水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在巨型電站的設(shè)計(jì)應(yīng)用

靳光永，錢 鳳

[南瑞集團(tuán)（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇省南京市 211106]

0 引言

烏東德水電站是金沙江下游河段四個(gè)水電梯級(jí)中的最上游梯級(jí)，也是中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司開發(fā)的金沙江下游河段梯級(jí)的第一級(jí)電站。烏東德水電站的開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧防洪、攔沙、改善下游航運(yùn)條件和發(fā)展庫(kù)區(qū)通航等綜合效益，是“西電東送”的骨干電源點(diǎn)之一，在系統(tǒng)中承擔(dān)基荷、腰荷和部分峰荷，并承擔(dān)少量事故備用。電站共裝設(shè)12臺(tái)（左、右岸各6臺(tái)）單機(jī)容量為850MW的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為10200MW。

水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)對(duì)于水電站的正常運(yùn)行有著重要的作用，調(diào)速系統(tǒng)不但要保持水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定地以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，而且要承擔(dān)機(jī)組的正常開停機(jī)、負(fù)荷增減、工況轉(zhuǎn)換、緊急停機(jī)等任務(wù)。根據(jù)巨型電站的特征需求和電網(wǎng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，研究調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用模式，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升功能，對(duì)于保持水輪機(jī)組和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的意義。同時(shí)在調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段構(gòu)建三維模型，可以更直觀地表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，更好地溝通設(shè)計(jì)需求，為優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)組成

水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的硬件組成主要分為電氣控制設(shè)備和機(jī)械液壓裝置。電氣控制設(shè)備接受外部輸入的各種信號(hào)量，綜合分析后輸出控制信號(hào)給機(jī)械液壓裝置，通過(guò)機(jī)械液壓裝置的有效執(zhí)行進(jìn)而控制導(dǎo)葉接力器的動(dòng)作。

1.1 電氣控制設(shè)備

調(diào)速系統(tǒng)的電氣控制設(shè)備主要包括：電源裝置、控制器PCC、PLC、觸摸屏、綜合模塊和繼電器等，這些器件分別安裝到電氣控制柜和液壓操作柜內(nèi)。電氣控制柜布置在發(fā)電機(jī)層，主要用于調(diào)速器的自動(dòng)控制；液壓操作柜布置在出線層，機(jī)械液壓裝置附近，主要用于調(diào)速器的現(xiàn)地操作，方便調(diào)試、實(shí)驗(yàn)。

1.1.1 電源裝置

為了保障調(diào)速系統(tǒng)所有器件電源的穩(wěn)定性和可靠性，電氣控制柜和液壓操作柜內(nèi)均設(shè)置了兩套獨(dú)立的電源系統(tǒng)，每套電源系統(tǒng)同時(shí)采用交、直流雙重供電。兩套電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的24V分別給兩套獨(dú)立的控制器提供電源，控制柜內(nèi)的共用器件則采用兩套電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后的24V公共電源。控制柜電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1.2 控制器

調(diào)速系統(tǒng)采用了貝加萊X20-PCC作為核心控制器，X20-PCC的分時(shí)多任務(wù)特點(diǎn)、獨(dú)立的測(cè)頻功能和較快的運(yùn)算速度能極好的滿足調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定精準(zhǔn)的控制。

電氣控制柜內(nèi)配置了兩套獨(dú)立的PCC控制器作為雙冗余熱備用，兩套控制器之間的主從狀態(tài)可通過(guò)第三方PLC進(jìn)行判斷，當(dāng)主機(jī)PCC出現(xiàn)故障而另一套PCC正常運(yùn)行時(shí)，PLC會(huì)自動(dòng)將正常運(yùn)行的PCC切換為主機(jī)。因兩套控制器同步采集相同的信號(hào)量，也同步輸出相同的控制量，故PCC之間能夠?qū)崿F(xiàn)智能無(wú)擾動(dòng)切換。

