可編程微機(jī)調(diào)速器在湖北黃龍灘水力發(fā)電廠的應(yīng)用及優(yōu)化配置

劉朝貴

摘要：隨著黃龍灘水力發(fā)電廠自動(dòng)化設(shè)備的不斷更新改造，比例數(shù)字式冗余可編程控制水輪機(jī)調(diào)速器已在該廠得到了成功的應(yīng)用。文章在介紹了可編程控制水輪機(jī)調(diào)速器的典型基本結(jié)構(gòu)的同時(shí)，針對(duì)在過(guò)去運(yùn)行維護(hù)中積累的經(jīng)驗(yàn)對(duì)主配反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化選型，并采用非接觸式位移傳感器作為微機(jī)調(diào)速器主配反饋輸入環(huán)節(jié)，從硬件根本上解決了常規(guī)接觸式電位器因接觸不良對(duì)調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的頻繁抽動(dòng)等危害，極大地提高了機(jī)組運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：可編程微機(jī)調(diào)速器；冗余；非接觸式；高速數(shù)字脈沖閥

中圖分類號(hào)：TV734 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）10-0105-02

1 概述

湖北黃龍灘水力發(fā)電廠位于漢江支流堵河上，距十堰市30km。電廠主要建筑物有混凝土重力壩、引水隧洞、發(fā)電廠房及開(kāi)關(guān)站等。分別設(shè)有2×85MW水輪發(fā)電機(jī)組和2×170MW水輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組全部為混流式。2002年動(dòng)工擴(kuò)建裝機(jī)容量2×170MW的水輪發(fā)電機(jī)組，2006年投產(chǎn)發(fā)電，擴(kuò)建后全廠總裝機(jī)容量達(dá)到510MW。黃龍灘水力發(fā)電廠機(jī)組在湖北電網(wǎng)系統(tǒng)承擔(dān)著調(diào)峰、調(diào)頻等重要任務(wù)。

PSWT比例數(shù)字式冗余可編程微機(jī)調(diào)速器是三聯(lián)公司開(kāi)發(fā)出來(lái)的新一代調(diào)速器，它適用于大中型混流式、軸流式、貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制，額定工作油壓為2.50MPa，主配壓閥直徑為100mm。它能使水輪發(fā)電機(jī)組在各種工況下穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的手/自動(dòng)開(kāi)停機(jī)、并網(wǎng)運(yùn)行、調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷、事故緊急停機(jī)等。

PSWT水輪機(jī)調(diào)速器有自動(dòng)、電手動(dòng)和機(jī)械手動(dòng)三種操作方式，具備轉(zhuǎn)速、開(kāi)度控制及功率調(diào)節(jié)、導(dǎo)葉電氣開(kāi)限、參數(shù)自適應(yīng)、電力系統(tǒng)頻率跟蹤、在線自診斷、容錯(cuò)及故障處理等功能，能在現(xiàn)地和遠(yuǎn)方進(jìn)行機(jī)組手/自動(dòng)開(kāi)停機(jī)和緊急停機(jī)，能以開(kāi)關(guān)量接點(diǎn)和數(shù)字通訊方式接收監(jiān)控系統(tǒng)的控制信號(hào)，并向監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳遞來(lái)自調(diào)速系統(tǒng)的反饋信息。

2 型號(hào)及工作原理

PSWT為單調(diào)節(jié)型調(diào)速器，只含有導(dǎo)葉控制部分。其基本工作原理是通過(guò)將來(lái)自接力器位移反饋信號(hào)與電氣信號(hào)在綜合放大器內(nèi)進(jìn)行比較并放大，并輸出模擬量（-10～10V）信號(hào)使比例閥產(chǎn)生與其成比例的位移，而數(shù)字閥控制的時(shí)候是由放大器輸出脈沖信號(hào)到高速數(shù)字球閥，改變油路來(lái)推動(dòng)引導(dǎo)閥動(dòng)作，引導(dǎo)閥同時(shí)產(chǎn)生位移并通過(guò)液壓放大器使主配壓閥活塞產(chǎn)生相應(yīng)的位移，主配壓閥同時(shí)向主接力器配油并使之移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)導(dǎo)葉的目的。PSWT調(diào)速器同時(shí)配置有緊急停機(jī)裝置，并可根據(jù)用戶要求提供導(dǎo)葉分段關(guān)閉裝置，以滿足機(jī)組調(diào)保計(jì)算要求。

