次仁桑珠，索　珍，余紀偉，蔡衛(wèi)江(．西藏滿拉水電廠，西藏江孜857400; ．南京南瑞集團公司，江蘇南京06)

多噴嘴沖擊式機組調(diào)速器改造及其控制研究

次仁桑珠1，索珍1，余紀偉2，蔡衛(wèi)江2
(1．西藏滿拉水電廠，西藏江孜857400; 2．南京南瑞集團公司，江蘇南京211106)

摘要:通過對草坡水電站多噴嘴沖擊式機組調(diào)速系統(tǒng)的改造以及調(diào)速系統(tǒng)的研制，討論了該類型調(diào)速器噴針及折向器液壓系統(tǒng)的設(shè)計，以及機組停機到發(fā)電、發(fā)電到停機、事故保護等調(diào)速器控制流程;特別是對工況轉(zhuǎn)換時噴針的切換規(guī)律及折向器控制進行了研究，并提供了現(xiàn)場應(yīng)用情況。圖5幅。

關(guān)鍵詞:多噴嘴沖擊式水輪機;調(diào)速器;控制流程;噴針調(diào)節(jié);折向器控制

0　引言

近年來，我國水電建設(shè)蓬勃發(fā)展，預(yù)計2015年末水電裝機容量將突破3億kW。大規(guī)模開發(fā)需要大量的水電控制設(shè)備，而多噴嘴沖擊式水輪機則是其中重要組成部分。這一機型適合于高水頭小流量電站，與混流式機組相比，其結(jié)構(gòu)簡單，檢修維護方便，而且空蝕和磨損小，在云南、西藏、四川等高水頭地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用［1］。然而，與其他類型機組比較，它采用了噴針及折向器的多重調(diào)節(jié)與控制，且大多數(shù)沖擊式電站采用4噴嘴及以上的設(shè)計，所以該類型機組調(diào)速系統(tǒng)比較復(fù)雜，如四川冶勒電站，單機容量125 MW，采用6噴嘴控制，由法國ALSTOM公司設(shè)計制造，調(diào)速器配套采用該公司設(shè)備;四川田灣河金窩電站，單機容量140 MW，采用美國GE公司設(shè)備［2］。近幾年來，中國水電制造技術(shù)突飛猛進，已經(jīng)能夠制造多噴嘴機組及其調(diào)速設(shè)備［3］。本文就從四川草坡電站4噴嘴沖擊式機組調(diào)速器的改造出發(fā)，詳細討論了該類型機組調(diào)速器的設(shè)計和其控制策略。

1　工程概況

草坡電站位于四川省阿壩州汶川縣境內(nèi)，為引水式電站，地面廠房，總裝機容量48 MW。1、2號水輪機型號為CJ20—L—215/2×19，3號水輪機型號為CTA237—L—136/4×13.6。設(shè)計水頭392.7 m，其調(diào)速系統(tǒng)于2012年改造，采用了南瑞集團公司最新研制的CJT/4—1沖擊式水輪機調(diào)速器。該系統(tǒng)微機調(diào)節(jié)器部分以B＆R公司的PCC2003控制器為核心，機械液壓部分則以DIPUMA公司的比例閥作為電液轉(zhuǎn)換單元，配合華德公司的電液閥作為液壓放大單元。該系統(tǒng)運用了現(xiàn)代控制理論技術(shù)、先進的可編程控制技術(shù)和現(xiàn)代液壓控制技術(shù)，具有較高的集成度和可靠性，運行直觀、維護方便、操作簡便。

2　多噴嘴機組調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

沖擊式水輪機調(diào)速器采用噴針及折向器的多重調(diào)節(jié)與控制，噴針數(shù)越多，控制策略越復(fù)雜。噴針作為主調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用連續(xù)控制，折向器則采用開關(guān)量控制，噴針與折向器獨立控制而不協(xié)聯(lián)。其調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)指:噴針調(diào)節(jié);折向器控制;啟動噴針數(shù)及動作方式的選擇;機組帶負荷時噴針數(shù)的選擇及切換。噴針對調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能起決定性作用，而折向器僅在大波動時對機組進行過速保護，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到機組的調(diào)節(jié)品質(zhì)和安全穩(wěn)定，所以該系統(tǒng)控制的可靠性及是否最優(yōu)尤為關(guān)鍵［4］。

