劉 歡，常中原，盧舟鑫，皮 萃，楊 剛

(中國長江電力股份有限公司向家壩電廠，四川 宜賓 644612)

0 引 言

向家壩電站位于四川省宜賓市敘州區(qū)和云南省水富市交界的金沙江峽谷出口處，電站以發(fā)電為主，兼有防洪、航運(yùn)、灌溉、攔沙及反調(diào)節(jié)等綜合功能。左岸壩后式廠房和右岸地下廠房各安裝4臺(tái)80 萬kW水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量784 萬kW(含右岸壩后電站3臺(tái)48 萬kW水輪發(fā)電機(jī)組)，多年平均發(fā)電量308.8 億kWh。

向家壩電站調(diào)速器采用能事達(dá)公司MGC4000系列可編程微機(jī)調(diào)速器。該系列調(diào)速器采用雙微機(jī)調(diào)節(jié)器作為控制核心，搭配雙套電液轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)[1]，形成獨(dú)立的冗余控制。調(diào)速器主配壓閥位移傳感器作為主配壓閥的位置反饋元件，在調(diào)速器控制流程中發(fā)揮著極其重要的作用[2]。

目前，常用的位移傳感器有電阻式、電容式、電感式、光柵式、超聲波、雷達(dá)式等[3]。

向家壩電站調(diào)速器主配壓閥位移傳感器采用電感式接近傳感器，在運(yùn)行中，曾多次出現(xiàn)測值偏移抖動(dòng)情況，導(dǎo)致主配壓閥位置反饋不準(zhǔn)確，從而引起主配壓閥動(dòng)作頻繁、調(diào)速器耗油量增大、油溫升高等問題。為了消除設(shè)備隱患，電廠對主配壓閥位移傳感器實(shí)施了技術(shù)改造，改造后傳感器測值穩(wěn)定準(zhǔn)確。

1 改造前存在問題分析

調(diào)速器液壓系統(tǒng)電液轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)具備兩種工作模式，見圖1。在比例伺服閥(101EB)運(yùn)行模式時(shí)，比例伺服閥(101EB)是輸出信號(hào)壓力油的主要元件，控制主配壓閥(200DR)活塞運(yùn)動(dòng)輸出壓力能，來操縱接力器。 在電機(jī)(102EB)運(yùn)行模式時(shí)，電機(jī)(102EB)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械的直線位移輸出，驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)閥上下運(yùn)動(dòng)，通過主配壓閥(200DR)液壓放大輸出壓力能，來操縱接力器。

圖1 液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic diagram of hydraulic actuator

調(diào)速器在比例伺服閥主用工況時(shí)(A套運(yùn)行)，在自動(dòng)或電手動(dòng)工況下，微機(jī)調(diào)節(jié)器向比例伺服閥(101EB)提供電氣信號(hào)，比例伺服閥(101EB)的閥芯換位，輸出壓力信號(hào)油。當(dāng)來自于比例伺服閥(101EB)的壓力信號(hào)油進(jìn)入主配壓閥(200DR)的控制腔時(shí)，主配壓閥(200DR)的主活塞向上運(yùn)動(dòng)，打開關(guān)機(jī)腔的窗口，接力器向關(guān)機(jī)方向運(yùn)動(dòng)。主配壓閥(200DR)的直線位移傳感器，將主活塞的位移反饋至比例伺服閥(101EB)，這時(shí)接力器繼續(xù)關(guān)閉。同時(shí)，接力器的傳感器也將接力器的實(shí)際開度值，反饋至比例伺服閥(101EB)，當(dāng)接力器運(yùn)動(dòng)至設(shè)定值時(shí)，主配壓閥(200DR)的活塞回歸中位，接力器停止在設(shè)定開度；同理，當(dāng)主配壓閥(200DR)控制腔的油通過比例伺服閥(101EB)通回油時(shí)，主活塞向下運(yùn)動(dòng)打開開機(jī)腔的窗口，接力器向開機(jī)方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)至預(yù)定開度時(shí)，傳感器反饋信號(hào)，使比例伺服閥(101EB)及主配壓閥(200DR)的活塞都回中位，接力器停止運(yùn)動(dòng)，保持在某個(gè)開度。整個(gè)動(dòng)作過程中，主配壓閥位移傳感器起到測量主配壓閥當(dāng)前位置，供程序判斷主配壓閥是否動(dòng)作到位或是否回歸中位的作用，并能及時(shí)發(fā)現(xiàn)主配壓閥動(dòng)作不到位等異常情況。

主配壓閥位移傳感器存在的主要問題可歸結(jié)如下。

1.1 傳感器受環(huán)境影響大

改造前的調(diào)速器主配壓閥位移傳感器安裝位置見圖2。傳感器支架為L型，不銹鋼材質(zhì)，通過塑料墊塊安裝在主配壓閥端蓋上。

圖2 主配壓閥位移傳感器安裝圖Fig.2 Installation diagram of displacement sensor for main distribution valve

