大型冲击式水轮机微机调速器在田湾河流域梯级水电站中的应用

2011-06-27王容申泉涌曹德友

四川水力发电 2011年2期

王容，申泉涌，曹德友

(1.四川川投田湾河开发有限责任公司，四川成都610015;2.重庆市大溪河水电开发有限公司，重庆南川408400)

1 概述

田湾河流域梯级水电站位于四川省甘孜州康定县与雅安市石棉县境内，为“一库三级”电站，自上而下依次为仁宗海水库电站、金窝、大发水电站，设计水头达600m左右。每站装有2台高水头冲击式机组，单机容量均为120MW，系目前亚洲单机容量最大的六喷六折冲击式机组。

对于冲击式水轮机，其调速器的作用就是调整喷针以改变喷嘴的开度，从而改变水的流量，将来自压力管道的水经喷嘴后转换为高速射流切向冲击转轮，推动转轮旋转。由于冲击式水轮机的压力钢管一般比较长，因此喷针不能关闭太快，否则会产生极大的水压，危害压力钢管的安全，同时，又必须在极短的时间内切除射流，以防止出现飞逸转速，故其机组一般采用喷针与折向器双重调节的操作机构。

田湾河梯级水电站的水轮机采用维奥公司进口转轮，调速器选用武汉事达电气股份有限公司生产的WCT－6/6－6.3型微机(PLC)调速器。

2 微机调速器的系统组成

2.1 电气配置

(1)微机调节器。微机调节器采用的是由美国GE公司生产的WINDOWSNTPentiumCPU系列可编程控制器，其主机形式为383A4156 P0055。输入输出模块:383A4156P0032;模拟量输入模块:383A4156P0058;组合输入输出综合模块:383A4156P0035。

(2)比例伺服阀。可编程控制器的信号直接作用电液比例阀，使之按信号的正负、大小成比例的向喷针接力器开、关机腔输入压力油，从而驱动接力器向开机或关机方向运动，直至控制信号与位移反馈信号相等为止，从而实现对喷针水流大小的调节。

(3)工控机。工控机采用德国SIEMENS公司生产的PC677系列，其配置为12吋(1吋=2.54cm)显示屏，奔腾M处理器、256MDDR内存、800×600像素。

2.2 软件配置

(1)实时运行软件。实时运行软件可以使调速器具有全部调节与控制功能。运行过程中与工控机触摸屏通讯，反映设备运行状态、工况、参量机故障等信息。

(2)实时监控软件。监控系统使用三维力控自行开发的软件，采集设备运行状态信息、数据信息、报警信息并实现设备的实时监控、控制与管理。具体功能有数据采集与显示、参数修改、波形录制、数据保存、曲线打印、故障诊断和报警。

2.3 调速器的机械液压系统

该系统采用六组集成阀块安装在回油箱上，表面无漏油。喷针接力器和折向器接力器分别由不同的电磁阀控制，喷针接力器与折向器接力器的行程均采用链条反馈，其中喷针开度位移传感器作为电气反馈元件，折向器位移传感器仅作为开关指示，不参与调节。主要液压元件有:紧急停机电磁换向阀、电磁液动换向阀、主液控阀、液控单向阀、双单向节流阀等组成。

2.3.1 喷针控制单元

喷针控制单元主要由伺服比例阀31FW－1、单向截流阀31NS1－1、31NS2－1、电气反馈装置构成。当可编程控制器的信号与喷针接力器信号经过比例阀驱动板比较放大后，直接作用电液比例阀，使之按信号的正负、大小成比例的向喷针接力器开、关机腔输入压力油，从而驱动接力器向开机或关机方向运动，直至控制信号与位移反馈信号相等为止，从而实现对喷针水流大小的调节。当伺服比例阀失电时，弹簧作用力将伺服比例阀阀芯推至事故保险位(即伺服比例阀靠弹簧侧)，防止其误动作，调速器保持在失电前的状态。单向截流阀通过控制油的流量调节喷针开启、关闭的时间。