圖1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Power system structure

1.1.3 觸摸屏

電氣控制柜的人機(jī)界面選用貝加萊PPC2100系列的15寸高亮度液晶觸摸顯示屏。作為調(diào)速器整個(gè)控制系統(tǒng)的監(jiān)控顯示和操作界面，該觸摸屏和PCC控制器具有同一套軟件開發(fā)平臺(tái)，兩者之間通信無(wú)需編程，兼容性好，且采樣速度快、內(nèi)存大，實(shí)時(shí)性好，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，實(shí)時(shí)錄波。方便實(shí)用的人機(jī)界面集調(diào)試與運(yùn)行功能于一體，能自動(dòng)錄制試驗(yàn)曲線。

1.1.4 智能綜合控制模塊

為配合調(diào)速系統(tǒng)液壓裝置的伺服比例閥控制、主配壓閥反饋控制及手動(dòng)閉環(huán)控制，南瑞研發(fā)了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能綜合控制模塊。該模塊引入了伺服比例閥反饋、主配壓閥反饋和接力器行程反饋，增強(qiáng)了系統(tǒng)的速動(dòng)性和穩(wěn)定性；此外，模塊還具備這三種反饋的在線監(jiān)視和斷線報(bào)警及保護(hù)功能。

液壓操作柜配置了兩臺(tái)獨(dú)立的智能綜合控制模塊，分別對(duì)應(yīng)控制液壓系統(tǒng)的兩個(gè)伺服比例閥，兩套伺服系統(tǒng)互為冗余，其主從狀態(tài)可通過(guò)主機(jī)PCC自動(dòng)選擇切換。

1.2 液壓系統(tǒng)組成

液壓系統(tǒng)原理圖詳見圖2。

液壓系統(tǒng)主要包括油壓裝置和調(diào)速系統(tǒng)兩部分組成。其中油壓裝置采用四臺(tái)油泵臥式布置的方式，油泵吸油口過(guò)濾器及閥門等均布置在回油箱外部，方便檢修。調(diào)速系統(tǒng)主要包括主配壓閥及其先導(dǎo)控制部分，隔離閥、事故配壓閥、分段關(guān)閉裝置及鎖錠裝置等。原理圖不僅表示了系統(tǒng)的原理，同時(shí)表明了系統(tǒng)的連接，閥門、開關(guān)等各個(gè)元件的布置情況。

2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)特性

隨著科學(xué)的不斷創(chuàng)新，技術(shù)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)和水電廠對(duì)水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的功能特性提出了越來(lái)越高的要求，為了滿足新形勢(shì)的需求，調(diào)速系統(tǒng)在傳統(tǒng)調(diào)節(jié)功能的基礎(chǔ)上，不斷開發(fā)、完善和提升了一次調(diào)頻、功率閉環(huán)、直流小網(wǎng)運(yùn)行、孤網(wǎng)運(yùn)行、實(shí)時(shí)對(duì)時(shí)、實(shí)時(shí)通信等功能。

2.1.1 一次調(diào)頻功能

一次調(diào)頻即機(jī)組并網(wǎng)后，當(dāng)外界負(fù)荷變化引起電網(wǎng)頻率改變時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)機(jī)組所帶負(fù)荷，使之與外界負(fù)荷相平衡。

烏東德左岸調(diào)速系統(tǒng)預(yù)留一次調(diào)頻投入和一次調(diào)頻退出的開關(guān)量輸入通道，當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)接收到監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的一次調(diào)頻投入令時(shí)，自動(dòng)投入一次調(diào)頻功能，調(diào)用一次調(diào)頻的PID參數(shù)，同時(shí)上報(bào)一次調(diào)頻功能投入反饋信號(hào)給監(jiān)控系統(tǒng)。一般的，機(jī)組一次調(diào)頻頻率死區(qū)控制在±0.05Hz以內(nèi)，永態(tài)轉(zhuǎn)差率不大于 4%。當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)測(cè)量的機(jī)頻與網(wǎng)頻之間的差值超過(guò)一次調(diào)頻頻率死區(qū)時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷，同時(shí)上報(bào)一次調(diào)頻動(dòng)作信號(hào)給監(jiān)控系統(tǒng)。調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)過(guò)程將持續(xù)到頻率差值回復(fù)到頻率死區(qū)范圍內(nèi)。

