燈泡貫流式機(jī)組調(diào)速器的特點(diǎn)及應(yīng)用

陳 艷，李學(xué)禮

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180）

燈泡貫流式機(jī)組調(diào)速器的特點(diǎn)及應(yīng)用

陳 艷，李學(xué)禮

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180）

以泰國NARESUANA電站燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組及其調(diào)速器為例證，著重說明了燈泡貫流機(jī)組的特點(diǎn)，闡述了調(diào)速器的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)研制和應(yīng)用：①采用適應(yīng)式、變結(jié)構(gòu)、變參數(shù)、并聯(lián)PID調(diào)節(jié)模式，使機(jī)組在不同狀態(tài)下均能穩(wěn)定運(yùn)行；② 采用變參數(shù)導(dǎo)葉分段關(guān)閉裝置，根據(jù)水頭、負(fù)荷、頻率等機(jī)組工況自動(dòng)改變導(dǎo)葉分段關(guān)閉投入點(diǎn)，減少了快速關(guān)閉時(shí)造成水擊壓力的升高，并防止涌浪、低頻及水錘的發(fā)生；③槳葉根據(jù)機(jī)組頻率自動(dòng)改變關(guān)閉速度，防止涌浪、低頻及水錘的發(fā)生。

燈泡貫流式機(jī)組；調(diào)速器；步進(jìn)電機(jī)；變參數(shù)分段關(guān)閉；

0 前言

近年來在低水頭水力資源的開發(fā)中，燈泡貫流機(jī)組以其優(yōu)良的水力特性和顯著的經(jīng)濟(jì)效益，得到普遍重視和廣泛采用，由于燈泡貫流的特殊性，對其調(diào)速器的性能及控制方式也提出了越來越高的要求。

l 燈泡貫流機(jī)組介紹

1.1 燈泡貫流機(jī)組的結(jié)構(gòu)

燈泡貫流機(jī)組為水平布置，發(fā)電機(jī)布置在水輪機(jī)上游或下游河道里與水密封的燈泡形金屬殼體內(nèi)，由上游流人的壓力水繞過燈泡外殼，通過導(dǎo)葉直接作用于輪葉，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，其全部重量支撐在混凝土基礎(chǔ)上。

1.2 燈泡貫流機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)

（1）燈泡貫流式機(jī)組是開發(fā)低水頭資源最優(yōu)良、最經(jīng)濟(jì)的機(jī)型，對水頭變化較大的低落差逕流電站。有較好的適應(yīng)性。

（2）燈泡貫流機(jī)組的效率比立式機(jī)組高3%～5%。

（3）燈泡貫流式機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊，占用位置少、土建工程量小，有利于工程布置。

1.3 燈泡貫流機(jī)組的特殊性

燈泡貫流機(jī)組發(fā)電機(jī)置于水下的燈泡內(nèi)。由于水流條件的影響，燈泡比受到一定的限制，發(fā)電機(jī)尺寸較小，重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及GD2相應(yīng)較小。因此其調(diào)節(jié)過程和常規(guī)機(jī)組相比，有一定的獨(dú)特性，具體表現(xiàn)為：燈泡貫流機(jī)組水頭低、流量大、因此水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw較大，而機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2較小，只有同容量立式機(jī)組的15%～30%，因此其機(jī)組慣性時(shí)間Ta較小，使得Tw/Ta值很大，調(diào)速器國標(biāo)規(guī)定：調(diào)速器控制條件要求Tw/Ta比值不大于0.4，燈泡貫流機(jī)組由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，這一數(shù)值一般都比較大，無法滿足國標(biāo)的要求，因此采用常規(guī)的控制方式往往無法滿足機(jī)組的正常運(yùn)行。

燈泡貫流機(jī)組由于低水頭、大流量，小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，運(yùn)行中容易出現(xiàn)以下現(xiàn)象：

