蘭春星（中國水利水電第十二工程局機(jī)電安裝分局，浙江 麗水 323000）

灘坑水電站數(shù)字缸筒形閥電液同步控制系統(tǒng)介紹

蘭春星
（中國水利水電第十二工程局機(jī)電安裝分局，浙江 麗水 323000）

摘要：灘坑水電站3號(hào)機(jī)組筒形閥采用了目前國內(nèi)最先進(jìn)的全數(shù)字集成式電液控制系統(tǒng)。文章就該系統(tǒng)的基本原理、性能參數(shù)、優(yōu)點(diǎn)等進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：灘坑水電站；數(shù)字缸筒形閥電液同步控制系統(tǒng)；介紹

0　引言

灘坑水電站位于浙江省青田縣境內(nèi)的甌江支流小溪中游河段，是一座具有調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用功能，同時(shí)兼顧防洪及具有其他綜合利用效益的特大型水利水電樞紐工程。該電站裝設(shè)3臺(tái)200MW混流式機(jī)組及1臺(tái)4 000 kW生態(tài)小機(jī)組，電站年利用小時(shí)數(shù)1 705 h，年發(fā)電量10.23億kW·h。電站按無人值班要求設(shè)計(jì),首臺(tái)機(jī)組于2008年8月投產(chǎn)發(fā)電，2009年8月全部機(jī)組投入運(yùn)行。

灘坑水電站1號(hào)、2號(hào)機(jī)組筒形閥采用的同步方式為改進(jìn)型機(jī)械同步控制系統(tǒng)，3號(hào)機(jī)組采用了目前國內(nèi)最先進(jìn)的數(shù)字缸－筒形閥電液同步控制系統(tǒng)。3臺(tái)200MW豎軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組及筒形閥等設(shè)備由東方電機(jī)股份有限公司供貨。

1　數(shù)字缸--筒形閥電液同步控制系統(tǒng)概述

1.1筒形閥及控制系統(tǒng)參數(shù)

3號(hào)機(jī)組筒形閥設(shè)計(jì)最大工作水頭127m,最大升壓水頭160m；筒形閥正常開啟時(shí)間：≤90 s，筒形閥正常關(guān)閉時(shí)間：≤70 s，筒形閥動(dòng)水關(guān)閉時(shí)間：≤60 s，筒形閥動(dòng)水關(guān)閉時(shí)接力器下腔最大壓力（計(jì)算值）：15.0MPa，筒形閥失步的最大允許值：5.0mm。筒形閥筒體外徑：5 528mm，筒形閥操作接力器數(shù)量：5個(gè)，接力器缸內(nèi)徑:280mm，接力器活塞桿直徑：125mm，接力器行程:1 128mm；接力器操作油壓：6.3MPa，事故操作最低油壓：4.4MPa；；數(shù)字缸型號(hào)：SZG-280/125-1128。

1.2數(shù)字缸--筒形閥電液同步控制系統(tǒng)組成

數(shù)字缸－筒形閥電液同步控制系統(tǒng)是由液壓控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)兩部分組成的。液壓部分為數(shù)字液壓伺服控制裝置，數(shù)字液壓伺服控制裝置安裝在接力器的頂部（接力器上端蓋上），形成5套數(shù)字缸，這是筒形閥電液同步系統(tǒng)的核心部分。筒形閥電氣控制裝置由2個(gè)800mm×800mm×2 260mm標(biāo)準(zhǔn)屏柜組成，他們分別是數(shù)字缸筒形閥電液同步控制柜、數(shù)字缸筒形閥電液同步功率柜。

圖1

1.3液壓控制系統(tǒng)

（1）液壓控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是數(shù)字缸。數(shù)字缸是一個(gè)高度集成的液壓控制元件，是液壓控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它由操作油缸（接力器）、智能數(shù)字液壓伺服控制裝置兩個(gè)主要部分組成。數(shù)字缸內(nèi)，集成有高精度數(shù)字液壓伺服閥、高精度步進(jìn)電機(jī)（也稱數(shù)字電機(jī)）、特殊高精度內(nèi)置式機(jī)械位置傳感器、液控單向閥、單向閥、接力器位移變送器等。

（2）數(shù)字缸將原來復(fù)雜的速度控制盒位置閉環(huán)控制，變成了簡單的數(shù)字脈沖開環(huán)控制。控制脈沖與接力器位移完全成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)一個(gè)當(dāng)量值，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系由數(shù)字缸內(nèi)部自動(dòng)完成的PID調(diào)節(jié)過程來保證。

（3）數(shù)字缸活塞桿移動(dòng)位移的實(shí)際誤差，是由設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、裝配決定的。在活塞桿移動(dòng)過程中，沒有累積誤差，只有一個(gè)基礎(chǔ)誤差。

