)試首次動(dòng)作時(shí)無法獲得圓筒閥全開或全關(guān)位置傳感器測量的準(zhǔn)確采樣值，圖5左側(cè)反饋回的數(shù)據(jù)不可信，故需實(shí)際測量）判斷圓筒閥實(shí)際所處的位置，然后對偏差大的接力器所對應(yīng)的比例閥賦值大電壓，其余偏差小的接力器依次賦值小電壓或不賦電壓值（0V），以達(dá)到手動(dòng)糾偏實(shí)現(xiàn)平衡的目的。

圖5 觸摸屏手動(dòng)糾偏界面

4 結(jié)束語

大渡河猴子巖水電站首臺(tái)機(jī)圓筒閥控制系統(tǒng)已經(jīng)通過了無水調(diào)試和有水調(diào)試，投入到了運(yùn)行狀態(tài)。開啟和關(guān)閉過程中最大行程偏差均不超過1.1mm，開啟整定時(shí)間71s，關(guān)閉整定時(shí)間77s；運(yùn)行數(shù)據(jù)證明本控制系統(tǒng)具備良好的同步控制和速度控制性能。

[1]史千,毛羽波.PID算法在筒閥同步控制中的應(yīng)用[J].吉林水利,2013(01).

[2]楊秀偉,毛羽波.新型筒形閥控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法[J].大電機(jī)技術(shù),2013(01).

[3]Premium and Atrium using Unity Pro Analog input/output modulesUser manual[Z].Schneider Electric,2005.

[4]Premium and Atrium using Unity Pro Discrete I/O modules User manual[Z].Schneider Electric,2005.

[5]Vijeo Designer教程[Z].Schneider Electric,2005.

TK730.4+7

B

1672-5387（2017）06-0032-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.06.012

2016-12-23

房道明（1988-），男，工程師，從事水輪發(fā)電機(jī)組自動(dòng)化設(shè)計(jì)工作。