功果橋水電站調(diào)速系統(tǒng)的研制

劉亞濤，凌偉華

（1.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040；2.中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

1 引言

哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司（以下簡稱哈電機(jī)）承擔(dān)了為功果橋水電站提供4臺套調(diào)速系統(tǒng)的任務(wù)。在總結(jié)景洪水電站調(diào)速器應(yīng)用的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了功果橋水電站的調(diào)速系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)介紹

調(diào)速器采用成熟的具有PID調(diào)節(jié)規(guī)律的雙自動加電手動全數(shù)字式電液調(diào)速器，額定工作油壓為6.3MPa。調(diào)速器電氣柜和機(jī)械柜分開設(shè)置，調(diào)速器機(jī)械柜置于回油箱之上，與回油箱組合為一體。微機(jī)調(diào)速器及其控制軟件、主配壓閥、比例伺服閥、油泵、電機(jī)、自動化元件等均采用國際優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，且有成熟技術(shù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，調(diào)速器機(jī)械液壓部分采用成熟和先進(jìn)的技術(shù)。微機(jī)調(diào)速器處理器、轉(zhuǎn)速測量部分、接力器位置反饋、功率反饋、電液轉(zhuǎn)換單元、各部分的電源均采用冗余結(jié)構(gòu)，這樣保證了調(diào)速系統(tǒng)的高可靠性。

微機(jī)調(diào)速器采用雙重化微機(jī)冗余容錯(cuò)系統(tǒng)并具有獨(dú)立的電手動功能。冗余系統(tǒng)中的每一個(gè)通道，從輸入至輸出以及電源、測頻系統(tǒng)，均為相互完全獨(dú)立，在運(yùn)行過程中隨時(shí)將其中一個(gè)通道退出而不影響調(diào)速系統(tǒng)的正常工作，且退出的通道能進(jìn)行停電檢修。電氣操作系統(tǒng)有遠(yuǎn)方操作的 I/O接口。在調(diào)速器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，不會造成水輪機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定或出力波動，在調(diào)速器外部系統(tǒng)事故時(shí)，將保證機(jī)組安全停機(jī)。

調(diào)速器機(jī)械液壓部分與油壓裝置回油箱采用組合式設(shè)計(jì)。主配壓閥、比例伺服閥及液壓元件等具有油管連接關(guān)系的附件布置在回油箱內(nèi)，其他部件儀表等布置在機(jī)械柜內(nèi)。過速限制裝置及分段關(guān)閉裝置采用集成一體化結(jié)構(gòu)并安裝固定于回油箱側(cè)壁下方。機(jī)械柜、主配壓閥、回油箱、過速限制裝置及分段關(guān)閉裝置之間的油管路集成布置，至接力器的操作油管路從過速限制裝置及分段關(guān)閉裝置直接引出。機(jī)械柜調(diào)試、操作、維護(hù)方便，保證運(yùn)行可靠、安全。

3 調(diào)速器電氣柜

在線自診斷和故障處理功能

調(diào)速系統(tǒng)有下面給出的在線自診斷和故障處理功能，故障通過電氣柜上的指示燈指示。各故障信息以I/O方式及串行通信方式提供給電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

(1)導(dǎo)葉開度限制作用；(2)轉(zhuǎn)速信號故障；(3)導(dǎo)葉反饋故障；(4)功率反饋故障；(5)綜合故障報(bào)警；(6)1#220VAC電源故障；(7)2#220VAC電源故障；(8)1#220VDC電源故障；(9)1#24VDC電源故障；(10)2#24VDC電源故障； (11)緊急停機(jī)電磁閥動作；(12)主配壓閥拒動；(13)事故配壓閥動作；⒁油過濾器堵塞報(bào)警。

離線診斷及調(diào)試功能

調(diào)速器有下面給出的離線診斷及調(diào)試功能:

(1)修改和調(diào)整程序；(2)程序檢查及調(diào)試；(3)調(diào)節(jié)參數(shù)檢查及調(diào)試；(4)系統(tǒng)硬件及軟件故障檢查，包括各硬件模塊故障檢查；(5)檢查、調(diào)試和電站計(jì)算機(jī)的通信。

故障保護(hù)

調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生任何故障或電源消失，關(guān)機(jī)回路和開度限制都將保持可操作性，當(dāng)雙微機(jī)自動控制系統(tǒng)均喪失控制功能時(shí)，調(diào)速器能夠維持導(dǎo)葉在故障以前的位置。

調(diào)速器冗余系統(tǒng)中任一通道故障時(shí)，不影響調(diào)速系統(tǒng)的正常工作，包括所有功能和性能指標(biāo)。當(dāng)調(diào)速器的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)自動地切換到電手動控制方式。調(diào)速器的任何故障也不影響機(jī)組必要的緊急停機(jī)操作。

