劉 禹，周 樂，潘軍林，張寶慶，陳 伽，莫建安，申潘威

（五凌電力有限公司株溪口水電廠，湖南益陽 413500）

0 引言

株溪口水電廠裝有4 臺18.5 MW 燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，原有調(diào)速器采用比例伺服閥控式電液轉(zhuǎn)換雙調(diào)節(jié)，通過比例伺服閥、數(shù)字閥進行電液轉(zhuǎn)換，將電氣信號變成接力器行程，其機械手動卻用數(shù)字球閥進行人為操作，在電氣事故、停電、電液轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)故障、試驗、大修后第一次開機等工況，使用率非常低，需要人為干預(yù)監(jiān)護，難以準確定位，操作很不方便，而且數(shù)字球閥調(diào)節(jié)控制精度達不到規(guī)程要求，易出現(xiàn)超調(diào)、引導(dǎo)閥端蓋容易出現(xiàn)卡阻拒動、卡澀等現(xiàn)象，造成開機不成功。

利用液壓數(shù)字邏輯插裝技術(shù)，引入導(dǎo)葉/槳葉雙反饋實時采樣參與控制，以快速開關(guān)閥和插裝閥等電磁閥分別代替電液轉(zhuǎn)換器和主配壓閥，調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)無須進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，導(dǎo)葉/槳葉雙調(diào)節(jié)控制無需由比例閥和數(shù)字閥的“中間位置”來保證。機組在負載靜態(tài)方式下達到耗油量小、運行穩(wěn)定、邏輯控制集成化程度較高，可實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的全面容錯控制，解決了長期困擾水電廠的調(diào)速器拒動、主配漏油、引導(dǎo)閥卡澀、先導(dǎo)閥閥芯卡澀等問題。

1 數(shù)字式雙反饋調(diào)速器的應(yīng)用

數(shù)字式雙反饋在貫流式水電站的成功應(yīng)用，實現(xiàn)了導(dǎo)葉/槳葉開度的雙冗余，在研究雙反饋的控制原理、優(yōu)先邏輯、PLC 信號輸入處理等技術(shù)上有新的突破，并通過機組調(diào)速器系統(tǒng)改造做了大量的現(xiàn)場試驗，驗證其可靠性與穩(wěn)定性。電廠選取了雙CPU 的PLC 模塊接收兩套導(dǎo)葉反饋的信號，如圖1 所示，槳葉反饋原理與此類似。導(dǎo)葉開度傳感器安裝在接力器導(dǎo)葉反饋原來的位置，設(shè)計兩套反饋共用一個固定支架，并且在制作過程加裝分段關(guān)閉的硬接點回路，一方面確保反饋信號的線性度與4～20 mA 的模擬量采樣信號不失真，另一方面在機組甩負荷導(dǎo)葉快速關(guān)閉時分段關(guān)閉正常動作，有效防止反水錘抬機，緩解接力器有桿腔活塞與端部的撞擊力。當一套導(dǎo)葉傳感器故障時，調(diào)速器PLC 可自動切換至接收另一套導(dǎo)葉傳感器信號的B 機，維持原有導(dǎo)葉開度不變的情況下保持機組負荷平衡運行，同時將導(dǎo)葉傳感器故障信號報警給監(jiān)控系統(tǒng)，通知運維人員及時進行處理。

圖1 數(shù)字式調(diào)速器導(dǎo)葉雙反饋設(shè)計

數(shù)字式雙反饋調(diào)速器根據(jù)機組轉(zhuǎn)速上升的趨勢，在控制邏輯中加入適當?shù)难訒r，當槳葉進入正常的協(xié)聯(lián)，并調(diào)整到一定的轉(zhuǎn)角開度，防止機組不會因低轉(zhuǎn)速而導(dǎo)致停機。當機組轉(zhuǎn)速下降一定程度時，打開導(dǎo)葉開度到一定開度，以減少水錘壓力的上升，并控制最低轉(zhuǎn)速下降，機組轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速附近時投入PID控制算法，使機組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速。

2 數(shù)字式雙反饋調(diào)速器部分試驗內(nèi)容及要求

2.1 導(dǎo)葉/槳葉雙反饋傳感器的開關(guān)機時間測定

試驗條件是燈泡貫流式機組流道內(nèi)未充水，調(diào)速器液壓與電氣系統(tǒng)已安裝驗收，調(diào)速器壓油槽、接力器、管道充油完畢，具備無水調(diào)試試驗條件。

