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(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)化控制設(shè)計(jì)

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(guó)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(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的技術(shù)改造，對(duì)若干具有代表性的優(yōu)化控制措施進(jìn)行分析介紹。

水流作用力；水力制動(dòng)；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(jí)開(kāi)發(fā)的末端電站，電站籌建于1984年，水輪發(fā)電機(jī)組為奧地利Voith-Elin的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，1991年11月～1992年5月3臺(tái)機(jī)組相繼投產(chǎn)并網(wǎng)發(fā)電。主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　南津渡水電廠機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

2　概述

南津渡水電廠水輪機(jī)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(yùn)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(guó)產(chǎn)伺服電機(jī)型調(diào)速器，由于運(yùn)行年代久遠(yuǎn)，設(shè)備先后出現(xiàn)不同程度的問(wèn)題。為滿足電廠正常生產(chǎn)要求，對(duì)原伺服電機(jī)型調(diào)速器進(jìn)行技術(shù)改造，于2014年更換為中國(guó)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(jī)的設(shè)備特點(diǎn)，對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制方式進(jìn)行了一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得了良好效果。

3　優(yōu)化控制的實(shí)施

針對(duì)我廠燈泡貫流機(jī)組的特點(diǎn)及運(yùn)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(kāi)/停機(jī)控制、甩負(fù)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(cè)控故障容錯(cuò)、重錘關(guān)機(jī)閥、最小壓力閥控制、接力器反饋故障及隨動(dòng)系統(tǒng)伺服故障容錯(cuò)控制、孤網(wǎng)調(diào)節(jié)優(yōu)化控制等。

3.1開(kāi)/停機(jī)優(yōu)化控制

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

為達(dá)此目的，有必要對(duì)貫流機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片的受力情況進(jìn)行適當(dāng)分析。圖1給出了水流對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片作用力的示意圖，水流對(duì)葉片產(chǎn)生的綜合效果可分解為切向的主動(dòng)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(diǎn)，暫不考慮機(jī)組機(jī)械摩擦力矩和電磁力矩，則水流進(jìn)水動(dòng)力F1與機(jī)組旋轉(zhuǎn)時(shí)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(dá)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(kāi)度α、水頭H及機(jī)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(kāi)度α、不變時(shí)：

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(shí)：

Fr1、Fa1隨導(dǎo)葉開(kāi)度α的增加而增加；

Fr2、Fa2與導(dǎo)葉開(kāi)度α無(wú)關(guān)。

（3）當(dāng)水頭H、導(dǎo)葉開(kāi)度α、輪葉角度φ不變時(shí)：

Fr1、Fa1隨轉(zhuǎn)速n的增加而減小；

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(lái)分析、比較機(jī)組在開(kāi)/停機(jī)過(guò)程中葉片角度大小對(duì)機(jī)組所產(chǎn)生的影響，從而選擇合適的角度來(lái)優(yōu)化開(kāi)/停機(jī)控制。

3.1.1機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程優(yōu)化控制

機(jī)組從靜止至啟動(dòng)需要一定的啟動(dòng)力矩使機(jī)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(kāi)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程：

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

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

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(guò)程中必然要經(jīng)歷一定時(shí)段的低轉(zhuǎn)速區(qū)，而低速轉(zhuǎn)動(dòng)期間較大的Fa1對(duì)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(guò)程過(guò)快，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于90%nr時(shí)開(kāi)始向空載開(kāi)限附近壓導(dǎo)葉開(kāi)度，這個(gè)過(guò)程需要一段時(shí)間，此時(shí)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(gè)周期才能把轉(zhuǎn)速穩(wěn)定下來(lái)，導(dǎo)致開(kāi)機(jī)過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)。而第2種方式不僅在啟動(dòng)加速時(shí)Fa1較小，在加速過(guò)程中可使輪葉從較大的啟動(dòng)角緩慢向協(xié)聯(lián)角度關(guān)閉（通常為輪葉的最小設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角），此過(guò)程可逐步抵消因升速導(dǎo)致切向阻力Fr2也上升的趨勢(shì)，使機(jī)組平穩(wěn)升速，不致引起較大的超調(diào)，開(kāi)機(jī)過(guò)程歷時(shí)較短，因此該啟動(dòng)方式較為合理。