3 系統(tǒng)組成

3.1 電氣控制系統(tǒng)

電氣部分采用法國(guó)施耐德ModiconTSXPremium系列可編程控制器，電氣輸出是以比例伺服閥為主、數(shù)字脈沖閥為輔的輸出方式。

3.1.1 硬件配置。調(diào)節(jié)器采用ModiconTSXP57104PLC為核心控制。ModiconTSXP5104可編程控制器是目前在可編程控制器微機(jī)調(diào)速器中配置較高的一種，控制指令豐富，網(wǎng)絡(luò)能力強(qiáng)。

TSXPremiumPLC采用機(jī)架式安裝，模塊配置方便，選型靈活，可擴(kuò)展性強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定，能滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各種功能需求。PLC的I/0具有光電隔離措施，抗干擾性強(qiáng)。系統(tǒng)配置一面觸摸屏作為人機(jī)交互接口，方便運(yùn)行維護(hù)人員現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)查看、參數(shù)修改及在線試驗(yàn)等。

3.1.2 軟件配置。PSWT型調(diào)速器系統(tǒng)軟件按模塊化功能設(shè)計(jì)，軟件滿足多級(jí)中斷響應(yīng)、調(diào)節(jié)計(jì)算、數(shù)據(jù)采集、邏輯控制、信息交換、故障診斷、容錯(cuò)功能等要求，采用模塊化編程語(yǔ)言，編程方便靈活，由多個(gè)運(yùn)行工況子程序和通用程序組成常駐程序和過(guò)程程序。

子程序主要有PID調(diào)節(jié)控制及參數(shù)優(yōu)化、頻率測(cè)量、模擬量采集、上電自診斷及狀態(tài)檢測(cè)、空載開(kāi)度負(fù)載開(kāi)限計(jì)算、自適應(yīng)開(kāi)機(jī)過(guò)程、工況轉(zhuǎn)換、電手動(dòng)/機(jī)手動(dòng)控制選擇、事件記錄、自動(dòng)試驗(yàn)等。

3.1.3 接力器位移編反饋。接力器位移傳感器采用13位絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)編碼器，格雷碼輸出誤碼率低，采樣精度高，分辨率可達(dá)到0.0001，運(yùn)行穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)葉開(kāi)度的精確控制。

3.1.4 非接觸式位移傳感器。原主配位移反饋環(huán)節(jié)配置日本生產(chǎn)的電阻式位移傳感器，在實(shí)際運(yùn)行中，由于機(jī)組擔(dān)任調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)，主配調(diào)節(jié)頻繁，致使電阻式電位器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后因靜、動(dòng)觸頭滑動(dòng)摩擦接觸電阻增大，反饋電壓不穩(wěn)，主配不能穩(wěn)定在中間位置，有頻繁抽動(dòng)現(xiàn)象。

根據(jù)上述現(xiàn)象，分析主要原因是主配反饋元件選型不當(dāng)引起的。在進(jìn)行充分確認(rèn)論證后，最終選擇德國(guó)BOSCH公司生產(chǎn)的非接觸式位移傳感器，它運(yùn)行穩(wěn)定無(wú)磨損，壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。從根本上解決了傳統(tǒng)電阻式電位器因滑動(dòng)觸頭接觸不良產(chǎn)生的阻值跳變而導(dǎo)致主配抽動(dòng)、機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)、電網(wǎng)頻率不穩(wěn)等一系列不良后果。

3.2 機(jī)械液壓系統(tǒng)配置

3.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。PSWT型調(diào)速器機(jī)械部分主要包含電液轉(zhuǎn)換器、手操機(jī)構(gòu)、自復(fù)中裝置、主配壓閥、緊急停機(jī)電磁閥等元件組成的機(jī)械液壓隨動(dòng)系統(tǒng)，由比例伺服閥、數(shù)字脈沖閥、機(jī)械手動(dòng)組成的機(jī)械冗余結(jié)構(gòu)。比例伺服閥和數(shù)字脈沖閥可互為冗余，運(yùn)行中誰(shuí)為主用誰(shuí)為備用可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求靈活組態(tài)。如果電氣控制部分檢測(cè)到作為主用的電液轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)出現(xiàn)卡澀拒動(dòng)時(shí)，將自動(dòng)切換到另一路電液轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，將比例閥伺服閥與高速數(shù)字脈沖閥融于一體，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械液壓系統(tǒng)前級(jí)的冗余容錯(cuò)控制。

