肖南文

(廣東粵海飛來峽水力發(fā)電有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511825)

1 原調(diào)速器簡介及存在的主要問題

1.1 調(diào)速器系統(tǒng)

飛來峽電廠機(jī)組的原調(diào)速系統(tǒng)引進(jìn)奧地利MCE公司，型號(hào)為MIPREG DGC 600C，屬于采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律的雙調(diào)節(jié)微機(jī)數(shù)字調(diào)速器，整套系統(tǒng)包括AGC系統(tǒng)、電子調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、引水和泄水系統(tǒng)、水輪發(fā)電機(jī)組和測量元件等(如圖1所示[1])，電子調(diào)節(jié)器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成水輪機(jī)調(diào)速器。電子調(diào)節(jié)器接收機(jī)組頻率、功率和AGC系統(tǒng)的負(fù)荷給定信號(hào)并在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)頻率和功率閉環(huán)調(diào)節(jié)。

圖1 調(diào)速系統(tǒng)的組成模塊示意

1.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)[2]

執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括壓力油罐、調(diào)速器油箱、漏油箱、輪轂油箱、比例閥組、旁通閥組、受油器、導(dǎo)葉接力器、重錘、輪葉接力器、導(dǎo)葉、輪葉和輪轂等組成。調(diào)速器油箱中油由調(diào)速器油泵泵油到高壓油罐形成壓力操作油，高壓油罐中的操作油由比例閥組控制配送到導(dǎo)葉開啟腔、關(guān)閉腔和輪葉開啟腔、關(guān)閉腔管路，油經(jīng)過管路輸送到導(dǎo)葉接力器和輪葉接力器，通過接力器操作導(dǎo)葉、輪葉[3]。操作油系統(tǒng)為機(jī)組導(dǎo)葉、輪葉動(dòng)作提供動(dòng)能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意

1.3 存在的主要問題

1) 飛來峽機(jī)組的調(diào)速器系統(tǒng)為20世紀(jì)90年代的產(chǎn)品，各部位的元器件老化現(xiàn)象正日益突出，整體運(yùn)行的穩(wěn)定性也逐年下降；近年來陸續(xù)出現(xiàn)了導(dǎo)葉和輪葉開度傳感器故障、調(diào)速器電源模塊故障、調(diào)速器主板和輸入輸出板故障、液壓元件(快關(guān)閥、旁通閥、卸荷閥和電液轉(zhuǎn)換器等)故障等導(dǎo)致機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)的事件，影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行和發(fā)電效益。

2) 飛來峽機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)所用的主要配件和自動(dòng)化元件已基本停產(chǎn)或進(jìn)行了升級(jí)換型，存在備品備件采購困難和采購周期長等問題，影響了設(shè)備的維護(hù)消缺工作。

3) 現(xiàn)用的導(dǎo)葉及輪葉位移傳感器的內(nèi)部電路采用多圈電位器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換及傳輸，屬于接觸式的位移傳感器，在使用一定時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)電位器磨損及接觸不良的問題，易導(dǎo)致導(dǎo)葉或漿葉開度信號(hào)中斷引起電調(diào)故障跳閘停機(jī)[4]。

4) 原調(diào)速系統(tǒng)采用6 200 L壓力油罐，選用單臺(tái)油泵連續(xù)運(yùn)行方式，定量泵油，當(dāng)油壓到達(dá)58 bar(備用泵為56 bar)時(shí)，主油泵的加載閥動(dòng)作，油泵泵油輸入壓力油罐；當(dāng)油壓到達(dá)60 bar時(shí)，加載閥停止加載，油泵泵出的部分油流將返回到調(diào)速器油箱；由于減載時(shí)油流仍然回到調(diào)速器油箱并具有油泵全流量(約1～1.5 bar壓力)，此時(shí)油泵仍有較大輸出功率，同時(shí)減載后油泵并不停機(jī)而是持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致電機(jī)電能損耗偏大；且調(diào)速系統(tǒng)輪轂油箱的補(bǔ)油采用壓力油罐持續(xù)補(bǔ)油方式，多余的油通過溢流管流回調(diào)速器油箱[5]，此方式下壓力油罐的壓力下降較快進(jìn)而引起調(diào)速器油泵頻繁泵油，導(dǎo)致操作油在調(diào)速器系統(tǒng)管路、油箱和油罐等設(shè)備中加速循環(huán)，致使油溫偏高[6]油質(zhì)變差(正常運(yùn)行時(shí)平均油溫為52℃，環(huán)境溫度高時(shí)平均油溫為54℃)。

