特大型多噴嘴沖擊式水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)研究

(1.長江科學(xué)院 武漢長江控制設(shè)備研究所有限公司，武漢 430010；2.安德里茨中國有限公司，北京 100004；3.四川省清源工程咨詢有限公司，成都 610072)

1 研究背景

由于沖擊式機(jī)組電站無需建筑大型水壩和建造下游尾水管，大大減少了電站投資，對自然環(huán)境影響也小，且運行效率高，所以沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組的開發(fā)引起廣泛關(guān)注。隨著我國水力資源的深度開發(fā)，有許多高落差的流域需要進(jìn)行水能利用，如我國的雅魯藏布江落差就達(dá)到2 000多米，當(dāng)這些河流因生態(tài)保護(hù)、地質(zhì)條件或者其他特殊原因不適合筑壩蓄水時，沖擊式水輪機(jī)便成為了水能利用的首選。

沖擊式水輪機(jī)是利用高速水流沖擊轉(zhuǎn)輪葉片做功，其射流中心線與轉(zhuǎn)輪節(jié)圓相切或與轉(zhuǎn)輪平面呈斜射角度。與混流式機(jī)組相比，沖擊式機(jī)組結(jié)構(gòu)簡單，檢修維護(hù)方便，而且空蝕和磨損小[1]。沖擊式水輪機(jī)的特點就是應(yīng)用水頭高，壓力鋼管長，機(jī)組飛輪力矩較小。正因為如此，沖擊式水輪機(jī)除了有正常調(diào)節(jié)流量的噴針外，還設(shè)置有折向器(偏流板)。機(jī)組甩負(fù)荷時，噴針正常調(diào)節(jié)而緩慢關(guān)閉，折向器則快速切斷水流，阻斷水流進(jìn)入水輪機(jī)，以解決引水系統(tǒng)水錘壓力和機(jī)組轉(zhuǎn)速升高的矛盾，既可避免由于機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量小而造成的機(jī)組轉(zhuǎn)速過高上升，又可降低引水管道的壓力過高上升。當(dāng)甩負(fù)荷折向器切斷射流或噴針完全關(guān)閉時，由于機(jī)組的阻力矩很小，機(jī)組轉(zhuǎn)速升至最高瞬態(tài)轉(zhuǎn)速后減速緩慢，導(dǎo)致機(jī)組從甩負(fù)荷開始到轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的調(diào)節(jié)時間較長。

1995年以前，沖擊式水輪機(jī)電液調(diào)速器在國內(nèi)尚屬空白，所采用的機(jī)械液壓調(diào)速器不能滿足以計算機(jī)為主要特征的監(jiān)控系統(tǒng)自動發(fā)電控制(AGC)功能的技術(shù)要求[2]。1995年和2010年，按照云南以禮河水電廠調(diào)速器技術(shù)改造的要求，武漢長江控制設(shè)備研究所有限公司(以下簡稱長控所)相繼成功研制了2代大型多噴嘴沖擊式水輪機(jī)微機(jī)電液調(diào)速器。第1代產(chǎn)品是對捷克生產(chǎn)的HROVⅡ14Pe型沖擊式機(jī)械液壓調(diào)速器[3]舊進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，由長控所、華中理工大學(xué)電力系和云南省電力局中心試驗研究所三方共同進(jìn)行可行性分析和技術(shù)研究，確定最后技術(shù)方案。該方案開創(chuàng)了大型多噴嘴沖擊式水輪機(jī)微機(jī)電液調(diào)速器研究的先河，其主要產(chǎn)品特征為：將噴針與折向器的機(jī)械協(xié)聯(lián)改為電氣協(xié)聯(lián)，以雙套微機(jī)控制器和電液轉(zhuǎn)換器為核心，將機(jī)械液壓調(diào)速器改造為微機(jī)電液調(diào)速器。第2代產(chǎn)品特征為：對第1代產(chǎn)品進(jìn)行更新?lián)Q代，取消噴針與折向器的協(xié)聯(lián)，噴針與折向器分別采用獨立的單元控制，噴針系統(tǒng)的電液轉(zhuǎn)換由比例伺服閥實現(xiàn)，折向器系統(tǒng)則由電液換向閥來完成，微機(jī)調(diào)節(jié)器選擇的是奧地利貝加萊X20系列可編程計算機(jī)控制器[4]。噴針對調(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時對機(jī)組進(jìn)行過速保護(hù)。長控所兩代產(chǎn)品相繼在云南以禮河水電廠3級和4級電站8臺機(jī)組成功投運，展示我國沖擊式水輪機(jī)電液調(diào)速器的發(fā)展歷程。至此，單噴嘴、雙噴嘴、多噴嘴微機(jī)電液調(diào)速器不斷涌現(xiàn)，業(yè)內(nèi)拉開了多噴嘴沖擊式水輪機(jī)微機(jī)電液調(diào)速器多元化發(fā)展的序幕。