2.1.2 功率閉環(huán)功能

機(jī)組在發(fā)電態(tài)時(shí)，一般的調(diào)速系統(tǒng)常采用開度調(diào)節(jié)模式，即調(diào)速系統(tǒng)接收監(jiān)控下發(fā)的增功令、減功令，改變導(dǎo)葉開度，以達(dá)到調(diào)節(jié)有功功率的目的。這種調(diào)節(jié)模式比較穩(wěn)定，也是目前國(guó)內(nèi)比較常用的調(diào)節(jié)模式。

功率閉環(huán)模式是指調(diào)速系統(tǒng)接收監(jiān)控下發(fā)的功率給定值信號(hào)，對(duì)比當(dāng)前采集的功率反饋值，根據(jù)兩者之間的功率偏差自動(dòng)調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度，使功率反饋值達(dá)到給定值，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)功率的目的。功率閉環(huán)模式具有更快的響應(yīng)速度和更小的超調(diào)量，近年來(lái)越來(lái)越多的大型電站采用這樣的功率調(diào)節(jié)模式。

烏東德左岸調(diào)速系統(tǒng)同時(shí)具備開度調(diào)節(jié)和功率閉環(huán)兩種模式，能可靠實(shí)現(xiàn)模式切換。其中功率閉環(huán)模式又預(yù)留有兩種實(shí)施方案：

（1）通信方式：監(jiān)控系統(tǒng)以通信的方式將功率給定值下發(fā)給調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)確認(rèn)過(guò)數(shù)值后，自動(dòng)調(diào)節(jié)有功功率。

（2）模擬量方式：監(jiān)控系統(tǒng)以模擬量信號(hào)的方式將功率給定值發(fā)送給調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速系統(tǒng)接受模擬量信號(hào)后再將讀取值通過(guò)模擬量方式或通信方式反饋給監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)比下發(fā)值和反饋值，確認(rèn)一致后下發(fā)功率閉環(huán)執(zhí)行令給調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速系統(tǒng)即可以此值為目標(biāo)自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組有功功率。

2.1.3 大網(wǎng)、小網(wǎng)、孤網(wǎng)運(yùn)行模式

考慮到烏東德左岸電站投運(yùn)后將并入的西南電網(wǎng)有異步聯(lián)網(wǎng)的需求，故調(diào)速系統(tǒng)預(yù)設(shè)置了大網(wǎng)、小網(wǎng)和孤網(wǎng)三種運(yùn)行模式。

（1）大網(wǎng)運(yùn)行模式：機(jī)組發(fā)電并入交流大電網(wǎng)運(yùn)行，并網(wǎng)后調(diào)速系統(tǒng)可選擇開度調(diào)節(jié)或功率閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，一次調(diào)頻功能也可根據(jù)需求投入、退出。

（2）小網(wǎng)運(yùn)行模式：機(jī)組發(fā)電并入直流小網(wǎng)運(yùn)行，并網(wǎng)后調(diào)速系統(tǒng)以調(diào)功為主，采用開度調(diào)節(jié)方式。

（3）孤網(wǎng)運(yùn)行模式：機(jī)組帶地區(qū)小電網(wǎng)或廠用電運(yùn)行，此時(shí)調(diào)速系統(tǒng)是以調(diào)頻為主。

機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)可結(jié)合外部指令進(jìn)行三種運(yùn)行模式的切換。

2.1.4 對(duì)時(shí)

調(diào)速系統(tǒng)作為機(jī)組的核心控制設(shè)備，其內(nèi)部及外部產(chǎn)生的重要信號(hào)變化都需要記錄較精確的時(shí)鐘信息，其對(duì)時(shí)功能也顯得日益重要。

