吳正良，鄭賢喜（新安江水力發(fā)電廠，浙江 建德 311608）

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邏輯插裝技術(shù)新型調(diào)速器在水電廠的應用

吳正良，鄭賢喜
（新安江水力發(fā)電廠，浙江 建德 311608）

摘要：在調(diào)速器技術(shù)改造中采用邏輯插裝技術(shù)的新型調(diào)速器，突破了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式的調(diào)速器結(jié)構(gòu)，使調(diào)速器產(chǎn)品的設計、制作與生產(chǎn)發(fā)生了根本性的變化。本文對該調(diào)速器的結(jié)構(gòu)、特點以及調(diào)試和運行情況進行介紹，表明該調(diào)速器穩(wěn)定可靠，調(diào)節(jié)性能優(yōu)良，節(jié)能效果明顯。

關鍵詞：調(diào)速器；高速開關閥；邏輯插裝閥；試驗

1電廠概況

新安江水電廠位于浙江省建德市境內(nèi)，是我國自己設計、自制設備、自己施工建設的第一座大型水力發(fā)電站，裝有5臺72.5 MW和4臺75 MW的水輪發(fā)電機組，總裝機容量662.5 MW，1960年第一臺機組投產(chǎn)發(fā)電，是華東電網(wǎng)第一調(diào)頻廠，擔負電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰、事故備用的任務。電廠于1999年開始進行機組增容改造，機組單機容量由75 MW（72.5 MW）增至95 MW，全廠總裝機容量提升至850 MW。

2調(diào)速系統(tǒng)現(xiàn)狀及改造原因

在機組增容改造的同時，對調(diào)速系統(tǒng)也同步進行了改造，調(diào)速器選用武漢能達通用電氣股份公司的WBDT-100型步進式調(diào)速器。調(diào)速器電氣部分采用的是三菱A系列可編程控制器；機械部分電液轉(zhuǎn)換采用步進電機絲桿轉(zhuǎn)換機構(gòu)，絲桿的直線位移通過杠桿作用于引導閥，機械反饋通過回復軸實現(xiàn)。該套調(diào)節(jié)系統(tǒng)投運以來運行穩(wěn)定可靠，但隨著華東區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則和華東區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務管理實施細則的實行，對并網(wǎng)發(fā)電廠造成實際發(fā)電曲線偏離電力調(diào)度交易機構(gòu)下達的發(fā)電計劃曲線，偏離量超過允許偏差、一次調(diào)頻投入率、響應時間、調(diào)節(jié)量進行考核，對調(diào)速器的調(diào)節(jié)性能提出了更高的要求。由于WBDT-100型步進式調(diào)速器屬二級系統(tǒng)，運行中過調(diào)量、調(diào)節(jié)死區(qū)均偏大，已不能滿足電網(wǎng)運行的需要，電廠于2012年對該調(diào)速器進行更新。

3新型調(diào)速器的選型和特點

隨著科學技術(shù)的進步和科技工作者的不懈努力，我國水輪機調(diào)節(jié)技術(shù)近年來已取得了長足的進步，各主要生產(chǎn)廠生產(chǎn)的可編程調(diào)速器的技術(shù)性能、功能和工藝水平已全面達到國際先進水平，各種新型電液轉(zhuǎn)換技術(shù)也都有了成熟的應用［1］。結(jié)合我廠對調(diào)速系統(tǒng)的要求和現(xiàn)有產(chǎn)品的性能特點，選用了由中水科水電科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的CVT-100型數(shù)字式水輪機調(diào)速器。其特點是采用邏輯插裝技術(shù)，它揚棄了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式的調(diào)速器結(jié)構(gòu)，無主配壓閥，突破了一成不變的電氣-機械/液壓轉(zhuǎn)換元件（電液轉(zhuǎn)換器或微型電機帶引導閥等）+主配壓閥的經(jīng)典形式、以及制造工藝與結(jié)構(gòu)布置等方面的種種制約，使調(diào)速器產(chǎn)品的設計、制作與生產(chǎn)發(fā)生了根本性的變化。由邏輯插裝閥組件實現(xiàn)主級放大元件-主配壓閥的功能，而作為先導級的液壓控制元件，則由快速開關閥組件實現(xiàn)；系統(tǒng)的調(diào)節(jié)、控制無需由“中間位置”與機械反饋來保證。另一特點是事故配壓閥也采用插裝閥，與調(diào)速器控制插裝閥組成上、下一體結(jié)構(gòu)，大大簡化了調(diào)速液壓系統(tǒng)油管路配置。

