五凌電力有限公司株溪口電廠 申潘威 劉 禹 莫建安

株溪口電廠裝由4臺(tái)18.5MW、總裝機(jī)容量為74MW 的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組組成，水輪機(jī)采用了安德里茨研制的三槳葉轉(zhuǎn)輪，機(jī)組由浙富生產(chǎn)并提供，調(diào)速器型號(hào)為PSW（S）T 型微機(jī)調(diào)速器，由武漢三聯(lián)生產(chǎn)，并于2008年投入生產(chǎn)。投產(chǎn)后調(diào)速器暴露出了導(dǎo)葉主配限位塊頻繁斷裂、調(diào)速系統(tǒng)油壓裝置保壓時(shí)間短、主配卡澀等諸多問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題電廠在2017年對(duì)調(diào)速器進(jìn)行了換型改造，后面陸續(xù)完成了4臺(tái)機(jī)組的改造工作。經(jīng)過(guò)4年的運(yùn)行觀察，改造后調(diào)速器運(yùn)行效果良好。

株溪口電廠4臺(tái)機(jī)組調(diào)速器由伺服電機(jī)+主配壓閥換型改造成數(shù)字式插裝閥結(jié)構(gòu)后，解決了原調(diào)速器存在的導(dǎo)葉主配限位塊頻繁斷裂、主配調(diào)節(jié)頻繁、主配卡澀等突出問(wèn)題，避免了由此問(wèn)題造成的損失，解決了電廠機(jī)組在安全經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中的隱患。基于此，根據(jù)電廠實(shí)際情況，在本文中將改造后數(shù)字式插裝閥調(diào)速器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)，供同行借鑒參考。

1 調(diào)速器改造前存在的問(wèn)題及改造設(shè)想

株溪口電廠原調(diào)速器型號(hào)為PSW（S）T 型微機(jī)調(diào)速器，采用電液轉(zhuǎn)換器+主配壓閥的經(jīng)典結(jié)構(gòu)。但自2008年機(jī)組投運(yùn)以來(lái)，調(diào)速器運(yùn)行方式并不穩(wěn)定，問(wèn)題主要集中在引導(dǎo)閥卡阻、主配壓閥頻繁抽動(dòng)、調(diào)速器主配壓閥內(nèi)泄漏油量過(guò)大等機(jī)械方面的問(wèn)題，以及采用拉線(xiàn)式電壓型導(dǎo)、槳葉開(kāi)度傳感器拉線(xiàn)斷裂、調(diào)速器控制參數(shù)優(yōu)化等電氣控制系統(tǒng)方面的問(wèn)題。

近年來(lái)由于調(diào)速器主配壓閥內(nèi)泄漏油量增加，導(dǎo)致4臺(tái)機(jī)組調(diào)速器主配頻繁調(diào)節(jié)情況加重，工作狀態(tài)下壓油槽保壓周期出現(xiàn)明顯降低，平均保壓時(shí)間約8min，調(diào)速器油泵因此頻繁啟動(dòng)、油溫度不斷爬升，尤其在迎峰度夏時(shí)期問(wèn)題尤其突出。調(diào)速器主配壓閥頻繁調(diào)節(jié)，同時(shí)會(huì)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)油路不斷形成沖擊，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起受油器、操作油管等設(shè)備的損壞，2號(hào)機(jī)外操作油管出現(xiàn)裂紋的主要誘因也在于此，另外2號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉長(zhǎng)臂限位塊變形、開(kāi)裂也與此有一定關(guān)聯(lián)。