調(diào)速系統(tǒng)控制器X20-PCC自身具有以太網(wǎng)通信接口，可直接采用網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)的方式，通過(guò)SNTP協(xié)議與GPS時(shí)鐘源進(jìn)行通信對(duì)時(shí)。

根據(jù)巨型電站的特點(diǎn)，會(huì)要求參與對(duì)時(shí)的設(shè)備均采用統(tǒng)一的對(duì)時(shí)方式，B碼對(duì)時(shí)，而PPC不具備B碼對(duì)時(shí)接口，無(wú)法直接獲取GPS裝置下發(fā)的B碼時(shí)間信息，故調(diào)速系統(tǒng)配置了一臺(tái)B碼解碼器，將時(shí)間信息解碼后再通信給PCC，PCC可結(jié)合內(nèi)部時(shí)鐘提高對(duì)時(shí)精度。

圖3 主配壓閥控制原理圖Fig.3 Principle of main distributing valve control

2.1.5 通信

調(diào)速系統(tǒng)常用的通信方式有RS232、RS485和網(wǎng)絡(luò)通信，在烏東德左岸電站中，調(diào)速系統(tǒng)采用的是網(wǎng)絡(luò)通信。調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)配置了網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，以此為中介，對(duì)內(nèi)連接兩套PCC控制器和觸摸屏，對(duì)外連接到監(jiān)控系統(tǒng)。PCC與觸摸屏之間通信，兩套PCC之間通信，以及PCC與監(jiān)控系統(tǒng)的通信均通過(guò)以太網(wǎng)的方式進(jìn)行。

2.2 液壓系統(tǒng)原理優(yōu)化

2.2.1 液壓系統(tǒng)回路介紹

調(diào)速系統(tǒng)主配壓閥控制回路主要包括自動(dòng)回路、手動(dòng)閉環(huán)控制回路、純機(jī)械手動(dòng)控制回路、急停回路。

（1）自動(dòng)控制回路：自動(dòng)回路由伺服比例閥SV1、SV2和切換閥10EM1組成。正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)伺服比例閥SV1對(duì)主配壓閥10MDV進(jìn)行控制，當(dāng)伺服比例閥SV1出現(xiàn)故障時(shí)，則通過(guò)切換閥10EM1切換到SV2，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)回路的冗余控制。

（2）手動(dòng)閉環(huán)控制回路：手動(dòng)閉環(huán)控制回路通過(guò)伺服比例閥SV1和SV2實(shí)現(xiàn)。

（3）純機(jī)械手動(dòng)回路：純手動(dòng)切換電磁閥10EM3線圈失電，復(fù)中油缸控制腔通壓力油，同時(shí)輔助液控閥機(jī)能切換，主配壓閥控制腔通回油，實(shí)現(xiàn)了主配壓閥的復(fù)中功能，通過(guò)操作手動(dòng)增加閥10HM1手柄，使得主配壓閥控制腔通壓力油，主配往開方向動(dòng)作，通過(guò)操作手動(dòng)減少發(fā)10HM2手柄，復(fù)中油缸控制腔通回油，在主配壓閥恒壓腔壓力油的作用下，主配壓閥往關(guān)方向動(dòng)作。原理的設(shè)計(jì)避免了在純手動(dòng)切換電磁閥沒(méi)有投入的情況下，誤操作手動(dòng)增加和減少閥帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 MDV1250主配壓閥

主配壓閥作為調(diào)速系統(tǒng)的核心執(zhí)行元件，對(duì)主配壓閥的設(shè)計(jì)計(jì)算等具有很高的要求。

MDV1系列主配壓閥為南瑞新型單端控制主配壓閥，主配壓閥上端為恒壓腔，通恒壓油，下端為控制腔，控制腔面積較恒壓腔大。其中MDV1250主配壓閥通徑為250，屬于巨型主配壓閥。

為了滿足巨型電站對(duì)主配的使用要求，MDV1250主配壓閥在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，主要包括以下幾方面：

