大型沖擊式水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在云南高橋水電廠的應(yīng)用

潘熙和，高 雄，方斌臣，嚴(yán)國強(qiáng)，朱明光，聶 偉

(1.長江科學(xué)院 長江控制設(shè)備研究所，湖北 武漢 430010； 2.云南昭通高橋發(fā)電有限公司，云南 昭通 657000)

0 引 言

大型沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，出力范圍為30～500 MW，適用于300～3 000 m較大范圍的水頭，且無需建筑大型水壩和建造下游尾水管，對自然環(huán)境影響也較小。為了更大限度利用水能，大型沖擊式水輪機(jī)一般設(shè)計(jì)有4～6個(gè)噴針，多個(gè)噴針射流能量同時(shí)供給轉(zhuǎn)輪做功[1]。目前，國內(nèi)針對大型沖擊式水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究。安剛等[2]依托新疆布倫口-公格爾水電站，對沖擊式水輪機(jī)調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)研究。王麗娟等[3]依托中國第1座高水頭電站——云南以禮河水電廠在不同時(shí)期具有代表性的沖擊式水輪機(jī)調(diào)速器運(yùn)行實(shí)踐，針對孤立負(fù)荷運(yùn)行問題和折向器與噴針的聯(lián)動(dòng)控制問題進(jìn)行了分析，并提出了處理方案。

目前，沖擊式水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)環(huán)節(jié)已日趨成熟，但是在某些方面還存在進(jìn)一步優(yōu)化空間，如為適應(yīng)電網(wǎng)要求的一次調(diào)頻功能、歷史數(shù)據(jù)保存和回看、多噴針之間的轉(zhuǎn)換等技術(shù)環(huán)節(jié)。本文介紹了一款大型沖擊式水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在云南高橋水電廠的應(yīng)用，包含機(jī)械設(shè)計(jì)原理、測頻精度、人機(jī)界面功能和多噴針切換與同步等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對水電站的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重要意義。

1 調(diào)速系統(tǒng)硬件

調(diào)速系統(tǒng)的硬件包括機(jī)械液壓部分和電氣控制部分，機(jī)械液壓部分布置在水輪機(jī)層，電氣控制部分布置在發(fā)電機(jī)層。整套硬件設(shè)備均采用標(biāo)準(zhǔn)化元件和模塊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了調(diào)速系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性[4]。

1.1 調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)

調(diào)速系統(tǒng)采用5套并聯(lián)組合的囊式蓄能器組作為壓力油存儲(chǔ)裝置，每套囊式蓄能器可以在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)進(jìn)行單獨(dú)檢修，而不必機(jī)組停機(jī)；調(diào)速器有4套獨(dú)立的噴針調(diào)節(jié)單元、1套偏流器控制單元以及具備電氣和液壓信號控制的事故配壓閥，在事故配壓閥動(dòng)作時(shí)，能同時(shí)關(guān)閉噴針和偏流器。

1.1.1 囊式蓄能器組

囊式蓄能器組是由囊式蓄能器、截止閥(檢修閥和工作閥)、測壓表計(jì)等組成，作為儲(chǔ)能裝置給調(diào)速器提供穩(wěn)定的壓力油[5]。其工作原理見圖1。

正常工作時(shí)，來自油泵的壓力油經(jīng)過工作閥進(jìn)入囊式蓄能器組中，蓄能器組經(jīng)過供油閥給調(diào)速器提供穩(wěn)定的壓力油，此時(shí)工作閥和供油閥打開，檢修閥和泄壓閥關(guān)閉；在某個(gè)蓄能器出現(xiàn)故障需要檢修時(shí)，關(guān)閉故障蓄能器的工作閥，并打開其檢修閥，使故障蓄能器內(nèi)的壓力油排入回油箱后即可進(jìn)行檢修，其余蓄能器仍可保持工作。測壓表計(jì)用于控制油泵啟動(dòng)和停止，以保證蓄能器組工作在設(shè)計(jì)的油壓范圍內(nèi)，同時(shí)向監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)提供油壓的信號。

圖1 蓄能器組原理

1.1.2 噴針調(diào)節(jié)單元及事故停機(jī)控制單元

噴針調(diào)節(jié)單元由比例換向閥、液壓鎖、單向節(jié)流閥及位移傳感器組成，是一個(gè)一級放大的液壓隨動(dòng)控制系統(tǒng)。手動(dòng)換向閥用于停機(jī)檢修操作，事故停機(jī)液控閥2在機(jī)組事故停機(jī)后關(guān)閉噴針。工作原理見圖2。