2 技術(shù)改進(jìn)與應(yīng)用分析

2.1 技術(shù)改進(jìn)的主要內(nèi)容

本次技術(shù)改進(jìn)選用了TC1703XL微機(jī)調(diào)速器(TC1703XL微機(jī)控制器主要配置如圖3)及其配套的機(jī)械液壓裝置和自動(dòng)化元器件，對(duì)調(diào)速器系統(tǒng)的電氣部分和機(jī)械油壓部分進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)。調(diào)速器電氣部分進(jìn)行整體升級(jí)更換，包括更換調(diào)速器GT01柜和GT02柜及內(nèi)部元器件，并對(duì)導(dǎo)葉、輪葉位移傳感器和齒盤測速探頭等相關(guān)自動(dòng)化元件進(jìn)行換型升級(jí)，更換與調(diào)速器相關(guān)的二次回路電纜。調(diào)速器機(jī)械部分進(jìn)行了部分改進(jìn)，調(diào)速器油箱及機(jī)械柜進(jìn)行整體更換，包含油泵、油泵閥組、導(dǎo)葉控制閥組、輪葉控制閥組、快關(guān)閥組、旁通閥組控件、調(diào)速器主油泵加減載閥塊、壓力開關(guān)，油位變送器等元件；同時(shí)在調(diào)速器油箱上增加1臺(tái)小型增壓泵，原調(diào)速器油箱的油冷卻器更換成管式冷卻器，增加輪轂油箱補(bǔ)油閥，增加輪葉比例閥先導(dǎo)級(jí)及主級(jí)間的控制油路塊，將原調(diào)速器比例控制閥更換為REXROTH公司的4WRLE35型比例閥等。

圖3 TC1703XL微機(jī)控制器主要配置示意

2.2 技術(shù)改進(jìn)的主要亮點(diǎn)

1) 采用CPU 3套冗余、IO模塊2套冗余、外圍信號(hào)2套冗余、電源模塊2套冗余的多級(jí)交叉冗余方式，可最大限度保證系統(tǒng)的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2) TC1703XL微機(jī)控制器為水電站自動(dòng)化控制專用微機(jī)系統(tǒng)，采用32位CPU，閃存卡存儲(chǔ)調(diào)速器應(yīng)用程序，無須電池(原調(diào)速器的程序在調(diào)速器斷電后靠主板上的后備電池維持)；控制器采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，并具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可通過GPS對(duì)時(shí)；每個(gè)I/O模板都帶有處理器，采用現(xiàn)今最先進(jìn)的多處理器體系結(jié)構(gòu)，單一處理器失效只能導(dǎo)致單一功能失效，不會(huì)影響系統(tǒng)其他功能。

3) 測頻環(huán)節(jié)采用專用的測頻模塊和殘壓信號(hào)隔離器，實(shí)現(xiàn)微機(jī)本體測頻，抗干擾能力強(qiáng)；測頻模塊計(jì)數(shù)脈沖為20 MHz，測頻精度為0.000 125 Hz，相比原測頻模塊0.001 Hz的精度提高了1個(gè)量級(jí)，為調(diào)速器1次調(diào)頻功能的正常發(fā)揮提供堅(jiān)實(shí)的設(shè)備基礎(chǔ)[7]。

