大渡河猴子岩水电站圆筒阀控制系统设计

2017-07-31房道明王书枫

水电站机电技术 2017年6期

关键词：程序段压阀圆筒

房道明，王书枫，孙影

（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040）

大渡河猴子岩水电站圆筒阀控制系统设计

房道明，王书枫，孙影

（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040）

简要地介绍了大渡河猴子岩水电站圆筒阀控制系统的构成，阐述了各部分的功能，详细叙述了圆筒阀控制系统的原理。

圆筒阀；PID；同步调节；手动纠偏；比例阀

1 引言

大渡河猴子岩水电站装有4台套425 MW水轮发电机组。水轮机为立轴混流式，发电机为立轴半伞式；额定转速125 r/min，额定水头130 m，进水阀采用圆筒阀形式。圆筒阀本体、液压接力器（每台机组数量6个）、控制系统均由哈尔滨电机厂有限责任公司设计制造。圆筒阀在紧急关机时起到隔断水源的保护作用，安装在水轮机的固定导叶和活动导叶之间，关闭时作为止水阀；开启时，位于水轮机座环上环和顶盖间空腔内，不干扰水流流态；圆筒阀处于全开或全关位置，不作流量调节用。

圆筒阀在轴线方向运动，在每个接力器中均装有磁致伸缩式位移传感器（测量精度2 μm），可实时跟踪每个接力器的相对位移情况。当接力器最大行程偏差值超过设计的极限偏差值时，圆筒阀将造成卡阻而影响正常开启和关闭，所以，圆筒阀的轴向同步运动是控制系统需解决的最关键问题。

2 圆筒阀控制系统构成

圆筒阀控制系统包括机械液压控制部分和电气控制柜，两者充分配合实现电液转换同步控制。

2.1 机械液压控制部分

本液压控制系统主要由一个主配压阀，一套集成控制阀组，一个流量分配器，六个同步调节单元组成。液压控制系统如图1所示。各部分功能如下：

主配压阀具有最大的流量调节能力，具有开启位置、关闭位置、定中位置；定中位置结合控制阀组相应的控制状态可使圆筒阀停在任意位置，该功能一般在调试及圆筒阀卡阻时使用。可以通过调整主配压阀相应开口大小使圆筒阀开启和关闭时间根据需要在60～90 s范围内整定。

集成控制阀组用来控制圆筒阀的运动方向及运动速度。

流量分配器的作用是实现机械同步分流，进行流量的初步分配。

同步调节单元主要由进行精细调整流量的比例阀及液控单向阀、保护管路的溢流阀等组成。当圆筒阀接力器出现偏差时进行实时精细调整。

图1 圆筒阀液压控制系统图

2.2 圆筒阀电气控制柜

可编程控制器组合的选择上采用施奈德Magelis系列触摸屏和Premium系列PLC。控制电源部分设计了双冗余形式，如图2所示。即交直流双输入DC24V输出的一组开关控制电源和交直流双输入DC24V输出的一组储能电源组成双冗余的形式，经过电源切换模块的转换，最终将控制电源输出到电源总线端子上。此设计保证了电源的安全可靠，即使在失去所有外部输入电源的情况下，仍能使整个控制系统正常运行30 min。

可编程控制器通过输入模块对外部数据和信息进行采集，这些信息经过内部各程序段进行综合分析、计算，然后通过输出模块发出执行命令至各个执行元件，完成各种功能。触摸屏设置了数据显示、参数修改、信息记录、故障复归等界面，可以实现对圆筒阀PID参数、接力器位移传感器参数、同步运行精度等参数进行设置和修改，同时显示各工况状态和故障报警等。