1.4數(shù)字缸--筒形閥電液同步控制系統(tǒng)工作原理

1.4.1筒形閥開啟、關(guān)閉

筒形閥的開啟、關(guān)閉，由5只直缸接力器驅(qū)動(dòng)；5只直缸接力器的控制，采用帶位置檢測盒輸出的新型數(shù)字缸完成。數(shù)字液壓伺服控制裝置安裝在筒形閥操作接力器的頂部，即操作接力器端蓋上，與操作接力器組成數(shù)字缸。在5只直缸接力器內(nèi)，還集成有位移變送器；每個(gè)數(shù)字缸內(nèi)部，集成有數(shù)字缸電-液轉(zhuǎn)換接口，一個(gè)小型步進(jìn)電機(jī)。

筒形閥是通過步進(jìn)電機(jī)控制的。正常工作時(shí)，由筒形閥電氣控制裝置按照編好的程序，向5個(gè)步進(jìn)電機(jī)輸出速度和位置信號(hào)，筒形閥即可按給定的運(yùn)行曲線高精度同步開啟、關(guān)閉，脈沖頻率代表接力器運(yùn)行速度，脈沖總數(shù)代表行程，一一對(duì)應(yīng)。這些功能的實(shí)現(xiàn)，依靠的是數(shù)字缸內(nèi)部的傳感器自動(dòng)檢測速度和位移，并與數(shù)字缸給定的速度指令和位置指令，在接力器內(nèi)部時(shí)時(shí)比較和自動(dòng)調(diào)節(jié)，并在接力器內(nèi)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械速度閉環(huán)和位置閉環(huán)。只要輸出給5只直缸接力器頂部的數(shù)字缸同規(guī)律的控制信號(hào)，5只直缸接力器就能始終保持高精度的速度同步和位置同步。

安裝于直缸接力器內(nèi)的位移變送器，實(shí)時(shí)檢測各直缸接力器實(shí)際位置、行程，并將檢測信號(hào)實(shí)時(shí)送到筒形閥電氣控制裝置，電氣控制裝置接收接力器位移信號(hào)，并監(jiān)視、測量、分析、處理。

1.4.2筒形閥的同步原理

5只直缸接力器是否同步，是通過5只直缸接力器位移信號(hào)來監(jiān)視、測量和判斷的，即通過接力器實(shí)際位移和位移基準(zhǔn)量BM相比較后的超前（后）偏差量△BM與最大失步允許值△BMmax的對(duì)比，判斷是否需要糾偏以達(dá)到同步目的。5只直缸接力器的實(shí)際位置、行程，是由位移變送器、位移測量單元共同完成測量。

位移基準(zhǔn)量的確定：在本控制系統(tǒng)中，位移基準(zhǔn)量是以5只位移變送器的算術(shù)平均值BM來確定的。位移基準(zhǔn)量BM=（BM01+BM02+BM03+BM04+BM05）/5；其中BM01∽BM05為5只接力器實(shí)際位移值。

超前位移偏差量：△BM=BM0i-BM；

超后位移偏差量：△BM=BM-BM0i；（i=1∽5）最大失步允許值△BMmax的確定：該值由筒形閥設(shè)計(jì)計(jì)算確定。

1.4.3筒形閥失步的糾偏

若筒形閥在開啟、關(guān)閉的過程中，5只直缸接力器中的任意一只接力器實(shí)際位移，通過與位移基準(zhǔn)量BM相比較，該接力器超拖后 (超前)移量差值△BM，超過最大失步允許值△BMmax的20%且在最大失步允許值△BMmax的35%內(nèi)時(shí)，電氣控制系統(tǒng)就發(fā)出筒形閥失步報(bào)警信號(hào)。此時(shí)電氣控制系統(tǒng)就向控制該接力器的步進(jìn)電機(jī)，發(fā)出矯正控制信號(hào)，電氣控制系統(tǒng)就加速開啟（停止）相應(yīng)數(shù)字缸步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖信號(hào)，這樣就會(huì)加速（停止）該接力器的移動(dòng)速度，以盡快達(dá)到與位移基準(zhǔn)量平衡一致。當(dāng)筒形閥傾斜量達(dá)到最大失步允許值的20%以內(nèi)，即20%△BMmax≤△BM，電氣控制系統(tǒng)的筒形閥失步報(bào)警信號(hào)就消失。

1.4.4數(shù)字缸--筒形閥電液同步控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

與機(jī)械同步控制系統(tǒng)相比，數(shù)字缸--筒形閥電液同步控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）筒形閥在任何位置開啟、關(guān)閉操作，所有接力器都高精度同步，這是本系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)。