國產(chǎn)多噴嘴沖擊式水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)存在一些技術(shù)短板，如為了實現(xiàn)機(jī)組受力均勻，減小機(jī)組的振動，往往發(fā)電工況下會盡早地投入4噴嘴或者6噴嘴運行；調(diào)速器以開度調(diào)節(jié)為主要工作模式，并未考慮機(jī)組的流量與噴針開度的非線性關(guān)系，在調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷與噴針切換的過程中并未參考水輪機(jī)的特性曲線，無法保證在不同工作噴針數(shù)量下機(jī)組都能保持高效率運行。

2 特大型多噴嘴沖擊式水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

2.1 技術(shù)特點與方案選擇

盡管沖擊式水輪機(jī)電液調(diào)速器的研究百花齊放，發(fā)展也如火如荼，但總體設(shè)計方案僅有兩大類，即噴針與折向器進(jìn)行機(jī)械或電氣協(xié)聯(lián)的協(xié)聯(lián)式調(diào)節(jié)控制方案和噴針與折向器無關(guān)聯(lián)而采用獨立的單元控制直聯(lián)式方案。

沖擊式水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用噴針與折向器的多重調(diào)節(jié)和控制，其調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)主要包括：噴針調(diào)節(jié)、折向器控制、啟動噴針與動作方式選擇、帶負(fù)荷機(jī)組的噴針選擇及切換[1]。

隨著人們對沖擊式機(jī)組的不斷認(rèn)識，對于多噴嘴機(jī)組，噴針與折向器采用獨立的單元控制是調(diào)速系統(tǒng)最理想的技術(shù)方案，在業(yè)內(nèi)已達(dá)成共識。噴針作為主調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用比例伺服閥實現(xiàn)閉環(huán)連續(xù)控制，保證系統(tǒng)運行工況的調(diào)節(jié)性能和調(diào)節(jié)品質(zhì)。折向器采用開關(guān)量控制，利用電液換向閥進(jìn)行正常開關(guān)，其僅在系統(tǒng)甩負(fù)荷等大波動時快速關(guān)閉，起到機(jī)組過速保護(hù)的作用；同時以一個插裝閥作為事故配壓閥對所有折向器進(jìn)行緊急與快速的關(guān)閉控制，確保機(jī)組不過速。如果設(shè)置反向噴針，反向噴針亦采用開關(guān)量控制，加速機(jī)組的停機(jī)過程。

2.2 調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成

通過對國外進(jìn)口調(diào)速技術(shù)的消化、吸收和借鑒，并且總結(jié)20多年來國產(chǎn)多噴嘴沖擊式機(jī)組調(diào)速器的科研與制造經(jīng)驗，長控所自主創(chuàng)新研發(fā)生產(chǎn)了特大型多噴嘴沖擊式水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。該調(diào)速系統(tǒng)充分運用了現(xiàn)代控制理論、可編程計算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代液壓技術(shù)，體現(xiàn)了整體技術(shù)水平的先進(jìn)性以及運行維護(hù)的方便操作性[5]，并提高了其運行的可靠性。

該調(diào)速系統(tǒng)(以四川雅江達(dá)阿果電站單機(jī)130 MW的6噴6折沖擊式機(jī)組為研究對象)由電氣系統(tǒng)和機(jī)械液壓系統(tǒng)2大部分構(gòu)成，電氣硬件主體采用安德里茨TC1703XL型控制器，該控制器具備2個運行CPU和1個切換CPU,采用15英寸工業(yè)級平板機(jī)作為人機(jī)界面，噴針電液轉(zhuǎn)換部件采用6套德國Bosch-Rexroth比例伺服閥，折向器采用6套Bosch-Rexroth電液換向閥。整機(jī)工作可靠，性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)簡單，運行方便。

