王容，申泉涌，曹德友

(1.四川川投田灣河開發(fā)有限責(zé)任公司，四川成都610015;2.重慶市大溪河水電開發(fā)有限公司，重慶南川408400)

1 概述

田灣河流域梯級(jí)水電站位于四川省甘孜州康定縣與雅安市石棉縣境內(nèi)，為“一庫三級(jí)”電站，自上而下依次為仁宗海水庫電站、金窩、大發(fā)水電站，設(shè)計(jì)水頭達(dá)600m左右。每站裝有2臺(tái)高水頭沖擊式機(jī)組，單機(jī)容量均為120MW，系目前亞洲單機(jī)容量最大的六噴六折沖擊式機(jī)組。

對(duì)于沖擊式水輪機(jī)，其調(diào)速器的作用就是調(diào)整噴針以改變噴嘴的開度，從而改變水的流量，將來自壓力管道的水經(jīng)噴嘴后轉(zhuǎn)換為高速射流切向沖擊轉(zhuǎn)輪，推動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。由于沖擊式水輪機(jī)的壓力鋼管一般比較長，因此噴針不能關(guān)閉太快，否則會(huì)產(chǎn)生極大的水壓，危害壓力鋼管的安全，同時(shí)，又必須在極短的時(shí)間內(nèi)切除射流，以防止出現(xiàn)飛逸轉(zhuǎn)速，故其機(jī)組一般采用噴針與折向器雙重調(diào)節(jié)的操作機(jī)構(gòu)。

田灣河梯級(jí)水電站的水輪機(jī)采用維奧公司進(jìn)口轉(zhuǎn)輪，調(diào)速器選用武漢事達(dá)電氣股份有限公司生產(chǎn)的WCT－6/6－6.3型微機(jī)(PLC)調(diào)速器。

2 微機(jī)調(diào)速器的系統(tǒng)組成

2.1 電氣配置

(1)微機(jī)調(diào)節(jié)器。微機(jī)調(diào)節(jié)器采用的是由美國GE公司生產(chǎn)的WINDOWSNTPentiumCPU系列可編程控制器，其主機(jī)形式為383A4156 P0055。輸入輸出模塊:383A4156P0032;模擬量輸入模塊:383A4156P0058;組合輸入輸出綜合模塊:383A4156P0035。

(2)比例伺服閥?？删幊炭刂破鞯男盘?hào)直接作用電液比例閥，使之按信號(hào)的正負(fù)、大小成比例的向噴針接力器開、關(guān)機(jī)腔輸入壓力油，從而驅(qū)動(dòng)接力器向開機(jī)或關(guān)機(jī)方向運(yùn)動(dòng)，直至控制信號(hào)與位移反饋信號(hào)相等為止，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)噴針?biāo)鞔笮〉恼{(diào)節(jié)。

(3)工控機(jī)。工控機(jī)采用德國SIEMENS公司生產(chǎn)的PC677系列，其配置為12吋(1吋=2.54cm)顯示屏，奔騰M處理器、256MDDR內(nèi)存、800×600像素。

2.2 軟件配置

(1)實(shí)時(shí)運(yùn)行軟件。實(shí)時(shí)運(yùn)行軟件可以使調(diào)速器具有全部調(diào)節(jié)與控制功能。運(yùn)行過程中與工控機(jī)觸摸屏通訊，反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、工況、參量機(jī)故障等信息。

(2)實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件。監(jiān)控系統(tǒng)使用三維力控自行開發(fā)的軟件，采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息、數(shù)據(jù)信息、報(bào)警信息并實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控、控制與管理。具體功能有數(shù)據(jù)采集與顯示、參數(shù)修改、波形錄制、數(shù)據(jù)保存、曲線打印、故障診斷和報(bào)警。

2.3 調(diào)速器的機(jī)械液壓系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用六組集成閥塊安裝在回油箱上，表面無漏油。噴針接力器和折向器接力器分別由不同的電磁閥控制，噴針接力器與折向器接力器的行程均采用鏈條反饋，其中噴針開度位移傳感器作為電氣反饋元件，折向器位移傳感器僅作為開關(guān)指示，不參與調(diào)節(jié)。主要液壓元件有:緊急停機(jī)電磁換向閥、電磁液動(dòng)換向閥、主液控閥、液控單向閥、雙單向節(jié)流閥等組成。