導(dǎo)、槳葉開(kāi)度傳感器因采用電壓型，在使用過(guò)程中因意外情況導(dǎo)致拉線(xiàn)斷裂后，測(cè)量回路任然存在一定的殘壓，導(dǎo)致不能夠及時(shí)正確的反饋至調(diào)速器，照成調(diào)速器的異常開(kāi)啟或關(guān)閉，引發(fā)機(jī)組的過(guò)負(fù)荷或逆功率，危及機(jī)組的安全運(yùn)行。調(diào)速器的控制參數(shù)在電氣及機(jī)械設(shè)備拆卸檢修安裝后，經(jīng)常需要根據(jù)以往的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行，存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)對(duì)同類(lèi)型電廠的調(diào)研、考察、研究，發(fā)現(xiàn)使用“標(biāo)準(zhǔn)化PLC 微機(jī)調(diào)節(jié)器+電液隨動(dòng)系統(tǒng)”結(jié)構(gòu)模式的新微機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)運(yùn)行情況良好。這種調(diào)速器通過(guò)邏輯插裝技術(shù)，通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的液壓部件、如快速切換閥和邏輯插裝閥，對(duì)部件、回路進(jìn)行多級(jí)的組合和最優(yōu)配置，純粹將機(jī)械液壓部分作為功率放大、進(jìn)行隨動(dòng)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。根據(jù)設(shè)備的特性，此類(lèi)設(shè)備可以很好的解決株溪口電廠存在的引導(dǎo)閥卡阻、主配壓閥頻繁抽動(dòng)、調(diào)速器內(nèi)泄漏量大等機(jī)械液壓系統(tǒng)方面的故障，避免了設(shè)備拆卸檢修裝復(fù)后的參數(shù)調(diào)整工作。同時(shí)也考慮到了機(jī)械液壓動(dòng)作的可靠性、微機(jī)的適應(yīng)性和閥組的簡(jiǎn)易化。具有可靠性高、響應(yīng)快、動(dòng)作平穩(wěn)、定位精度高、工作效率高、節(jié)省用油量等特點(diǎn)。

單獨(dú)對(duì)拉線(xiàn)式電壓型的傳感器進(jìn)行換型，導(dǎo)葉更換為拉桿式電流型傳感器、槳葉更換為旋轉(zhuǎn)式電流型，避免拉線(xiàn)在帶動(dòng)內(nèi)部輪軸時(shí)受機(jī)組振動(dòng)的干擾，并在信號(hào)中斷后調(diào)速器能夠立即測(cè)量到并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2 調(diào)速器改造的實(shí)施

整體思路：將原有調(diào)速器電氣柜及機(jī)械柜做整體移除，新調(diào)速器電氣柜及機(jī)械液壓柜仍采用舊柜體，原有的事故配壓閥和分段關(guān)閉閥不進(jìn)行更換。

2.1 電氣控制柜設(shè)計(jì)

控制部分由兩套一模一樣的系統(tǒng)構(gòu)成，互相冗余，任意一套系統(tǒng)都能作為主用或備用調(diào)節(jié)器。兩套調(diào)節(jié)器能在不同的運(yùn)行條件和情況下工作，使用變PID 參數(shù)和變結(jié)構(gòu)的模式來(lái)調(diào)整機(jī)組，具有轉(zhuǎn)速和加速度監(jiān)測(cè)、速度調(diào)整、有功增減、導(dǎo)葉調(diào)整、開(kāi)度限制（空載和負(fù)載隨水頭自動(dòng)給定限制值）、孤網(wǎng)控制、最大負(fù)荷限制、機(jī)組的調(diào)相與調(diào)速自動(dòng)診斷、一次調(diào)頻功能等功能。調(diào)速器能滿(mǎn)足在各種工作工況下遠(yuǎn)方自動(dòng)（切至現(xiàn)地后調(diào)速器不受監(jiān)控系統(tǒng)控制）和手動(dòng)控制。

對(duì)比舊調(diào)速器系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)接收機(jī)組水頭信號(hào)，能有效地消除水頭波動(dòng)的影響，自動(dòng)按水頭修正啟動(dòng)開(kāi)度、空載開(kāi)度及機(jī)組最大負(fù)荷限制等；當(dāng)水頭信號(hào)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，繼續(xù)使用信號(hào)故障前的數(shù)值來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)、變更為固定值運(yùn)行，當(dāng)水頭信號(hào)重新恢復(fù)時(shí)自動(dòng)變更運(yùn)行模式，恢復(fù)為自動(dòng)跟蹤水頭運(yùn)行。

