陳敬明，胡立新，張治宇，侯　銳，李　佶，蔡　群，李　娜

南津渡水電廠貫流式水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)化控制設(shè)計

陳敬明1，胡立新1，張治宇2，侯銳2，李佶2，蔡群2，李娜2

（1.南津渡水電廠，湖南 永州 425199；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

結(jié)合南津渡水電廠貫流式水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的技術(shù)改造，對若干具有代表性的優(yōu)化控制措施進行分析介紹。

水流作用力；水力制動；輪葉控制；浪涌控制；汽蝕限制

1　電站概況及主要參數(shù)

南津渡水電廠位于湖南省永州市零陵區(qū)南郊，是湘江支流瀟水梯級開發(fā)的末端電站，電站籌建于1984年，水輪發(fā)電機組為奧地利Voith-Elin的燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，1991年11月～1992年5月3臺機組相繼投產(chǎn)并網(wǎng)發(fā)電。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　南津渡水電廠機組主要技術(shù)參數(shù)

2　概述

南津渡水電廠水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)原為奧地利Elin公司生產(chǎn)的SPS-R84型數(shù)字液壓調(diào)速器，1991年～1992年投入運行后，因受備件供應(yīng)及售后服務(wù)等方面的制約，中途更換為國產(chǎn)伺服電機型調(diào)速器，由于運行年代久遠，設(shè)備先后出現(xiàn)不同程度的問題。為滿足電廠正常生產(chǎn)要求，對原伺服電機型調(diào)速器進行技術(shù)改造，于2014年更換為中國水利水電科學(xué)研究院生產(chǎn)的CVZT-100-6.3型數(shù)字插裝式調(diào)速器，本次設(shè)備改造，緊密結(jié)合貫流式水輪機的設(shè)備特點，對調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制方式進行了一系列優(yōu)化設(shè)計，取得了良好效果。

3　優(yōu)化控制的實施

針對我廠燈泡貫流機組的特點及運行需要，本次改造我們采取了一系列的優(yōu)化控制措施，諸如：快速平穩(wěn)的開/停機控制、甩負荷轉(zhuǎn)速反超調(diào)控制（將另文介紹）、浪涌控制、流量控制、水位控制、汽蝕/出力限制控制、轉(zhuǎn)速測控故障容錯、重錘關(guān)機閥、最小壓力閥控制、接力器反饋故障及隨動系統(tǒng)伺服故障容錯控制、孤網(wǎng)調(diào)節(jié)優(yōu)化控制等。

3.1開/停機優(yōu)化控制

一般而言，若機組在低轉(zhuǎn)速歷時太長，對推力瓦和軸瓦將產(chǎn)生某種程度的損傷，故用戶希望機組能盡快且平穩(wěn)渡過低轉(zhuǎn)速區(qū)，這就要求水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)能結(jié)合機組狀況與特點，通過特定的優(yōu)化控制策略實現(xiàn)平穩(wěn)、單調(diào)、快捷的開/停機過程控制。

為達此目的，有必要對貫流機組轉(zhuǎn)輪葉片的受力情況進行適當(dāng)分析。圖1給出了水流對轉(zhuǎn)輪葉片作用力的示意圖，水流對葉片產(chǎn)生的綜合效果可分解為切向的主動力Fr1和阻力Fr2，軸向正推力Fa1和軸向反推力Fa2。為便于分析、突出重點，暫不考慮機組機械摩擦力矩和電磁力矩，則水流進水動力F1與機組旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的水阻力F2可表示為：