4系統(tǒng)配置和設計改進

CVT-100型數(shù)字式調(diào)速器由電氣控制部分、液壓隨動系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成，機電合柜布置，各部分的

4.1電氣控制部分

調(diào)速器電氣控制部分以奧地利貝加萊單臺PCC可編程控制器及其系列模板作為硬件核心，配以10.4寸彩色液晶觸摸屏，具有自動調(diào)節(jié)和控制功能，容錯功能，故障診斷和監(jiān)控功能。其基本調(diào)節(jié)模式可分為功率調(diào)節(jié)模式、開度調(diào)節(jié)模式和頻率調(diào)節(jié)模式3種，頻率調(diào)節(jié)模式采用適應式變參數(shù)PID調(diào)節(jié)規(guī)律，開度和功率調(diào)節(jié)模式采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律。調(diào)速器具有遠方和就地控制功能，并有相應接點輸出，與計算機監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)字、模擬信號以及開關量輸入/輸出信號的通訊和數(shù)據(jù)交換。

4.2機械液壓部分

機械液壓系統(tǒng)特點是由組合結(jié)構(gòu)的邏輯插裝控制閥單元取代主配壓閥實現(xiàn)調(diào)節(jié)與控制功能，并與事故配壓閥組成一體化結(jié)構(gòu)。由高速開關閥、邏輯插裝閥、開停機脈沖閥、緊急停機閥、油過濾器、流量調(diào)節(jié)閥、手動操作閥等部件組成。主要部件結(jié)構(gòu)及工作原理：

（1）高速開關閥

高速開關閥起到從電氣脈沖量到液壓量轉(zhuǎn)換的作用，即“電-液轉(zhuǎn)換”的作用，從而驅(qū)動末級液壓放大系統(tǒng)，實現(xiàn)對水輪發(fā)電機組的調(diào)節(jié)任務。它是由閥套、電磁鐵、控制閥芯以及閥芯端部的復位彈簧等組成的封裝件。高速開關閥屬于脈沖式流體控制，只有開/關兩個狀態(tài)，響應時間約為0.5～3 ms，通過對高速開關閥的通斷信號進行脈沖頻率和頻率寬度等調(diào)制，就可以實現(xiàn)對流量和壓力接近連續(xù)的控制。高速開關閥采用3通道冗余結(jié)構(gòu)，某一個通道失靈，可自行切換，由正常通道來維持系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

工作原理：高速開關閥是通過電磁鐵推桿控制閥芯在閥體內(nèi)作軸向運動，使相應的油路導通或斷開的。它是一個具有多段環(huán)形槽的圓柱體，閥芯帶有工作錐體或鋼球，而閥套（襯套）內(nèi)有若干條沉割槽，每條沉割槽都通過相應的孔道與外部聯(lián)接。高速開關閥只有2個工作位置，當電磁鐵斷電時，閥芯在下端彈簧推力的作用下向上移動，此時油口P與控制口K導通，而回油T與控制口K之間是截止的。當電磁鐵通電時，閥芯受電磁鐵推桿推力的作用向下移動，其閥位狀態(tài)如圖1所示，此時油口P與控制口K之間截至，而回油T與控制口K導通。

圖1高速開關閥通電狀態(tài)

（2）主控閥

主控閥即邏輯插裝閥，如圖2所示。插件的工作狀態(tài)由作用在閥芯上的合力大小和方向決定，當合力大于零，閥芯關閉；當合力小于零，閥芯開啟；當合力等于零，閥芯停留于某一平衡位置，通過對控制腔K壓力的改變來實現(xiàn)對邏輯插裝閥的控制。邏輯插裝閥是實現(xiàn)調(diào)速器主級位置隨動控制的關鍵部件，功能是接收來自高速開關閥先導油路的壓力/流量信號，使主閥芯產(chǎn)生相應動作，進而控制通向主接力器主控工作油路液流的變化，以控制主接力器的位移量。其組成為閥芯、閥套及附屬的彈簧、密封件等。當微機調(diào)節(jié)器輸出調(diào)節(jié)信號時，信號經(jīng)轉(zhuǎn)換放大后作用于高速開關閥，液流經(jīng)過高速開關閥的調(diào)節(jié)后，作用于邏輯插裝閥控制腔，通過插裝閥放大后的液流最終進入主接力器，使其跟隨調(diào)節(jié)器控制信號的變化，直至調(diào)節(jié)過程結(jié)束。