2.3.1 噴針控制單元

噴針控制單元主要由伺服比例閥31FW－1、單向截流閥31NS1－1、31NS2－1、電氣反饋裝置構(gòu)成。當(dāng)可編程控制器的信號(hào)與噴針接力器信號(hào)經(jīng)過比例閥驅(qū)動(dòng)板比較放大后，直接作用電液比例閥，使之按信號(hào)的正負(fù)、大小成比例的向噴針接力器開、關(guān)機(jī)腔輸入壓力油，從而驅(qū)動(dòng)接力器向開機(jī)或關(guān)機(jī)方向運(yùn)動(dòng)，直至控制信號(hào)與位移反饋信號(hào)相等為止，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)噴針?biāo)鞔笮〉恼{(diào)節(jié)。當(dāng)伺服比例閥失電時(shí)，彈簧作用力將伺服比例閥閥芯推至事故保險(xiǎn)位(即伺服比例閥靠彈簧側(cè))，防止其誤動(dòng)作，調(diào)速器保持在失電前的狀態(tài)。單向截流閥通過控制油的流量調(diào)節(jié)噴針開啟、關(guān)閉的時(shí)間。

2.3.2 折向器控制單元

當(dāng)調(diào)速器接力器需要朝開方運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓力油經(jīng)過緊急停機(jī)電磁閥到先導(dǎo)控制閥，折向器控制電磁閥41FW－1上側(cè)線圈帶電后，壓力油經(jīng)液控單向閥41CS－1、41CS1－1進(jìn)入折向器接力器開啟腔，將折向器打開;同理，噴針關(guān)閉后，當(dāng)接力器需要向關(guān)機(jī)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，折向器控制電磁閥41FW－1下側(cè)線圈帶電，折向器接力器的油經(jīng)液控單向閥41CS1－1、折向器控制電磁閥41FW－1下腔、液控單向閥41CS－1流回回油箱，折向器在彈簧力的作用下全關(guān)。折向器只有全開和全關(guān)兩種狀態(tài)，小波動(dòng)時(shí)折向器不動(dòng)，完全由噴針調(diào)節(jié)，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)品質(zhì)。只有當(dāng)機(jī)組自動(dòng)停機(jī)、緊急停機(jī)和過速時(shí)，折向器才動(dòng)作。液壓系統(tǒng)圖見圖1。

圖1 液壓系統(tǒng)圖

2.3.3 單組停機(jī)單元

單組停機(jī)單元主要由單組停機(jī)電磁閥41EM－1，液控閥41VF－1、41VP－1、41VP－2、31VP－1、31VP1－1組成。單組停機(jī)電磁閥動(dòng)作后，折向器控制電磁閥、伺服比例閥不起作用，直接將折向器和噴針關(guān)閉。當(dāng)調(diào)速器一組噴針或折向器故障時(shí)，單組停機(jī)電磁閥41EM上側(cè)線圈帶電，壓力油經(jīng)液控閥41VP－1上腔接通，將單向液控閥41CS－1、41CS1－1控制油壓卸掉，單向液控閥41CS－1、41CS1－1均關(guān)閉，使折向器控制電磁閥41FW－1不起作用。同時(shí)，液控閥41VP2－1下腔接通，折向器接力器的油壓經(jīng)41VP2－1卸掉，折向器在彈簧作用下關(guān)閉。另外，單組停機(jī)電磁閥41EM－1上側(cè)線圈帶電后，液控閥31VP－1切斷伺服比例閥與噴針接力器的油路，同時(shí)，31VP1－1下腔接通，關(guān)閉噴針接力器。

2.3.4 總停機(jī)電磁閥

當(dāng)水機(jī)保護(hù)或機(jī)組事故停機(jī)流程動(dòng)作后，總停機(jī)電磁閥00EM在左側(cè)位置，壓力油經(jīng)00EM，使機(jī)組的6組折向器和6組噴針全部關(guān)閉，從而保證機(jī)組可靠停機(jī)。只有復(fù)歸總停機(jī)電磁閥00EM后，才能再次打開折向器和噴針。

3 調(diào)速器的控制功能

3.1 開機(jī)過程

機(jī)組開機(jī)條件具備，LCU開出開機(jī)命令，調(diào)速器打開主噴針相對(duì)應(yīng)的折向器，噴針開啟至機(jī)組啟動(dòng)噴針開度，當(dāng)噴針維持在啟動(dòng)噴針開度時(shí)，調(diào)速器檢測(cè)機(jī)組轉(zhuǎn)速，分為三種狀態(tài):機(jī)頻正常時(shí)，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到45～50Hz時(shí)，調(diào)速器自動(dòng)進(jìn)入到空載工況進(jìn)行PID調(diào)節(jié);當(dāng)機(jī)頻正常，但噴針維持啟動(dòng)噴針開度達(dá)到ts(現(xiàn)場整定)時(shí)，調(diào)速器直接進(jìn)入空載工況進(jìn)行PID調(diào)節(jié);當(dāng)機(jī)頻異常，則調(diào)速器進(jìn)入空載工況，將當(dāng)前開限限制在1.5%開度位置。