2.3.2 折向器控制单元

当调速器接力器需要朝开方运动时，压力油经过紧急停机电磁阀到先导控制阀，折向器控制电磁阀41FW－1上侧线圈带电后，压力油经液控单向阀41CS－1、41CS1－1进入折向器接力器开启腔，将折向器打开;同理，喷针关闭后，当接力器需要向关机方向运动时，折向器控制电磁阀41FW－1下侧线圈带电，折向器接力器的油经液控单向阀41CS1－1、折向器控制电磁阀41FW－1下腔、液控单向阀41CS－1流回回油箱，折向器在弹簧力的作用下全关。折向器只有全开和全关两种状态，小波动时折向器不动，完全由喷针调节，从而保证了系统的稳定性和调节品质。只有当机组自动停机、紧急停机和过速时，折向器才动作。液压系统图见图1。

图1 液压系统图

2.3.3 单组停机单元

单组停机单元主要由单组停机电磁阀41EM－1，液控阀41VF－1、41VP－1、41VP－2、31VP－1、31VP1－1组成。单组停机电磁阀动作后，折向器控制电磁阀、伺服比例阀不起作用，直接将折向器和喷针关闭。当调速器一组喷针或折向器故障时，单组停机电磁阀41EM上侧线圈带电，压力油经液控阀41VP－1上腔接通，将单向液控阀41CS－1、41CS1－1控制油压卸掉，单向液控阀41CS－1、41CS1－1均关闭，使折向器控制电磁阀41FW－1不起作用。同时，液控阀41VP2－1下腔接通，折向器接力器的油压经41VP2－1卸掉，折向器在弹簧作用下关闭。另外，单组停机电磁阀41EM－1上侧线圈带电后，液控阀31VP－1切断伺服比例阀与喷针接力器的油路，同时，31VP1－1下腔接通，关闭喷针接力器。

2.3.4 总停机电磁阀

当水机保护或机组事故停机流程动作后，总停机电磁阀00EM在左侧位置，压力油经00EM，使机组的6组折向器和6组喷针全部关闭，从而保证机组可靠停机。只有复归总停机电磁阀00EM后，才能再次打开折向器和喷针。

3 调速器的控制功能

3.1 开机过程

机组开机条件具备，LCU开出开机命令，调速器打开主喷针相对应的折向器，喷针开启至机组启动喷针开度，当喷针维持在启动喷针开度时，调速器检测机组转速，分为三种状态:机频正常时，当机组转速达到45～50Hz时，调速器自动进入到空载工况进行PID调节;当机频正常，但喷针维持启动喷针开度达到ts(现场整定)时，调速器直接进入空载工况进行PID调节;当机频异常，则调速器进入空载工况，将当前开限限制在1.5%开度位置。

机组空载态，此时调速器跟踪频率给定或电网频率处于频率调节模式。采用PID调节规律及适合于空载运行的一组PID参数，选用该调节规律可控制机组快速跟踪电网频率、使频率偏差小，便于机组并网。

并网后，调速器的主要任务是控制机组稳定的发电，此时处于流量(功率)控制模式。采用PID调节规律及适当的一组PID参数，可使机组减少不必要的调节过程，不会造成负荷的波动，同时可降低设备的油耗，减少油泵电机的工作次数。当机组频率波动较大或超过给定频率死区时，采用PID调节规律及适合于调频运行的一组PID参数，控制机组频率稳定在给定频率，同时可以保证由于线路跳开关使机组转速上升时调速器进行快速调节而不至于造成机组过速。

3.2 停机过程

监控系统减负荷使调速器单喷针运行至空载开度位置，分机组出口断路器，发正常停机令，主喷针关至全关位。判断喷针全关后，将所对应的折向器全关;当机组转速降至零后，在20s之内、机组蠕动检测开关没有动作时，即认为停机完成。

