以禮河水電站沖擊式水輪機(jī)調(diào)速器更新改造

王漢超，王麗娟，嚴(yán)國(guó)強(qiáng)，張應(yīng)文

（1.河北工程大學(xué)水電學(xué)院，河北邯鄲056038；2.武漢長(zhǎng)江控制設(shè)備研究所，武漢430010；3.云南華電以禮河發(fā)電廠，云南會(huì)澤654207）

1 概述

以禮河梯級(jí)水電站是中國(guó)最早的高水頭梯級(jí)水電站，位于云南省會(huì)澤縣。本次是3、4級(jí)水電站共8臺(tái)水輪機(jī)調(diào)速器改造。每臺(tái)主機(jī)裝機(jī)3.6萬(wàn)kW，為捷克原產(chǎn)橫軸雙轉(zhuǎn)輪四噴嘴沖擊式發(fā)電機(jī)組，主機(jī)很多部件已經(jīng)進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化改造。該調(diào)速器油壓裝置部分改造方案：將原來(lái)壓力罐形式的調(diào)速器油壓裝置改為蓄能器形式的油壓裝置，維護(hù)方便，運(yùn)行成本低。油壓裝置配置2臺(tái)小泵加1臺(tái)大泵，小泵連續(xù)或間歇式運(yùn)行方式，解決了以前2臺(tái)大泵運(yùn)行中油溫過(guò)高的問(wèn)題。該調(diào)速器機(jī)械液壓部分由5套獨(dú)立的液壓控制單元組成，分別為4套噴針控制單元、1套折向器控制單元及過(guò)速保護(hù)裝置。

噴針接力器控制單元為主控調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用電液比例隨動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)閉環(huán)連續(xù)控制，使其獲得良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，對(duì)系統(tǒng)小波動(dòng)運(yùn)行工況的性能起決定性作用。

折向器控制單元采用開(kāi)關(guān)量控制，噴針和折向器獨(dú)立控制而不協(xié)聯(lián)，在正常開(kāi)停機(jī)時(shí)，折向器慢開(kāi)慢關(guān)，在大波動(dòng)或系統(tǒng)甩負(fù)荷時(shí)快速關(guān)閉折向器，這種控制方式，既在正常運(yùn)行時(shí)減少了對(duì)主機(jī)的振動(dòng)又在緊急時(shí)保證了機(jī)組的安全。調(diào)速器電氣控制部分采用兩套可編程計(jì)算機(jī)控制器（奧地利貝加萊B&R2003系列PCC（Programmable Computer Controller）），該控制器測(cè)測(cè)頻通道多、精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)。調(diào)節(jié)技術(shù)上，采用連續(xù)、實(shí)時(shí)、變結(jié)構(gòu)、變參數(shù)的PID，積分分離等控制方法，根據(jù)機(jī)組特性與工況，連續(xù)、實(shí)時(shí)改變調(diào)節(jié)參數(shù)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定并具有良好的調(diào)節(jié)功能。

2 油壓裝置改造

原調(diào)速器油壓裝置采用0.5m3的壓力罐，本次改造更換為5個(gè)100L的囊式蓄能器，膠囊內(nèi)所充氮?dú)馀c液壓油不接觸，油質(zhì)不易劣化，膠囊密封可靠，長(zhǎng)期運(yùn)行不需補(bǔ)氣。省去了相應(yīng)的補(bǔ)氣設(shè)備也減少日常維護(hù)工作量。系統(tǒng)配置了2臺(tái)小螺桿泵每臺(tái)排量為1.72L/s，1臺(tái)大螺桿泵排量為3.67L/s。每套小泵配置2個(gè)32通徑的先導(dǎo)卸荷溢流閥，一個(gè)作為安全閥，一個(gè)作為卸荷閥。大泵配置1個(gè)32通徑的先導(dǎo)卸荷溢流閥作為安全閥。蓄能器主油路上配置一個(gè)直動(dòng)式溢流閥作為蓄能器油系統(tǒng)的安全閥，如圖1。

2.1 油泵運(yùn)行方式

2.1.1 連續(xù)運(yùn)行方式

1臺(tái)小泵連續(xù)運(yùn)行，另一臺(tái)小泵當(dāng)油壓低于正常工作油壓下限時(shí)，啟動(dòng)；待油壓達(dá)到額定油壓時(shí)，停泵。當(dāng)2臺(tái)小泵都已經(jīng)運(yùn)行，而系統(tǒng)油壓仍在下降，在事故低油壓前，大油泵啟動(dòng)打油?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，連續(xù)運(yùn)行時(shí)油溫低于30 ℃，滿足運(yùn)行要求。