上述開(kāi)機(jī)方式都離不開(kāi)合適的導(dǎo)葉啟動(dòng)開(kāi)度及空載開(kāi)限（即大家熟知的第1啟動(dòng)開(kāi)度、第2啟動(dòng)開(kāi)度），而這些量又與水頭有密切關(guān)系，在調(diào)試階段，針對(duì)當(dāng)前試驗(yàn)時(shí)的工作水頭，要整定出合理的導(dǎo)葉啟動(dòng)開(kāi)度及空載開(kāi)限數(shù)值是很容易的，問(wèn)題是其他水頭下的合理數(shù)值，當(dāng)時(shí)是得不到的，若通過(guò)統(tǒng)計(jì)積累，那將是一個(gè)十分漫長(zhǎng)的過(guò)程！故目前通常的做法是在當(dāng)前試驗(yàn)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(shì)是小的水頭對(duì)應(yīng)大整定值，大的水頭對(duì)應(yīng)小的整定值。這種開(kāi)機(jī)方式的另一個(gè)缺點(diǎn)是，本質(zhì)上是開(kāi)環(huán)或半閉環(huán)開(kāi)機(jī)，且頻率給定始終是額定值50Hz或網(wǎng)頻，同時(shí)啟動(dòng)開(kāi)度較空載開(kāi)度大很多，一般為1.5倍的空載開(kāi)度或空載開(kāi)度加10%[2]，導(dǎo)致調(diào)節(jié)過(guò)程后期導(dǎo)葉動(dòng)作較猛烈，易引起轉(zhuǎn)輪動(dòng)態(tài)應(yīng)力偏高。

鑒于此，本次改造在上述第2種開(kāi)機(jī)方式的基礎(chǔ)上，對(duì)開(kāi)機(jī)控制過(guò)程進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整，采用加速度控制的啟動(dòng)方式。在整個(gè)開(kāi)機(jī)過(guò)程中，測(cè)頻信號(hào)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(kāi)度（啟動(dòng)開(kāi)度）的整定值較小，既可小于空載開(kāi)度也可略大于空載開(kāi)限，當(dāng)機(jī)組開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)速器剛測(cè)到機(jī)組頻率，輪葉就從啟動(dòng)角緩慢向協(xié)聯(lián)角度關(guān)閉；頻率給定（頻率目標(biāo)值）結(jié)合機(jī)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(jī)頻也按指數(shù)規(guī)律逐漸達(dá)到額定值。從機(jī)組開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速的20%，頻率給定跟蹤機(jī)組頻率；機(jī)組轉(zhuǎn)速約達(dá)額定轉(zhuǎn)速的85%前，機(jī)組加速度設(shè)定為2Hz/s；機(jī)組轉(zhuǎn)速約達(dá)額定轉(zhuǎn)速的95%前，機(jī)組加速度設(shè)定為1Hz/s；機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)額定轉(zhuǎn)速的95%后，機(jī)組加速度設(shè)定為0.5Hz/s，直至頻率給定值達(dá)額定值。這種啟動(dòng)方式對(duì)水頭與空載開(kāi)度關(guān)系的依賴小，機(jī)組升速平穩(wěn)快捷、軸向力及轉(zhuǎn)輪力矩波動(dòng)小、轉(zhuǎn)輪動(dòng)應(yīng)力小、流道壓力變化較小。

3.1.2機(jī)組停機(jī)過(guò)程優(yōu)化控制

在停機(jī)過(guò)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(jī)方式，機(jī)組減速過(guò)程很長(zhǎng)，為縮短停機(jī)過(guò)程，防止低轉(zhuǎn)速歷時(shí)過(guò)長(zhǎng)造成磨損或燒瓦現(xiàn)象，一般需要對(duì)機(jī)組低轉(zhuǎn)速區(qū)進(jìn)行電制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)的連續(xù)制動(dòng)方式，而未能考慮到輪葉能起的制動(dòng)作用。

通過(guò)前面的受力特性分析可知，若在停機(jī)時(shí)開(kāi)啟輪葉，此時(shí)可以增加水的阻力，而此時(shí)導(dǎo)葉已全關(guān)，切向的主動(dòng)力為零，同時(shí)也減小了軸向反推力，這樣既可有效地加快機(jī)組減速過(guò)程，縮短停機(jī)時(shí)間，也可抑制抬機(jī)現(xiàn)象，這種水力制動(dòng)方式還可保護(hù)或延長(zhǎng)推力瓦和制動(dòng)設(shè)備的使用壽命長(zhǎng)。