調(diào)速系統(tǒng)采用電氣部分和機(jī)械部分分開設(shè)置，柜體采用柜門式面板，以方便參數(shù)調(diào)整和設(shè)備維護(hù)。

調(diào)速器電氣控制柜容納調(diào)速系統(tǒng)所有的電氣部分，包括與調(diào)速器液壓控制柜和與外部系統(tǒng)聯(lián)系的端子或接口設(shè)備。調(diào)速器電氣控制柜布置在電站的發(fā)電機(jī)層。調(diào)速器的機(jī)械液壓回路布置在調(diào)速器液壓控制柜內(nèi)，該柜與油壓裝置回油箱組合一同布置在水輪機(jī)層，壓力油罐單獨布置在回油箱旁邊。

圖1 軟件調(diào)節(jié)框圖Fig.1 Block diagram of software adjustment

2.3 電氣系統(tǒng)

本調(diào)速系統(tǒng)電氣部分主要特征表現(xiàn)為：

(1)電氣控制柜內(nèi)模塊及元件均為標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)級產(chǎn)品，無任何自制元件，充分保證了調(diào)速器整機(jī)的可靠性[6]。

(2)控制器為32位CPU，采用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，具有實時時鐘，可通過GPS對時，采用閃存卡存儲調(diào)速器程序。

(3)每個I/O模板都帶有處理器，采用多處理器體系結(jié)構(gòu)，以達(dá)到全智能分布，功能分散，危險分散，單一處理器失效只能導(dǎo)致單一功能失效，不會影響系統(tǒng)其他功能，從而提升整體系統(tǒng)的可靠性與可用性。

(4)信號的預(yù)處理如開關(guān)量的去抖動、模擬量的線性折算及有效性判斷等，都在輸入輸出板上完成，無需占用CPU處理器板的資源。

(5)測頻環(huán)節(jié)采用專用測頻模塊和殘壓信號隔離器，實現(xiàn)微機(jī)本體測頻，抗干擾能力強；測頻模塊計數(shù)脈沖為20 MHz，測頻精度為0.000 125 Hz。相對自制測頻板件可靠性大幅增強。充分利用殘壓測頻信號與齒盤測速信號各自優(yōu)缺點，保證測頻的可靠性與準(zhǔn)確性[7]。

(6)由于沖擊式機(jī)組噴針的開度與流量之間并非是線性關(guān)系，本沖擊式調(diào)速器調(diào)節(jié)的準(zhǔn)則是根據(jù)機(jī)組特性，調(diào)整機(jī)組的流量，從而控制機(jī)組的轉(zhuǎn)速及負(fù)荷。

(7)根據(jù)水輪機(jī)特性，沖擊式機(jī)組存在2，3，4，6個噴嘴工作的工況，噴針的工作個數(shù)由機(jī)組的總體過流量、水頭及其相應(yīng)效率決定。

(8)根據(jù)水輪機(jī)特性，可以準(zhǔn)確地獲得不同水頭下各噴針工作投入點參數(shù)、噴針開啟與關(guān)閉最優(yōu)規(guī)律、噴針開度與流量關(guān)系。在以上參數(shù)配合下，調(diào)速器可準(zhǔn)確、平滑地調(diào)節(jié)機(jī)組有功功率，使機(jī)組始終處于高效率運行區(qū)。同時，能避免機(jī)組在調(diào)整負(fù)荷、增減工作噴針個數(shù)時，由于噴針開啟、關(guān)閉速度和水機(jī)工作效率的不匹配引起的機(jī)組出力異常波動情況。

