張 璐
(長沙市軌道交通運營有限公司,湖南 長沙 410000)
水電站快速閘門是水電站保護(hù)水輪發(fā)電機(jī)組的最后一道安全屏障。水輪發(fā)電機(jī)組在正常運行或者事故操作時,因水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生過速、調(diào)速器失靈、重錘拒動等原因?qū)е虏僮魇?,特別是有壓引水系統(tǒng)爆炸時,電站的事故快速閘門應(yīng)能及時可靠快速截斷水流,有效避免事故擴(kuò)大。
如果緊急情況下進(jìn)水口閘門不能及時關(guān)閉將使機(jī)組失去最后的保護(hù),后果不堪設(shè)想。如2009年8月17日,俄羅斯的薩楊·舒申斯克電站發(fā)生特大水淹電廠事故,運行中的水輪機(jī)頂蓋螺栓斷裂時,壓力鋼管的水涌入廠房,而電站快速閘門未及時關(guān)閉造成事故的擴(kuò)大。2022年1月12日,四川省甘孜州丹巴縣關(guān)州水電站在主閥檢修時發(fā)生水淹廠房事故,電站進(jìn)水口閘門也未能及時關(guān)閉到位,這次事故造成9人遇難。因此,需要深刻吸取教訓(xùn),結(jié)合事故暴露的問題進(jìn)行全面梳理整改。
卷揚式快速閘門啟閉機(jī)快降控制主要通過以下3種方式實現(xiàn):
1.1 離心飛擺調(diào)速器
離心飛擺調(diào)速器控制下的快速閘門在下閘過程中完全依靠離心飛擺調(diào)速器來平衡變化的閘門持住力,從而控制閘門下閘速度。此類裝置存在的主要問題有:一是純機(jī)械結(jié)構(gòu),快速落門過程中的速度不可控,閘門下降過程全程加速運行,無速度監(jiān)控和修正,無法同時滿足速動性和安全性。二是調(diào)試難,每次動作磨損量很大,調(diào)式后數(shù)據(jù)離散性大,每動作一次時間參數(shù)都將發(fā)生很大變化。
油阻尼調(diào)速器是在閘門下落時,通過離合器帶動油壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn);馬達(dá)從油箱吸入液壓油,經(jīng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)后產(chǎn)生高壓油,然后經(jīng)過阻尼油路流回到油箱,使液壓系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)運行,控制閘門下閘速度。此類裝置采用油壓馬達(dá)控制,優(yōu)點是速度穩(wěn)定;缺點是低速性能差、動態(tài)響應(yīng)慢、容易漏油不環(huán)保,不同參數(shù)快速閘門需要單獨配置液壓系統(tǒng)導(dǎo)致通用性差,調(diào)節(jié)閉環(huán)控制的程序軟件建模和算法復(fù)雜。
采用變力智能調(diào)速器時通常采用常開或常閉模式的變力制動器??焖匍l門在事故快降時,根據(jù)設(shè)定的控制流程參數(shù)要求自動改變變力制動器的電機(jī)運行頻率,從而改變制動力矩大小,來調(diào)整制動器抱閘對下落閘門的持住力,促使閘門在自身重力下滑受控落門;閘門下降的勢能通過變力制動器的摩擦熱在空氣中帶走。同時,通過絕對編碼器采樣的閘門速度自動調(diào)整制動力矩來修正閘門下降速度,使閘門快降的過程按照設(shè)置流程要求快速降門。采用此類方式的優(yōu)點是動態(tài)響應(yīng)快,閘門性能參數(shù)變化時只需要簡單修改參數(shù)即可,通用性、適用性強(qiáng);快降速度和時間修改簡便,調(diào)速性能好;采用雙制動互為冗余,安全性高。缺點是速度穩(wěn)定性較差。
綜合上述3種方式的優(yōu)缺點,創(chuàng)新地提出一種新的組合方案,即結(jié)合油壓阻尼調(diào)速器和變力智能調(diào)速器優(yōu)點,研制一種油阻尼變力制動的快速閘門智能制動系統(tǒng)。
某電站單機(jī)4 MW的水輪發(fā)電機(jī)組都安裝了事故快速閘門,閘門行程6.5 m,閘門重量19.1 t,總動水壓力382 kN,孔口尺寸為6.4 m×5.5 m(寬×高),閘門尺寸為7.04 m×5.6 m。事故快速閘門由 QPK—2×400/2×200 固定卷揚式雙吊點啟閉機(jī)控制,配置有1臺交流電磁式制動器,用于閘門正常升降時的工作制動,事故快降控制采用常見的離心飛擺調(diào)速器。