（2）正常操作控制時(shí)，具有任意曲線開啟、關(guān)閉筒形閥的功能，功能全面。

（3）系統(tǒng)壓力油源消失，也可保持筒形閥位置長期鎖定不變。

（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、器件少，便于安裝和調(diào)試，大大減少了工地安裝、調(diào)試時(shí)間。

（5）操作方便、簡單，有利于電站維護(hù)。

2　出現(xiàn)的問題及處理方案

（1）2號(hào)傳感器故障

在灘坑水電站3號(hào)機(jī)組第一次充水后的動(dòng)作試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)2號(hào)傳感器故障。拆開傳感器后發(fā)現(xiàn)里面有大量積水，經(jīng)風(fēng)干處理，故障仍然存在，判定2號(hào)傳感器不能工作。同時(shí)檢查所有傳感器，其余傳感器沒有積水、結(jié)露、潮濕等現(xiàn)象。

解決方案：更換新的傳感器。更換后重新設(shè)定零點(diǎn)，系統(tǒng)工作正常。

（2）2號(hào)步進(jìn)電機(jī)軸發(fā)卡

在灘坑水電站3號(hào)機(jī)組第一次充水后筒形閥調(diào)試過程中，觀察2號(hào)接力器步進(jìn)電機(jī)，發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)軸沒有旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過仔細(xì)的排查，判定2號(hào)步進(jìn)電機(jī)軸卡死。

解決方案：將2號(hào)步進(jìn)電機(jī)取下，在電機(jī)軸上加入潤滑油，經(jīng)處理后電機(jī)工作正常。

（3）1號(hào)接力器數(shù)字缸行程反饋傳動(dòng)軸卡澀抱死及2號(hào)步進(jìn)電機(jī)卡死

在3號(hào)機(jī)組投產(chǎn)后第二年進(jìn)行的A修工作結(jié)束后進(jìn)行筒閥無水開啟試驗(yàn)時(shí)（調(diào)試模式），1號(hào)接力器發(fā)“卡阻”信號(hào)，筒閥無法開啟?，F(xiàn)場A修技術(shù)人員采用千斤頂對(duì)筒閥進(jìn)行機(jī)械調(diào)平后，筒閥開啟約10mm后再次報(bào)“卡阻”信號(hào)。后在東電廠家專業(yè)人員指導(dǎo)下，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)1號(hào)接力器數(shù)字缸行程反饋傳動(dòng)軸卡澀抱死。

解決方案：現(xiàn)場打磨處理后傳動(dòng)軸能靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，但試驗(yàn)過程中1號(hào)接力器反饋的行程數(shù)字不變，控制系統(tǒng)仍然報(bào)“卡阻”信號(hào)，拆除接力器油缸上端蓋板后發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)絲杠與油缸活塞間固定相對(duì)位置的固定裝置4顆螺釘被剪切，傳動(dòng)絲杠處于自由狀態(tài)，無法真實(shí)反映活塞的運(yùn)動(dòng)，經(jīng)處理后正常。處理好1號(hào)接力器卡阻故障進(jìn)行啟閉試驗(yàn)時(shí)又發(fā)現(xiàn)2號(hào)接力器出現(xiàn)卡阻故障，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)2號(hào)接力器步進(jìn)電機(jī)定子因進(jìn)水銹蝕抱死，從而導(dǎo)致接力器數(shù)字缸內(nèi)活塞與傳動(dòng)絲杠間的聯(lián)軸插銷斷裂，后經(jīng)更換步進(jìn)電機(jī)以及加工聯(lián)軸插銷后正常。

3　結(jié)語

1993年，國內(nèi)首個(gè)安裝筒形閥的云南漫灣一期水電站投入商業(yè)運(yùn)行以來，先后有云南大朝山、陜西石泉、云南漫灣、四川瀑布溝、浙江灘坑等采用筒形閥的水電站成功投入運(yùn)行。

目前，筒形閥同步方式廣泛采用的有兩種：機(jī)械同步和電液同步。改進(jìn)型的電液同步控制系統(tǒng)－全數(shù)字集成式電液同步控制系統(tǒng)在灘坑水電站3號(hào)機(jī)組上的成功運(yùn)用，充分證明了此系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、操作簡單、同步精度高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，滿足了大尺寸、大容量、大重量、大行程的筒形閥同步控制的需要。

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中圖分類號(hào)：TV732.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2015）02-0052-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.014

收稿日期：2014-09-15

作者簡介：蘭春星（1967-），男，工程師，從事水電站機(jī)電設(shè)備安裝調(diào)試及技術(shù)管理工作。