（1）由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，甩負(fù)荷時(shí)速率上升較高。

（2）由于槳葉關(guān)機(jī)速度較慢，甩負(fù)荷后易出現(xiàn)低頻現(xiàn)象。

（3）燈泡貫流機(jī)組的過流量大，甩負(fù)荷、緊急停機(jī)時(shí)，上游水位抬高，下游流量減少，產(chǎn)生很大波動(dòng)，易產(chǎn)生浪涌及負(fù)水錘。

2 燈泡貫流機(jī)組調(diào)速器的特點(diǎn)

燈泡貫流式機(jī)組調(diào)節(jié)有著上節(jié)所述的特殊性，因此相應(yīng)的控制設(shè)備調(diào)速器需要進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)。

（1）燈泡貫流電站由于水頭變化較大，不同水頭下的水力狀況差異較大，同一組調(diào)節(jié)參數(shù)很難適應(yīng)所有工況，因此需設(shè)計(jì)變參數(shù)并聯(lián)PID調(diào)節(jié)模式，即調(diào)速器根據(jù)水頭自動(dòng)改變PID參數(shù)以適應(yīng)不同水力狀況，保證機(jī)組在不同工況下穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）燈泡貫流機(jī)組由于重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及GD2較小，另外由于槳葉開關(guān)速度較慢，甩負(fù)荷時(shí)導(dǎo)葉及槳葉的正常協(xié)聯(lián)關(guān)系被破壞，因此甩負(fù)荷時(shí)易發(fā)生以下現(xiàn)象：

1）轉(zhuǎn)速上升較快，為限制機(jī)組的上升率，需快速關(guān)閉導(dǎo)葉，但由于燈泡貫流機(jī)組的過流量大，水頭低，導(dǎo)葉快速關(guān)閉過程中容易產(chǎn)生水錘，因此需設(shè)置導(dǎo)葉兩段關(guān)閉裝置以克服水錘；

2）甩負(fù)荷后機(jī)組轉(zhuǎn)速迅速上升至最高值后便迅速下降，大部分可降至90%額定轉(zhuǎn)速以下，即出現(xiàn)低頻現(xiàn)象，為克服機(jī)組低頻的發(fā)生，可根據(jù)不同的水頭及甩負(fù)荷，改變導(dǎo)葉兩段關(guān)閉裝置的動(dòng)作值，同時(shí)對槳葉實(shí)行兩段關(guān)閉控制以優(yōu)化機(jī)組的穩(wěn)定性。

3 工程概況

以泰國NARESUAN電站為例，詳細(xì)介紹燈泡貫流機(jī)組調(diào)速器的控制方式。NARESUAN水電站位于泰國北方城市Phitsanulok，電站裝機(jī)1臺8500KW燈泡貫流機(jī)組，電站基本參數(shù)見表1。

表1 機(jī)組參數(shù)

3.1 調(diào)速系統(tǒng)

調(diào)速器采用某研究所生產(chǎn)的TDBWST-80-6.3型PLC步進(jìn)電機(jī)微機(jī)調(diào)速器，該產(chǎn)品以PLC為控制核心、步進(jìn)電機(jī)為電液轉(zhuǎn)換元件、觸摸屏為人-機(jī)對話工具，硬件配置先進(jìn)穩(wěn)定，軟件技術(shù)成熟可靠。

3.2 硬件配置

調(diào)速器硬件配置如圖1所示。

圖1 調(diào)速器硬件配置

3.3 軟件設(shè)計(jì)

由于機(jī)組甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)速迅速升高，導(dǎo)葉快速關(guān)閉，導(dǎo)葉快速關(guān)閉后漿葉由于關(guān)機(jī)時(shí)間較慢而開度仍然較大，此時(shí)機(jī)組容易出現(xiàn)低頻及反水錘現(xiàn)象，為了克服這一現(xiàn)象，可根據(jù)負(fù)荷及水頭改變導(dǎo)葉兩段關(guān)閉投入值，即根據(jù)不同負(fù)荷及水頭適當(dāng)提高導(dǎo)葉兩段關(guān)閉投入點(diǎn)，這樣可以保證機(jī)組甩負(fù)荷后迅速關(guān)閉而又不至于關(guān)閉太小，從而保證機(jī)組不過速且克服低頻問題。表2為試驗(yàn)后的導(dǎo)葉兩段關(guān)閉投入數(shù)據(jù)。

