調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)故障冗余設(shè)計(jì)與實(shí)踐

張 強(qiáng)，李士哲

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司錦屏水力發(fā)電廠，四川 西昌615000）

0 引言

錦屏一級(jí)水電站位于四川省涼山州鹽源縣和木里縣境內(nèi)，距西昌市約187 km，是雅礱江干流（卡拉至江口河段）五個(gè)梯級(jí)中的龍頭電站，水庫正常蓄水位1 880 m，相應(yīng)庫容77.6億m3，調(diào)節(jié)庫容49.1億m3，為年調(diào)節(jié)水庫，其下游梯級(jí)為錦屏二級(jí)、官地、二灘和桐子林電站。

錦屏一級(jí)水電站樞紐主要建筑物由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物和引水發(fā)電建筑物組成?；炷岭p曲拱壩高305 m，泄洪建筑物有壩身4個(gè)表孔和5個(gè)深孔及右岸1條泄洪洞。地下主、副廠房布置在右岸，主廠房中安裝6臺(tái)單機(jī)容量600 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量3 600 MW，年平均發(fā)電量為166.2億kW·h。

錦屏一級(jí)電站調(diào)速器為雙微機(jī)和雙比例閥調(diào)速系統(tǒng)，分為電氣控制部分和機(jī)械液壓調(diào)節(jié)部分，電氣控制部分采用了貝加萊公司的雙套熱備用的PCC2005控制器為核心，雙套PCC2005控制模件的切換通過外部的智能切換模件根據(jù)切換信號(hào)、故障信號(hào)進(jìn)行切換，通過采集機(jī)組頻率信號(hào)實(shí)現(xiàn)頻率閉環(huán)，通過采集機(jī)組導(dǎo)葉信號(hào)實(shí)現(xiàn)開度閉環(huán)，通過采集機(jī)組功率信號(hào)實(shí)現(xiàn)功率閉環(huán)，并將閉環(huán)計(jì)算輸出的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流量送給機(jī)械控制柜。

調(diào)速器機(jī)械柜配置了兩套獨(dú)立的綜合控制板（MB），可實(shí)現(xiàn)調(diào)速器電手動(dòng)閉環(huán)控制。通過電氣控制柜手自動(dòng)切換，可實(shí)現(xiàn)電氣控制柜自動(dòng)與機(jī)械控制柜電手動(dòng)的無擾轉(zhuǎn)換。機(jī)械液壓調(diào)節(jié)部分由德國博世公司生產(chǎn)的比例伺服閥和功率放大單元組成電-液轉(zhuǎn)換單元，實(shí)現(xiàn)電氣控制信號(hào)與機(jī)械液壓信號(hào)的連接。選用美國通用電氣公司的FC5000閥組作為機(jī)械液壓單元的主配壓閥，用于接收比例伺服閥的控制油路，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉的開啟關(guān)閉。FC5000主配壓閥控制閥組具備自復(fù)中功能和緊急停機(jī)功能，可進(jìn)行機(jī)械手動(dòng)操作和緊急停機(jī)。調(diào)速器電氣控制部分與液壓調(diào)節(jié)部分共同組成調(diào)速器的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)組的控制。

1 概述

調(diào)速器的液壓隨動(dòng)系統(tǒng)的作用是執(zhí)行電氣調(diào)節(jié)柜的控制命令，將電控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為油壓控制，通過逐級(jí)驅(qū)動(dòng)的方式最終進(jìn)行水輪機(jī)的導(dǎo)葉調(diào)整，從而起到機(jī)組功率調(diào)整的作用。調(diào)速器的液壓隨動(dòng)系統(tǒng)主要包括伺服比例閥及其控制反饋裝置、主配壓閥及其反饋裝置、液壓管路及接力器、導(dǎo)葉位置傳感器等一系列元器件。

調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)中任何一個(gè)控制閥組不正常動(dòng)作或油管路堵塞均有可能引起導(dǎo)致整個(gè)液壓系統(tǒng)動(dòng)作異常，導(dǎo)致整個(gè)調(diào)速器的調(diào)節(jié)失敗。對(duì)于具有位置反饋信號(hào)的伺服比例閥，可以將反饋信號(hào)送至功率放大板進(jìn)行檢測(cè)，判斷比例閥動(dòng)作是否正常；同樣主配壓閥也有相同的反饋機(jī)構(gòu)，反饋信號(hào)上送至控制模塊構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)，控制模塊可以對(duì)液壓異常情況進(jìn)行判斷，這些故障信號(hào)都以開關(guān)量的形式送調(diào)速器電氣控制柜進(jìn)行判斷，進(jìn)而進(jìn)行伺服比例閥的切換。但這些都是電氣量上的測(cè)量，可能存在測(cè)量誤區(qū)無法準(zhǔn)確判斷，可以考慮增設(shè)調(diào)速器液壓系統(tǒng)的綜合故障，用于判斷整個(gè)液壓隨動(dòng)系統(tǒng)回路是否正常。