4) 全面支持IEC系列國際標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約，硬件和軟件與在用的機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)為同一平臺(tái)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)統(tǒng)一，可實(shí)現(xiàn)2套系統(tǒng)間以通訊的方式進(jìn)行聯(lián)接。

5) 導(dǎo)葉及輪葉位移傳感器選用德國公司生產(chǎn)的Temposonics-Ⅲ高精度位移傳感器，具有2 μm分辨率，輸出信號(hào)為4～20 mA。該傳感器為非接觸式位移傳感器，相比原系統(tǒng)采用多圈電位器接觸式的位移傳感器，其可靠性高，重復(fù)性好，可有效解決因電位器磨損嚴(yán)重及接觸不良導(dǎo)致導(dǎo)葉或漿葉開度信號(hào)中斷，引起電調(diào)故障跳閘停機(jī)的問題[7]。

6) 旁通閥的控制采用增加1個(gè)旁通閥緊急停機(jī)電磁閥的方式，可強(qiáng)化旁通閥控制機(jī)組過速的作用和能力。

7) 調(diào)速系統(tǒng)的主油泵設(shè)計(jì)為間歇啟動(dòng)運(yùn)行的方式，同時(shí)在保證供油量的前提下減小主油泵電機(jī)的容量，增加1個(gè)持續(xù)運(yùn)行的小功率增壓泵，并把原調(diào)速器油箱的強(qiáng)制循環(huán)油冷卻器更換成管式冷卻器，方便日后的運(yùn)維。

8) 原調(diào)速系統(tǒng)輪轂油箱的補(bǔ)油采用壓力油罐持續(xù)補(bǔ)油方式[8]，多余的油通過溢流管流回調(diào)速器油箱，此方式導(dǎo)致壓力油罐的壓力下降較快及調(diào)速器油泵頻繁打油。改進(jìn)后將增加1個(gè)輪轂油箱的補(bǔ)油電磁閥，該電磁閥由輪轂油箱油位節(jié)點(diǎn)直接控制，當(dāng)輪轂油箱油位低時(shí)，電磁閥動(dòng)作，壓力油通過此閥進(jìn)入輪轂油箱，當(dāng)油箱油位高時(shí)，電磁閥關(guān)閉，壓力油截止供油，以解決壓力油罐的壓力下降較快及油耗較大的問題。

9) 新調(diào)速器增加了1塊15寸彩色液晶觸摸屏，具有良好的中文人機(jī)界面，具有在線錄波、存儲(chǔ)故障信息、支持Windows操作界面等強(qiáng)大功能，用戶可以直接通過觸摸屏查看調(diào)速器各相關(guān)數(shù)據(jù)及運(yùn)行曲線。新系統(tǒng)的調(diào)試軟件支持在線監(jiān)視、曲線記錄等功能，調(diào)速軟件自帶機(jī)組模型，配合調(diào)試軟件可實(shí)現(xiàn)調(diào)速器及機(jī)組運(yùn)行的離線仿真，方便運(yùn)行維護(hù)人員對(duì)調(diào)速器進(jìn)行故障檢查、參數(shù)調(diào)整、整體試驗(yàn)及學(xué)習(xí)調(diào)速器相關(guān)知識(shí)。

10) 本次技術(shù)改進(jìn)采用的是REXROTH[8]的兩級(jí)比例伺服閥4WRLE35，額定流量為1 500 L/min。導(dǎo)葉及輪葉可采用相同比例閥，具有互換性，可減少備件儲(chǔ)備。調(diào)速器電氣指令將直接控制比例閥的開口從而控制導(dǎo)葉及輪葉的動(dòng)作。