表2 試驗(yàn)后導(dǎo)葉兩段關(guān)閉投入數(shù)據(jù)

另外機(jī)組甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)速升高到最高點(diǎn)后快速下降，調(diào)速器控制機(jī)組導(dǎo)葉快速打開，此時(shí)漿葉關(guān)閉至較小值，機(jī)組頻率會再次快速升高從而造成振蕩，為了克服上述問題，可在機(jī)組轉(zhuǎn)速上升至最高點(diǎn)時(shí)減緩槳葉關(guān)閉速度，從而減緩機(jī)組轉(zhuǎn)速變化的速率，使機(jī)組轉(zhuǎn)速變化平滑、穩(wěn)定。

機(jī)組甩負(fù)荷控制流程圖如圖2所示。

圖2 機(jī)組甩負(fù)荷控制流程圖

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及波形

50%甩負(fù)荷記錄如圖3所示。

圖3 機(jī)組50%甩負(fù)荷記錄

100%甩負(fù)荷記錄如圖4所示。

圖4 機(jī)組100%甩負(fù)荷記錄

從上述波形及表3數(shù)據(jù)可以看出，機(jī)組在100%甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)速上升率為43.51%，而設(shè)計(jì)值為50%，另外機(jī)組甩負(fù)荷后最低轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速，未出現(xiàn)低頻現(xiàn)象，且機(jī)組在調(diào)節(jié)過程中轉(zhuǎn)速變化平穩(wěn)，在30s內(nèi)即可穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速。

表3 甩負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

另外機(jī)組蝸殼水壓上升率為61.4%，調(diào)節(jié)過程中亦未監(jiān)測到水錘產(chǎn)生。

5 結(jié)論

由于燈泡貫流機(jī)組水頭低、流量大、機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，從而造成水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw與機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)Ta的比值過大，使得常規(guī)的控制方式很難滿足機(jī)組的調(diào)節(jié)品質(zhì)要求，本文所介紹的變參數(shù)、并聯(lián)PID調(diào)節(jié)模式及根據(jù)水頭及負(fù)荷改變導(dǎo)葉分段關(guān)閉投入點(diǎn)、根據(jù)頻率改變槳葉關(guān)閉速度的方法不僅完全滿足燈泡貫流機(jī)組的調(diào)節(jié)要求，而且可以很好地解決機(jī)組在甩負(fù)荷過程中可能出現(xiàn)的低頻及水錘問題，泰國NARESUANA電站的試驗(yàn)及2年的安全運(yùn)行充分證明了上述方法的可靠性和穩(wěn)定性。

審稿人：樸秀日

Characteristic of Bulb Hydraulic Turbine Governor

CHEN Yan, LI Xueli
(Tianjin Research Institute of Electric Science Co., Ltd, Tianjing 300180, China)

Bulb hydraulic generating units are development very quickly in recent years in low water-head power station for its smaller volume, compact construction and high efficiency. Turbine governor as important control equipment in hydraulic power station provide high-quality, reliable power protection for the industrial production and people's daily lives, the regulation performance will affect the power quality and power plant safety and economic operation. A Special regulation model for bulb generating units has been introduced in this paper through the Thailand NARESUANA station on-site testing.

bulb hydraulic generating units; governor; step-motor; changeable two step closure

TK730.4+1

A

1000-3983(2016)02-0061-04

2015-01-20

陳艷（1976-），1997年7月畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)電氣系電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，1997-2012在天津電氣科學(xué)研究院有限公司從事水輪機(jī)調(diào)速器的研究與設(shè)計(jì)，2012年開始至今從事水電站電氣設(shè)計(jì)工作，高級工程師。