導(dǎo)葉、槳葉傳感器：導(dǎo)葉開(kāi)度傳感器改為電流制式（4mA～20mA）輸出的傳感器。驅(qū)動(dòng)部分采用直線(xiàn)拉桿式位移傳感器。選用美國(guó)MTS 公司磁致伸縮拉桿型電流制式輸出位移傳感器，測(cè)量范圍為0～1200mm（圖1）。槳葉開(kāi)度信號(hào)經(jīng)操作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為角位移，轉(zhuǎn)角范圍為-17°～+17°，故須選用與之匹配角位移變送器，變送器轉(zhuǎn)軸經(jīng)聯(lián)軸結(jié)直接與槳葉轉(zhuǎn)軸相連（圖2）。

圖1 導(dǎo)葉傳感器安裝示意圖

圖2 槳葉傳感器安裝示意圖

2.2 機(jī)械控制設(shè)計(jì)

機(jī)械液壓柜采用數(shù)字閥+插裝閥式模塊化設(shè)計(jì)。

2.2.1 高速開(kāi)關(guān)閥

該快速切換閥由閥套、電磁體、控制閥芯和閥芯末端的回復(fù)彈簧等構(gòu)成?？焖偾袚Q閥門(mén)是利用螺線(xiàn)型鐵推桿在閥門(mén)內(nèi)部做軸向移動(dòng)，從而切斷與其對(duì)應(yīng)的油通道。該氣缸為一種多節(jié)的環(huán)槽筒，其上裝有工作錐或鋼球形，而在氣缸（套管）中設(shè)有幾條凹槽，各凹槽之間由對(duì)應(yīng)的孔與外界連接。高速開(kāi)關(guān)閥僅有2個(gè)操作位置，在切斷電磁體電源時(shí)閥被下側(cè)的彈簧推動(dòng)而上，且油孔P 與控制端口K 連通，而返回油T 和控制端口K 處于關(guān)閉狀態(tài)。

在電磁上加電流時(shí)，閥體受到電磁推桿的推進(jìn)器的推動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，在油孔P 和控制孔K 斷開(kāi)，而返回油T 則與控制端口K 連通。采用脈沖調(diào)制方式來(lái)調(diào)節(jié)高速切換閥通斷信號(hào)，也就是通過(guò)控制脈沖頻率和脈沖寬度，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量或壓力接近連續(xù)的控制。

2.2.2 主控插裝閥

主調(diào)節(jié)閥也就是“邏輯插裝閥門(mén)”，是實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的主要部件，其作用是接受來(lái)自高速開(kāi)關(guān)閥或比例閥先導(dǎo)油路的壓力/流量信號(hào)，從而引起一個(gè)主閥門(mén)的相應(yīng)的操作，進(jìn)而控制通向?qū)?、槳葉接力器工作回路中的油流量，以調(diào)整導(dǎo)、槳葉接力器的移動(dòng)量。該閥門(mén)的結(jié)構(gòu)特征在于其動(dòng)力段為插裝型，該插裝型是由閥芯、閥套及附屬?gòu)椈?、密封件等組成，其裝配時(shí)僅將閥芯和閥套的彈簧、密封件等連接在一起即可。尺寸按DIN24342標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)在的ISO7368、GB/T2877就是原封不動(dòng)地從DIN24342照搬。

該系統(tǒng)能無(wú)限量接收多種形式的開(kāi)關(guān)、模擬、數(shù)字信號(hào)的先導(dǎo)控制，在一個(gè)主單元內(nèi)完成壓力、流量和方向等多種作用，并兼容開(kāi)關(guān)閥、比例閥和數(shù)字閥，當(dāng)指示訊號(hào)持續(xù)或比例調(diào)整時(shí)，閥座主單元就可完成對(duì)比例閥的伺服和比例閥的控制，可控性非常好。