圖2主控閥

4.3設計改進

CVT-100型數(shù)字式調(diào)速器設計時面板按鈕、指示燈偏多，面板比較雜亂。通過優(yōu)化面板，只保持手/自動切換開關、現(xiàn)地/遠方開關、導葉增/減開關和緊急停機按鈕以及導葉開度表和頻率表、故障和事故指示燈。

緊急停機電磁閥原設計采用DC 24 V電源，改進后采用DC 220 V電源，并從調(diào)速器直流220 V電源開關上樁頭接入，提高緊急停機電磁閥電源及動作地可靠性，在調(diào)速器失去交、直流電源情況下可手動確保安全運行。

增加頻率、開度、功率運行模式和孤網(wǎng)運行遠方投退功能；軟件部分增加機組帶主變零升程序，程序?qū)崿F(xiàn)方法：在主變開關拉開情況下，機組開機后發(fā)電機開關合上，調(diào)速器電開限仍保持空載開度，PID使用空載調(diào)節(jié)參數(shù)，頻率給定在49.5～50.5 Hz之間，遠方可以調(diào)節(jié)。

5調(diào)速器的現(xiàn)場調(diào)試及運行

我廠在2號機大修中更新了此型號調(diào)速器，經(jīng)過無水、帶水調(diào)試，完成了調(diào)試大綱所要求的調(diào)試項目。動水調(diào)試主要項目如下：

（1）手動開、停機試驗

調(diào)速器控制方式切為手動方式，電手動和手操手動分別進行機組開機、停機。開機過程中，殘壓機頻、齒盤機頻測量信號正常，開、停機過程無異常現(xiàn)象。

（2）140%Ne過速試驗

調(diào)速器控制方式切為手動方式，電手動開機。機組轉(zhuǎn)速升至額定穩(wěn)定運行5min后，繼續(xù)升至140%Ne，保護能正確動作，調(diào)速器緊急停機電磁閥動作正確，迅速將導葉關至零。

（3）自動開、停機試驗

上位機發(fā)開機令，導葉先開到加速開度，經(jīng)數(shù)秒后，當Fj＞45 Hz時導葉開度關至空載開度以下，機組到空載狀態(tài)，記錄開機過程曲線，計算機組轉(zhuǎn)速超調(diào)量和開機時間。機組穩(wěn)定運行后，檢查各部正常，上位機發(fā)停機令，機組進入停機過程至停機等待狀態(tài)，記錄停機過程曲線，計算停機時間。

現(xiàn)地LCU進行機組自動開、停機試驗，能滿足監(jiān)控流程要求，自動開、停機過程正常。

（4）空載擾動試驗

機組自動起動到空載狀態(tài)，改變頻率給定，使機組頻率在48～52 Hz之間擾動。頻率給定改變過程為50 Hz→52 Hz→48 Hz，48 Hz→52 Hz→50 Hz。分別設置3組不同的KP、Ki、Kd數(shù)值，記錄空載擾動波形，取超調(diào)量和調(diào)整時間最優(yōu)的一組參數(shù)見表1。

表1空載擾動參數(shù)

（5）空載擺動試驗

設置bp、bt、Td、Tn（KP、Ki、Kd）為最佳空擾試驗運行參數(shù)，F(xiàn)g=50 Hz。機組在空載自動狀況下運行。記錄機組頻率在3 min的波形曲線，計算頻率擺動值，連續(xù)測量3次，取3次平均值，結(jié)果見表2。

表2空載擺動參數(shù)

（6）帶主變零升試驗

單元主變壓器開關斷開，機組自動開機，機組開關根據(jù)監(jiān)控流程控制在額定轉(zhuǎn)速90%自動合上。勵磁電壓從零手動增至額定，檢查調(diào)速器運行的穩(wěn)定性。試驗結(jié)果，調(diào)速器帶主變壓器小系統(tǒng)能穩(wěn)定運行。

（7）帶負荷試驗

機組自動開機并網(wǎng)，發(fā)電運行穩(wěn)定，無任何異?，F(xiàn)象。在“開度模式”下，通過上位機（LCU）發(fā)“增、減負荷”命令，改變機組有功功率。在負荷增減過程中，機組能穩(wěn)定運行，負荷波動不超過2%，接力器無來回擺動現(xiàn)象。在“功率模式”下，通過上位機（LCU）發(fā)“增、減負荷”命令，改變機組有功功率。在負荷增減過程中，機組能穩(wěn)定運行，負荷波動不超過2%，接力器無來回擺動現(xiàn)象。

