賀　臻，張會(huì)軍（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南　大理 675702）

小灣電站水輪機(jī)筒閥電液同步控制策略優(yōu)化

賀臻，張會(huì)軍
（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南大理 675702）

小灣電站筒閥同步系統(tǒng)采用電液同步控制，由同步分流器的液壓同步和經(jīng)典PID比例閥調(diào)節(jié)的電氣控制同步，通過(guò)對(duì)筒閥卡阻現(xiàn)象分析，針對(duì)筒閥卡阻發(fā)生的主要原因，從合理設(shè)置筒閥的初始緩沖階段與實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平壓操作的方向優(yōu)化了筒閥控制系統(tǒng)控制策略，大大提高了筒閥運(yùn)行的同步性能，徹底解決了筒閥卡阻問(wèn)題，增加了筒閥運(yùn)行的可靠性。

筒閥；電液同步控制；卡阻；控制策略；小灣水電站

小灣水電站6臺(tái)機(jī)組均采用筒形閥（以下簡(jiǎn)稱筒閥）作為水輪機(jī)主閥，具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活、水力損失小、密封性好等特點(diǎn)。筒閥安裝在固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉之間，主要由閥體、上/下止水密封、直缸接力器、操作機(jī)構(gòu)、同步機(jī)構(gòu)等組成，筒閥下密封安裝在底環(huán)上，上密封安裝在頂蓋下環(huán)上，筒體圓周均布12個(gè)導(dǎo)向區(qū)，每個(gè)導(dǎo)向區(qū)設(shè)有銅質(zhì)抗磨板起導(dǎo)向作用，每臺(tái)筒閥采用6只直缸接力器操作，以電液同步系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)6只接力器的同步運(yùn)行。

1　小灣電站筒閥同步控制系統(tǒng)

筒閥同步機(jī)構(gòu)廣泛采用的方式有兩種，分別是機(jī)械同步（即鏈條同步）和電液同步控制。小灣電站筒閥同步控制系統(tǒng)采用的是電液同步控制，主要由機(jī)械和電氣兩部分組成，如圖1所示。

1.1機(jī)械液壓部分

小灣電站機(jī)械液壓部分由1套綜合控制閥組、1套同步分流器、6套同步控制閥組組成。機(jī)械液壓同步主要是同步分流器（徑向柱塞式液壓同步分流馬達(dá)，分流精度可達(dá)到±0.4%～±0.8%），此種分流器采用靈活、高效的方式，將6個(gè)液壓泵組合在一起，應(yīng)用于6個(gè)回路液壓系統(tǒng)中。每個(gè)分流器包括一系列齒輪副，將輸入油液等量、成比例地分成六路輸出，調(diào)校分流器輸出的六路壓力一致，以達(dá)到6只接力器下腔的進(jìn)油量基本一致，使筒閥6只接力器運(yùn)行同步，實(shí)現(xiàn)筒閥系統(tǒng)的機(jī)械液壓同步。

圖1　筒閥同步控制系統(tǒng)示意

1.2電氣控制部分

小灣電站在筒閥電氣控制上配置了德國(guó)BULLUFF高性能微脈沖線性位移傳感器，并在筒閥到達(dá)全開位置時(shí)，每個(gè)筒閥接力器在全開位置有限位開關(guān)指示全開位置。同時(shí)每個(gè)筒閥接力器的開腔由壓力傳感器測(cè)量油壓。在每個(gè)控制筒閥接力器閥組上的液壓控制塊也配有位置反饋信號(hào)，以指示該控制塊位置。PLC采集位移傳感器、壓力傳感器模擬量信號(hào)及各位置開關(guān)信號(hào)，對(duì)筒閥進(jìn)行閉環(huán)控制，并在PLC軟件中實(shí)現(xiàn)筒閥控制運(yùn)動(dòng)規(guī)律的設(shè)定。

PLC控制邏輯中將筒閥的整個(gè)系統(tǒng)可視為以接力器位移量偏差為負(fù)反饋的閉環(huán)電液隨動(dòng)系統(tǒng)。開啟筒閥過(guò)程中，以6個(gè)接力器的平均位移為基準(zhǔn)；關(guān)閉筒閥過(guò)程中，以6個(gè)接力器的最大位移為基準(zhǔn)。在給定的啟、閉規(guī)律基礎(chǔ)上按經(jīng)典的PID控制算法，比例閥控制接力器控制油量大小校正發(fā)生的不同步的偏差以保證各接力器的同步運(yùn)行。當(dāng)接力器的位移與基準(zhǔn)位移的偏差超過(guò)設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉分油器，切斷筒閥接力器的主油路，筒閥整體停止上升或下降，僅通過(guò)筒閥接力器對(duì)應(yīng)的液壓比例閥平衡各接力器的行程。當(dāng)接力器的位移與基準(zhǔn)位移的偏差量減小到設(shè)定值時(shí)，打開分油器，接通筒閥接力器主油路，筒閥整體繼續(xù)上升或下降。