(9)采用觸摸屏作為人機(jī)界面，冗余的程序運行CPU通過以太網(wǎng)與觸摸屏通訊；在觸摸屏上可顯示當(dāng)前運行調(diào)速器的所有重要數(shù)據(jù)及狀態(tài)，并可顯示后備機(jī)的數(shù)據(jù)及狀態(tài)。冗余的微機(jī)CPU每套均與觸摸屏通信，無需通過切換或監(jiān)管CPU。人機(jī)界面實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)庫的管理功能，將調(diào)速器的運行數(shù)據(jù)和相關(guān)狀態(tài)信號自動形成通用數(shù)據(jù)庫文件，方便運行維護(hù)人員隨時調(diào)取查詢[8]。

(10)調(diào)節(jié)器采用適應(yīng)式PID算法，自適應(yīng)轉(zhuǎn)速、噴針開度和噴嘴數(shù)量的關(guān)系，實現(xiàn)了甩負(fù)荷等調(diào)節(jié)的無震蕩、快速收斂與穩(wěn)定，詳見圖1。

2.4 機(jī)械液壓系統(tǒng)

沖擊式微機(jī)電液調(diào)速器的機(jī)械液壓系統(tǒng)，具有雙重執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即噴針調(diào)節(jié)單元和折向器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中，多噴嘴機(jī)組是據(jù)不同的噴嘴數(shù)，產(chǎn)生一一對應(yīng)的噴針獨立調(diào)節(jié)單元。但折向器則是根據(jù)機(jī)組不同結(jié)構(gòu)設(shè)計，有采用一一對應(yīng)的折向器獨立控制方式，也有一控二或一控四等集中控制方式。例如厄瓜多爾的德爾西電站和云南吉沙電站都是6噴嘴機(jī)組，調(diào)速器有6套獨立的噴針調(diào)節(jié)單元和6套獨立的折向器控制單元；云南以禮河電廠4噴嘴機(jī)組，調(diào)速器有4套獨立的噴針調(diào)節(jié)單元和1套折向器控制單元，各折向器接力器通過連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)動；四川可河電站4噴嘴機(jī)組，調(diào)速器有4套獨立的噴針調(diào)節(jié)單元和1套折向器控制單元，各折向器通過油管路連接聯(lián)動。由于多噴嘴機(jī)組機(jī)械液壓系統(tǒng)數(shù)量多，系統(tǒng)復(fù)雜，宜采用標(biāo)準(zhǔn)化液壓元件，實現(xiàn)模塊式結(jié)構(gòu)設(shè)計，規(guī)避小批量生產(chǎn)、自制生產(chǎn)零部件所帶來的不穩(wěn)定質(zhì)量問題[9]，提高具有多液壓系統(tǒng)的沖擊式調(diào)速器整機(jī)的可靠性和可維護(hù)性。

本特大型多噴嘴沖擊式水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是以四川霍曲河流域達(dá)阿果電站130 MW單機(jī)的CJT6/6-6.3型水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為研究對象，為6噴6折的噴針調(diào)節(jié)系統(tǒng)和折向器控制機(jī)構(gòu)。

2.4.1 噴針調(diào)節(jié)單元工作原理

噴針調(diào)節(jié)單元由比例伺服閥、液壓鎖、開關(guān)機(jī)時間調(diào)整閥及位移傳感器組成，是一個一級液壓放大的電液隨動控制系統(tǒng)。急停閥在機(jī)組事故停機(jī)后關(guān)閉噴針。其系統(tǒng)工作原理參見圖2。

圖2 噴針調(diào)節(jié)單元原理簡圖Fig.2 Schematic diagram of injection needle regulating unit

調(diào)節(jié)器控制信號與噴針接力器位移反饋信號經(jīng)過調(diào)節(jié)控制器內(nèi)程序處理和比較運算后輸出至比例伺服閥閥體驅(qū)動器，閥體驅(qū)動器控制閥體使之按電氣信號的正負(fù)和大小成比例地向噴針接力器開(或關(guān))機(jī)腔輸入壓力油，從而驅(qū)動噴針接力器向開機(jī)或關(guān)機(jī)方向運動，直至控制信號與位移反饋信號相等為止，實現(xiàn)噴針?biāo)鞔笮〉恼{(diào)節(jié)。