（1）主配壓閥對(duì)外接口法蘭采用方法蘭替代傳統(tǒng)的圓法蘭，連接管采用插焊方式連接，減少了空間，同時(shí)對(duì)連接法蘭的螺栓強(qiáng)度進(jìn)行了校核計(jì)算。

（2）采用雙主配反饋傳感器，實(shí)現(xiàn)兩套控制系統(tǒng)完全冗余控制；圖4為主配壓閥。

圖4 主配壓閥Fig.4 The main distributing valve

（3）主配壓閥布置在回油箱頂部，采用側(cè)邊和底部回油相結(jié)合的方式，優(yōu)化了回油結(jié)構(gòu)。

2.2.3 壓力罐設(shè)計(jì)優(yōu)化

壓力油罐和壓力氣罐作為整個(gè)系統(tǒng)的壓力源，對(duì)其穩(wěn)定可靠設(shè)計(jì)尤為重要，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。

（1）自動(dòng)化控制元件（壓力開關(guān)和壓力變送器）油源從磁翻板液位計(jì)下端取油。

（2）輔助供油從主供油管路上取，避免在罐體開孔，降低了系統(tǒng)的泄露可能性。

（3）回油箱頂部設(shè)置擋腳板。

2.2.4 隔離閥裝置

機(jī)組開機(jī)時(shí)，將隔離閥打開，機(jī)組關(guān)機(jī)時(shí)，將隔離閥關(guān)閉。隔離閥布置在壓力罐主供油閥后很好地避免了當(dāng)接力器部分管路出現(xiàn)損壞造成系統(tǒng)壓力急劇下降，保證了機(jī)組穩(wěn)定關(guān)閉的同時(shí)，也保證了油壓裝置壓力油罐液壓油，防止導(dǎo)葉關(guān)閉后仍然造成液壓油的大量損耗。

3 三維模型的設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)關(guān)鍵部件主配壓閥、隔離閥、事故配壓閥和分段關(guān)閉裝置進(jìn)行詳細(xì)的三維設(shè)計(jì)以及按照1∶1實(shí)際反映整個(gè)液壓系統(tǒng)的整體三維裝配，直觀真實(shí)地反映了系統(tǒng)的布置情況，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際施工和管路走向優(yōu)化提供參考。具體詳見圖5油壓裝置廠房總裝圖。

圖5 油壓裝置廠房總裝圖Fig.5 Layout of oil pressure unit

整個(gè)系統(tǒng)盡可能采用明管設(shè)計(jì)，保證巨型電站對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的前提下，對(duì)后期的維護(hù)檢修提供了便利同時(shí)更直觀地反映了系統(tǒng)的原理走向。

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)烏東德左岸電站調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要進(jìn)行了以下幾方面的優(yōu)化提升：

（1）基于傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)控制功能的基礎(chǔ)上，不斷開發(fā)、完善和提升了一次調(diào)頻、功率閉環(huán)、直流小網(wǎng)運(yùn)行、孤網(wǎng)運(yùn)行、實(shí)時(shí)對(duì)時(shí)、實(shí)時(shí)通信等功能。

（2）調(diào)速系統(tǒng)的功率閉環(huán)模式設(shè)置了兩種實(shí)施方案。

（3）調(diào)速系統(tǒng)設(shè)置了大網(wǎng)、小網(wǎng)和孤網(wǎng)三種發(fā)電運(yùn)行模式，并能安全穩(wěn)定的進(jìn)行模式切換。

（4）根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的布置實(shí)際，優(yōu)化了MDV1250主配壓閥回油結(jié)構(gòu)以及對(duì)外的法蘭接口。

（5）壓力油罐和壓力氣罐結(jié)合用戶的需求，減少了罐體閥門的開孔，盡可能采用明管布置，便于檢修和觀察。

（6）設(shè)置隔離閥裝置，為系統(tǒng)油源提供了保護(hù)，避免了誤動(dòng)作等油大量損耗的情況，降低了對(duì)環(huán)境污染的可能。

（7）電氣和機(jī)械系統(tǒng)用三維進(jìn)行設(shè)計(jì)，直觀簡(jiǎn)潔。