4 喷针之间的选择与切换

调速器有机的将电气柜和机械液压系统组成一个完整的闭环控制系统，它们之间统一由电气柜进行协调，六套液压系统既相互独立、又相互关联。所谓独立，系指当一组喷嘴和折向器出现故障时，可以单独退出该组喷嘴和折向器，而不影响机组的正常运行。而且在机组运行过程中，在做好安全措施的情况下可以进行故障喷嘴的检修和维护，从而最大限度地提高了机组的综合经济效益;所谓关联，就是6个喷嘴和折向器在运行过程中，遵循一定的逻辑关系进行对称开启和关闭。

调速器对开机喷针设置了两种选择方式:当其为自动选择方式时，从1号喷针到6号喷针依次为开机喷针;当处于手动选择方式时，始终将所选择的喷针作为开机喷针，用户可按自身情况选择。

机组带负荷过程中，随着负荷、流量的增加，喷针之间会进行相互切换，切换顺序依次为单喷针、双喷针、三喷针、四喷针、六喷针运行。相互切换始终要保证对称性，按照流量平衡、水轮机运行效率最高的原则进行喷针的切换，以保证机组平稳运行。水轮机效率相同的交点为喷针切换点。在多喷针运行方式下，参与负荷调节的喷针开度一致。例如:当1号喷嘴开机并网后，随着负荷流量的增加，此时喷针之间将进行转换;当负荷增加、流量上升至16.7%时，调速器将由单喷嘴转换成双喷嘴运行，此时，调速器按照预先设定的负荷、流量开度曲线将1号喷嘴逐渐关闭，对称的4号喷嘴逐渐开启直至1号和4号喷嘴开度一致，所带负荷均匀;当负荷继续增加、流量上升至29.2%时，调速器将由双喷嘴转换成三喷嘴运行，即1号、3号、5号喷嘴开启，4号喷嘴关闭;当负荷继续增加、流量上升至40.9%时，调速器将由三喷嘴转换为四喷嘴运行，即1号、2号、4号、6号对称开启，3号、5号关闭;当负荷继续增加、流量上升至56.4%时，调速器将由四喷嘴转换为六喷嘴运行，即1号、2号、3号、4号、5号、6号喷嘴全部开启，当负荷减少、流量下降至53.9%时，调速器将由六喷嘴转换为四喷针喷嘴运行，即1号、2号、4号、6号对称开启，3号、5号关闭;当负荷减少、流量下降至38.4%时，调速器将由四喷嘴转换为三喷针喷嘴运行，即1号、3号、5号喷嘴开启，4号喷嘴关闭;当负荷减少、流量下降至26.7%时，调速器将由三喷嘴转换为双喷嘴运行，即1号、4号喷嘴开启，3号、5号喷嘴关闭;当负荷减少、流量下降至14.2%时，调速器将由双喷嘴转换为单喷嘴运行，即1号喷嘴开启，4号喷嘴关闭。在整个转换工程中，将始终保证对称运行的原则。

5 操作方式

调速器有三种操作方式，分别为远方自动、现地自动、现地手动。远方自动方式时，控制权限在监控系统。现地自动方式下，控制权限在调速器控制屏上的触摸屏上。在现地手动方式下，控制权限在调速器控制屏的面板上。调速器必须在现地自动的运行方式下，才能在调速器控制屏上进行操作方式切换。

6 微机调速器的电气保护

微机调速器设置有一套完整的实时诊断程序和自诊断系统。对于调速器内、外故障，如CPU故障、内部电源故障、喷针反馈故障、折向器反馈故障、测频故障、功率故障、水头故障等都能做实时反应，并根据故障性质作出处理。

出现的事故有:转速信号测试全部故障、三个及以上喷针故障、双探头故障、双探头故障空载事件、硬件故障若出现上述故障，则认为出现事故，将停机。

喷针故障有:单喷针故障(1)将以该故障喷针下一喷针作为开机喷针，运行状态为单喷针——双喷针——三喷针——四喷针;(2)双喷针故障:若相邻两喷针出现故障，将以下一个喷针为开机喷针，运行状态为单喷针——双喷针;若相隔两喷针出现故障，运行状态为单喷针——三喷针;若对称两喷针出现故障，运行状态为单喷针——双喷针——四喷针;(3)三喷针故障:调速器将直接停机。