當(dāng)機(jī)組因故障事故停機(jī)，在折向器快速關(guān)閉的同時，通過急停閥將關(guān)閉各噴針。

2.4.2 折向器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)及事故配壓閥控制單元

在此次研究中,選擇了SPSS 22.0的統(tǒng)計學(xué)軟件展開數(shù)據(jù)分析、歸檔處理。對于計數(shù)資料的表示為%,以χ2檢驗;對于計量資料的表示則為(±s),使用T進(jìn)行檢驗,當(dāng)兩組的數(shù)據(jù)存在差異的時候,且P<0.05則表示有可比性。

折向器是沖擊式水輪機(jī)組的重要組成部分，與噴嘴配合控制進(jìn)入機(jī)組轉(zhuǎn)輪的水流大小與方向。折向器打開時，水流通過噴嘴沖擊轉(zhuǎn)輪提供動能；折向器關(guān)閉時，噴嘴射出的水流被切斷。當(dāng)噴嘴控制部分故障時，為避免機(jī)組轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，折向器必須快速可靠關(guān)閉。所以，折向器動作的可靠性顯得尤為重要。

因為折向器要求的動作速度很快，執(zhí)行元件所需過流量也就很大，一般采用先導(dǎo)級的電液換向閥或液控?fù)Q向閥。為了實現(xiàn)正常運行與事故時折向器的可靠關(guān)閉，常見的做法是針對先導(dǎo)級做冗余處理，看似各種工況下都能實現(xiàn)折向器的可靠關(guān)閉。但是，當(dāng)先導(dǎo)閥本身出現(xiàn)故障時，折向器將失控。為了解決常見的因先導(dǎo)閥故障而導(dǎo)致折向器失控的問題，為機(jī)組安全運行提供了更高保障，筆者將電液換向閥、梭閥及事故插裝閥組合應(yīng)用到折向器機(jī)械液壓控制系統(tǒng)中，其原理如圖3。該套折向器液壓控制系統(tǒng)采用了梭閥與先導(dǎo)閥互為閉鎖的工作方式，正常工作狀態(tài)下，液控閥接受先導(dǎo)閥的控制，實現(xiàn)折向器的開啟和關(guān)閉，此時，梭閥被閉鎖；當(dāng)先導(dǎo)閥故障時，梭閥投入，壓力油將直接進(jìn)入接力器關(guān)機(jī)腔，確保折向器的可靠關(guān)閉，此時，先導(dǎo)閥被閉鎖。

圖3 折向器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)及事故配壓閥控制單元 原理簡圖Fig.3 Schematic diagram of the deflector control actuator and the emergency distribution valve

3 特大型多噴嘴沖擊式水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

雖然我國蘊藏著很多具備裝設(shè)大型6噴嘴沖擊式水輪機(jī)組的水能資源，但由于一直以來，大容量沖擊式水輪機(jī)的研究制造主要在歐洲進(jìn)行，機(jī)組和控制設(shè)備的核心技術(shù)掌握在阿爾斯通、GE水電、安德里茨等少數(shù)歐美水電設(shè)備制造商手中，因此大規(guī)模的開發(fā)利用受到了限制。正因為如此，筆者進(jìn)行了特大型多噴嘴沖擊式機(jī)組水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的開創(chuàng)性技術(shù)研究。軟硬件采用模塊化設(shè)計理念，硬件選用標(biāo)準(zhǔn)化元部件，設(shè)備通用性強、可維護(hù)性好；控制器和控制閥體采用行業(yè)認(rèn)可度非常高的高可靠性進(jìn)口標(biāo)準(zhǔn)件；人機(jī)界面具有自動形成運行數(shù)據(jù)庫的管理功能；調(diào)節(jié)控制軟件能根據(jù)水輪機(jī)特性曲線對運行方式進(jìn)行優(yōu)化適應(yīng)式調(diào)節(jié)。其研究成果主要創(chuàng)新點體現(xiàn)在以下3個方面：