11) 緊急停機(jī)采用以下2種方式[8]：① 通過比例閥：緊急停機(jī)電磁閥動(dòng)作后，將切斷導(dǎo)葉及輪葉比例閥的控制油路，比例閥將不再受電氣信號(hào)控制。導(dǎo)葉比例閥的主級(jí)將在油壓的作用下向關(guān)機(jī)方向移動(dòng)，導(dǎo)葉關(guān)閉。輪葉比例閥的主級(jí)可在油路上設(shè)計(jì)成靜止不動(dòng)，以滿足緊急停機(jī)時(shí)的輪葉關(guān)閉規(guī)律的要求。比例閥的主級(jí)在緊停動(dòng)作時(shí)的動(dòng)作方式由插入在比例閥先導(dǎo)級(jí)及主級(jí)間的油路塊實(shí)現(xiàn)(原系統(tǒng)輪葉比例閥無此設(shè)計(jì))。② 通過旁通閥：旁通閥連接導(dǎo)葉開關(guān)機(jī)腔，在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，旁通閥是關(guān)閉的；當(dāng)緊急停機(jī)動(dòng)作或系統(tǒng)失油壓時(shí)，旁通閥將打開，導(dǎo)通導(dǎo)葉接力器的開關(guān)機(jī)腔，導(dǎo)葉將在重錘的作用下關(guān)閉。旁通閥的控制可采用緊急停機(jī)電磁閥或另增加的一個(gè)旁通閥緊急停機(jī)電磁閥，本次改造，采用新增1個(gè)緊急停機(jī)電磁閥的方式。

12) 增加1個(gè)輪轂油箱補(bǔ)油閥，原調(diào)速系統(tǒng)輪轂油箱補(bǔ)油采用壓力油罐持續(xù)補(bǔ)油方式，多余的油通過溢流管流回調(diào)速器油箱，此方式壓力油罐的油耗較大。本次改進(jìn)將增加1個(gè)補(bǔ)油電磁閥，該電磁閥由輪轂油箱油位節(jié)點(diǎn)直接控制，當(dāng)輪轂油箱油位低時(shí)，電磁閥動(dòng)作，壓力油通過此閥進(jìn)入輪轂油箱，當(dāng)油箱油位高時(shí)，電磁閥關(guān)閉，壓力油截止供油。

13) 原調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)改進(jìn)后系統(tǒng)主油泵采用間歇啟動(dòng)運(yùn)行方式，增加1個(gè)持續(xù)運(yùn)行的小功率增壓泵(額定功率為7.5 kW)，在壓力油罐壓力為58～60 bar之間時(shí)，啟動(dòng)增壓泵持續(xù)泵油增壓，到60 bar后使增壓泵空載運(yùn)行。該方式有以下優(yōu)點(diǎn)：①節(jié)能，系統(tǒng)主油泵采用間歇啟動(dòng)方式，依據(jù)壓力值啟動(dòng)，增加增壓泵后，主油泵的運(yùn)行時(shí)間可大大縮短，減少系統(tǒng)的空載損耗；② 降溫，由于新增的增壓泵為壓力補(bǔ)償泵，在油壓接近60 bar時(shí)其增壓泵輸出功率接近為0，可大幅減少系統(tǒng)的發(fā)熱量，顯著降低調(diào)速器油箱和壓力油罐內(nèi)的油溫。

2.3 調(diào)速器系統(tǒng)應(yīng)用性能分析

此次技術(shù)改進(jìn)未改變?cè)刂圃?、原PID調(diào)節(jié)規(guī)律、原有的功能和原有的控制方式，增加AGC接口功能，對(duì)現(xiàn)有AGC控制邏輯和調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化[9];能成功通過第三方試驗(yàn)機(jī)構(gòu)開展的參數(shù)實(shí)測、建模和1次調(diào)頻功能試驗(yàn)，其靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性品質(zhì)等技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于國家和行業(yè)相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求，具體性能技術(shù)指標(biāo)如下:

1) 1次調(diào)頻性能[9]