調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)的每一個(gè)故障均有現(xiàn)地指示信號，對重要信號(如主配壓閥拒動、事故低油位)分別提供 2對電氣獨(dú)立的觸點(diǎn)至電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

調(diào)速系統(tǒng)中每個(gè)動作于停機(jī)的保護(hù)(如過速停機(jī)、事故低油壓停機(jī)等)，分別提供2對接點(diǎn)至機(jī)組現(xiàn)地控制單元，事故停機(jī)電磁閥動作時(shí)有對外輸出的信號接點(diǎn)。

4 系統(tǒng)介紹

4.1 系統(tǒng)方框圖

系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

圖1 機(jī)械液壓部分方框簡圖

4.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

液壓系統(tǒng)由回油箱總裝、壓力罐總裝、油泵電機(jī)單元、精細(xì)濾油裝置、事故配壓閥總裝、液控單向節(jié)流閥及相應(yīng)的管路、閥門等組成。

控制部分設(shè)計(jì)為全自動控制。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行調(diào)速器控制采用全自動控制方式時(shí)，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)會非常簡單，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的可靠性也得到了極大的提高。

調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)采用了德國博士公司生產(chǎn)的比例伺服閥作為電液轉(zhuǎn)換元件；主配壓閥采用哈電機(jī)公司自主研發(fā)的產(chǎn)品，兩個(gè)主閥位置傳感器互為冗余、安裝于其內(nèi)部；調(diào)速器各種功能閥采用板式安裝，模塊式直聯(lián)結(jié)構(gòu)，油路集成度高；主接力器采用直線位移傳感器的電反饋形式，無杠桿或鋼絲繩反饋。

調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其具有調(diào)節(jié)性能好、調(diào)節(jié)精度高、具有很好的抗油污性能等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)也達(dá)到了良好的可維修性，方便維護(hù)、檢查、檢修與調(diào)試。

4.3 工作原理

4.3.1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)原理如圖2所示。

4.3.2 工作原理簡介

此調(diào)速器系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制及緊急停機(jī)。自動控制時(shí)，由比例閥選擇電磁閥101EM動作比例閥選擇液控閥106DR，通過比例閥選擇液控閥106DR選擇比例伺服閥101EB或102EB工作。無論是調(diào)速器處于何種運(yùn)行狀態(tài)，例如遠(yuǎn)方/自動或現(xiàn)地/自動或現(xiàn)地/手動，當(dāng)機(jī)組遇到需緊急停機(jī)情況時(shí)，通過電站自動化系統(tǒng)發(fā)出的信號，調(diào)速系統(tǒng)會自動完成機(jī)組的緊急停機(jī)工作。

4.3.2.1 自動控制

以比例伺服閥101EB處于工作狀態(tài)為例。

當(dāng)機(jī)組在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電氣部分輸出到比例伺服閥101EB的信號VD-E為0，比例伺服閥處于中間位置，沒有液壓輸出。這時(shí)，主配壓閥控制端活塞受下腔的壓力等于受上腔的壓力。主配壓閥活塞的上下兩個(gè)閥盤封住主配壓閥襯套的兩個(gè)控制窗口，主配壓閥沒有液壓輸出，處于動態(tài)平衡狀態(tài)，接力器不動，機(jī)組處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)

當(dāng)機(jī)組自動增加負(fù)荷時(shí)，電氣部分輸出到比例伺服閥101EB的信號VD-E為正，比例伺服閥處于上位工作位置。主配壓閥控制腔通過比例伺服閥與控制壓力油相通，下腔液壓力大于上腔液壓力，因而使得主配壓閥活塞向上移動，打開主配壓閥襯套通往接力器開機(jī)的窗口，推動接力器活塞開啟導(dǎo)葉，使機(jī)組增加負(fù)荷。與接力器活塞一起移動的位移傳感器及與主配壓閥活塞一起移動的位移傳感器，發(fā)出反饋信號與所加信號相抵消。這個(gè)調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，機(jī)械液壓系統(tǒng)的各個(gè)部件恢復(fù)到穩(wěn)定控制運(yùn)行狀態(tài)。

機(jī)組自動減少負(fù)荷時(shí)，機(jī)械液壓系統(tǒng)的上述部件動作相反，調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，機(jī)械液壓系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定控制狀態(tài)。

4.3.2.2 緊急停機(jī)

緊急停機(jī)操作既可以通過主配壓閥緊急停機(jī)，也可以通過事故配壓閥緊急停機(jī)，當(dāng)主配壓閥發(fā)卡時(shí)，系統(tǒng)將自動動作事故配壓閥緊急停機(jī)。如果通過主配壓閥緊急停機(jī)，首先動作緊急停機(jī)電磁閥 102EM 或103EM，然后緊急停機(jī)電磁閥動作緊急停機(jī)液控閥107DR，這樣就會完成主配壓閥的控制腔接通排油，實(shí)現(xiàn)電氣緊急停機(jī)的目的。如果通過事故配壓閥緊急停機(jī)，可以通過過速保護(hù)飛擺切換閥緊急停機(jī)，也可以通過過速保護(hù)電磁切換閥104EM緊急停機(jī)。