本次改造我們就采用了這種水力制動(dòng)方式，以實(shí)現(xiàn)停機(jī)過(guò)程的優(yōu)化控制。為證明其實(shí)際效果，我們特意撤除電氣制動(dòng)，采用水力制動(dòng)結(jié)合機(jī)械制動(dòng)，實(shí)際減速過(guò)程較電氣制動(dòng)節(jié)省近25s時(shí)間。

3.2浪涌控制

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

3.3流量控制

為實(shí)現(xiàn)流量控制，水輪機(jī)制造廠給出了水頭-開(kāi)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(kāi)度的當(dāng)前值通過(guò)計(jì)算得出流量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及機(jī)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(hào)，根據(jù)脈寬時(shí)間折算成相應(yīng)的流量增/減量，再根據(jù)插值表折算為開(kāi)度控制量，顯然，在不同工況下同樣的流量變化所對(duì)應(yīng)的開(kāi)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(shí)間所對(duì)應(yīng)的流量是相同的。而一般的開(kāi)度調(diào)節(jié)模式，無(wú)論在什么工況及水頭，LCU增/減脈沖信號(hào)在同樣脈寬時(shí)間下，所對(duì)應(yīng)的開(kāi)度是相同的，這樣脈寬時(shí)間與流量不直接對(duì)應(yīng)。

3.4水位控制

根據(jù)電廠運(yùn)行要求，建立開(kāi)度-水位關(guān)系曲線，在機(jī)組發(fā)電運(yùn)行時(shí)調(diào)速器根據(jù)開(kāi)度-水位關(guān)系曲線控制機(jī)組開(kāi)度，進(jìn)而控制水庫(kù)水位，徹底改善來(lái)水量的優(yōu)化自動(dòng)調(diào)度；在PID控制算法上增加水位控制增量△Yh=f（H），用來(lái)控制水庫(kù)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(jī)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(jī)組發(fā)電運(yùn)行中，將根據(jù)水頭、尾水位的變化使開(kāi)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(jī)組進(jìn)入非推薦運(yùn)行區(qū)運(yùn)行，保證了機(jī)組的安全運(yùn)行。

3.6轉(zhuǎn)速測(cè)控故障容錯(cuò)

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(hào)傳輸效率及測(cè)量精度與實(shí)時(shí)性，正常工作狀態(tài)下，其信號(hào)品質(zhì)遠(yuǎn)優(yōu)于獨(dú)立的轉(zhuǎn)速繼電器，且測(cè)速信號(hào)源采用殘壓和齒盤(pán)冗余設(shè)計(jì)；盡管如此，考慮到萬(wàn)一雙路測(cè)量信號(hào)均發(fā)生故障時(shí)，有可能導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法完成正常的剎車制動(dòng)控制與停機(jī)流程。為避免此類隱患，我在調(diào)節(jié)器中設(shè)計(jì)了模擬減速曲線，在停機(jī)過(guò)程中若出現(xiàn)冗余的測(cè)速信號(hào)源同時(shí)消失或測(cè)頻單元故障及失效，則將根據(jù)當(dāng)前開(kāi)度作為初始條件，模擬計(jì)算出呈指數(shù)規(guī)律下降的轉(zhuǎn)速信號(hào)，分別在不同時(shí)刻驅(qū)動(dòng)95%、90%、40%、3%以下等輸出繼電器動(dòng)作，并上傳至監(jiān)控系統(tǒng)LCU，保證機(jī)組在停機(jī)過(guò)程中能夠正常投入剎車制動(dòng)，可靠完成停機(jī)過(guò)程。

4　結(jié)語(yǔ)

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(shí)施簡(jiǎn)便、開(kāi)闊了設(shè)計(jì)思路，在實(shí)際應(yīng)用中已取得了良好效果，對(duì)貫流式水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及技術(shù)改造具有普遍的參考與借鑒意義。

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

[3]張濤，等.轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)雙調(diào)控制策略及其軟件實(shí)現(xiàn)[J].華中理工大學(xué)研究生學(xué)報(bào)，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(jí)高級(jí)工程師，從事水電廠自動(dòng)化工作。