① 1次調(diào)頻死區(qū)不大于±0.05 Hz; ② 調(diào)速系統(tǒng)速度不等率(永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù))不高于4%; ③ 調(diào)速系統(tǒng)遲緩率小于0.15%;④ 1次調(diào)頻響應(yīng)滯后時(shí)間不大于3 min;⑤ 1次調(diào)頻穩(wěn)定時(shí)間小于30 min;⑥ 1次調(diào)頻的負(fù)荷響應(yīng)速度自頻差超出1次調(diào)頻死區(qū)開始，達(dá)到90%目標(biāo)負(fù)荷的時(shí)間不大于15 min;⑦ 1次調(diào)頻的負(fù)荷變化幅度避開機(jī)組最大和最小負(fù)荷限值振動(dòng)區(qū)間運(yùn)行;⑧ 具有1次調(diào)頻的自動(dòng)投入和手動(dòng)投、退功能，機(jī)組正常并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)1次調(diào)頻功能能動(dòng)投入。

2) 靜態(tài)特性

① 靜態(tài)特性曲線近似為直線;② 測至主接力器的轉(zhuǎn)速死區(qū)ix不大于0.06%;③ 在水輪機(jī)靜置及輸入轉(zhuǎn)速信號(hào)恒定的條件下接力器擺動(dòng)值不超過0.25%;④ 漿葉隨動(dòng)系統(tǒng)的不準(zhǔn)確度ia不大于0.8%，實(shí)測協(xié)聯(lián)曲線與理論協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線的偏差不大于漿葉接力器全行程的1%[9]。

3) 動(dòng)態(tài)特性

① 調(diào)速器能保證機(jī)組在各種工況和運(yùn)行方式下的穩(wěn)定性，在空載工況自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，施加一階躍型轉(zhuǎn)速指令信號(hào)，待機(jī)組穩(wěn)定后測其轉(zhuǎn)速擺動(dòng)相對(duì)值不超過±0.25%。② 機(jī)組啟動(dòng)開始至機(jī)組空載轉(zhuǎn)速偏差小于同期帶(1%～-0.5%)的時(shí)間TSR不大于從機(jī)組起動(dòng)開始至機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到80%額定轉(zhuǎn)速時(shí)間的5倍。③ 機(jī)組甩負(fù)荷后動(dòng)態(tài)品質(zhì)能達(dá)到：甩100%額定負(fù)荷后，在轉(zhuǎn)速變化過程中，超過穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速3%額定轉(zhuǎn)速值以上的波峰不超過2次；從機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)起，到機(jī)組轉(zhuǎn)速相對(duì)偏差小于±1%為止的調(diào)節(jié)時(shí)間tE與從甩負(fù)荷開始至轉(zhuǎn)速升至最高轉(zhuǎn)速所經(jīng)歷的時(shí)間tM比值不大于8；轉(zhuǎn)速或指令信號(hào)按規(guī)定形式變化，接力器不動(dòng)時(shí)間不大于0.2 s[9]。

2.4 降溫效果分析

改進(jìn)前調(diào)速器油箱油溫正常運(yùn)行時(shí)平均為52 ℃，夏天環(huán)境溫度高時(shí)平均油溫為54 ℃，報(bào)警設(shè)定值為55 ℃，技術(shù)改進(jìn)后，調(diào)速器主油泵泵油次數(shù)明顯減少，調(diào)速器油冷卻循環(huán)泵啟動(dòng)次數(shù)變?yōu)?次；冬天環(huán)境溫度低時(shí)平均溫度為20 ℃，夏天環(huán)境溫度高時(shí)平均溫度為36 ℃。6 200 L的壓力油罐中有1 404 L為循環(huán)油，有350 L為死油量(該部分溫度變化能量忽略不計(jì))，5 700 L的調(diào)速器油箱運(yùn)行油量為2 280 L，總計(jì)約3 684 L油(不含輪轂油)，油號(hào)為N46,密度為 0.875 kg/L，總質(zhì)量約為3 223.5 kg，比熱容為 1.87 kJ/(kg·℃)，1 kJ等于0.277 8 W時(shí)，根據(jù)能量公式Q=cmΔt，冬季Q1=1.87×3 223.5×(52-20)=192 894.24 kJ;轉(zhuǎn)換為電能約為53.59 kWh；新調(diào)速器系統(tǒng)每天降溫節(jié)能約為1 286 =kWh。夏季Q2=1.87×3 223.5×(52-36)=96 447.12 kJ，為冬季的一半，每天降溫節(jié)能約為643 kWh。按11月到3月為冬季，4月到10月為夏季；折合4臺(tái)機(jī)組平均機(jī)組等效利用系數(shù)為65.51%；改進(jìn)后每年每臺(tái)機(jī)組節(jié)約電能約為21.48萬kWh。