針對該電站閘門重量、快降速度、快降時間等相關(guān)參數(shù),在啟閉機(jī)驅(qū)動末端增加1套油阻尼裝置(見圖1),利用油阻尼調(diào)速器的油壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)運行穩(wěn)定的控制優(yōu)點,進(jìn)行柔性開環(huán)控制。油阻尼吸收閘門下降的勢能,避開閉環(huán)控制運算模式難以建模的缺點,不參與閘門速度的精確調(diào)節(jié),作為基本阻尼的控制,為系統(tǒng)快降時提供一個恒定的阻尼力矩,以保證快降速度恒定。
閘門啟門時,電動機(jī)M1正轉(zhuǎn),帶動馬達(dá)空載正轉(zhuǎn),油箱油液經(jīng)單向閥(序號5.1)、液壓馬達(dá)(序號12.1)后流回油箱。閘門正常閉門時,電機(jī)M1反轉(zhuǎn),帶動馬達(dá)空載反轉(zhuǎn),油箱油液經(jīng)液壓馬達(dá)(序號12.1)、電磁溢流閥(序號14.1)后流回油箱。而在發(fā)生事故快速閉門時,則打開閘門變力制動器,電磁溢流閥(序號14.1)的電磁鐵DT2得電,關(guān)閉電磁溢流閥,在閘門自重的帶動下,通過電機(jī)帶動馬達(dá)反轉(zhuǎn),油箱油液經(jīng)液壓馬達(dá)(序號12.1)、比例閥(6.1)調(diào)節(jié)速度后流回油箱。通過調(diào)節(jié)比例閥(序號6.1)控制信號DT1的大小,可以調(diào)節(jié)比例閥通過的油流量,以消耗閘門下降的勢能的大小,實現(xiàn)閘門帶油阻尼下降。
圖1 油阻尼裝置的液壓系統(tǒng)原理圖
拆除原有交流制動器和飛擺,參照《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》(GB/T 3811)要求,為該啟閉機(jī)增配2臺YWP300/50變力制動器,單臺制動器額定制動力矩可達(dá)500 NM,超過驅(qū)動電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩1.7倍以上,完全滿足單臺制動器制動力矩要求。因此,2個變力制動器可實現(xiàn)冗余制動,互為備份、確保安全。
變力制動器為電力液壓式制動器,制動器的推動器選用變頻變力推動器作為驅(qū)動設(shè)備。制動器運行時,推動器的交流電機(jī)帶動葉輪運轉(zhuǎn)泵油使內(nèi)置油缸做功而推動制動摩擦片來控制卷揚機(jī)的制動輪,調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率而改變交流電機(jī)的電源頻率來實現(xiàn)對制動器調(diào)節(jié)(見圖2)。
圖2 制動器結(jié)構(gòu)示意圖
控制系統(tǒng)的主控制器選用德國西門子S7—1200系列可編程控制器,其CPU模塊選用1412,開關(guān)量IO模塊選用SM1223,數(shù)字量輸入AI模塊選用SM1221,模擬量輸出AO模塊選用SM1232,主站通訊模塊選用CM1243—5。數(shù)據(jù)采集的絕對值編碼器與可編程控制器采用PROFIBUS數(shù)據(jù)總線通訊方式,對閘門位置和速度實時采集;可編程控制器的運算器及時計算出快速閘門狀態(tài)和運行速度,按照設(shè)定流程對運行中的閘門進(jìn)行有效監(jiān)視和控制。
綜合考慮變力制動器力矩變化響應(yīng)時間、閘門降落速度變化響應(yīng)速度、S7—1200PLC程序運算能力等因素,將快速降門速度閉環(huán)調(diào)節(jié)周期時間選定為100 ms;既能對閘門降落速度變化進(jìn)行快速調(diào)節(jié),又不導(dǎo)致制動系統(tǒng)頻繁調(diào)整,影響閘門快速降落平滑性。