目前，采用電液比例技術(shù)直接控制水輪機(jī)接力器已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外各類型調(diào)速器中[3]，此處不闡述。在沖擊式水輪機(jī)組的事故停機(jī)過程中，噴針接力器的關(guān)閉一般是由電氣控制信號輸出給比例閥完成的。在出現(xiàn)調(diào)速器電控系統(tǒng)失靈或失電的極端情況時(shí)，水輪機(jī)組控制存在較大安全隱患。該方案把事故停機(jī)技術(shù)應(yīng)用到噴針的機(jī)械液壓控制中，當(dāng)事故停機(jī)電磁閥接收到停機(jī)的電氣信號動(dòng)作或機(jī)械過速保護(hù)裝置因機(jī)組過速而動(dòng)作后，都能通過事故停機(jī)液控閥1和液壓鎖的配合使用來切斷至比例換向閥和手動(dòng)換向閥的壓力油，同時(shí)使事故停機(jī)液控閥2動(dòng)作，直接關(guān)閉噴針接力器。

1.1.3 偏流器控制單元及事故停機(jī)控制單元

偏流器控制單元由電液換向閥、梭閥和單向節(jié)流閥組成。事故停機(jī)液控閥1在機(jī)組事故停機(jī)后關(guān)閉偏流器。工作原理見圖3。

圖3 偏流器控制單元及事故停機(jī)控制單元

偏流器要求的動(dòng)作速度很快，因此偏流器控制閥采用了流量較大的電液換向閥作為其控制元件。當(dāng)事故停機(jī)電磁閥接收到停機(jī)的電氣信號動(dòng)作或者機(jī)械過速保護(hù)裝置因機(jī)組過速而動(dòng)作后，事故停機(jī)液控閥1將偏流器控制電液閥的壓力油口接通回油，同時(shí)壓力油經(jīng)過事故停機(jī)液控閥1、梭閥和液控單向閥后進(jìn)入折向接力器關(guān)閉腔，直接使折向接力器關(guān)閉。

圖2 噴針調(diào)節(jié)單元及事故停機(jī)控制單元原理

隨著對大型沖擊式機(jī)組控制系統(tǒng)研究的不斷深入，對于多噴針機(jī)組，噴針與偏流器采用獨(dú)立的單元控制是調(diào)速系統(tǒng)最理想的技術(shù)方案。噴針作為主調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用比例閥實(shí)現(xiàn)閉環(huán)連續(xù)控制，保證系統(tǒng)運(yùn)行工況的調(diào)節(jié)性能和調(diào)節(jié)品質(zhì)；偏流器采用開關(guān)量控制，利用電液換向閥進(jìn)行正常開關(guān)，其僅在機(jī)組甩負(fù)荷等大波動(dòng)時(shí)快速關(guān)閉，起到機(jī)組過速保護(hù)的作用。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)置事故配壓閥對所有偏流器進(jìn)行緊急與快速的關(guān)閉控制，確保機(jī)組不過速。如果機(jī)組設(shè)置了反向噴針，亦采用開關(guān)量控制，加速機(jī)組的停機(jī)過程。

該方案的創(chuàng)新點(diǎn)在于：把事故配壓閥應(yīng)用于噴針控制，當(dāng)事故配壓閥動(dòng)作時(shí)噴針和偏流器都關(guān)閉，在調(diào)速器掉電時(shí)可確保系統(tǒng)安全停機(jī)。

1.2 調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)

調(diào)速器的控制器采用兩套可編程計(jì)算機(jī)控制器(PCC)互為主備冗余，人機(jī)界面(觸摸屏)采用臺灣研華TPC系列平板計(jì)算機(jī)，三者經(jīng)以太網(wǎng)互聯(lián)。

高橋水電廠的PCC核心部件為CP1382，可靠性高且控制功能強(qiáng)大，結(jié)合觸摸屏的友好界面、靈活的歷史數(shù)據(jù)回訪功能，可充分滿足調(diào)速系統(tǒng)的控制與調(diào)節(jié)要求。