2 液壓系統(tǒng)故障邏輯功能完善思考及實(shí)踐

根據(jù)調(diào)速器副環(huán)傳遞函數(shù)（圖1）可知，對(duì)于調(diào)速器電氣調(diào)節(jié)部分來說，整個(gè)液壓隨動(dòng)系統(tǒng)就是一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)柜電氣控制系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)開度調(diào)節(jié)命令（±10 V DC）至機(jī)械液壓柜，液壓隨動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，接力器進(jìn)行開方向或關(guān)方向動(dòng)作，帶動(dòng)固定在接力器支架上的導(dǎo)葉位移傳感器進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，導(dǎo)葉位移傳感器的測(cè)量反饋上送至電氣控制柜作為整個(gè)控制系統(tǒng)的大閉環(huán)。

雖然液壓隨動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部有比例伺服閥閉環(huán)、主配壓閥閉環(huán)，但液壓系統(tǒng)內(nèi)部任何故障最終均能通過開度閉環(huán)來反映。

圖1 調(diào)速器副環(huán)傳遞函

根據(jù)調(diào)速器副環(huán)傳遞函數(shù)進(jìn)行導(dǎo)葉給定與導(dǎo)葉反饋進(jìn)行模擬試驗(yàn)，其中導(dǎo)葉偏差按百分比計(jì)算，即0%～100%對(duì)應(yīng)全關(guān)-全開，控制電壓輸出為±10 V，其中正值對(duì)應(yīng)開啟導(dǎo)葉，負(fù)值對(duì)應(yīng)關(guān)閉導(dǎo)葉。解開調(diào)速器控制系統(tǒng)電氣柜控制信號(hào)輸出至機(jī)械液壓柜接線，接入電壓量信號(hào)發(fā)生器，根據(jù)發(fā)出不同的電壓量記錄導(dǎo)葉給定與導(dǎo)葉反饋之間偏差關(guān)系，見表1。

根據(jù)控制結(jié)構(gòu)示意圖可見，程序中導(dǎo)葉控制采用PI計(jì)算環(huán)節(jié)并對(duì)積分進(jìn)行限幅，根據(jù)模式實(shí)測(cè)與理論計(jì)算一致。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)調(diào)速器液壓系統(tǒng)綜合故障邏輯進(jìn)行完善。調(diào)速器液壓系統(tǒng)的綜合故障邏輯如下：本套為主機(jī)自動(dòng)狀態(tài)、導(dǎo)葉無總故障下，當(dāng)導(dǎo)葉給定與導(dǎo)葉反饋的差值大于3%時(shí)，持續(xù)2.6 s后判斷開啟方向?qū)~動(dòng)作速度小于0.5%，并持續(xù)0.5 s，判斷為導(dǎo)葉液壓隨動(dòng)系統(tǒng)故障；當(dāng)導(dǎo)葉給定與導(dǎo)葉反饋的差值大于-3%時(shí)，持續(xù)2.6 s后判斷關(guān)閉方向?qū)~動(dòng)作速度小于0.5%，并持續(xù)1 s，判斷為導(dǎo)葉液壓隨動(dòng)系統(tǒng)故障（由于液壓隨動(dòng)系統(tǒng)存在一定的動(dòng)作滯后性及接力器不動(dòng)時(shí)間，開度給定和開度反饋的變化方向和速度應(yīng)考慮一定延時(shí)）。

表1 導(dǎo)葉給定控制電壓與導(dǎo)葉偏差關(guān)系

圖2 控制電壓與導(dǎo)葉偏差關(guān)系

試驗(yàn)驗(yàn)證：接入頻率信號(hào)發(fā)生器，通過短接開機(jī)令、并網(wǎng)令、一次調(diào)頻令，模擬機(jī)組并網(wǎng)狀態(tài)，調(diào)試電腦錄制 Gv_Give（開度給定）、Freq_Unit_Fdbk（機(jī)組頻率）、Gv_Fdbk（開度反饋）、Gv_Hydr_Error（液壓故障）波形。在調(diào)速器當(dāng)前開度，關(guān)閉油路，短接導(dǎo)葉增加令或減少令改變導(dǎo)葉給定，使用導(dǎo)葉給定變化超過3%，觀察液壓故障報(bào)警報(bào)出正常，并對(duì)該過程進(jìn)行全程錄波。試驗(yàn)波形見圖3、圖4。

圖3 導(dǎo)葉給定關(guān)閉方向液壓故障邏輯驗(yàn)證

圖4 導(dǎo)葉給定開啟方向液壓故障邏輯驗(yàn)證

3 結(jié)語

調(diào)速器作為水輪發(fā)電機(jī)組有功功率調(diào)節(jié)的自動(dòng)控制設(shè)備，它的穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，從而直接影響電網(wǎng)的安全。現(xiàn)代微機(jī)調(diào)速器可以更加精確有效的控制機(jī)組運(yùn)行，確保機(jī)組發(fā)出更優(yōu)質(zhì)電能，同時(shí)減少機(jī)組異常停機(jī)的可能，為電力行業(yè)取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。但由于行業(yè)的發(fā)展和需要，微機(jī)調(diào)速器始終處于不斷發(fā)展的階段，調(diào)速器的邏輯設(shè)計(jì)需要實(shí)踐與優(yōu)化才能更加完善，才能確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

大型水電廠調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)均設(shè)置了一些報(bào)警保護(hù)功能，能夠?qū)M足絕大多數(shù)異常狀況進(jìn)行報(bào)警，但也存在一些不完善的地方。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)實(shí)踐，從調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)綜合故障邏輯報(bào)警功能完善思考，并提出一些有針對(duì)性的試驗(yàn)方法，希望為其他水電廠提供借鑒。