機(jī)組空載態(tài)，此時(shí)調(diào)速器跟蹤頻率給定或電網(wǎng)頻率處于頻率調(diào)節(jié)模式。采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律及適合于空載運(yùn)行的一組PID參數(shù)，選用該調(diào)節(jié)規(guī)律可控制機(jī)組快速跟蹤電網(wǎng)頻率、使頻率偏差小，便于機(jī)組并網(wǎng)。

并網(wǎng)后，調(diào)速器的主要任務(wù)是控制機(jī)組穩(wěn)定的發(fā)電，此時(shí)處于流量(功率)控制模式。采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律及適當(dāng)?shù)囊唤MPID參數(shù)，可使機(jī)組減少不必要的調(diào)節(jié)過程，不會(huì)造成負(fù)荷的波動(dòng)，同時(shí)可降低設(shè)備的油耗，減少油泵電機(jī)的工作次數(shù)。當(dāng)機(jī)組頻率波動(dòng)較大或超過給定頻率死區(qū)時(shí)，采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律及適合于調(diào)頻運(yùn)行的一組PID參數(shù)，控制機(jī)組頻率穩(wěn)定在給定頻率，同時(shí)可以保證由于線路跳開關(guān)使機(jī)組轉(zhuǎn)速上升時(shí)調(diào)速器進(jìn)行快速調(diào)節(jié)而不至于造成機(jī)組過速。

3.2 停機(jī)過程

監(jiān)控系統(tǒng)減負(fù)荷使調(diào)速器單噴針運(yùn)行至空載開度位置，分機(jī)組出口斷路器，發(fā)正常停機(jī)令，主噴針關(guān)至全關(guān)位。判斷噴針全關(guān)后，將所對(duì)應(yīng)的折向器全關(guān);當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速降至零后，在20s之內(nèi)、機(jī)組蠕動(dòng)檢測(cè)開關(guān)沒有動(dòng)作時(shí)，即認(rèn)為停機(jī)完成。

4 噴針之間的選擇與切換

調(diào)速器有機(jī)的將電氣柜和機(jī)械液壓系統(tǒng)組成一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，它們之間統(tǒng)一由電氣柜進(jìn)行協(xié)調(diào)，六套液壓系統(tǒng)既相互獨(dú)立、又相互關(guān)聯(lián)。所謂獨(dú)立，系指當(dāng)一組噴嘴和折向器出現(xiàn)故障時(shí)，可以單獨(dú)退出該組噴嘴和折向器，而不影響機(jī)組的正常運(yùn)行。而且在機(jī)組運(yùn)行過程中，在做好安全措施的情況下可以進(jìn)行故障噴嘴的檢修和維護(hù)，從而最大限度地提高了機(jī)組的綜合經(jīng)濟(jì)效益;所謂關(guān)聯(lián)，就是6個(gè)噴嘴和折向器在運(yùn)行過程中，遵循一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行對(duì)稱開啟和關(guān)閉。

調(diào)速器對(duì)開機(jī)噴針設(shè)置了兩種選擇方式:當(dāng)其為自動(dòng)選擇方式時(shí)，從1號(hào)噴針到6號(hào)噴針依次為開機(jī)噴針;當(dāng)處于手動(dòng)選擇方式時(shí)，始終將所選擇的噴針作為開機(jī)噴針，用戶可按自身情況選擇。