2.5 節(jié)能效果分析

機(jī)組調(diào)速器系統(tǒng)主油泵額定功率為90 kW，空載時(shí)功率約為27 kW；調(diào)速器油冷卻循環(huán)泵額定功率為3 kW，新增增壓泵為7.5 kW。改進(jìn)前，機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，主油泵24 h連續(xù)運(yùn)行，停機(jī)間歇啟動(dòng)；改進(jìn)后，并網(wǎng)時(shí)主油泵間歇啟動(dòng)，增壓泵連續(xù)運(yùn)行，停機(jī)時(shí)主油泵間歇啟動(dòng)，增壓泵不運(yùn)行。改進(jìn)前后調(diào)速器系統(tǒng)各泵的運(yùn)行時(shí)間、能耗及機(jī)組每天并網(wǎng)與停機(jī)的總能耗如表1所示，按機(jī)組等效利用系數(shù)65.51%，即全年機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間為240 d。停機(jī)時(shí)間為125 d，每年每臺(tái)機(jī)組節(jié)約12.6萬 kWh(漏油泵能耗忽略不計(jì))。

表1 改進(jìn)前后各泵能耗統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)語

1) 本次調(diào)速器系統(tǒng)技術(shù)改進(jìn)減少了飛來峽水電廠因調(diào)速器系統(tǒng)備品備件不足或采購周期長造成的發(fā)電效益損失；以增壓泵代替主油泵連續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了以較為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的增壓泵磨損代替昂貴的主油泵磨損，減小了主油泵的維修幾率和難度，減少機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)事件。

2) 調(diào)速器系統(tǒng)技術(shù)改進(jìn)后，機(jī)組開機(jī)/停機(jī)時(shí)間較原系統(tǒng)稍長(延后約為15 s)，但開停機(jī)過程均平滑順暢,因改進(jìn)該系統(tǒng)飛來峽水電廠4臺(tái)機(jī)組平均每年可節(jié)能約電能約136萬kWh。

3) 原調(diào)速器系統(tǒng)操作油(粘度:46 mm2/s(40 ℃))，最優(yōu)運(yùn)行溫度為50 ℃，改進(jìn)后偏離了最優(yōu)運(yùn)行溫度，所產(chǎn)生的影響還有待后續(xù)數(shù)據(jù)分析。

4) 需要進(jìn)行調(diào)速器系統(tǒng)技術(shù)改進(jìn)的水電站還可以進(jìn)行如下改進(jìn)嘗試：① 去掉調(diào)速器油冷卻循環(huán)泵及冷卻板等全套設(shè)備；② 去掉輪轂油箱油溫監(jiān)視裝置及其線路；③ 在增加增壓泵的前提下保留1臺(tái)調(diào)速器主油泵，即在完善增壓泵和1臺(tái)調(diào)速器主油泵的配合使用控制圖紙后可以去掉另外1臺(tái)大功率備用泵;④ 如選用TC1703XL微機(jī)調(diào)速器，其微機(jī)控制器應(yīng)增加CPU對(duì)閃存器、存儲(chǔ)器等部分?jǐn)?shù)據(jù)定期清除功能，防止調(diào)速器人機(jī)交互窗口頻繁出現(xiàn)數(shù)據(jù)內(nèi)存不夠的報(bào)警信息。