摘 ?要：針對(duì)馬跡塘水電廠原水輪機(jī)調(diào)速器控制系統(tǒng)存在的國(guó)外產(chǎn)品單微機(jī)控制，不能直接控制機(jī)械調(diào)速器的控制閥體，沒(méi)有配備殘壓測(cè)頻、失電停機(jī)電磁閥等不符合二十五項(xiàng)反措要求的諸多問(wèn)題，對(duì)三臺(tái)機(jī)組調(diào)速器依次進(jìn)行了技術(shù)改造及性能試驗(yàn)，改造后調(diào)速器運(yùn)行情況良好。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)調(diào)速器;國(guó)產(chǎn)化：PSWST.2G2S150;雙機(jī)雙反饋冗余

一、概況

五凌電力有限公司馬跡塘水電廠位于湖南省桃江縣馬跡塘鎮(zhèn)大塘坪村資水干流上，于1976年動(dòng)工興建，1983年三臺(tái)機(jī)相繼投產(chǎn)發(fā)電，是我國(guó)第一座低水頭貫流式機(jī)組水電廠。電廠安裝有三臺(tái)奧地利ELIN公司制造的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量為18.5MW，轉(zhuǎn)輪直徑6.3m，三臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷水頭6.55m，設(shè)計(jì)年發(fā)電量1.89億kWh。改造前調(diào)速器電氣部分為Voith中國(guó)公司上海希科生產(chǎn)的VGC512-3P1數(shù)字調(diào)速器，調(diào)速器機(jī)械部分采用武漢三聯(lián)水電控制公司型號(hào)為PSW（S）T-100-6.3比例數(shù)字冗余式機(jī)械液壓系統(tǒng)。

二、原系統(tǒng)存在問(wèn)題

1、VGC512-3P1數(shù)字調(diào)速器為單微機(jī)控制運(yùn)行方式，調(diào)速器以及相關(guān)模件均為進(jìn)口設(shè)備，運(yùn)行周期長(zhǎng)久，大多數(shù)元件模塊已停產(chǎn)，且運(yùn)行期間調(diào)速器多個(gè)元件模塊塊出現(xiàn)過(guò)故障，設(shè)備冗余性和可靠性下降。

2、機(jī)械調(diào)速器因原Voith電液隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備老化效率降低、執(zhí)行元件間隔漏油量較大等原因?qū)е聣河筒郾簳r(shí)間大幅度減短，從而調(diào)速器油泵啟動(dòng)頻繁，已將其改造為武漢三聯(lián)型號(hào)為PSW（S）T-100-6.3比例數(shù)字冗余式機(jī)械液壓系統(tǒng)，單獨(dú)配套一套電氣中間控制轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)調(diào)與VGC512-3P1數(shù)字調(diào)速器的控制對(duì)接。數(shù)字調(diào)速器不能直接驅(qū)動(dòng)機(jī)調(diào)的控制閥體，在轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)上存在轉(zhuǎn)換與測(cè)量的偏差，并且存在中間控制環(huán)節(jié)損壞導(dǎo)致調(diào)速器失控的安全隱患。

3、VGC512-3P1數(shù)字調(diào)速器投運(yùn)較早，單微機(jī)單反饋控制方式冗余性不足，存在沒(méi)有配套殘壓測(cè)頻、I級(jí)過(guò)速保護(hù)功能，機(jī)調(diào)部分的緊急事故停機(jī)電磁閥為單電源供電單線圈動(dòng)作方式，沒(méi)有裝設(shè)失電動(dòng)作的電磁閥等問(wèn)題，不滿足國(guó)家二十五項(xiàng)反措中對(duì)機(jī)組調(diào)速器的有關(guān)要求。

三、改造主要內(nèi)容

1、將VGC512-3P1調(diào)速器改造為武漢三聯(lián)的PSWST.2G2S150雙機(jī)冗余控制系統(tǒng)，新系統(tǒng)由兩套完全相同的微機(jī)控制器組成，核心控制元件選用西門子S7-300系列可編程邏輯控制器，采用雙機(jī)互為備用的冗余結(jié)構(gòu)，控制器通過(guò)開(kāi)出模塊、模出模塊和功率放大模塊等驅(qū)動(dòng)在相應(yīng)信號(hào)的作用下驅(qū)動(dòng)機(jī)械液壓系統(tǒng)電液轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械液壓系統(tǒng)的直接控制;兩套微機(jī)控制器都能獨(dú)立完成對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的開(kāi)機(jī)、停機(jī)、緊急停機(jī)、增減負(fù)荷、頻率調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)等操作，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)故障切換和人為操作切換，在控制器切換過(guò)程中機(jī)組無(wú)擾動(dòng)，當(dāng)主用機(jī)故障時(shí)，備用機(jī)能自動(dòng)承擔(dān)控制任務(wù)，如果雙機(jī)都檢測(cè)到“致命故障”，那么雙機(jī)都放棄控制權(quán)，能自動(dòng)切換到機(jī)械手動(dòng)運(yùn)行。調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)電液隨動(dòng)系統(tǒng)的比例閥和數(shù)字閥工作狀態(tài)的自動(dòng)故障判斷，系統(tǒng)能根據(jù)狀態(tài)判斷能在比例閥和數(shù)字閥工作模式自動(dòng)勿擾切換。