將導(dǎo)葉/槳葉接力器行程A/B 套反饋信號串入調(diào)速器系統(tǒng)綜合特性測試儀，電調(diào)柜手動操作插裝閥以3 級開啟速度開啟導(dǎo)葉/槳葉接力器，使導(dǎo)葉/槳葉接力器從全關(guān)0%至全開100%；電調(diào)柜手動操作插裝閥以3 級關(guān)閉速度關(guān)導(dǎo)葉/槳葉接力器，使導(dǎo)葉/槳葉接力器從全開100%至全關(guān)0%，記錄導(dǎo)葉/槳葉接力器行程變化時間，按導(dǎo)槳葉25%～75%動作時間的兩倍計算導(dǎo)槳葉開關(guān)機的時間。導(dǎo)葉全關(guān)時的慢關(guān)時間須躲過機組振動區(qū)，取8～9 s 符合實際運行要求。

2.2 緊急停機時間測定試驗

試驗條件是調(diào)速器液壓與電氣系統(tǒng)已安裝驗收，調(diào)速器壓油槽、接力器、管道充油完畢，具備無水調(diào)試試驗條件，電氣部分上電正常。

手動操作緊急停機電磁閥，使接力器從全開100%向全關(guān)0%動作，記錄導(dǎo)葉接力器行程雙反饋信號的變化時間。動作緊急停機電磁閥快關(guān)時間，A 套3.5 s，B 套3.4 s；拐點，A 套42.42%，B 套42.36%；第二段關(guān)閉時間，A 套8.2 s，B 套8.4 s。導(dǎo)葉/槳葉雙反饋動作時間均符合電廠設(shè)計值要求。

在調(diào)速系統(tǒng)主供油閥全開情況下人為動作重錘關(guān)機閥，使接力器從全開100%向全關(guān)0%動作，記錄導(dǎo)葉接力器行程變化時間。調(diào)速系統(tǒng)主供油閥全開，在燈泡體手動動作重錘關(guān)機閥和機械過速裝置飛擺啟動導(dǎo)葉快關(guān)時間，A 套5.25 s，B 套5.26 s；拐點，A 套38.4%，B 套37.99%；第二段關(guān)閉時間，A 套21.2 s，B套20.8 s。導(dǎo)葉/槳葉雙反饋動作時間均符合電廠設(shè)計值要求。

調(diào)速系統(tǒng)主供油閥全關(guān)，無壓力油的情況下在燈泡體手動動作重錘關(guān)機閥和機械過速裝置快關(guān)時間，A 套7.22 s，B 套7.24 s；拐點，A 套43.12%，B 套43.08%；第二段關(guān)閉時間，A 套23.2 s，B套23.1 s。導(dǎo)葉/槳葉雙反饋動作時間均符合電廠設(shè)計值要求。

2.3 導(dǎo)葉/槳葉雙反饋信號消失試驗

試驗條件是燈泡貫流式機組流道內(nèi)未充水，調(diào)速器系統(tǒng)按要求調(diào)整參數(shù)且試驗完畢，調(diào)速器處于自動運行方式。導(dǎo)葉/槳葉接力器行程信號接入調(diào)速器系統(tǒng)綜合特性測試儀，給調(diào)速器提供機頻信號。

（1）模擬調(diào)速器系統(tǒng)導(dǎo)葉/槳葉反饋信號丟失，發(fā)調(diào)速器開機指令，記錄導(dǎo)葉/槳葉接力器行程變化情況。單套反饋丟失調(diào)速器報小故障可正常開機，雙套反饋丟失報大故障，禁止開機。

（2）模擬開機過程中導(dǎo)葉/槳葉反饋信號消失。輸入短接調(diào)速器開機指令，由調(diào)速器系統(tǒng)綜合特性測試儀改變頻率，模擬機組開機過程，在開機過程中分別斷開調(diào)速器的導(dǎo)葉/槳葉接力器A 套/B 套反饋信號，記錄導(dǎo)葉/槳葉接力器行程變化情況。單套丟失調(diào)速器報小故障正常運行，雙套反饋丟失報大故障停機。

（3）模擬空載工況導(dǎo)葉/槳葉反饋信號短時消失。由調(diào)速器系統(tǒng)綜合特性測試儀給調(diào)速器提供機組額定頻率，導(dǎo)葉接力器行程處于小于空載開度限制位置，模擬機組空載運行工況，分別中斷調(diào)速器的導(dǎo)葉/槳葉接力器A 套/B 套反饋信號并恢復(fù)，記錄導(dǎo)葉/槳葉接力器行程變化情況。

（4）模擬負載工況導(dǎo)葉/槳葉反饋信號短時中斷。短接發(fā)電機出口斷路器位置信號，由調(diào)速器系統(tǒng)綜合特性測試儀給調(diào)速器提供機組額定頻率信號，導(dǎo)葉接力器處于50%行程附近，模擬機組負載運行工況，人為分別斷開調(diào)速器的導(dǎo)葉/槳葉接力器A 套/B套反饋信號并恢復(fù)，記錄導(dǎo)葉/槳葉接力器行程變化情況。