傳感器工作原理見圖3。 限位板與主配壓閥閥芯剛性連接，閥芯移動(dòng)時(shí)帶動(dòng)限位板上下運(yùn)動(dòng)。傳感器安裝在限位板側(cè)面，采用施耐德公司生產(chǎn)的型號(hào)為XS4P18MA230系列電感式接近傳感器，額定感應(yīng)距離8 mm。主配壓閥限位板側(cè)面帶有10°斜坡，傳感器通過探測與斜坡面的距離，轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流信號(hào)輸出至調(diào)速器電氣柜A套模擬量輸入模塊(AI模塊)，經(jīng)程序換算成限位板位置，進(jìn)而得知主配壓閥位置。

圖3 主配壓閥位移傳感器工作原理圖Fig.3 Working principle diagram of displacement sensor for main distribution valve

由于限位板從中間位置到全開全關(guān)動(dòng)作范圍ΔS一般為0～10 mm，故傳感器測量行程ΔL可由下式計(jì)算。

ΔL=tan10°×ΔS

(1)

式中：ΔL為傳感器測量行程，mm；ΔS為限位板運(yùn)動(dòng)行程，mm。

由式(1)可知，傳感器單方向(中位-全開/全關(guān))測量行程約為0～1.76 mm，其測量行程很小，外界微小干擾占總測量行程比例很大，因此傳感器對于環(huán)境干擾較為敏感。

傳感器支架采用厚度為3 mm的不銹鋼材質(zhì)，安裝支點(diǎn)位于L型支架短邊處，因此施加在L型支架長邊頂端的微小力會(huì)產(chǎn)生較大的力矩，加之墊塊采用較軟的塑料材質(zhì)，形變量較大，因此人為碰觸傳感器支架會(huì)對傳感器測量值產(chǎn)生較大干擾。

實(shí)際運(yùn)行時(shí)，機(jī)組開停機(jī)過程、油泵加卸載閥動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)使傳感器測量值產(chǎn)生較大的跳變。此外，外部電磁場變化的干擾也會(huì)導(dǎo)致傳感器輸出的測量值不穩(wěn)定，使得主配壓閥調(diào)節(jié)品質(zhì)下降，進(jìn)而增大導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)的穩(wěn)態(tài)誤差、延長調(diào)節(jié)時(shí)間。

1.2 傳感器安裝要求高

傳感器測量特性曲線如圖4，其探測距離在4 mm左右時(shí)線性度較好，邊緣位置線性度較差，因此傳感器在安裝時(shí)要盡量使其工作距離接近4 mm。這對傳感器安裝提出了較高要求，由于傳感器拆裝均由維護(hù)人員手工完成，難以保證其安裝距離精確無誤，傳感器的非線性誤差同樣會(huì)影響調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)。

圖4 傳感器測量特性曲線圖Fig.4 Sensor measurement characteristic chart

實(shí)際運(yùn)行過程中，多臺(tái)機(jī)組都出現(xiàn)過調(diào)速器比例閥套主用時(shí)，因傳感器測值不準(zhǔn)確引起主配壓閥調(diào)節(jié)周期縮短，調(diào)速器耗油量升高等問題[4,5]。

圖5所示為向家壩電廠2號(hào)機(jī)組2018年6月3日11∶00開始，出現(xiàn)主配壓閥調(diào)節(jié)周期縮短，調(diào)速器耗油量急劇升高現(xiàn)象。由圖5可見，調(diào)速器4號(hào)壓油泵加載周期(3號(hào)曲線)從11∶00開始逐漸變密，說明此時(shí)調(diào)速器耗油量明顯增加，現(xiàn)場觀察到主配壓閥每隔2～3 s向開方向調(diào)節(jié)一次，液壓油溫度較其他機(jī)組高3～4 ℃。

圖5 2號(hào)機(jī)組液壓系統(tǒng)4號(hào)泵加載圖Fig.5 2# unit hydraulic system 4# pump loading chart

經(jīng)分析認(rèn)為，液壓系統(tǒng)主油泵加卸載過程中主配壓閥傳感器安裝基座振動(dòng)導(dǎo)致傳感器探測面與限位板斜面距離縮小，進(jìn)而導(dǎo)致主配壓閥回中時(shí)位置偏關(guān)，因此接力器向關(guān)方向漂移速度加快，導(dǎo)致主配壓閥頻繁向開方向調(diào)節(jié)以保證導(dǎo)葉開度與調(diào)節(jié)器輸出值一致。

2 改造方案與實(shí)施效果

2.1 改造方案

針對存在的問題，提出了調(diào)速器主配壓閥位移傳感器的技術(shù)改造措施。主要包括兩個(gè)方面，一是優(yōu)化選型、改進(jìn)安裝方式，提高傳感器硬件的抗干擾能力。二是采用軟件濾波方法，把采樣值中摻雜的噪聲干擾濾掉。