1.2.1 控制器特點(diǎn)介紹

在水輪機(jī)調(diào)速器行業(yè)，PCC技術(shù)優(yōu)勢明顯，主要特點(diǎn)是分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)和強(qiáng)大的測頻功能[6]。

(1) 分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。不同于常規(guī)PLC的單任務(wù)時(shí)鐘掃描方式，PCC采用的是分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，可以分配多種任務(wù)等級，各等級任務(wù)采用不同的掃描周期，這種控制周期可以在CPU運(yùn)算能力允許的前提下，按照用戶的實(shí)際要求任意修改。

以高橋水電廠項(xiàng)目為例，將B碼對時(shí)程序置于1 ms的高速任務(wù)中運(yùn)行；將開入開出程序、PID調(diào)節(jié)運(yùn)算、工況計(jì)算、信號輸出、故障報(bào)警等程序置于10 ms的任務(wù)中運(yùn)行；協(xié)聯(lián)數(shù)據(jù)、PCC與上微機(jī)的通信程序則置于150 ms的任務(wù)中運(yùn)行；自動(dòng)水頭的濾波程序則置于1 000 ms的任務(wù)中運(yùn)行。

(2) 強(qiáng)大的測頻功能。在調(diào)速器最核心的測頻環(huán)節(jié)上，PCC具備測頻環(huán)節(jié)簡單、測頻精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)勢。由于PCC針對測頻環(huán)節(jié)配備了專用的軟件函數(shù)和硬件模塊，使得測頻的外圍設(shè)計(jì)和內(nèi)部程序都比較簡單，容易操作[7]。高橋水電廠調(diào)速器在不需要外部殘壓信號分頻的前提下，PCC本體測頻精度可以達(dá)到0.000 3 Hz，滿足水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的速動(dòng)性和穩(wěn)定性要求，同時(shí)也可以滿足電網(wǎng)對機(jī)組一次調(diào)頻等涉網(wǎng)試驗(yàn)的要求。

1.2.2 人機(jī)界面特點(diǎn)介紹

人機(jī)界面(觸摸屏)采用臺灣研華12寸TPC1250H平板計(jì)算機(jī)，主顯畫面如圖4，顯示調(diào)速器常用的參數(shù)，畫面簡潔清晰，信息完備，方便用戶巡查。此外，觸摸屏程序還配備了數(shù)據(jù)列表、靜態(tài)試驗(yàn)、參數(shù)修改等讀/寫畫面，以及極值查詢、退出/關(guān)機(jī)、觸摸校驗(yàn)等功能畫面，以便于用戶運(yùn)行維護(hù)。

圖4 觸摸屏主顯畫面

相對于其他觸摸屏，平板計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的歷史數(shù)據(jù)回訪功能。調(diào)速器PCC中重要的參數(shù)均可以保存在平板計(jì)算機(jī)的硬盤中，高橋水電廠保存了16個(gè)模擬量和96個(gè)開關(guān)量，且數(shù)據(jù)采樣周期可達(dá)100 ms，這對電站分析問題、處理故障大有幫助。

1.2.3 多噴針同步控制的原理及特點(diǎn)

四噴針沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組在并網(wǎng)工況下增減負(fù)荷的過程中存在兩噴與四噴轉(zhuǎn)換的問題，武漢長江控制設(shè)備研究所有限公司常用的轉(zhuǎn)換方式有兩種：單拐點(diǎn)法和雙拐點(diǎn)法。

單拐點(diǎn)法見圖5，假定噴針1為主噴，轉(zhuǎn)換拐點(diǎn)為10%。并網(wǎng)增負(fù)荷過程中，兩噴轉(zhuǎn)四噴時(shí)，將1號和3號噴針的開度保持在10%，然后逐步增加(同步增加)2號和4號噴針開度，直至4個(gè)噴針的開度都達(dá)到10%后，再同步增加4個(gè)噴針的開度。減負(fù)荷過程中，四噴轉(zhuǎn)兩噴時(shí)，當(dāng)4個(gè)噴針的開度都達(dá)到10%后，將1號和3號噴針的開度保持在10%，然后逐步減小(同步減小)2號和4號噴針開度，直至2號和4號噴針全關(guān)，再同步減小1號和3號噴針的開度。