（8）手/自動切換試驗

機組自動開機并網(wǎng)帶有功30MW、60MW、90 MW，調(diào)速器進行自動切手動、手動切自動，有功功率無波動。

（9）運行模式切換試驗

機組自動開機并網(wǎng)帶有功30MW、60MW、90MW，調(diào)速器運行模式在開度模式、功率模式、頻率模式之間轉(zhuǎn)換，然后進行上位機3種運行模式投、切試驗，有功功率無波動。

（10）事故低油壓試驗

機組自動開機并網(wǎng)帶滿負荷，調(diào)速系統(tǒng)油壓降至事故低油壓值時，調(diào)速器緊急停機能正確動作，導葉可靠關閉，自動停機過程正常。

（11）甩負荷試驗

機組并網(wǎng)按額定負荷的25%、50%、75%、100% 分4次進行甩負荷試驗。觀察并記錄每次甩負荷波形，分析每次的最高頻率、調(diào)整時間和蝸殼壓力上升率，核對開關機時間是否滿足調(diào)保計算要求。

經(jīng)過4次甩負荷試驗，調(diào)速器能正確動作并保持機組空載狀態(tài)，轉(zhuǎn)速上升率和水壓上升率均滿足規(guī)程要求。甩100%（93.6 MW）結(jié)果見表3。

表3甩100%負荷參數(shù)

（12）一次調(diào)頻試驗

機組帶負荷工況下，將導葉開到40%的開度，以50 Hz為基準頻率，分別進行一次調(diào)頻正負死區(qū)模擬測量和一次調(diào)頻響應測試。

一次調(diào)頻正負死區(qū)模擬測量：使仿真試驗儀頻率分別按 0.045 Hz、0.046 Hz、0.047 Hz、0.048 Hz、0.049 Hz、0.050 Hz、0.051 Hz、0.052 Hz、0.053 Hz正方向階躍，觀察導葉動作情況，導葉明顯動作時，則該階躍頻率量為一次調(diào)頻正方向死區(qū)。反之，頻率向負方向階躍，測量一次調(diào)頻負方向死區(qū)。

一次調(diào)頻響應行為測驗：以50 Hz為基值，由仿真試驗儀階躍輸出頻率低于基值0.1～0.25 Hz的頻率信號，觀察導葉動作和機組功率動作情況；然后，由仿真試驗儀階躍輸出頻率高于基值0.1～0.25 Hz的頻率信號，觀察導葉動作和機組功率動作情況。

通過以上兩步試驗得出，一次調(diào)頻響應滯后時間Thx＜1.5 s，一次調(diào)頻上升時間T0.9＜6 s，穩(wěn)定時間Ts＜9 s。

（13）運行情況

CVT-100型調(diào)速器2012年2月應用于我廠2號機組，運行4年多來狀況穩(wěn)定，調(diào)節(jié)性能優(yōu)良。由于電液轉(zhuǎn)換部分高速開關閥采用了硬質(zhì)陶瓷合金，具有足夠硬度、耐沖擊、長壽命、對油質(zhì)無任何特殊要求、抗污能力強的特點［2］，投運以來無發(fā)卡、拒動情況發(fā)生。

調(diào)速器采用的主控閥克服了普通滑閥徑向間隙泄漏的特點，閥座主級系“線密封”，相比主配壓閥泄漏小，效率高，因此，延長了油泵及電機的壽命，節(jié)省了油源和廠用電的消耗［2］。對CVT-100型調(diào)速器投入運行后機組壓油泵啟動次數(shù)和缺陷進行統(tǒng)計，壓油泵啟動次數(shù)少，缺陷沒有發(fā)生，相應檢修維護工作量減小。

6結(jié)語

我廠2號機CVT-100型調(diào)速器投產(chǎn)4年多來的運行情況表明，該調(diào)速器穩(wěn)定可靠，調(diào)節(jié)性能優(yōu)良，節(jié)能效果明顯。目前，除閥組模塊組合面有少許滲油外，未曾出現(xiàn)過故障，基本達到了免檢修、免維護的要求，調(diào)速器的技術(shù)改造達到了預定的目標。

參考文獻：

［1］孫富根.比例閥控制可編程調(diào)速器在丹江口水電站的應用［J］.水電站機電技術(shù)，2008，31（1）：24-26.

［2］王遠飛.兩代調(diào)速器性能對比分析及應用［J］.中國水電站，2013（增刊）：98-100.

中圖分類號：TK730.4+1

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2016）06-0030-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.06.011

收稿日期：2016-02-18

作者簡介：吳正良（1965-），男，高級工程師，從事電廠運行技術(shù)管理工作。組成大體如下。