(1)首次在大型多噴嘴沖擊式水輪機(jī)的控制中引入了機(jī)組特性曲線因素，按照機(jī)組特性曲線來進(jìn)行噴針切換和流量控制，使機(jī)組始終處于高效率運行區(qū)，從而提高了水輪機(jī)的調(diào)節(jié)控制性能、運行的安全性和穩(wěn)定性。針對國內(nèi)多噴嘴沖擊式機(jī)組普遍采用的噴針開度控制方式容易造成機(jī)組能量損失和效率下降的問題，本特大型多噴嘴沖擊式水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)針對多噴嘴沖擊式機(jī)組不同流量下存在噴嘴切換的特征，調(diào)節(jié)控制軟件首次引入了機(jī)組特性曲線因素，完全按照機(jī)組特性曲線來進(jìn)行噴針切換和流量控制，并優(yōu)化控制方式，從而控制機(jī)組的轉(zhuǎn)速及負(fù)荷。通過掌握不同水頭下各噴針工作投入點參數(shù)、噴針開啟與關(guān)閉最優(yōu)規(guī)律以及噴針開度與流量關(guān)系，調(diào)速器可準(zhǔn)確、平滑地調(diào)節(jié)機(jī)組有功功率，使機(jī)組始終處于高效率運行區(qū)。同時，避免了機(jī)組在調(diào)整負(fù)荷，調(diào)速器增減工作噴針個數(shù)時，由于噴針開啟、關(guān)閉速度和水輪機(jī)工作效率的不匹配從而引起的機(jī)組出力異常波動情況。

(2)水輪機(jī)調(diào)節(jié)器中，業(yè)內(nèi)首次采用3個CPU的結(jié)構(gòu)(2塊運行CPU和1塊裁決切換CPU)可避免雙機(jī)系統(tǒng)在主用CPU故障時的誤切換或拒切，極大地提高了雙機(jī)系統(tǒng)運行的可靠性。調(diào)節(jié)器3塊CPU板均具有自診斷功能，可自我檢測，內(nèi)部故障時將送出報警信號。每一塊CPU板可獲取其余CPU板的狀態(tài)信息，確保CPU系統(tǒng)運行或切換的可靠性。3塊CPU板均自治，任一塊CPU的故障將不會影響其余CPU的工作；即當(dāng)2塊運行CPU不同時故障時，系統(tǒng)仍可正常運行。由于采用三機(jī)系統(tǒng)，調(diào)速程序運行CPU的故障將由獨立的CPU診斷，可避免雙機(jī)系統(tǒng)在主CPU故障時誤切換或拒絕切換。

(3)采用新型的折向器控制裝置，確保折向器控制系統(tǒng)不論是何種閥體出現(xiàn)故障，折向器都能可靠關(guān)閉。將比例伺服閥、電液換向閥和插裝閥組合應(yīng)用到特大型沖擊式機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)中。折向器單元采用長控所發(fā)明的新型專利，即通過梭閥與先導(dǎo)閥互為閉鎖的方式控制折向器接力器，確保折向器控制系統(tǒng)中不論是何種閥出現(xiàn)故障，都能確保折向器可靠關(guān)閉，解決了常見的因先導(dǎo)閥故障而導(dǎo)致折向器失控的問題，為機(jī)組安全運行提供了更高保障。噴針和折向器無協(xié)聯(lián)的控制模式的使用不僅簡化特大型多噴嘴沖擊式水輪機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)和可靠性。

4 CJT6/6-6.3沖擊式水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)現(xiàn)場試驗

四川雅江達(dá)阿果電站單機(jī)130 MW的CJT6/6-6.3特大型多噴嘴沖擊式水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)1#機(jī)現(xiàn)場試驗情況如下。

4.1 靜態(tài)特性試驗

根據(jù)以上表格中每個噴針在相同頻率下對應(yīng)2個開度數(shù)據(jù)的最大差值，乘以程序設(shè)定的永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)值(6%)求得每個噴針轉(zhuǎn)速死區(qū)ix值為：

ix(1)=0.40，ix(2)=0.40，ix(3)=0.93，

ix(4)=0.53，ix(5)=0.40，ix(6)=0.67。

4.2 機(jī)組自動3分鐘空載擺動值測試試驗

通過調(diào)速器將機(jī)組開機(jī)至空載狀態(tài)，調(diào)速器設(shè)置為自動調(diào)節(jié)模式，待機(jī)組頻率穩(wěn)定后記錄連續(xù)3 min內(nèi)機(jī)組頻率的最大值和最小值，反復(fù)試驗3次，得到的試驗數(shù)據(jù)見表2。