2.1.1 傳感器硬件改造

傳感器硬件改造包括主配壓閥位移傳感器、主配壓閥限位板、位移傳感器托架、傳感器連桿等。改造后的位移傳感器見圖6。傳感器選擇MTS公司EP系列傳感器，該傳感器采用磁致伸縮原理，具有精度高、非接觸、可靠性高且適應(yīng)于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[6]。

圖6 改造后的位移傳感器Fig.6 Modified displacement sensor

傳感器安裝在步進(jìn)電機(jī)側(cè)面，連桿與限位板之間通過托架連接，托架帶有U型孔，可以根據(jù)限位板與傳感器的相對位置調(diào)節(jié)連桿垂直度，保證連桿與限位板運(yùn)動(dòng)方向平行。因此限位板動(dòng)作位移與傳感器測量位移之比為1∶1，所以傳感器對于振動(dòng)引起的誤差或非線性度誤差不敏感。

此外，傳感器安裝基座上下兩個(gè)螺栓分別固定于步進(jìn)電機(jī)基座上，有效避免了人為碰觸導(dǎo)致的傳感器基座形變量過大的問題。

2.1.2 程序優(yōu)化

在消除因傳感器測量行程過小導(dǎo)致的干擾因素后，又針對模擬量噪聲干擾優(yōu)化程序。優(yōu)化后，模擬量在PLC程序中采用如下流程處理：

(1)首先，根據(jù)該模擬量通道的零點(diǎn)值與滿點(diǎn)值，將輸入值進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的值存入臨時(shí)變量中。轉(zhuǎn)換由下式計(jì)算。

(2)

式中：in_temp為臨時(shí)變量；in為模塊輸入值；i_zero為通道零點(diǎn)值；i_full為通道滿點(diǎn)值。

(2)其次，對本周期輸入值做限幅濾波，若輸入值小于輸入低限值或大于輸入高限值，則判斷為本次輸入越限，丟棄本次輸入值，等待下一個(gè)周期輸入。若連續(xù)5個(gè)掃描周期內(nèi)輸入值均越限，則報(bào)輸入越限故障。

(3)若輸入值不越限，則進(jìn)入消陡濾波流程。對本周期輸入值做跳變判斷處理，判斷原理見式(3)。

i_temp-i_temp_previous>i_alarm_count×i_err_off

(3)

式中：in_temp為臨時(shí)變量；i_temp_previous為上一周期臨時(shí)變量；i_alarm_count為跳變累計(jì)數(shù)；i_err_off為跳變閾值。

若本周期輸入值與上一周期輸入值之差滿足式(3)，則判斷為本周期輸入值跳變，丟棄本次輸入值，等待下一周期輸入。若連續(xù)5個(gè)掃描周期內(nèi)輸入值均越限，則報(bào)輸入越限故障。

(4)最后進(jìn)入中位值平均濾波流程。程序采用滑動(dòng)窗口機(jī)制，設(shè)置窗口大小為5個(gè)周期，步長為1個(gè)周期進(jìn)行滑動(dòng)。5個(gè)周期值去掉最高值與最低值，其余3個(gè)值做算術(shù)平均值，作為本次窗口輸出。

通過以上3個(gè)濾波模塊，能有效減小采樣值中的噪聲干擾，顯著提高采樣值的精度。

2.2 效果評價(jià)

改造后分別進(jìn)行了以下試驗(yàn)，維護(hù)人員手動(dòng)拉拽傳感器模擬人為干擾試驗(yàn)，見圖7(a)、(b)；使動(dòng)力電纜中突然流過大電流產(chǎn)生強(qiáng)電磁場模擬電磁干擾試驗(yàn)，見圖7(c)、(d)；通過頻繁加卸載主油泵產(chǎn)生振動(dòng)模擬安裝基座振動(dòng)試驗(yàn)，見圖7(e)、(f)。圖7中，紅色線為主配壓閥位置給定值曲線，藍(lán)色線為主配壓閥位置反饋值曲線。從圖7中可以看到，主配壓閥位置反饋值跟蹤給定值良好，反饋值曲線未出現(xiàn)跳變、越限等情況。說明改造達(dá)到預(yù)期效果。

圖7 6號(hào)機(jī)組改造后位移傳感器采樣值圖Fig.7 Sampling diagram of displacement sensor after 6# unit modified

3 結(jié) 語

調(diào)速器是水輪發(fā)電機(jī)組中的重要控制設(shè)備，主配壓閥是調(diào)速器的最核心部件之一，其性能和可靠性直接關(guān)系到電能質(zhì)量和機(jī)組的可靠運(yùn)行。主配壓閥位移傳感器是主配壓閥唯一的位置反饋裝置，其可靠性決定了調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。向家壩電站經(jīng)過主配壓閥位移傳感器改造，消除了之前位移傳感器抗干擾能力差，運(yùn)行不穩(wěn)定的問題，提高了調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性。