機(jī)組帶負(fù)荷過程中，隨著負(fù)荷、流量的增加，噴針之間會(huì)進(jìn)行相互切換，切換順序依次為單噴針、雙噴針、三噴針、四噴針、六噴針運(yùn)行。相互切換始終要保證對(duì)稱性，按照流量平衡、水輪機(jī)運(yùn)行效率最高的原則進(jìn)行噴針的切換，以保證機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行。水輪機(jī)效率相同的交點(diǎn)為噴針切換點(diǎn)。在多噴針運(yùn)行方式下，參與負(fù)荷調(diào)節(jié)的噴針開度一致。例如:當(dāng)1號(hào)噴嘴開機(jī)并網(wǎng)后，隨著負(fù)荷流量的增加，此時(shí)噴針之間將進(jìn)行轉(zhuǎn)換;當(dāng)負(fù)荷增加、流量上升至16.7%時(shí)，調(diào)速器將由單噴嘴轉(zhuǎn)換成雙噴嘴運(yùn)行，此時(shí)，調(diào)速器按照預(yù)先設(shè)定的負(fù)荷、流量開度曲線將1號(hào)噴嘴逐漸關(guān)閉，對(duì)稱的4號(hào)噴嘴逐漸開啟直至1號(hào)和4號(hào)噴嘴開度一致，所帶負(fù)荷均勻;當(dāng)負(fù)荷繼續(xù)增加、流量上升至29.2%時(shí)，調(diào)速器將由雙噴嘴轉(zhuǎn)換成三噴嘴運(yùn)行，即1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)噴嘴開啟，4號(hào)噴嘴關(guān)閉;當(dāng)負(fù)荷繼續(xù)增加、流量上升至40.9%時(shí)，調(diào)速器將由三噴嘴轉(zhuǎn)換為四噴嘴運(yùn)行，即1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)對(duì)稱開啟，3號(hào)、5號(hào)關(guān)閉;當(dāng)負(fù)荷繼續(xù)增加、流量上升至56.4%時(shí)，調(diào)速器將由四噴嘴轉(zhuǎn)換為六噴嘴運(yùn)行，即1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)噴嘴全部開啟，當(dāng)負(fù)荷減少、流量下降至53.9%時(shí)，調(diào)速器將由六噴嘴轉(zhuǎn)換為四噴針噴嘴運(yùn)行，即1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)對(duì)稱開啟，3號(hào)、5號(hào)關(guān)閉;當(dāng)負(fù)荷減少、流量下降至38.4%時(shí)，調(diào)速器將由四噴嘴轉(zhuǎn)換為三噴針噴嘴運(yùn)行，即1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)噴嘴開啟，4號(hào)噴嘴關(guān)閉;當(dāng)負(fù)荷減少、流量下降至26.7%時(shí)，調(diào)速器將由三噴嘴轉(zhuǎn)換為雙噴嘴運(yùn)行，即1號(hào)、4號(hào)噴嘴開啟，3號(hào)、5號(hào)噴嘴關(guān)閉;當(dāng)負(fù)荷減少、流量下降至14.2%時(shí)，調(diào)速器將由雙噴嘴轉(zhuǎn)換為單噴嘴運(yùn)行，即1號(hào)噴嘴開啟，4號(hào)噴嘴關(guān)閉。在整個(gè)轉(zhuǎn)換工程中，將始終保證對(duì)稱運(yùn)行的原則。

5 操作方式

調(diào)速器有三種操作方式，分別為遠(yuǎn)方自動(dòng)、現(xiàn)地自動(dòng)、現(xiàn)地手動(dòng)。遠(yuǎn)方自動(dòng)方式時(shí)，控制權(quán)限在監(jiān)控系統(tǒng)。現(xiàn)地自動(dòng)方式下，控制權(quán)限在調(diào)速器控制屏上的觸摸屏上。在現(xiàn)地手動(dòng)方式下，控制權(quán)限在調(diào)速器控制屏的面板上。調(diào)速器必須在現(xiàn)地自動(dòng)的運(yùn)行方式下，才能在調(diào)速器控制屏上進(jìn)行操作方式切換。

6 微機(jī)調(diào)速器的電氣保護(hù)

微機(jī)調(diào)速器設(shè)置有一套完整的實(shí)時(shí)診斷程序和自診斷系統(tǒng)。對(duì)于調(diào)速器內(nèi)、外故障，如CPU故障、內(nèi)部電源故障、噴針反饋故障、折向器反饋故障、測(cè)頻故障、功率故障、水頭故障等都能做實(shí)時(shí)反應(yīng)，并根據(jù)故障性質(zhì)作出處理。

出現(xiàn)的事故有:轉(zhuǎn)速信號(hào)測(cè)試全部故障、三個(gè)及以上噴針故障、雙探頭故障、雙探頭故障空載事件、硬件故障若出現(xiàn)上述故障，則認(rèn)為出現(xiàn)事故，將停機(jī)。

噴針故障有:單噴針故障(1)將以該故障噴針下一噴針作為開機(jī)噴針，運(yùn)行狀態(tài)為單噴針——雙噴針——三噴針——四噴針;(2)雙噴針故障:若相鄰兩噴針出現(xiàn)故障，將以下一個(gè)噴針為開機(jī)噴針，運(yùn)行狀態(tài)為單噴針——雙噴針;若相隔兩噴針出現(xiàn)故障，運(yùn)行狀態(tài)為單噴針——三噴針;若對(duì)稱兩噴針出現(xiàn)故障，運(yùn)行狀態(tài)為單噴針——雙噴針——四噴針;(3)三噴針故障:調(diào)速器將直接停機(jī)。

7 結(jié)語

田灣河流域梯級(jí)電站大發(fā)水電站1號(hào)機(jī)組于2007年11月進(jìn)入正式運(yùn)行，其余五臺(tái)機(jī)組調(diào)速器至2009年8月期間陸續(xù)投入運(yùn)行。經(jīng)過對(duì)近幾年的運(yùn)行情況進(jìn)行分析，調(diào)速器運(yùn)行穩(wěn)定可靠。