參照快速閘門相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求,以及該電站水輪發(fā)電機(jī)組容許超速時間以及速度閾值,最終將閘門快降總時間限定在2 min左右。閘門快速落門時首先打開變力制動器,閘門呈自由狀態(tài)下降并加速,帶油阻尼裝置內(nèi)液壓馬達(dá)反轉(zhuǎn)開始加速下降,液壓油通過比例閥和管路建立壓力,從而產(chǎn)生阻尼力,向閘門提供一個恒定的阻尼力,使閘門能迅速帶阻加速,提高系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性。當(dāng)閘門速度到達(dá)3.6 m/min時變力制動器開始投入進(jìn)行閉環(huán)調(diào)速,將速度控制在3.6 m/min左右運行;當(dāng)閘門下降到離底坎0.75 m左右位置時,減小制動頻率將速度控制到1.2 m/min左右,閘門即將全關(guān)時進(jìn)一步減少制動頻率將閘門緩慢關(guān)閉。閘門快降全過程實行先快后慢、分段關(guān)閉模式,前期快速落門保水輪機(jī)安全,后期慢速落門保閘門落坎安全,使水輪機(jī)組安全平穩(wěn)地停機(jī)(見圖3)。
圖3 閘門快速降落速度及時間曲線
事故快速閘門在快速關(guān)閉過程中,電站水輪發(fā)電機(jī)組正在運行,閘門關(guān)閉到一定位置后水輪機(jī)組蝸殼前流道內(nèi)的水流從滿流過渡到欠流狀態(tài);這時水流對閘門形成一種吸力,將閘門向關(guān)閉方向吸,使閘門下降速度加快;還有閘門關(guān)閉到不同水位時所承受的水壓不同等因數(shù)都將影響閘門關(guān)閉速度,諸多因素將直接影響閘門快降時的速度穩(wěn)定性。
系統(tǒng)通過絕對值編碼器來實時測量閘門高度和速度,與設(shè)定快降速度值形成速度閉環(huán)控制,還實時根據(jù)閘門速度來預(yù)測水流速度對閘門所產(chǎn)生的阻力,以及通過實時監(jiān)控閘門位置來預(yù)判水位壓力對速度的影響,組建一個閘門速度控制模型,實時對預(yù)測到的速度擾動進(jìn)行提前干預(yù)和補(bǔ)償。同時,引入PID控制算法,根據(jù)設(shè)計流程將閘門按照分段關(guān)閉、先快后慢的速度模型控制(見圖4)。
圖4 閘門快速下落控制模型
對該電站快速閘門進(jìn)行硬件改造后,分別進(jìn)行了電控系統(tǒng)調(diào)試和靜水快速落門調(diào)試。調(diào)試過程中閘門能按系統(tǒng)設(shè)置時間和速度平穩(wěn)降落,時間限制在設(shè)定范圍內(nèi)。閘門下降速度分段控制,PLC速度控制周期和處理速度完全滿足控制程序運算需求,能快速、穩(wěn)定地完成控制程序運算要求。
根據(jù)閘門靜水快降調(diào)試情況,結(jié)合電站調(diào)保計算要求優(yōu)化控制系統(tǒng)的運行參數(shù),在水輪發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷發(fā)電工況下,分別進(jìn)行交流斷電和直流斷電狀態(tài)下的動水快降驗收試驗。從整體試驗數(shù)據(jù)來看,電站在緊急情況下,又失去交流電源時能夠安全可靠快速落門,解決了原來裝置的安全隱患。閘門快速落門總行程6.5 m,前階段5.75 m行程快速下降,用時1 min 48 s;后階段0.75 m行程慢速下降,用時22 s;先快后慢,實現(xiàn)分段關(guān)閉,既保證了快速性,又保證了安全性。
對比快速閘門在斷開交流電源和斷開直流電源時試驗數(shù)據(jù)和速度曲線,試驗結(jié)果基本一致,沒有離散性,均符合運行要求。從整體試驗效果來看,電站在緊急情況下,又失去交流電源的情況時,系統(tǒng)能夠安全可靠的控制閘門快速落門,消除了原來裝置的安全隱患。同時,創(chuàng)新性結(jié)合阻尼裝置和變力制動器各自的優(yōu)勢,研制一套全新的油阻尼變力制動系統(tǒng),成功實現(xiàn)閘門分段關(guān)閉功能,既保證了快速性,又保證了安全性,系統(tǒng)驗收取得圓滿成功。
因此,油阻尼變力智能控制系統(tǒng)的運行滿足了《水利水電工程啟閉機(jī)制造、安裝及驗收規(guī)范》(DL/T 5019)和《水輪發(fā)電機(jī)設(shè)備技術(shù)規(guī)范》(DL/T 730—2000)中對固定卷揚式啟閉機(jī)的相關(guān)規(guī)定:閘門快速關(guān)閉最大速度不超過5 m/min,電動機(jī)超速倍率小于2倍以及快速閘門關(guān)閉時間小于3 min的要求。閘門快速下降保護(hù)了水輪發(fā)電機(jī)組,在閘門全關(guān)落坎時又不會對底坎造成沖擊損傷;該系統(tǒng)下的快速落門運行過程安全、穩(wěn)定、可控。