草坡電站水輪機采用4噴針4折向器結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的調(diào)速系統(tǒng)需要有8個控制對象和液壓執(zhí)行機構(gòu)，再綜合考慮上述沖擊式水輪機的控制特點和要求，設(shè)計的草坡調(diào)速系統(tǒng)液壓原理如下所示(見圖1)。從圖1中可以看出:調(diào)速器機械液壓部分由5套獨立的液壓控制單元組成，分別為4套噴針控制單元、1套折向器控制單元。其中，噴針控制系統(tǒng)采用電液比例閥實現(xiàn)閉環(huán)連續(xù)控制;折向器采用電液閥及液動閥實現(xiàn)開關(guān)量控制，僅在系統(tǒng)甩負荷等大波動時快速關(guān)閉折向器，起到機組過速保護的作用。整個液壓系統(tǒng)控制回路明確，取消了傳統(tǒng)的機械協(xié)聯(lián)、凸輪及復(fù)雜的連桿機構(gòu)，使結(jié)構(gòu)大幅簡化，而且有效地克服了機械傳遞死區(qū)，提高了系統(tǒng)的控制精度。

圖1　多噴針機組調(diào)速系統(tǒng)液壓原理示意

每套噴針接力器均配置了高精度位移變送器，通過微機控制器檢測到噴針位置，再通過比例伺服閥實現(xiàn)噴針精確定位。4套噴針分別獨立可調(diào)，每套噴針采用自動及手動2個液壓調(diào)節(jié)通道，自動通道選用比例閥，比例閥的功能是把輸入的電氣信號按比例地轉(zhuǎn)換成流量信號，通過電氣信號電流大小變化及方向變化，從而控制噴針接力器的運動速度和方向;該閥的最大特點是電磁操作力大，耐污染能力及防卡能力強，具有較高可靠性。每個噴針的手動控制回路主要由10通徑電磁換向閥和單向節(jié)流閥組成，手動控制的速度可以通過預(yù)先調(diào)節(jié)節(jié)流閥整定好。折向器接力器的全開和全關(guān)位均配置了位置開關(guān)，通過微機控制器檢測折向器位置，再通過電磁閥實現(xiàn)折向器的開關(guān)控制。4套折向器采用同步聯(lián)動控制模式，由1套16通徑大流量電磁換向閥驅(qū)動。由于系統(tǒng)不管是噴針自動、手動還是折向器控制，都是采用先導(dǎo)閥直接控制到接力器油缸，整個液壓控制系統(tǒng)簡潔明快、可靠性較高。

3　多噴針及折向器控制策略研究

3.1機組從停機到發(fā)電流程

從目前的研究成果來看，機組從停機到發(fā)電的流程圖如下所示(見圖2)。當機組在停機態(tài)接到開機令后，首先打開折向器，然后按用戶設(shè)定的開機規(guī)律啟動噴針(單噴針或2個對側(cè)噴針) ;當轉(zhuǎn)速接近額定時(95%)，投入PID空載調(diào)節(jié)程序，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，機組并網(wǎng)，切換到雙噴針調(diào)節(jié)，接受監(jiān)控系統(tǒng)的增加負荷指令，調(diào)節(jié)雙噴針開度;當負荷大于50%時，切換到4噴針控制，最后逐步調(diào)節(jié)全部噴針開度，機組負荷帶到額定。減負荷時情況類似，當負荷小于50%時，4噴針調(diào)節(jié)則切換到雙噴針控制，直到負荷減到零。噴針切換是多噴嘴機組調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，保持切換時負荷的穩(wěn)定是控制的難點。為了實現(xiàn)該控制目標，設(shè)置了一定切換死區(qū)，增負荷過程中，當負荷超過52%時再進行切換;減負荷時，負荷低于48%時再切換，切換時為了保持負荷穩(wěn)定，兩噴針到4噴針時，兩噴針按一定速率關(guān)閉，另外兩噴針按同樣速率開啟，切換過程中保持總開度不變，直到4噴針開度一致，切換完成。同樣，4噴針到兩噴針時，兩對側(cè)噴針逐步開啟，另外兩噴針按同樣速率關(guān)閉，直到兩噴針關(guān)到零為止，另外兩噴針停止動作，維持開度不變。

圖2　機組停機—空載—發(fā)電流程

圖3　機組發(fā)電—空載—停機流程

圖4　機組甩負荷流程

3.2機組從發(fā)電到停機流程

機組從發(fā)電到停機的流程如圖所示(見圖3)。當機組在發(fā)電態(tài)，接到停機令或減負荷指令后，逐步降低4噴針開度，按減負荷規(guī)律再由4噴針過度到兩噴針，等兩噴針關(guān)閉到零，再調(diào)整另外兩噴針到空載開度，負荷到零，待機組斷路器跳開，馬上投入折向器控制電磁閥，切斷機組水流，并慢慢關(guān)閉兩噴針，機組轉(zhuǎn)速逐步下降，最終到零，完成停機流程。