而用于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩的切向力Fr及軸向凈作用力Fa的表達式為：

圖1　水流在轉(zhuǎn)輪葉片上的作用力

上述受力狀況不僅與輪葉本身角度φ有關(guān)，還與導(dǎo)葉開度α、水頭H及機組轉(zhuǎn)速n有關(guān)。其大體規(guī)律歸納如下：

（1）當(dāng)水頭H、轉(zhuǎn)速n、導(dǎo)葉開度α、不變時：

Fr1、Fr2隨輪葉角度φ的增加而增加；

Fa1、Fa2隨輪葉角度φ的增加而減小。

（2）當(dāng)水頭H、轉(zhuǎn)速n、輪葉角度φ不變時：

Fr1、Fa1隨導(dǎo)葉開度α的增加而增加；

Fr2、Fa2與導(dǎo)葉開度α無關(guān)。

（3）當(dāng)水頭H、導(dǎo)葉開度α、輪葉角度φ不變時：

Fr1、Fa1隨轉(zhuǎn)速n的增加而減??；

Fr2、Fa2隨轉(zhuǎn)速n的增加而增加。

在上述受力分析的前提下，再來分析、比較機組在開/停機過程中葉片角度大小對機組所產(chǎn)生的影響，從而選擇合適的角度來優(yōu)化開/停機控制。

3.1.1機組開機過程優(yōu)化控制

機組從靜止至啟動需要一定的啟動力矩使機組加速，從上述受力分析出發(fā)，可以很自然想到2種最基本的開機啟動過程：

（1）采用較大的導(dǎo)葉開度和相應(yīng)較小的輪葉轉(zhuǎn)角啟動；

（2）采用較小的導(dǎo)葉開度和相應(yīng)較大的輪葉轉(zhuǎn)角啟動。

根據(jù)轉(zhuǎn)輪葉片的水作用力分析，第1種方式引起的軸向正推力Fa1較大，而加速過程中必然要經(jīng)歷一定時段的低轉(zhuǎn)速區(qū)，而低速轉(zhuǎn)動期間較大的Fa1對推力瓦很不利，又由于輪葉角度較小，其切向阻力Fr2也較小，使得后期升速過程過快，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于90%nr時開始向空載開限附近壓導(dǎo)葉開度，這個過程需要一段時間，此時極易產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)速超調(diào)，導(dǎo)葉要反復(fù)調(diào)節(jié)幾個周期才能把轉(zhuǎn)速穩(wěn)定下來，導(dǎo)致開機過程時間較長。而第2種方式不僅在啟動加速時Fa1較小，在加速過程中可使輪葉從較大的啟動角緩慢向協(xié)聯(lián)角度關(guān)閉（通常為輪葉的最小設(shè)計轉(zhuǎn)角），此過程可逐步抵消因升速導(dǎo)致切向阻力Fr2也上升的趨勢，使機組平穩(wěn)升速，不致引起較大的超調(diào)，開機過程歷時較短，因此該啟動方式較為合理。

上述開機方式都離不開合適的導(dǎo)葉啟動開度及空載開限（即大家熟知的第1啟動開度、第2啟動開度），而這些量又與水頭有密切關(guān)系，在調(diào)試階段，針對當(dāng)前試驗時的工作水頭，要整定出合理的導(dǎo)葉啟動開度及空載開限數(shù)值是很容易的，問題是其他水頭下的合理數(shù)值，當(dāng)時是得不到的，若通過統(tǒng)計積累，那將是一個十分漫長的過程！故目前通常的做法是在當(dāng)前試驗水頭下的整定值基礎(chǔ)上，增加或減小一定數(shù)值，延伸至其他水頭，總的趨勢是小的水頭對應(yīng)大整定值，大的水頭對應(yīng)小的整定值。這種開機方式的另一個缺點是，本質(zhì)上是開環(huán)或半閉環(huán)開機，且頻率給定始終是額定值50Hz或網(wǎng)頻，同時啟動開度較空載開度大很多，一般為1.5倍的空載開度或空載開度加10%[2]，導(dǎo)致調(diào)節(jié)過程后期導(dǎo)葉動作較猛烈，易引起轉(zhuǎn)輪動態(tài)應(yīng)力偏高。

鑒于此，本次改造在上述第2種開機方式的基礎(chǔ)上，對開機控制過程進行了進一步優(yōu)化調(diào)整，采用加速度控制的啟動方式。在整個開機過程中，測頻信號一直參與控制，調(diào)速器始終處于閉環(huán)調(diào)節(jié)狀態(tài)。加速開度（啟動開度）的整定值較小，既可小于空載開度也可略大于空載開限，當(dāng)機組開始轉(zhuǎn)動，調(diào)速器剛測到機組頻率，輪葉就從啟動角緩慢向協(xié)聯(lián)角度關(guān)閉；頻率給定（頻率目標值）結(jié)合機頻的當(dāng)前值按近似指數(shù)規(guī)律逐漸增加至額定值，使機頻也按指數(shù)規(guī)律逐漸達到額定值。從機組開始轉(zhuǎn)動至額定轉(zhuǎn)速的20%，頻率給定跟蹤機組頻率；機組轉(zhuǎn)速約達額定轉(zhuǎn)速的85%前，機組加速度設(shè)定為2Hz/s；機組轉(zhuǎn)速約達額定轉(zhuǎn)速的95%前，機組加速度設(shè)定為1Hz/s；機組轉(zhuǎn)速達額定轉(zhuǎn)速的95%后，機組加速度設(shè)定為0.5Hz/s，直至頻率給定值達額定值。這種啟動方式對水頭與空載開度關(guān)系的依賴小，機組升速平穩(wěn)快捷、軸向力及轉(zhuǎn)輪力矩波動小、轉(zhuǎn)輪動應(yīng)力小、流道壓力變化較小。

3.1.2機組停機過程優(yōu)化控制

在停機過程中，目前通常的做法是，導(dǎo)葉全關(guān)至零，輪葉也隨之關(guān)至最小角度，這種停機方式，機組減速過程很長，為縮短停機過程，防止低轉(zhuǎn)速歷時過長造成磨損或燒瓦現(xiàn)象，一般需要對機組低轉(zhuǎn)速區(qū)進行電制動和機械制動的連續(xù)制動方式，而未能考慮到輪葉能起的制動作用。

通過前面的受力特性分析可知，若在停機時開啟輪葉，此時可以增加水的阻力，而此時導(dǎo)葉已全關(guān)，切向的主動力為零，同時也減小了軸向反推力，這樣既可有效地加快機組減速過程，縮短停機時間，也可抑制抬機現(xiàn)象，這種水力制動方式還可保護或延長推力瓦和制動設(shè)備的使用壽命長。