為了防止油路系統(tǒng)的油錘效應(yīng)，在臨近全開（筒閥全開開度的95%）、臨近全關(guān)位置（筒閥全開開度5%開度）時(shí)，關(guān)閉分油器，切斷筒閥接力器的主油路，將液壓比例閥開至最大開度，使筒閥達(dá)到全開或全關(guān)位置。到達(dá)全關(guān)位置后，延遲10 s后，將比例閥閥芯移到55%開度（中間偏關(guān)）位置，為接力器上腔補(bǔ)充壓力油，使筒閥保持在全關(guān)位置。到達(dá)全開位置后，繼續(xù)將液壓比例閥開至最大開度（0），為接力器下腔補(bǔ)充壓力油，使筒閥保持在全開位置。

2　筒閥卡阻原因分析

小灣水電站筒閥投入運(yùn)行以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，在停機(jī)時(shí)筒閥全關(guān)截?cái)嗔髦顾?，有效的防止?dǎo)葉間隙氣蝕，減小水能利用損失；機(jī)組運(yùn)行時(shí)，筒閥全開后筒體置于座環(huán)與頂蓋空腔內(nèi)，對(duì)水流流動(dòng)無(wú)干擾，提高了水能發(fā)電利用效率。但也出現(xiàn)過(guò)數(shù)次筒閥的6個(gè)接力器動(dòng)作不同步造成卡阻的異?，F(xiàn)象。

小灣電站筒閥卡阻現(xiàn)象多出現(xiàn)在筒閥關(guān)閉過(guò)程中95%～98%開度下，也有出現(xiàn)過(guò)在筒閥開啟過(guò)程中2%～5%開度下。針對(duì)筒閥卡阻現(xiàn)象，原因分析如下：

（1）筒閥長(zhǎng)期開啟狀態(tài)下，筒閥接力器下腔壓力不平衡。由于筒閥長(zhǎng)期處于全開位置，6只接力器有桿腔發(fā)生壓力不均衡現(xiàn)象，導(dǎo)致筒閥卡阻。分析其壓力變化的原因，筒閥全開后，由于6個(gè)止動(dòng)銷安裝不可能完全水平，個(gè)別接力器的筒閥頂端首先接觸到止動(dòng)銷，但其他沒有到位。加之筒閥長(zhǎng)期開啟狀態(tài)下，隨著水流的變化以及筒閥本身的撓性，筒閥將以首先接觸到止動(dòng)銷位的接力器為支點(diǎn)左右擺動(dòng)。又由于比例閥在筒閥全開狀態(tài)一直給下腔供油，在筒閥擺動(dòng)的過(guò)程中，接力器下腔壓力低于比例閥補(bǔ)油壓力，比例閥將油補(bǔ)入下腔，而液控單向閥的存在，使得筒閥回?cái)[后油壓上升，導(dǎo)致6個(gè)接力器有桿腔壓力不平衡。在長(zhǎng)期開啟筒閥后，各接力器有桿腔壓力逐漸出現(xiàn)不平衡，筒閥在不同接力器下腔壓力作用下出現(xiàn)柔性變形，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應(yīng)力。所以在比例閥由有桿腔供油變?yōu)橄驘o(wú)桿腔供油的過(guò)程中，由于各接力器初始有桿腔壓力的不一致，在有桿腔泄壓的瞬間，結(jié)構(gòu)應(yīng)力同時(shí)釋放，容易導(dǎo)致筒閥在啟動(dòng)時(shí)位移就出現(xiàn)較大偏差。

（2）筒閥液壓系統(tǒng)進(jìn)氣。筒閥全開后主油路切斷，由于存在間隙內(nèi)泄情況，從分流器至液控?fù)Q向閥這一段主油路存在內(nèi)泄，由于流速變化、壓力下降、空氣分離、管路進(jìn)氣等原因?qū)е轮饔吐愤M(jìn)氣，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間切斷油路后再次啟動(dòng)，分流器及接力器下腔排油不均勻，導(dǎo)致筒閥卡阻。針對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)氣的問(wèn)題，小灣電站通過(guò)檢修維護(hù)，改善了液壓系統(tǒng)密封性能，并提高了漏油管的背壓（0.2～0.4 MPa）。這樣減小了泄漏量保持主油管、漏油管的液流穩(wěn)定，減少了液壓系統(tǒng)進(jìn)氣的可能。