2.1.2 間歇運(yùn)行方式

正常打油依靠2臺(tái)小油泵，1臺(tái)工作，1臺(tái)備用，輪流切換，當(dāng)2臺(tái)小泵都已經(jīng)運(yùn)行，而系統(tǒng)油壓仍在下降，在事故低油壓前，大油泵啟動(dòng)打油?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，并網(wǎng)后系統(tǒng)小油泵打油間隔時(shí)間為30min，因此采用了間歇運(yùn)行方式。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)速器油系統(tǒng)額定壓力為2.2MPa，以禮河三級(jí)站3#機(jī)調(diào)速器油壓裝置整定值見(jiàn)表1。

表1 3#機(jī)調(diào)速器油壓裝置整定值

3 調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)

3.1 噴針控制單元

調(diào)速器機(jī)械液壓部分由5套獨(dú)立的液壓控制單元組成，分別為4套噴針控制單元、1套折向器控制單元及過(guò)速保護(hù)裝置，各噴針控制單元的工作原理相同。以1#噴針控制單元為例，噴針控制單元主要由電液比例方向閥、手動(dòng)操作閥、噴針緊停閥、疊加型雙液控單向閥、疊加型雙單向節(jié)流閥及電位移傳感器組成。緊停聯(lián)動(dòng)閥是一個(gè)先導(dǎo)控制16通徑方向閥，此閥給4個(gè)噴針電液比例閥提供壓力油。當(dāng)機(jī)組緊急停機(jī)時(shí)，此閥得電動(dòng)作切斷比例閥的壓力油。當(dāng)機(jī)組故障排除后，此閥得電復(fù)歸，比例閥油路接通，其動(dòng)作和復(fù)歸的位置通過(guò)壓力繼電器確定。

3.1.1 自動(dòng)調(diào)節(jié)原理

可編程調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)與噴針接力器位移反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)電氣控制裝置比例閥驅(qū)動(dòng)板比較并放大后，其輸出信號(hào)通過(guò)電液比例閥，使之按電氣信號(hào)的正負(fù)、大小成比例的向噴針接力器開(kāi)、關(guān)機(jī)腔輸入壓力油，從而驅(qū)動(dòng)噴針接力器向開(kāi)機(jī)或關(guān)機(jī)方向運(yùn)動(dòng)，直至控制信號(hào)與位移反饋信號(hào)相等為止，實(shí)現(xiàn)噴針實(shí)際開(kāi)度大小的調(diào)節(jié)。

3.1.2 電手動(dòng)調(diào)節(jié)

電手動(dòng)調(diào)節(jié)是手動(dòng)調(diào)節(jié)的主要方式，通常在電氣控制柜可編程控制器故障時(shí)執(zhí)行的操作方式。根據(jù)機(jī)組實(shí)際情況或負(fù)荷大小選擇噴針投入方式（單噴針、雙噴針、四噴針），直接操作柜盤按鈕增減鍵，即可完成對(duì)噴針接力器的開(kāi)關(guān)機(jī)控制。

3.1.3 純手動(dòng)調(diào)節(jié)

純手動(dòng)調(diào)節(jié)是調(diào)試﹑首次開(kāi)機(jī)或電氣等故障時(shí)操作方式，主要用于調(diào)整和試驗(yàn)。直接操作手動(dòng)操作閥把手，即可完成對(duì)噴針接力器的開(kāi)關(guān)機(jī)控制。

3.1.4 噴針緊停關(guān)閉、緊停聯(lián)動(dòng)閥

各噴針設(shè)置一個(gè)噴針緊停電磁閥，當(dāng)機(jī)組過(guò)速時(shí)，折向器關(guān)閉的同時(shí)噴針緊停閥得電關(guān)閉噴針，同時(shí)緊停聯(lián)動(dòng)閥動(dòng)作切除比例閥壓力油路。

3.2 折向器控制單元及過(guò)速保護(hù)裝置

折向器控制單元由3個(gè)二通插裝閥、1個(gè)開(kāi)關(guān)機(jī)電磁先導(dǎo)閥、1個(gè)緊急停機(jī)電磁閥構(gòu)成。過(guò)速保護(hù)裝置由2個(gè)二通插裝閥和1個(gè)事故停機(jī)電磁閥構(gòu)成。折向器控制單元及過(guò)速保護(hù)裝置采用開(kāi)關(guān)量控制，正常開(kāi)停機(jī)時(shí)，折向器慢開(kāi)慢關(guān)，在緊急停機(jī)、事故停機(jī)時(shí)快速關(guān)閉折向器，實(shí)現(xiàn)機(jī)組過(guò)速保護(hù)作用。

3.2.1 折向器正常開(kāi)停機(jī)