本次改造我們就采用了這種水力制動方式，以實現(xiàn)停機過程的優(yōu)化控制。為證明其實際效果，我們特意撤除電氣制動，采用水力制動結(jié)合機械制動，實際減速過程較電氣制動節(jié)省近25s時間。

3.2浪涌控制

為保證在甩負荷的情況下使連續(xù)的水流通過水輪機，避免浪涌或尾水位下沉，調(diào)速器設(shè)有浪涌控制保護，當(dāng)進入甩負荷工況，輪葉角度在原運行位置上增加3°，在此位置保持一段時間，然后緩慢關(guān)閉直到重新達到協(xié)聯(lián)關(guān)系。

3.3流量控制

為實現(xiàn)流量控制，水輪機制造廠給出了水頭-開度-流量關(guān)系曲線，我們以此為依據(jù)，將原始數(shù)據(jù)離散化后，以表格形式存入調(diào)節(jié)器，這樣就可根據(jù)水頭-開度的當(dāng)前值通過計算得出流量的實時數(shù)據(jù)及機組效率。

在發(fā)電工況，調(diào)速器接收監(jiān)控系統(tǒng)LCU的增/減脈沖信號，根據(jù)脈寬時間折算成相應(yīng)的流量增/減量，再根據(jù)插值表折算為開度控制量，顯然，在不同工況下同樣的流量變化所對應(yīng)的開度增/減量是不同的；這樣可以保證在任何工況及水頭下，同樣脈寬時間所對應(yīng)的流量是相同的。而一般的開度調(diào)節(jié)模式，無論在什么工況及水頭，LCU增/減脈沖信號在同樣脈寬時間下，所對應(yīng)的開度是相同的，這樣脈寬時間與流量不直接對應(yīng)。

3.4水位控制

根據(jù)電廠運行要求，建立開度-水位關(guān)系曲線，在機組發(fā)電運行時調(diào)速器根據(jù)開度-水位關(guān)系曲線控制機組開度，進而控制水庫水位，徹底改善來水量的優(yōu)化自動調(diào)度；在PID控制算法上增加水位控制增量△Yh=f（H），用來控制水庫水位（前池水位）；其控制輸出為：YC=YPID+△Yh。

3.5汽蝕/出力限制控制

根據(jù)水輪機制造廠給出的資料，我們以插值表的形式在調(diào)節(jié)器中建立了2條汽蝕限制線、1條最大功率限制線，在機組發(fā)電運行中，將根據(jù)水頭、尾水位的變化使開度限制能在“汽蝕限制1”、“汽蝕限制2”、“最大功率限制”之間切換，避免機組進入非推薦運行區(qū)運行，保證了機組的安全運行。

3.6轉(zhuǎn)速測控故障容錯

本次設(shè)備改造將轉(zhuǎn)速繼電器功能集成至調(diào)節(jié)器本體內(nèi)，提高了轉(zhuǎn)速信號傳輸效率及測量精度與實時性，正常工作狀態(tài)下，其信號品質(zhì)遠優(yōu)于獨立的轉(zhuǎn)速繼電器，且測速信號源采用殘壓和齒盤冗余設(shè)計；盡管如此，考慮到萬一雙路測量信號均發(fā)生故障時，有可能導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)無法完成正常的剎車制動控制與停機流程。為避免此類隱患，我在調(diào)節(jié)器中設(shè)計了模擬減速曲線，在停機過程中若出現(xiàn)冗余的測速信號源同時消失或測頻單元故障及失效，則將根據(jù)當(dāng)前開度作為初始條件，模擬計算出呈指數(shù)規(guī)律下降的轉(zhuǎn)速信號，分別在不同時刻驅(qū)動95%、90%、40%、3%以下等輸出繼電器動作，并上傳至監(jiān)控系統(tǒng)LCU，保證機組在停機過程中能夠正常投入剎車制動，可靠完成停機過程。

4　結(jié)語

限于篇幅，本文僅列舉了若干有代表性的優(yōu)化控制措施，目的是拋磚引玉，這些控制方式新穎、實施簡便、開闊了設(shè)計思路，在實際應(yīng)用中已取得了良好效果，對貫流式水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計及技術(shù)改造具有普遍的參考與借鑒意義。

[1]GB/T9652.1-2007水輪機控制系統(tǒng)技術(shù)條件[S].北京：中國標準出版社，2007.

[2]蔡衛(wèi)江，陳登山，黃嘉飛.貫流機組調(diào)速器的控制策略[J].水電廠自動化與大壩監(jiān)測，2008（3）.

[3]張濤，等.轉(zhuǎn)槳式水輪機雙調(diào)控制策略及其軟件實現(xiàn)[J].華中理工大學(xué)研究生學(xué)報，1992（12）.

TV736

B

1672-5387（2016）08-0071-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.08.021

2016-06-29

陳敬明（1969-），男，研究員級高級工程師，從事水電廠自動化工作。