圖5 單拐點(diǎn)法

雙拐點(diǎn)法見圖6，假定噴針1為主噴，兩噴轉(zhuǎn)四噴的轉(zhuǎn)換點(diǎn)為20%，四噴轉(zhuǎn)兩噴的轉(zhuǎn)換點(diǎn)為30%。并網(wǎng)增負(fù)荷過程中，當(dāng)1號和3號噴針的總開度達(dá)到20%時(shí)，程序進(jìn)行兩噴轉(zhuǎn)四噴的操作，將20%的總開度平均分配給4個(gè)噴針，即將1號和3號噴針同步減小，從10%關(guān)回到5%，將2號和4號噴針同步增加，從0開出至5%，直至4個(gè)噴針的開度都達(dá)到5%后，再同步增加4個(gè)噴針的開度。減負(fù)荷過程中，當(dāng)4個(gè)噴針的總開度降至30%時(shí)，程序進(jìn)行四噴轉(zhuǎn)兩噴的操作，將30%的當(dāng)前總開度平均分配給兩個(gè)主噴針，同時(shí)關(guān)回另外兩個(gè)噴針，即：將1號和3號噴針從7.5%同步增加，到15%，將2號和4號噴針全關(guān)。

圖6 雙拐點(diǎn)法

在四噴針的轉(zhuǎn)換方式上，以上兩種控制模式均有應(yīng)用，單拐點(diǎn)法對機(jī)組出力的波動(dòng)較小。在多噴針轉(zhuǎn)換過程中，保持主噴開度，同步動(dòng)作另外兩個(gè)噴針，相對于同時(shí)動(dòng)作4個(gè)噴針，機(jī)組的出力變化更平穩(wěn)；同時(shí)參數(shù)更加簡潔，便于用戶理解和維護(hù)，應(yīng)用更加廣泛[8]。

2 調(diào)速系統(tǒng)在高橋水電廠現(xiàn)場運(yùn)行情況

2022年6月，高橋水電廠2號機(jī)組調(diào)速器改造成功并正常投運(yùn)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足(或優(yōu)于)國標(biāo)要求。

2.1 靜態(tài)特性試驗(yàn)

整機(jī)靜態(tài)特性試驗(yàn)是調(diào)速系統(tǒng)最重要的基礎(chǔ)試驗(yàn)之一，檢驗(yàn)了調(diào)速系統(tǒng)整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)中的所有環(huán)節(jié)，2號機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)試驗(yàn)見表1。

表1 高橋水電廠2號機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速死區(qū)及各接力器擺動(dòng)值均滿足國標(biāo)要求。

2.2 動(dòng)態(tài)相關(guān)試驗(yàn)

機(jī)組空載擺動(dòng)波形如圖7，機(jī)頻3 min擺動(dòng)差值為0.14 Hz，滿足國標(biāo)要求。

圖7 空載擺動(dòng)

機(jī)組甩100%負(fù)荷波形如圖8，在甩負(fù)荷調(diào)節(jié)過程中，偏離穩(wěn)定轉(zhuǎn)速3%(1.5 Hz)以上的波動(dòng)次數(shù)Z=2；從甩負(fù)荷開始至機(jī)組轉(zhuǎn)速擺動(dòng)相對值不超過±1%為止的調(diào)節(jié)時(shí)間TE與從甩負(fù)荷開始至轉(zhuǎn)速升至最高轉(zhuǎn)速所經(jīng)歷的時(shí)間TM的比值為7.8，均滿足國標(biāo)要求。

圖8 甩100%負(fù)荷過渡過程

3 結(jié) 論

通過高橋水電廠調(diào)速器系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)和應(yīng)用，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1) 把事故配壓閥應(yīng)用于噴針控制，當(dāng)事故配壓閥動(dòng)作時(shí)噴針和偏流器都關(guān)閉，在調(diào)速器掉電時(shí)可保障系統(tǒng)安全停機(jī)。

(2) PCC測頻環(huán)節(jié)具有0.000 3 Hz的精度，保證一次調(diào)頻動(dòng)作的可靠性和靈敏性，有助于電網(wǎng)穩(wěn)定。

(3) 觸摸屏配備顯示及歷史數(shù)據(jù)回訪軟件，以便用戶對設(shè)備的維護(hù)和數(shù)據(jù)追溯。

(4) 四噴針系統(tǒng)采用單拐點(diǎn)法進(jìn)行開度同步，在轉(zhuǎn)換過程中機(jī)組出力的擾動(dòng)量小，變化更平穩(wěn)。