開(kāi)折向器時(shí)，緊急停機(jī)電磁閥和開(kāi)關(guān)電磁閥（均10通徑）處于左位狀態(tài)時(shí)，壓力油經(jīng)過(guò)緊急停機(jī)電磁閥和開(kāi)關(guān)電磁閥分別進(jìn)入二通插裝閥組件CV3（50通徑）、CV2（32通徑）的控制油口且作用于插裝閥閥芯的上端面，在壓力油作用下，CV3、CV2閥口均關(guān)閉。二通插裝閥CV1（32通徑）的控制油口接通排油，CV1閥口開(kāi)啟，壓力油進(jìn)入折向接力器開(kāi)機(jī)腔。此時(shí)，折向器接力器處于全開(kāi)位置。通過(guò)調(diào)整CV1的閥芯行程調(diào)節(jié)器可調(diào)節(jié)開(kāi)啟折向器的時(shí)間，3級(jí)站3#調(diào)速器折向器慢開(kāi)時(shí)間為25s。當(dāng)開(kāi)關(guān)電磁閥關(guān)機(jī)側(cè)電磁鐵DT2得電，開(kāi)關(guān)電磁閥處于右位，二通插裝閥CV1控制油口接通壓力油，CV1閥口關(guān)閉，同時(shí)，二通插裝閥CV2控制油口接通排油，CV2閥口開(kāi)啟。此時(shí)，CV1截?cái)鄩毫τ驮?，折向接力器開(kāi)機(jī)腔接通排油，折向接力器在水壓作用下便向關(guān)機(jī)方向運(yùn)動(dòng)。通過(guò)調(diào)整CV2的閥芯行程調(diào)節(jié)器可調(diào)節(jié)關(guān)啟折向器的時(shí)間，3級(jí)站3#調(diào)速器折向器慢開(kāi)時(shí)間為24.9s。

3.2.2 緊?？焖訇P(guān)機(jī)

當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷或緊急停機(jī)時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)速上升值，緊急停機(jī)電磁閥DT4動(dòng)作，二通插裝閥CV3（通徑50）控制油口接通排油，CV3閥口開(kāi)啟，折向接力器開(kāi)機(jī)腔接通排油，同時(shí)二通插裝閥CV1控制油口接通壓力油，CV1閥口關(guān)閉，切斷到折向器接力器的壓力油，折向接力器在水壓作用下快速關(guān)機(jī)。通過(guò)調(diào)整CV3的閥芯行程調(diào)節(jié)器可調(diào)節(jié)關(guān)啟折向器的時(shí)間，3級(jí)站3#調(diào)速器折向器緊急停機(jī)時(shí)間為2.2s。

3.2.3 事故停機(jī)

當(dāng)折向器控制單元失靈時(shí)，過(guò)速保護(hù)裝置動(dòng)作，確保機(jī)組可靠停機(jī)。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速上升到過(guò)速保護(hù)動(dòng)作值，事故停機(jī)電磁閥DT5得電，二通插裝閥CV4（通徑63）控制油口接通壓力油，CV4閥口關(guān)閉，二通插裝閥CV5（通徑63）控制油口接通排油，CV5閥口開(kāi)啟。此時(shí)，CV4截?cái)嗾巯蚩刂茊卧?，折向接力器開(kāi)機(jī)腔通過(guò)CV5接通排油，在折向接力器在水壓作用下實(shí)現(xiàn)快速關(guān)閉折向器。正常工作時(shí)，二通插裝閥CV4作為折向器正常開(kāi)關(guān)的工作油路通道。通過(guò)調(diào)整CV5的閥芯行程調(diào)節(jié)器可調(diào)節(jié)關(guān)閉折向器的時(shí)間，3級(jí)站3#調(diào)速器折向器緊急停機(jī)時(shí)間為2s。

4 調(diào)速器電氣部分

調(diào)速器以?shī)W地利貝加萊公司2003系列可編程計(jì)算機(jī)控制器、操作顯示觸摸屏及各功能模塊為核心硬件，與接口功能板共同構(gòu)成的高可靠性調(diào)節(jié)器。電氣部分采用雙通道冗余結(jié)構(gòu)，雙機(jī)互為備用，可無(wú)擾動(dòng)切換，交叉冗余增加調(diào)節(jié)系統(tǒng)的可靠性。

測(cè)頻環(huán)節(jié)是水輪機(jī)調(diào)速器最重要的前置環(huán)節(jié)，是調(diào)節(jié)器的計(jì)算基礎(chǔ)，一旦出錯(cuò)調(diào)速器自動(dòng)調(diào)節(jié)功能就失效。因此，測(cè)頻問(wèn)題是首先要解決的問(wèn)題。