2.3 安全保護(hù)設(shè)計(jì)

故障保護(hù)：在調(diào)速裝置的失效特性允許裝置繼續(xù)工作或速度檢測(cè)訊號(hào)消失時(shí)，該裝置須在不干擾裝置和意外情況下繼續(xù)工作，并向發(fā)電廠監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送錯(cuò)誤信息，排除故障后自動(dòng)穩(wěn)定地繼續(xù)工作。當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)失效時(shí)，除停機(jī)回路及導(dǎo)葉開(kāi)限機(jī)構(gòu)須具有操作能力之外，調(diào)節(jié)器須維持導(dǎo)葉開(kāi)度處于出事前的狀態(tài)。對(duì)于重大故障，機(jī)組應(yīng)停機(jī)的信號(hào)點(diǎn)，電調(diào)柜上的信號(hào)燈應(yīng)指出相應(yīng)問(wèn)題，調(diào)速器應(yīng)有報(bào)警接點(diǎn)信號(hào)輸出（包括調(diào)速器失靈接點(diǎn)信號(hào)）。

過(guò)速限制裝置：機(jī)械過(guò)速裝置采用原有裝置。過(guò)速限制裝置除通過(guò)液壓回路驅(qū)動(dòng)外，還應(yīng)通過(guò)電氣回路驅(qū)動(dòng)，并有信號(hào)反饋；當(dāng)調(diào)速器液壓控制閥組拒動(dòng)后，應(yīng)將接點(diǎn)開(kāi)出至監(jiān)控系統(tǒng)；在機(jī)組停機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉情況下，調(diào)速器應(yīng)能給導(dǎo)葉偏關(guān)信號(hào)功能，防止導(dǎo)葉開(kāi)啟。

3 調(diào)速器試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

完成調(diào)速器系統(tǒng)改造后主要參照DL/T 563-2016《水輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)及裝置技術(shù)規(guī)程》、DL/T 496-2016《水輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)及裝置調(diào)整試驗(yàn)導(dǎo)則》、DL/T 1245-2013《水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)導(dǎo)則》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了一系列的調(diào)速器性能試驗(yàn)，包括導(dǎo)葉接力器靜態(tài)漂移試驗(yàn)、調(diào)速器靜態(tài)特性試驗(yàn)、開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間測(cè)定試驗(yàn)、緊急停機(jī)時(shí)間測(cè)定試驗(yàn)、機(jī)組頻率信號(hào)消失試驗(yàn)、導(dǎo)葉反饋信號(hào)消失試驗(yàn)、電源消失試驗(yàn)、水頭消失試驗(yàn)、運(yùn)行模式切換、手、自動(dòng)運(yùn)行方式切換試驗(yàn)、自動(dòng)開(kāi)機(jī)試驗(yàn)、空載擾動(dòng)試驗(yàn)、空載擺動(dòng)試驗(yàn)、主/備用機(jī)切換試驗(yàn)、接力器不動(dòng)時(shí)間測(cè)量試驗(yàn)、甩負(fù)荷試驗(yàn)。

調(diào)速器整機(jī)靜特性試驗(yàn)結(jié)果如表1，試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足規(guī)程要求，A 套PLC 主用整機(jī)靜特性圖見(jiàn)圖3，B套PLC 主用整機(jī)靜特性見(jiàn)圖4。