5 液壓主要部分特點(diǎn)介紹

5.1 電液轉(zhuǎn)換元件

液壓系統(tǒng)電液轉(zhuǎn)換元件采用比例伺服閥（德國Bostch公司生產(chǎn)），與雙自動加電手動控制系統(tǒng)及冗余的接力器位置反饋傳感器和冗余的主閥位置反饋傳感器共同完成調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

比例伺服閥的應(yīng)用十分廣泛。該閥結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、耗油量小、抗油污能力強(qiáng)；在保證其使用條件下，能正確可靠地工作；在最大實(shí)際負(fù)荷下，調(diào)速器死區(qū)極小。該閥采用集成塊板式聯(lián)接，電氣驅(qū)動與液壓部分集成為一體，絕緣密封性能好，與調(diào)速器的電氣聯(lián)接是標(biāo)準(zhǔn)信號；一但出現(xiàn)電源信號斷線現(xiàn)象，該閥的“故障保險(xiǎn)位置”即投入工作，自動關(guān)閉接力器，保證機(jī)組的安全。

本系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)完全相同的比例伺服閥101EB和102EB作為電液轉(zhuǎn)換元件，分別與雙自動加電手動組成完全自動控制的方式。一個(gè)比例閥選擇電磁閥101EM和一個(gè)比例閥選擇液控閥106DR能夠完成雙比例伺服閥的選擇切換功能，由雙自動加電手動共同決定雙比例伺服閥的主用和熱備用工作狀態(tài)。此設(shè)計(jì)使雙比例伺服閥完全處于相同的工作狀態(tài)，只是一個(gè)起實(shí)際控制作用，一個(gè)處于完全工作的熱備用工作狀態(tài)。這種雙比例伺服閥切換工作原理保證了當(dāng)雙比例伺服閥相互切換時(shí)，被控對象接力器的擾動極小。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的備用狀態(tài)比例伺服閥往往處于冷備用狀態(tài)，只有當(dāng)切換到其工作狀態(tài)時(shí)，才有電氣控制信號輸出到相應(yīng)的比例伺服閥，這就使得雙比例伺服閥切換時(shí)被控對象會產(chǎn)生較大的擾動。

5.2 主配壓閥

主配壓閥采用哈電機(jī)公司的產(chǎn)品。其主要由閥體、襯套和活塞組成。閥體與襯套為鑄件，活塞為鍛件，兩閥盤結(jié)構(gòu)。主閥本體上設(shè)有開、關(guān)機(jī)調(diào)整時(shí)間的調(diào)整件，調(diào)整方便，能做到無級調(diào)整；一端部設(shè)有主配壓閥拒動的觸點(diǎn)111FC及反映主配壓閥活塞位置的位移傳感器111MM和112MM，主配位移傳感器是雙冗余設(shè)計(jì)。

與傳統(tǒng)帶有輔助接力器的結(jié)構(gòu)相比，此主配壓閥結(jié)構(gòu)簡單，加工和安裝方便，且具有中間接力器功能。由于主配壓閥活塞位移傳感器反饋放大器放大倍數(shù)用可調(diào)電阻可調(diào)，且易調(diào)整；調(diào)速系統(tǒng)隨動設(shè)置中的振蕩系數(shù)、增益系數(shù)、偏移量是數(shù)字可調(diào)，且易調(diào)整。這樣保證了整個(gè)調(diào)速器隨動系統(tǒng)的簡便、易調(diào)整、精確度高，速動性能更好。

5.3 集成塊裝配

調(diào)速系統(tǒng)的各個(gè)閥集成在一個(gè)集成塊上，包括冗余的雙比例伺服閥101EB和102EB，比例伺服閥選擇液控閥106DR，比例伺服閥選擇電磁閥101EM，緊急停機(jī)液控閥 107DR，緊急停機(jī)電磁閥 102EM 和103EM。這樣減少了管路連接，通油能力強(qiáng)，不易發(fā)卡，不易漏油，操作也更加簡便、同時(shí)也利于維護(hù)和檢修。

6 結(jié)語

通過對三峽右岸和景洪水電站調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最終完成了對功果橋水電站調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了大型調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的國產(chǎn)化。今后工作中還要積累一些大型調(diào)速系統(tǒng)國產(chǎn)化后的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，包括保證調(diào)速系統(tǒng)的高可靠性及調(diào)速系統(tǒng)控制程序的可移植性。