（3）筒閥動(dòng)作瞬間，各電磁閥切換，各接力器的油流速度存在差異。由于筒閥6個(gè)接力器及同步分流器的布置情況，各接力器的與綜合控制閥組和同步分流器的油管距離不一致，同時(shí)，各電氣元器件及電磁閥動(dòng)作速度也存在差別，導(dǎo)致筒閥動(dòng)作瞬間，油路切換時(shí)，各接力器油流速度存在差異，出現(xiàn)不同步卡阻現(xiàn)象。

綜上所述，結(jié)合筒閥的動(dòng)作過(guò)程，發(fā)現(xiàn)由于機(jī)械結(jié)構(gòu)等原因?qū)е峦查y最容易在始端和末端出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，而中間過(guò)程同步性是比較好的。同時(shí)，筒閥電液同步控制邏輯恰恰是始端和末端關(guān)閉同步分流器，只依靠比例閥全開動(dòng)作，比例閥失去同步調(diào)節(jié)能力，因此，筒閥的同步控制策略上的不完善也是導(dǎo)致筒閥開啟的初始階段和筒閥在關(guān)閉的初始階段較容易出現(xiàn)卡阻的現(xiàn)象。

3　筒閥電液同步控制策略優(yōu)化

筒閥卡阻的主要原因?yàn)橥查y的機(jī)械結(jié)構(gòu)特性及同步控制策略的不完善，由于優(yōu)化筒閥機(jī)械結(jié)構(gòu)的難度和工程量巨大，過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力且收效甚微，只有優(yōu)化筒閥同步控制策略才能解決卡阻問(wèn)題。針對(duì)筒閥同步控制策略的不完善，對(duì)其進(jìn)行了數(shù)次優(yōu)化。

3.1初始階段控制策略優(yōu)化

在考慮始端機(jī)械沖擊不大的實(shí)際情況下，對(duì)筒閥動(dòng)作初始階段控制邏輯進(jìn)行了優(yōu)化，即擴(kuò)大比例閥的調(diào)節(jié)范圍。

2011年2月，修改了筒閥控制系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，將筒閥關(guān)閉初始段緩沖行程參數(shù)由95%改為99%，縮短比例閥不參與調(diào)節(jié)的行程。優(yōu)化結(jié)果：筒閥卡阻次數(shù)減少，優(yōu)化方向正確并取得了一定的效果，但仍存在卡阻現(xiàn)象。

2011年4月，修改了筒閥控制系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，將筒閥關(guān)閉初始段緩沖行程參數(shù)由99%改為100%，即取消筒閥關(guān)閉初始段緩沖，直接接通主油路，比例閥投入調(diào)節(jié)。優(yōu)化后筒閥系統(tǒng)運(yùn)行情況良好。

取消開啟過(guò)程中初始端的緩沖段，使得比例閥一開始就具有調(diào)節(jié)功能，但結(jié)束段的停止緩沖設(shè)置是必需的，這種設(shè)置可以降低筒閥高速運(yùn)動(dòng)到停止給機(jī)組的沖擊力。優(yōu)化后筒閥一段時(shí)期內(nèi)均未出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，足以說(shuō)明筒閥控制系統(tǒng)的控制邏輯優(yōu)化是有效的。

3.2增加平壓控制策略

初始階段控制策略優(yōu)化后，解決了筒閥卡阻的現(xiàn)象，但是，在筒閥動(dòng)作瞬間，油路切換時(shí)油流速度的差異并未徹底解決。結(jié)合筒閥系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行方式，增加筒閥系統(tǒng)的有桿腔和無(wú)桿腔平壓過(guò)程，有效的防止了筒閥動(dòng)作時(shí)，各接力器油流的差異，徹底解決筒閥運(yùn)行過(guò)程中的卡阻現(xiàn)象。