表1 調(diào)速器整機(jī)靜特性試驗(yàn)結(jié)果

圖3 A 套PLC 主用整機(jī)靜特性（橫軸導(dǎo)葉開(kāi)度、縱軸機(jī)組頻率）

圖4 B 套PLC 主用整機(jī)靜特性（橫軸導(dǎo)葉開(kāi)度、縱軸機(jī)組頻率）

甩25%負(fù)荷過(guò)程中測(cè)量接力器不動(dòng)時(shí)間Tq 為0.2s，符合規(guī)程。甩75%負(fù)荷時(shí)最大轉(zhuǎn)速上升率為44.5%，導(dǎo)葉前最大水壓上升至19.16米，調(diào)節(jié)時(shí)間27秒，導(dǎo)葉開(kāi)度相對(duì)平穩(wěn)，未在穩(wěn)定工控反復(fù)波動(dòng)，機(jī)組頻率經(jīng)歷一個(gè)半周期后轉(zhuǎn)為穩(wěn)定狀態(tài)。改造后甩負(fù)荷曲線(xiàn)如圖5。

圖5 改造后甩75%額定負(fù)荷曲線(xiàn)（紅色線(xiàn)機(jī)組頻率、藍(lán)色線(xiàn)導(dǎo)葉開(kāi)度、綠色線(xiàn)輪葉開(kāi)度，深綠色導(dǎo)葉進(jìn)口水壓、深藍(lán)色尾水管進(jìn)口壓力）

通過(guò)改造前后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)比，采用邏輯插裝技術(shù)及電流型傳感器主要優(yōu)點(diǎn)如下：

機(jī)械液壓部分設(shè)計(jì)上沒(méi)有了先導(dǎo)閥、引導(dǎo)閥以及主配壓閥等結(jié)構(gòu)，由組合結(jié)構(gòu)的邏輯插裝控制閥模塊代替。采用高速開(kāi)關(guān)閥，用螺線(xiàn)型鐵控制閥芯在閥門(mén)內(nèi)部做軸向移動(dòng)，從而開(kāi)斷對(duì)應(yīng)的油道?？褂臀勰芰?qiáng)、磨損少，實(shí)現(xiàn)多路冗余，不存在類(lèi)似主配閥引導(dǎo)閥卡澀后須立即進(jìn)行停機(jī)緊急處理的情況，大大減少勞動(dòng)強(qiáng)度和檢修工作量，節(jié)省了勞動(dòng)成本。從根本上提高了調(diào)速器運(yùn)行可靠性，杜絕了設(shè)備卡澀的可能性；系統(tǒng)的調(diào)節(jié)、控制無(wú)需由“中間位置”與機(jī)械反饋來(lái)確保，因此避免了調(diào)速器主配工作時(shí)頻繁調(diào)節(jié)與抽動(dòng)而造成受油器、操作油管及接力器等重點(diǎn)部位的液壓沖擊，降低了結(jié)構(gòu)疲勞損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

調(diào)速器液壓系統(tǒng)內(nèi)部泄漏小，穩(wěn)定工況下基本無(wú)油耗，解決了原來(lái)調(diào)速器內(nèi)泄漏量大的問(wèn)題，油泵啟停間隔時(shí)間由20分鐘增加到4小時(shí)，操作油管油溫由45℃下降到接近室溫，減少了調(diào)速油壓系統(tǒng)的機(jī)械磨損，降低了故障概率，節(jié)省了油源與廠用電消耗；電壓標(biāo)準(zhǔn)的傳感器都有一個(gè)共同的問(wèn)題，就是當(dāng)輸入端的信號(hào)斷開(kāi)后、取樣端的電壓都要經(jīng)過(guò)一段很長(zhǎng)的一段時(shí)期，從而會(huì)對(duì)反饋的響應(yīng)速度產(chǎn)生影響。導(dǎo)致信號(hào)消失后實(shí)際開(kāi)度變化量大于1%，更換為電流型傳感器后杜絕了因傳感器導(dǎo)致的導(dǎo)葉開(kāi)度變化量偏大的問(wèn)題。

本項(xiàng)目實(shí)施后極大地提高了調(diào)速系統(tǒng)裝置的可靠度，使故障處置所需的工作大大降低，極大地避免了在滿(mǎn)發(fā)階段由于啟動(dòng)不成功而導(dǎo)致的無(wú)效棄水量，同時(shí)也節(jié)約了廠用電。