3.3機組甩負荷流程

緊急情況下，當機組出現(xiàn)電氣或機械事故(如推力瓦溫度過高、發(fā)電機保護動作)，或者電網(wǎng)出現(xiàn)短路等故障，需要機組馬上與系統(tǒng)解列;此時斷路器跳開，機組轉(zhuǎn)入甩負荷流程(見圖4)。當斷路器斷開，調(diào)速器馬上控制折向器關(guān)閉電磁閥動作，快速切斷噴嘴水流，同時逐漸關(guān)閉兩噴針接力器到零，調(diào)節(jié)兩外噴針到空載開度，待轉(zhuǎn)速接近50 Hz時，退出折向器，按轉(zhuǎn)速偏差的PID調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)整兩噴針開度，維持機組轉(zhuǎn)速在額定，等待下次并網(wǎng)。

3.4噴針故障處理流程

極端情況下，由于調(diào)速系統(tǒng)油質(zhì)原因可能造成比例閥卡澀，或由于人為或電源故障導(dǎo)致噴針變送器故障;若控制不當，可能造成噴針失控，全開或全關(guān)，機組可能過負荷或進入調(diào)相，引起事故擴大，必須采取緊急措施(見圖5)。此時若機組處于空載工況，調(diào)速器直接輸出開環(huán)關(guān)閉電壓，直接關(guān)閉所有的噴針到零;若系統(tǒng)處于發(fā)電工況，則首先切除到比例閥的電氣信號，保持噴針在當前開度，維持機組負荷，同時輸出報警信號到監(jiān)控，提請運行人員注意，切換系統(tǒng)到手動模式運行。

圖5　噴針故障處理流程

4　應(yīng)用情況

草坡電站由于2008年四川地震損毀重建，調(diào)速系統(tǒng)由南京南瑞集團公司提供，2012年5月，3套系統(tǒng)全部投產(chǎn)。投產(chǎn)期間，機組進行了詳細的開機、空載、并網(wǎng)、停機、甩負荷、故障模擬等試驗，機組開機時間、空載擺動、帶負荷速度等試驗結(jié)果均滿足國標及電廠相關(guān)要求。工況轉(zhuǎn)換過程中，多路噴針切換及調(diào)節(jié)均符合控制流程設(shè)計，折向器動作也滿足程序控制要求，調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈敏，控制平穩(wěn)，機組工況轉(zhuǎn)換正常，為電站災(zāi)后重建恢復(fù)發(fā)電提供了可靠的保障。

5　結(jié)語

近年來，中國水電建設(shè)快速發(fā)展，制造技術(shù)不斷提高，沖擊式機組容量越來越大，控制系統(tǒng)也越加復(fù)雜。特別是大型的沖擊式水電站進入建設(shè)高峰期，亟需推動國內(nèi)配套的水輪機調(diào)速器的研究進程，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的水輪機調(diào)速器技術(shù)，而國內(nèi)雖然在中小型、4噴4折機組上有一些應(yīng)用，但大容量復(fù)雜的沖擊機組(6噴6折100 MW以上)調(diào)速器基本還是空白，目前在關(guān)鍵核心技術(shù)上還有待研究［5］。本論文通過草坡電站多噴嘴機組調(diào)速系統(tǒng)的研制，研究了沖擊式機組的液壓系統(tǒng)設(shè)計和控制流程，特別是對工況轉(zhuǎn)換時噴針的切換規(guī)律、折向器控制進行了研究，并提供了現(xiàn)場應(yīng)用情況，希望能為大型機組控制系統(tǒng)提供一定的經(jīng)驗積累，并逐步實現(xiàn)完全國產(chǎn)化。

參考文獻:

［1］潘熙和，等．多噴嘴沖擊式水輪機調(diào)速器在阿鳩田水電廠的應(yīng)用［J］．水力發(fā)電，2006(2) : 45_48．

［2］王容，等．大型沖擊式水輪機微機調(diào)速器在田灣河流域梯級水電站中的應(yīng)用［J］．四川水力發(fā)電，2011 (2) : 26_28．

［3］涂振祥．多噴嘴沖擊式大型水輪機組的調(diào)速器控制與特殊工況運行問題的研究［J］．電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37(16) : 16_19．

［4］文斌．沖擊式機組微機調(diào)速器的設(shè)計及應(yīng)用［J］．科技信息，2011(3) : 132_133．

［5］向家安．特大型沖擊式水輪機微機調(diào)速器及應(yīng)用［J］．水電自動化與大壩監(jiān)測，2010(2) : 17_19．

責(zé)任編輯吳昊

作者簡介:次仁桑珠(1974－)，男，工程師，主要從事水電站自動化設(shè)備維護檢修及管理工作。E_ mail: xzmlcrsz@163.com

收稿日期:2015－10－19