數(shù)字缸在水輪機(jī)筒形閥電液同步控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

甘 楠，時(shí)天富

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072）

1 問(wèn)題的提出

自1942年法國(guó)Neyrpic公司取得水輪機(jī)筒形閥專利權(quán)，并于1962年用于真機(jī)以來(lái)，水輪機(jī)筒形閥陸續(xù)在國(guó)外一些大型電站中得到大量應(yīng)用和推廣。我國(guó)自1993年在漫灣一期電站安裝筒形閥并投入商業(yè)運(yùn)行成功后，先后在小浪底、漫灣二期、石泉、董箐、光照、灘坑、瀑布溝、小灣等大型、巨型水電站中得到成功應(yīng)用。如何保證水輪機(jī)筒形閥多只接力器的同步，是筒形閥控制的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)外筒形閥同步機(jī)構(gòu)采用的同步方式主要有機(jī)械液壓同步 （依靠鏈條強(qiáng)迫各接力器同步運(yùn)行）和電液同步 （大多采用同軸油馬達(dá)式電液同步控制系統(tǒng)），隨著國(guó)內(nèi)水電開(kāi)發(fā)進(jìn)度的加快，機(jī)組容量、尺寸、筒體質(zhì)量越來(lái)越大，為滿足現(xiàn)代水電開(kāi)發(fā)的需求，滿足大尺寸、大容量、大質(zhì)量的筒形閥同步需求，在同步控制上，從國(guó)內(nèi)已建和待建大型和巨型水電站可以經(jīng)明顯看出電液同步有取代機(jī)械同步的趨勢(shì)。

但是目前已建電站采用的電液同步 （大多采用同軸油馬達(dá)式電液同步）控制系統(tǒng)還存在一些問(wèn)題：

（1）控制復(fù)雜?？刂茣r(shí)必須電氣、機(jī)械液壓系統(tǒng)密切配合，一旦控制環(huán)節(jié)上出現(xiàn)一點(diǎn)錯(cuò)誤，將直接導(dǎo)致開(kāi)啟、關(guān)閉筒形閥的失敗及卡阻。

（2）液壓系統(tǒng)由大量液壓元件組合、插裝而成，整個(gè)系統(tǒng)安裝周期長(zhǎng)、調(diào)試難度大、運(yùn)行和維護(hù)成本高。

（3）系統(tǒng)管路多，連接點(diǎn)和漏油點(diǎn)多，不利于電廠達(dá)標(biāo)。

（4）接力器位移測(cè)量傳感器必須可靠，一旦測(cè)量不準(zhǔn)確或損壞，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)癱瘓。

目前已建電站的圓筒閥的電液同步主要依靠接力器位移測(cè)量傳感器測(cè)量和比較接力器的行程，并將測(cè)得的差異反饋給控制系統(tǒng)隨時(shí)進(jìn)行糾偏，由于負(fù)載阻力的不確定性和工況的復(fù)雜性，糾偏控制的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，液壓元件處于頻繁動(dòng)作狀態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)元件壽命縮短和可靠性降低。將數(shù)字缸應(yīng)用在筒形閥電液同步控制系統(tǒng)中，較好地解決了以上問(wèn)題。

2 數(shù)字缸在筒形閥電液同步控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 數(shù)字缸

數(shù)字缸（或稱數(shù)字伺服控制裝置）是電氣元件、機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和液壓元件高度集成化的液壓裝置。在數(shù)字缸內(nèi)部集成有數(shù)字電機(jī)、數(shù)字伺服液壓閥、位置傳感器 （角編碼器式位移變送器）和液壓缸（即接力器）等。

數(shù)字缸工作原理：步進(jìn)電機(jī)接收計(jì)算機(jī)發(fā)出的數(shù)字脈沖信號(hào)而轉(zhuǎn)動(dòng)，該轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)數(shù)字伺服閥運(yùn)動(dòng)，并將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，該直線運(yùn)動(dòng)打開(kāi)數(shù)字閥的閥口，由液壓油源驅(qū)動(dòng)操作油缸活塞桿前進(jìn)或后退?；钊麠U帶動(dòng)反饋機(jī)構(gòu)并與數(shù)字閥相連，形成耦合，調(diào)節(jié)閥口以保證操作油缸活塞桿的當(dāng)量值。

從數(shù)字缸工作原理可以看出數(shù)字缸有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）數(shù)字缸將原來(lái)復(fù)雜的速度控制和位置控制，變成了簡(jiǎn)單的數(shù)字脈沖開(kāi)環(huán)控制，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)，提高了響應(yīng)速度。

（2）由于所有元件均裝在油缸內(nèi)部，大大提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性，并且由于沒(méi)有了復(fù)雜的閉環(huán)電反饋裝置 (只是純機(jī)械式閉環(huán)反饋)，也大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，從而提高了設(shè)備的可靠性，并且基本上可以做到零調(diào)試和零維護(hù)，可長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