根據(jù)以上試驗數(shù)據(jù)求得調(diào)速器自動狀態(tài)下機(jī)組頻率空載擺動平均值為0.08 Hz，優(yōu)于國標(biāo)大型調(diào)速器空載頻率擺動值≤額定功率的±0.15%(即0.15 Hz)的要求。

表1 靜態(tài)特性試驗記錄數(shù)據(jù)Table 1 Record data of static characteristic test

表2 機(jī)組空載頻率擺動試驗記錄數(shù)據(jù)Table 2 Record data of no-load frequency swing test

4.3 接力器不動時間測試

在機(jī)組并網(wǎng)運行狀態(tài)下，調(diào)速器設(shè)置為自動調(diào)節(jié)模式，通過調(diào)速器將機(jī)組有功功率設(shè)定為約25%額定功率，待機(jī)組有功功率穩(wěn)定后開啟試驗儀器，進(jìn)入接力器不動時間測試界面，開始記錄試驗過程。待甩完25%負(fù)荷，機(jī)組頻率穩(wěn)定后得到如下試驗數(shù)據(jù)：甩前機(jī)組有功功率P=28.3 MW，甩前噴針開度為38.54%，試驗過程和試驗數(shù)據(jù)詳見圖4。

圖4 機(jī)組甩25%負(fù)荷波形圖Fig.4 Waveform of shedding 25% load test

經(jīng)試驗設(shè)備測量的接力器不動時間Tq= 0.18 s，滿足國標(biāo)≤0.2 s的要求。

4.4 甩100%負(fù)荷波形圖與考核指標(biāo)記錄

在機(jī)組并網(wǎng)運行狀態(tài)下，調(diào)速器設(shè)置為自動調(diào)節(jié)模式，通過調(diào)速器將機(jī)組有功功率設(shè)定為額定功率值附近，待機(jī)組有功功率穩(wěn)定后開啟試驗儀器，進(jìn)入甩100%負(fù)荷測試界面，開始記錄試驗過程。待甩完負(fù)荷，機(jī)組頻率穩(wěn)定后得到如下試驗數(shù)據(jù)：甩前有功功率P=109.81 MW，甩前噴針開度為55.24%，試驗過程和試驗數(shù)據(jù)詳見圖5。

圖5 機(jī)組甩100%負(fù)荷波形圖Fig.5 Waveform of shedding 100% load test

經(jīng)試驗記錄，甩后機(jī)頻最大值為53.53 Hz，甩后機(jī)頻最小值為49.44 Hz，機(jī)頻速率上升為107.0% ，超過3%額定轉(zhuǎn)速的波峰次數(shù)為1，穩(wěn)定時間為25 s，優(yōu)于國標(biāo)機(jī)組甩100%負(fù)荷時調(diào)節(jié)次數(shù)≤2次，穩(wěn)定時間不超過40 s的指標(biāo)要求。

4.5 一次調(diào)頻性能和模型參數(shù)測試等涉網(wǎng)試驗

4.5.1 一次調(diào)頻性能試驗結(jié)果

(1)調(diào)速系統(tǒng)測頻精度為0.002 Hz，測頻回路的測頻誤差滿足系統(tǒng)一次調(diào)頻精度的要求。

(2)將調(diào)速系統(tǒng)人工頻率死區(qū)設(shè)置為±0.048 Hz，滿足機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)為±0.05 Hz的要求。

(3)通過試驗，6個噴針系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速死區(qū)均<0.02%，滿足機(jī)組轉(zhuǎn)速死區(qū)≤0.04%的要求。

(4)經(jīng)過校核，調(diào)速系統(tǒng)永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)為3.97%，滿足≤4%的要求。

(5)機(jī)組一次調(diào)頻最大調(diào)整負(fù)荷為±10.175%，調(diào)速器能夠?qū)C(jī)組負(fù)荷變化幅度進(jìn)行有效限制。