3.2.2 運(yùn)行及操作方式選擇。

（1）本廠調(diào)速器控制方式選擇以比例伺服閥控制為主、數(shù)字脈沖閥控制為備用的工作方式，純機(jī)械手動(dòng)方式作為比例伺服閥和數(shù)字脈沖閥的后備，當(dāng)比例伺服閥和數(shù)字脈沖閥均故障時(shí)將自動(dòng)切換至純手動(dòng)方式運(yùn)行，純手動(dòng)方式也可作為操作人員現(xiàn)場(chǎng)操作使用。

（2）冗余切換原則：當(dāng)電氣檢測(cè)到主配壓閥位移反饋環(huán)節(jié)或電轉(zhuǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)由比例伺服閥控制切換至數(shù)字脈沖閥控制輸出。當(dāng)接力器位移反饋環(huán)節(jié)故障（包括斷線、控制環(huán)節(jié)故障等）時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)切至手動(dòng)運(yùn)行方式，直到故障消除后恢復(fù)自動(dòng)運(yùn)行方式。

（3）機(jī)械手動(dòng)方式。由安裝在高速數(shù)字脈沖閥上的手動(dòng)操作按鈕構(gòu)成的機(jī)械手動(dòng)機(jī)構(gòu)，能有效滿足現(xiàn)場(chǎng)操作和黑啟動(dòng)操作的手動(dòng)運(yùn)行要求。

3.2.3 主配壓閥。主配壓閥組中各液壓元件及油路采用組合式集成結(jié)構(gòu)，結(jié)合緊密，不易發(fā)卡和漏油。主配壓閥動(dòng)作靈活、可靠、導(dǎo)向性能好，能有效地控制油流。滿足開(kāi)、關(guān)接力器時(shí)間的要求，開(kāi)、關(guān)時(shí)間的整定方便可靠，并具備鎖定功能，一經(jīng)整定后，不會(huì)因運(yùn)行中的振動(dòng)等原因發(fā)生變動(dòng)。對(duì)接力器開(kāi)、關(guān)時(shí)間的整定滿足水輪機(jī)過(guò)渡過(guò)程及調(diào)保計(jì)算的要求。

4 整體評(píng)價(jià)

該P(yáng)SWT型調(diào)速器投運(yùn)后系統(tǒng)運(yùn)行可靠，滿足國(guó)家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。尤其是將主配位移反饋環(huán)節(jié)元件由電阻式電位器更換為非接觸式電位器后，完全滿足調(diào)峰調(diào)頻水電廠大負(fù)荷大波動(dòng)的調(diào)節(jié)要求，不僅大大地節(jié)約了資本，更極大地提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，在機(jī)組開(kāi)、停機(jī)，負(fù)載調(diào)節(jié)、水機(jī)事故處理中經(jīng)受了考驗(yàn)，但也存在以下不足：

（1）本系統(tǒng)未將電站上游庫(kù)區(qū)和下游尾水位水頭引入可編程微機(jī)調(diào)速器采集回路，使系統(tǒng)無(wú)水頭自適應(yīng)功能，造成高水頭運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行工況，低水頭時(shí)會(huì)出現(xiàn)開(kāi)機(jī)過(guò)程中導(dǎo)葉開(kāi)度不夠，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升慢甚至達(dá)不到額定轉(zhuǎn)速，并影響機(jī)組并網(wǎng)時(shí)間。因此需要將水頭水位接入調(diào)速系統(tǒng)，使其能夠根據(jù)水頭高度的變化自動(dòng)調(diào)整開(kāi)機(jī)起始開(kāi)度和空載額定開(kāi)度值，這樣才能有效滿足機(jī)組開(kāi)機(jī)、并網(wǎng)及負(fù)載調(diào)節(jié)的需要。

（2）設(shè)備在運(yùn)行后，對(duì)運(yùn)行及維護(hù)人員的跟蹤培訓(xùn)不到位，沒(méi)有定期安排生產(chǎn)廠家或資深專業(yè)人員進(jìn)行專題培訓(xùn)，運(yùn)行及維護(hù)人員不能深入了解設(shè)備的原理、性能、流程控制及故障診斷等功能，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀況及內(nèi)部故障不能及時(shí)準(zhǔn)確分析、判斷原因，并采取有效的處理措施，造成處理不及時(shí)不到位。

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[5] 黃龍灘水力發(fā)電廠機(jī)組程序控制流程圖.

（責(zé)任編輯：劉 晶）