（5）模擬負載工況導(dǎo)葉/槳葉反饋信號消失同時甩負荷。模擬機組負載工況，拆除斷路器短接的位置信號模擬機組甩負荷，并人為斷開調(diào)速器的導(dǎo)葉/槳葉接力器A 套/B 套反饋信號，記錄導(dǎo)葉/槳葉接力器行程變化情況。

2.4 空載擾動試驗

試驗條件是機組流道充水，機組處于空載運行方式，調(diào)速器處于自動運行方式。

在自動空載穩(wěn)定工況下，調(diào)速器頻率給定置于額定頻率50 Hz，將調(diào)節(jié)裝置切至手動，通過手動增減導(dǎo)葉開度的方法，改變機組當前的實際轉(zhuǎn)速，當轉(zhuǎn)速變化幅度超過4%額定轉(zhuǎn)速時，再切至自動。記錄頻率擾動過程的機組頻率、導(dǎo)葉接力器行程的變化情況。根據(jù)機組過渡過程變化情況，選取超調(diào)量小、波動次數(shù)少、穩(wěn)定快的一組調(diào)速器參數(shù)，供空載運行使用。A 機優(yōu)化空載參數(shù)分別為KP=1.25，KI=0.12，KD=0.35。

手動擾動52.1 Hz 至50 Hz 衰減度ψ=0，波動次數(shù)0，調(diào)節(jié)時間TP=23.9 s；手動擾動47.7 Hz 至50 Hz 衰減度ψ=0，波動次數(shù)0，調(diào)節(jié)時間TP=24.4 s。

2.5 空載擺動試驗

試驗條件是機組處于空載運行方式，勵磁調(diào)節(jié)器處于自動運行方式，設(shè)置調(diào)速器空載參數(shù)為試驗選定的參數(shù)。

記錄機組在空載穩(wěn)定運行時的機組頻率、導(dǎo)葉接力器行程的變化情況，記錄時間3 min。根據(jù)試驗結(jié)果計算調(diào)速器空載轉(zhuǎn)速擺動值。試驗在A 套控制器2 次、B 套控制器1 次，試驗結(jié)果取其平均值。如試驗測量得到的調(diào)速器自動空載轉(zhuǎn)速擺動值超過標準規(guī)定的要求，應(yīng)進行手動運行工況的下空載擺動試驗，測量其空載轉(zhuǎn)速擺動值。調(diào)速器處于自動運行方式，A 機空載控制參數(shù)分別為KP=1.25，KI=0.12，KD=0.35。

空載擺動試驗結(jié)果：A 機主用空載擺動1 轉(zhuǎn)速擺動相對平均值±0.18%。

2.6 甩負荷試驗

試驗條件是調(diào)速器處于自動運行方式，機組并網(wǎng)帶負荷運行穩(wěn)定，已做好防止機組過速措施。機組頻率信號、導(dǎo)葉接力器行程信號、流道進口水壓信號、尾水管水壓信號接入調(diào)速器系統(tǒng)綜合特性測試儀。

甩負荷試驗結(jié)論：在試驗水頭8.85 m 時分別甩25%、50%、75%負荷至空載態(tài)，最大轉(zhuǎn)速上升率為33.82%，未超過最小水頭下甩額定負荷時轉(zhuǎn)速上升率最大值。導(dǎo)葉前水壓上升率和尾水管進口水壓下降率均不大，尾水管水壓進口未出現(xiàn)負壓。

3 結(jié)束語

該數(shù)字式雙反饋調(diào)速器既采用邏輯插裝技術(shù)，又增加了反饋裝置的雙冗余技術(shù)，以A/B 機分別接收兩套導(dǎo)葉/槳葉信號的運行模式，經(jīng)歷了線路跳閘機組甩負荷及各種運行工況的驗證，數(shù)字式雙反饋調(diào)速器將有一定的發(fā)展前景。自2017—2020 年電廠完成了4 臺機組調(diào)速器的整體換型改造，且4 年期間無故障、無漏油、不卡澀、不拒動，運行期間的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與試驗結(jié)論綜合判斷，該款調(diào)速器具有較高的可靠性、頻率負荷響應(yīng)速度快、動作靈活平穩(wěn)性好、閥組加工精度高、節(jié)省壓油槽油源消耗等優(yōu)點。在株溪口電廠的成功應(yīng)用，解決了電廠原有調(diào)速器存在的保壓時間短、主配引導(dǎo)閥卡澀、主配反饋信號跳變等問題，維持了電廠的安全生產(chǎn)穩(wěn)定局面，可供國內(nèi)同類型發(fā)電機組借鑒。