3.2.1開啟過(guò)程

筒閥控制系統(tǒng)接到開啟筒閥命令后，對(duì)筒閥系統(tǒng)進(jìn)行延時(shí)4 s的平壓操作：開啟液控閥，平衡6個(gè)接力器上、下腔壓力；保持比例閥電磁閥25%開度（筒閥開啟方向），平衡將下腔壓力與系統(tǒng)壓力；開啟同步分流器關(guān)筒閥（筒閥關(guān)閉方向）及液控單向閥，平衡上腔與系統(tǒng)壓力；延時(shí)4 s關(guān)閉液控閥。平壓后筒閥開始初段（開度為0～0.5%）采用比例閥25%開度（筒閥開啟方向）開啟，主油路關(guān)閉。筒閥中間過(guò)程（開度為0.5%～99%）筒閥同步分流器開啟（筒閥開啟方向），比例閥進(jìn)行同步調(diào)節(jié)。筒閥開啟末端（開度為99%～100%）關(guān)閉同步分流器，主油路關(guān)閉，比例閥25%開度開啟，直至全開并保持開度給接力器有桿腔供油，將筒閥保持在全開位置。

3.2.2關(guān)閉過(guò)程

筒閥控制系統(tǒng)接到關(guān)閉筒閥命令后，對(duì)筒閥系統(tǒng)進(jìn)行延時(shí)3 s平壓操作：開啟液控單向閥及液控閥，平衡6個(gè)接力器上、下腔壓力；保持比例閥電磁閥25%開度（筒閥開啟方向），平衡將下腔壓力與系統(tǒng)壓力。平壓后，筒閥初始階段和中間過(guò)程（開度為100%～1%）啟動(dòng)同步分流器（筒閥關(guān)閉方向），比例閥進(jìn)行同步調(diào)節(jié)。筒閥關(guān)閉末端（開度為1%～0），關(guān)閉同步分流器，主油路關(guān)閉，比例閥75%開度（筒閥關(guān)閉方向）關(guān)閉，直至全關(guān)并保持給接力器上腔供油，將筒閥保持在全關(guān)位置。

此種優(yōu)化結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際將筒閥初始階段控制策略優(yōu)化和平壓操作融合，從調(diào)試及長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的控制策略取得了很好的同步效果：筒閥開啟關(guān)閉過(guò)程中，接力器位移偏差在3 mm以內(nèi)，接力器下腔壓力基本上一致，運(yùn)行過(guò)程6個(gè)接力器各參數(shù)都非常平衡，筒閥整體運(yùn)行平穩(wěn)。優(yōu)化后的近兩年時(shí)間內(nèi)，小灣電站未發(fā)生過(guò)筒閥卡阻現(xiàn)象。

4　結(jié)語(yǔ)

小灣水電站筒閥同步系統(tǒng)由同步分流器的液壓同步和經(jīng)典PID比例閥調(diào)節(jié)的電氣控制同步，通過(guò)對(duì)筒閥卡阻現(xiàn)象分析，針對(duì)筒閥卡阻發(fā)生的主要原因，從合理設(shè)置筒閥的初始緩沖階段與實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平壓操作的方向優(yōu)化了筒閥控制系統(tǒng)控制策略，大大提高了筒閥運(yùn)行的同步性能，徹底解決了筒閥卡阻問(wèn)題，增加了筒閥運(yùn)行的可靠性。

［1］馬新紅，李濤，鐘光華.小浪底電廠筒閥液壓控制系統(tǒng)［J］.大電機(jī)技術(shù)，2006（2）：67-70.

［2］權(quán)君宗，謝俊.水輪機(jī)筒形閥控制方案的比較［J］.東方電機(jī)，2005（4）：77-82.

［3］鄭丕宗，李定力，楊永忠.兩種筒閥同步裝置在漫灣水電站的應(yīng)用［J］，水電站機(jī)電技術(shù)，2008（4）：31-32.

（責(zé)任編輯高瑜）

Optimization of Electro-hydraulic Synchronous Control Strategy of Ring Gate for Hydraulic Turbines in Xiaowan Hydropower Station

HE Zhen，ZHANG Huijun
（Huaneng Hydro Lancang Xiaowan Hydropower Plant，Dali 675702，Yunnan，China）

The synchronous control system of ring gates in Xiaowan Hydropower Station adopts electro-hydraulic synchronous control.By analyzing the jamming problem of ring gates and the main reasons of jamming，the control strategy of ring gate is optimized from two aspects of setting reasonable initial buffer stroke and achieving automatic pressure balance operation.The optimizations greatly improve the operation synchronization performance of ring gate，and completely eliminate the jamming of ring gate and increase operation reliability of ring gate，

ring gate；electro-hydraulic synchronous control；jamming；control strategy；Xiaowan Hydropower Station

TM312（274）

A

0559-9342（2015）10-0038-03

2015-07-22

賀臻（1985—），男，湖南郴州人，工程師，主要從事水電廠機(jī)電設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理工作.