PCC調(diào)速器的測(cè)頻環(huán)節(jié)是一個(gè)硬件和軟件都簡(jiǎn)單易行的過(guò)程，具有如下特點(diǎn)：①測(cè)頻通道多。有4個(gè)通道具有TPU（高速計(jì)數(shù)）功能，用來(lái)處理測(cè)頻，測(cè)頻精度達(dá)到10-5Hz。②測(cè)頻過(guò)程簡(jiǎn)單。對(duì)應(yīng)于四路專用測(cè)頻通道，PCC有專用的測(cè)頻語(yǔ)句。③測(cè)頻實(shí)時(shí)性強(qiáng)。PCC測(cè)頻，是測(cè)量上升沿至上升沿的時(shí)間，無(wú)須進(jìn)行分頻，因此PCC測(cè)頻的實(shí)時(shí)性比一般微機(jī)測(cè)頻的實(shí)時(shí)性提高了1倍。

水輪發(fā)電機(jī)組有多種運(yùn)行工況，不同的工況，需要采用不同的控制規(guī)律、控制結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)參數(shù)?？刂埔?guī)律的形成和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。該調(diào)速器自動(dòng)調(diào)節(jié)功能主要包括：智能化開(kāi)機(jī)、頻率調(diào)節(jié)、頻率跟蹤、并網(wǎng)、開(kāi)度調(diào)節(jié)、功率調(diào)節(jié)、一次調(diào)頻、自動(dòng)關(guān)機(jī)等。

5 工程實(shí)例

以禮河3級(jí)站3#調(diào)速器為例。①調(diào)速器靜態(tài)試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速死區(qū)ix（max）=0.018%≤0.04%，靜態(tài)特性曲線非線性度≤5%，滿足國(guó)標(biāo)要求。②自動(dòng)空載擺動(dòng)值在0.1Hz以內(nèi)，滿足國(guó)標(biāo)要求。③甩滿負(fù)荷時(shí)，機(jī)組上升的最高瞬態(tài)速率為129%，調(diào)節(jié)次數(shù)1次，滿足國(guó)標(biāo)要求。

以禮河發(fā)電廠3、4級(jí)站8臺(tái)調(diào)速器改造已于2011年11月全部完成，自投運(yùn)以來(lái)，安全穩(wěn)定運(yùn)行，靜特性、空載擾動(dòng)試驗(yàn)、帶負(fù)荷、甩負(fù)荷試驗(yàn)及一次調(diào)頻試驗(yàn)等均能達(dá)到有關(guān)技術(shù)規(guī)程要求，此次調(diào)速器改造效果良好。

6 結(jié)語(yǔ)

武漢長(zhǎng)江控制設(shè)備研究所生產(chǎn)的CJT4/2型四噴針沖擊式水輪機(jī)調(diào)速器是運(yùn)用先進(jìn)的可編程控制技術(shù)和現(xiàn)代液壓控制技術(shù)研制成功的沖擊式水輪機(jī)專用調(diào)速器，在很大程度上提高了調(diào)速器運(yùn)行可靠性，并體現(xiàn)了整體技術(shù)水平的先進(jìn)性及運(yùn)行維護(hù)的可操作性，完全滿足水電站“無(wú)人值班﹑少人值守”的自動(dòng)化要求。該項(xiàng)目調(diào)速器的設(shè)計(jì)方案對(duì)于同類型調(diào)速器的設(shè)計(jì)有重要的參考價(jià)值。

［1］魏守平.水輪機(jī)控制工程［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005.

［2］趙春天，何家文，潘熙和.阿鳩田電站多噴嘴沖擊式水輪機(jī)調(diào)速器的研制［J］.云南水力發(fā)電，2006，22（1）：89-90.

［3］潘熙和，王麗娟，齊耀華.多噴嘴沖擊式水輪機(jī)調(diào)速器在阿鳩田水電站的應(yīng)用［J］.水力發(fā)電，2006，32（2）：45-46.

［4］潘熙和，嚴(yán)國(guó)強(qiáng)，程維勝.PCC在水電站調(diào)速器和勵(lì)磁裝置上的應(yīng)用［J］.水電自動(dòng)化與大壩檢測(cè)，2008，32（3）：20-21.

［5］GB/T 9652.1—2007，水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件［S］.

［6］GB/T 9652.2—2007，水輪機(jī)控制系統(tǒng)試驗(yàn)［S］.

［7］賈寶良，郭建業(yè).關(guān)于高油壓調(diào)速器技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.水力發(fā)電，2003（9）：54-55.

［8］吳應(yīng)文.水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器若干問(wèn)題的探討［J］.水利機(jī)械技術(shù)，2001（3）:7-13.

［9］雷天覺(jué).液壓工程手冊(cè)［K］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1991.