(6)響應(yīng)行為，通過試驗對調(diào)速系統(tǒng)PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，在比例系數(shù)Kp=8,積分系數(shù)Ki=11,微分系數(shù)Kd=0 時，其響應(yīng)行為如下：①機(jī)組1次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)滯后時間平均為1.815 s,符合≤8 s的要求；②機(jī)組1次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)穩(wěn)定時間(負(fù)荷調(diào)整幅度達(dá) 90%)平均為14.35 s，符合≤15 s的要求；③機(jī)組1次調(diào)頻負(fù)荷完全響應(yīng)時間平均為20.25 s，符合≤30 s的要求。

(7)一次調(diào)頻的優(yōu)先級高于AGC或功率閉環(huán)調(diào)節(jié)。

4.5.2 模型參數(shù)測試情況

(1)完成了PID 環(huán)節(jié)參數(shù)校驗、電液伺服系統(tǒng)最大動作速度測試、小幅度的動作特性測試；并網(wǎng)下導(dǎo)葉開度給定擾動試驗；功率方式、開度方式一次調(diào)頻試驗等。

(2)在測試結(jié)果的基礎(chǔ)上，得出了四川達(dá)阿果水電站水輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算用模型參數(shù)，可用于其所在電網(wǎng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算。

“CJT6/6-6.3特大型多噴嘴沖擊式水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)”按國家標(biāo)準(zhǔn)《水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件》(GB/T 9652.1—2007)設(shè)計、制造和生產(chǎn)；按國家標(biāo)準(zhǔn)《水輪機(jī)控制系統(tǒng)試驗》(GB/T 9652.2—2007)進(jìn)行出廠試驗和現(xiàn)場試驗與驗收[10]；根據(jù)國家電網(wǎng)公司要求進(jìn)行了設(shè)備的一次調(diào)頻和參數(shù)建模等涉網(wǎng)試驗。

2018年6月15日達(dá)阿果單機(jī)130 MW的沖擊式機(jī)組首臺順利投入商業(yè)運行，標(biāo)志著長控所CJT6/6-6.3特大型多噴嘴沖擊式水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)成功投運。從現(xiàn)場投運測試與運行的情況來看：每條噴針的轉(zhuǎn)速死區(qū)均<0.02%；自動空載頻率擺動值為0.08 Hz；甩25%負(fù)荷時接力器不動時間Tq為0.18 s；甩滿負(fù)荷時，機(jī)組上升的最高瞬態(tài)速率僅為107.0%，調(diào)節(jié)次數(shù)僅為1次，調(diào)節(jié)品質(zhì)優(yōu)良。所有性能參數(shù)均滿足或優(yōu)于國標(biāo)考核要求。

5 結(jié) 語

隨著高水頭電站的大力開發(fā)與應(yīng)用，我國沖擊式水輪機(jī)向著大容量、多噴嘴方向發(fā)展，適應(yīng)高水頭沖擊式水輪機(jī)組控制特性的專用調(diào)速器應(yīng)運而生，且技術(shù)發(fā)展迅速[11]。特大型沖擊式水輪機(jī)為了更大限度利用水能，常設(shè)計6個噴嘴，6噴嘴射流能量同時供給轉(zhuǎn)輪做功。CJT6/6-6.3特大型多噴嘴沖擊式水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是長控所專門為特大型多噴嘴沖擊式機(jī)組研制的新型電液調(diào)速系統(tǒng)，不僅可靠性高、穩(wěn)定性好、帶孤立負(fù)荷能力強，而且具有根據(jù)水輪機(jī)特性曲線優(yōu)化機(jī)組運行工況，改善機(jī)組運行效率，提升發(fā)電量的功能。該調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、工作可靠、操作方便，運行維護(hù)工作量少，有效地提高了電站發(fā)電量和自動化水平，為電站實現(xiàn)“無人值班、少人值守”創(chuàng)造了條件，不僅確保了電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，同時還減輕了運行、檢修人員的勞動強度[12]。CJT6/6-6.3特大型多噴嘴沖擊式水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)填補了我國特大型多噴嘴沖擊式機(jī)組專用調(diào)速器的空白，是該類機(jī)組理想的配套產(chǎn)品，也是該類機(jī)組配套的進(jìn)口調(diào)速器理想的替代產(chǎn)品。因此，研究成果CJT6/6-6.3特大型多噴嘴沖擊式水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)將會創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益，并具有良好的社會效益。