（3）數(shù)字缸活塞桿移動(dòng)位移的誤差是由設(shè)計(jì)、裝配決定的，在活塞桿移動(dòng)過(guò)程中，沒(méi)有累積誤差，只有一個(gè)基礎(chǔ)誤差。

2.2 數(shù)字缸筒形閥電液同步控制系統(tǒng)基本原理

數(shù)字缸筒形閥電液同步控制系統(tǒng)由電氣控制裝置和液壓執(zhí)行系統(tǒng)兩部分組成。液壓執(zhí)行部分是數(shù)字缸，每只接力器頂部安裝有1套步進(jìn)電機(jī)、數(shù)字伺服液壓閥和位置傳感器等。

筒形閥的電液控制是通過(guò)數(shù)字缸內(nèi)步進(jìn)電機(jī)控制的。正常工作時(shí)，筒形閥電氣控制裝置向6只接力器端部的步進(jìn)電機(jī)輸出編制好相同速度和位置的信號(hào)，筒形閥即按給定的運(yùn)行速率曲線同步升降，脈沖頻率代表油缸運(yùn)行速度，脈沖總數(shù)代表行程，一一對(duì)應(yīng)。所有這些功能的實(shí)現(xiàn)，是通過(guò)數(shù)字缸內(nèi)部的傳感器自動(dòng)檢測(cè)速度和位移，并與數(shù)字缸給定的速度指令和位置指令進(jìn)行比較并自動(dòng)調(diào)節(jié)，在接力器油缸內(nèi)實(shí)現(xiàn)機(jī)械速度閉環(huán)和位置閉環(huán)，只要六只接力器頂部的步進(jìn)電機(jī)接收到的脈沖信號(hào)頻率和脈沖信號(hào)的總數(shù)相同，那么6只接力器的開(kāi)關(guān)速度和位置就會(huì)相同，就能始終保持高精度的速度同步和位置同步。

每只接力器油缸的實(shí)際運(yùn)行情況，由數(shù)字缸內(nèi)置的位移傳感器不間斷地發(fā)送到筒形閥電氣控制裝置，由筒形閥電氣控制裝置檢測(cè)、監(jiān)控、顯示。

如果需要單只接力器動(dòng)作時(shí)，筒形閥電氣控制裝置可以單獨(dú)只給需要?jiǎng)幼鞯慕恿ζ鞫瞬繑?shù)字步進(jìn)電機(jī)脈沖指令，也可以用手柄轉(zhuǎn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)頂部外露的電機(jī)軸，控制每個(gè)接力器的行程位置，這為筒形閥的初期安裝、調(diào)試、試驗(yàn)提供了極大的方便。

筒形閥電氣控制裝置由PLC（可編程邏輯控制器）、觸摸屏、信號(hào)燈、切換開(kāi)關(guān)、控制按鈕、繼電器、電源轉(zhuǎn)換裝置、接線座等組成。所有電氣元件組裝在1個(gè)800 mm×600 mm×2 260 mm標(biāo)準(zhǔn)盤柜內(nèi)。

電氣裝置最核心部分為PLC，通過(guò)它控制數(shù)字缸-筒形閥電液同步控制系統(tǒng)，操作筒形閥開(kāi)啟、關(guān)閉；觸摸屏、信號(hào)燈、切換開(kāi)關(guān)、控制按鈕組裝在筒形閥控制盤正面；所有顯示、現(xiàn)地操作命令都在觸摸屏界面上實(shí)現(xiàn)。

整個(gè)筒形閥電氣控制盤由220VAC和220VDC雙路供電，盤內(nèi)PLC與觸摸屏由24VDC供電，24VDC電源來(lái)自1個(gè)電源轉(zhuǎn)換裝置。正常狀態(tài)下，電源轉(zhuǎn)換裝置由220VAC供電，當(dāng)220VAC電源消失時(shí)，自動(dòng)切換由220VDC供電；當(dāng)220VAC電源恢復(fù)時(shí)，又自動(dòng)恢復(fù)由220VAC供電，以保證筒形閥電氣控制盤的可靠性。為保證在廠用電失電情況下電氣控制柜能正常工作，在電氣控制柜內(nèi)還設(shè)置有一套備用UPS電源，在筒形閥電氣控制盤的兩路220VAC和220VDC都失去的情況下，備用UPS電源自動(dòng)投入，可大大增加筒形閥電氣控制裝置的可靠性。

2.3 數(shù)字缸筒形閥電液同步控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

數(shù)字缸筒形閥電液同步控制系統(tǒng)與同軸油馬達(dá)式電液同步控制系統(tǒng)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)簡(jiǎn)單 （只有兩條主環(huán)形油管和一條小控制油管），安裝方便 （每個(gè)油缸都可單獨(dú)手動(dòng)，便于安裝找平），調(diào)試容易 （幾乎可以做到零調(diào)試），維護(hù)工作量小。