图2 双冗余电源设计方案

3 圆筒阀控制系统设计方案

图3 筒形阀控制程序流程图

圆筒阀控制系统能够实现圆筒阀远方自动控制、现地自动控制。主要控制部分为圆筒阀正常开启、正常关闭和事故关闭过程，控制程序流程如图3所示。圆筒阀同步控制是核心部分，是圆筒阀实现开启、关闭等操作的基础。控制系统同步液压元件采用比例阀，控制电压范围-10V～+10V，比例阀根据其控制电压的极性具有双向调节能力。同时由接力器位移传感器、比例阀、PLC组成一个闭环调节系统，如图4所示。只要圆筒阀工作的位置不在全开或全关状态，即调用同步调节流程，对接力器的偏差进行调整，使圆筒阀接力器保持在平衡位置。

图4 圆筒阀同步调节功能框图

本控制系统程序架构由以下程序段组成：数据初始化程序段、模拟量输入输出数据处理程序段、开启圆筒阀程序段、关闭圆筒阀程序段、停止圆筒阀程序段、事故及紧急关闭圆筒阀程序段、PID同步调节程序段、故障报警程序段、手动纠偏程序段，各程序段相互调用有机结合成一个闭环的圆筒阀控制解决方案，实现了圆筒阀运行中各个功能。

3.1 开启圆筒阀方案

当机组外部条件满足开启条件时，由LCU或现地按钮发出开启圆筒阀信号，圆筒阀会按照既定的控制逻辑自动开启。为了防止开启初始阶段圆筒阀卡阻以及到减小全开时圆筒阀对顶盖的冲击，程序将开启过程分为三个步骤：初始提升、中间开启、缓冲至全开。其中初始提升、缓冲至全开为缓冲阶段。

3.2 正常关闭圆筒阀方案

当机组外部条件满足关闭条件时，由LCU或现地按钮发出关闭圆筒阀信号，圆筒阀会按照既定的控制逻辑自动关闭。为了减小对密封面的冲击，圆筒阀关闭分为二个步骤：分别为正常关闭、缓冲至全关。

3.3 事故及紧急关闭圆筒阀方案

事故及紧急关闭的电气控制部分与正常关闭基本相同，液压部分为冗余设置，可确保接力器进行关闭。事故关闭过程不受导叶接力器全关条件的限制，即圆筒阀有可能在动水下关闭，在充分考虑水拉力对接力器下腔的冲击作用后，程序中设置了让圆筒阀比正常关闭时较早进入自重关闭阶段。

3.4 圆筒阀卡阻方案

圆筒阀在运动过程中，系统经过实时计算，一旦检测到最大行程偏差超过预先设置的最大偏差允许值，PLC将调用圆筒阀停止程序段，使圆筒阀停止在卡阻位置，并发出报警信号，等待运行维护人员分析问题原因所在。

在查阅了以往控制方案中，发现设计者习惯在圆筒阀卡组时利用圆筒阀反向运动的方式试图消除卡阻现象，如果经过几次反向运动后仍未达到解决问题的目的再将筒阀停止。综合分析反向运动的处理方案，将有可能导致卡阻现象更为严重。因为导致圆筒阀卡阻的不定因素很多，例如如果执行机构中比例阀出现了机械故障，将可能导致偏差的累积使圆筒阀受力更加不均衡，在此情况下再进行处理的难度较最初就停止运动大得多。

3.5 手动纠偏功能

手动纠偏功能实现了可以人为在触摸屏上给每个同步调节模块中的比例阀控制电压赋值，即调节比例阀的流量值，可以实现对每个接力器进行单独控制，此功能在圆筒阀最初调试及圆筒阀卡阻时具有重要作用，功能操作界面如图5所示。使用时一般将主配压阀调整至中间位置，使主配压阀暂时不具有流量调节能力，因比例阀流量调节能力较小，故可以实现手动调节的平稳性。

根据图5左侧实时反馈的行程值和偏差值（传感器标定完成后该组值可信）或在蜗壳内部测量的筒阀实际位移值（因调试首次动作时无法获得圆筒阀全开或全关位置传感器测量的准确采样值，图5左侧反馈回的数据不可信，故需实际测量）判断圆筒阀实际所处的位置，然后对偏差大的接力器所对应的比例阀赋值大电压，其余偏差小的接力器依次赋值小电压或不赋电压值（0V），以达到手动纠偏实现平衡的目的。