（2）只要系統(tǒng)壓力油源正常，可全機(jī)械手動(dòng)操作開(kāi)啟、關(guān)閉筒形閥。

（3）功能全面。正常操控時(shí)具有任意曲線啟閉筒形閥的功能，充分發(fā)揮筒形閥的優(yōu)越性。

（4）具有多種操作功能和保護(hù)功能。無(wú)論何種開(kāi)啟、關(guān)閉操作，都是高精度同步 ，運(yùn)行可靠。

（5）可手動(dòng)調(diào)整并精確控制每個(gè)圓筒閥接力器的行程位置，這樣有利于接力器活塞桿和圓筒閥的安裝連接及初期調(diào)試。

（6）外觀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，布置更加美觀。

2.4 將數(shù)字缸應(yīng)用在水輪機(jī)筒型閥的過(guò)程

東方電機(jī)股份有限公司早在漫灣一期電站投入商業(yè)運(yùn)行后，就已經(jīng)開(kāi)始了電液同步研發(fā)工作，在筒形閥控制領(lǐng)域開(kāi)展了大量工作。通過(guò)漫灣二期電液同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成、安裝、調(diào)試，發(fā)現(xiàn)其系統(tǒng)復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy、運(yùn)行維護(hù)工作量大，設(shè)備昂貴，且因技術(shù)專利屬于國(guó)外而受制于歐美國(guó)家。為了開(kāi)發(fā)更加先進(jìn)的圓筒閥控制技術(shù)，在經(jīng)過(guò)大量原創(chuàng)性的開(kāi)發(fā)和研究工作后，提出采用數(shù)字缸筒形閥電液同步控制系統(tǒng)。

作為一種電液同步控制裝置，數(shù)字缸已經(jīng)被廣泛成功地應(yīng)用在航空航天及其他領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域數(shù)字缸作為液壓同步控制裝置具有大量的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。作為水輪機(jī)筒型閥的同步電液控制裝置第一次被引入是在錦屏一級(jí)水電站。考慮到錦屏一級(jí)電站裝機(jī)規(guī)模大 （6×600 MW），數(shù)字缸又是第一次在水電站上應(yīng)用，作為數(shù)字缸電液同步控制系統(tǒng)的供貨方——東方電機(jī)股份有限公司 （以下簡(jiǎn)稱 “東電公司”）決定在已投入運(yùn)行的灘坑水電站 （3×200 MW）的一臺(tái)真機(jī)上進(jìn)行試運(yùn)行。據(jù)東電公司統(tǒng)計(jì)，自2009年7月將灘坑3號(hào)機(jī)圓筒閥機(jī)械液壓同步改為數(shù)字缸電液同步，到2010年5月，已順利開(kāi)啟筒形閥270余次，無(wú)一次卡阻故障，運(yùn)行可靠性較高，且運(yùn)行維護(hù)非常方便。

數(shù)字缸在灘坑水電站成功應(yīng)用，為數(shù)字缸應(yīng)用于水電站水輪機(jī)筒型閥電液同步控制系統(tǒng)打下了良好的基礎(chǔ)，隨著數(shù)字缸應(yīng)用于錦屏一級(jí)水電站 （6×600 MW）及溪洛渡水電站 （9×770 MW）中可以預(yù)見(jiàn)，在不久的將來(lái)數(shù)字缸將推廣使用在越來(lái)越多的大型、巨型水電站上。

3 結(jié)語(yǔ)

盡管數(shù)字缸在灘坑水電站取得初步的成功，但該系統(tǒng)仍然存在如下問(wèn)題：

（1）在筒形閥電氣控制裝置故障及失靈的狀況下，筒形閥的開(kāi)啟和關(guān)閉操作只能通過(guò)多人協(xié)調(diào)一致的手動(dòng)操作，才能同步控制所有數(shù)字缸 （圓筒閥接力器）的開(kāi)啟和關(guān)閉。

（2）筒形閥的開(kāi)啟和關(guān)閉控制只能接收電氣信號(hào)控制和轉(zhuǎn)動(dòng)手柄控制兩種控制方式，而不能接收液壓控制信號(hào)。從安全的角度出發(fā)，不允許將純機(jī)械液壓過(guò)速保護(hù)裝置的過(guò)速液壓信號(hào)直接引入圓筒閥的液壓關(guān)閉回路。

（3）和其他圓筒閥電液控制系統(tǒng)一樣，在系統(tǒng)壓力油源完全消失的情況下，不能有效控制筒形閥的開(kāi)啟和關(guān)閉。

目前國(guó)內(nèi)電液同步尚在初步應(yīng)用階段，隨著數(shù)字缸在錦屏一級(jí)及溪洛渡電站中的運(yùn)用，會(huì)逐步積累更多的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，數(shù)字缸筒形閥電液同步控制系統(tǒng)也會(huì)在實(shí)踐中得到進(jìn)一步完善。