2、調(diào)速器電氣部分和機(jī)械液壓部分控制沿用原機(jī)電分柜的方式，調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)集成部署在機(jī)械柜，為比例數(shù)字冗余式機(jī)械液壓系統(tǒng)，主要由主配壓閥、先導(dǎo)控制級(jí)及活塞、主配位移傳感器、比例伺服閥、帶手動(dòng)操作的開(kāi)關(guān)機(jī)電磁球閥、功能分選閥等組成。主配壓閥由閥體、襯套及活塞組成，活塞上行為開(kāi)導(dǎo)葉接力器，活塞下行為關(guān)導(dǎo)葉接力器，主配壓閥活塞采用液壓反饋定位復(fù)中，不需要調(diào)整機(jī)械零位;先導(dǎo)控制級(jí)由缸體及活塞組成，其活塞位移的控制由比例伺服閥或電磁球閥來(lái)完成。

3、在機(jī)械柜的原DC220V緊停事故停機(jī)電磁閥處安裝油流分配集成塊，在集成塊上新增一個(gè)DC24V緊急事故停機(jī)電磁閥，電磁閥的DC24V工作電源由調(diào)速器的直流DC220V和廠用AC220V雙供電電源逆變后冗余輸出至機(jī)械柜，由機(jī)械柜的DDTJ300掉電停機(jī)模塊整流和儲(chǔ)備DC24V電源。當(dāng)?shù)綦娡C(jī)模塊監(jiān)視到DC24V輸入電源中斷時(shí)，利用模塊儲(chǔ)備的DC24V電源動(dòng)作DC24V緊急事故停機(jī)電磁閥自動(dòng)快速關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，增強(qiáng)了機(jī)組安全運(yùn)行可靠性。

4、將機(jī)組轉(zhuǎn)速測(cè)頻信號(hào)源改進(jìn)為兩路SSG齒盤測(cè)頻加機(jī)組出口PT的殘壓測(cè)頻兩套冗余信號(hào)源，增設(shè)調(diào)速器PLC本體測(cè)頻和可編程轉(zhuǎn)速測(cè)控裝置兩套測(cè)頻設(shè)備，兩套測(cè)頻設(shè)備的信號(hào)輸入源均為一組獨(dú)立的SSG齒盤測(cè)頻信號(hào)和殘壓測(cè)頻信號(hào)，其中可編程轉(zhuǎn)速測(cè)控裝置可按電廠開(kāi)停機(jī)流程要求設(shè)定若干轉(zhuǎn)速定值點(diǎn)，裝置可輸出轉(zhuǎn)速定值報(bào)警干節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)速模擬量值至監(jiān)控系統(tǒng)和其它系統(tǒng)。機(jī)組出口PT送來(lái)的正弦波殘壓信號(hào)經(jīng)調(diào)速器CPZX300測(cè)頻整形模塊進(jìn)行隔離、限幅、整形后，送到PLC的頻率測(cè)量輸入端;安裝在水輪機(jī)大軸上的齒盤與電磁式接近開(kāi)關(guān)組成頻率信號(hào)發(fā)生器，當(dāng)機(jī)組大軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶著齒盤一起旋轉(zhuǎn)，固定在支架上的電磁式接近開(kāi)關(guān)產(chǎn)生了與機(jī)組頻率成正比的頻率信號(hào)，經(jīng)調(diào)速器內(nèi)部測(cè)頻回路隔離、限幅、整形后的方波信號(hào)送到PLC頻率測(cè)量輸入端，PLC根據(jù)內(nèi)部頻率測(cè)量功能指令對(duì)兩路頻率信號(hào)進(jìn)行頻率綜合測(cè)量，每路測(cè)頻范圍0.2Hz～120.000Hz，測(cè)頻采用的時(shí)基125ns，測(cè)頻精度達(dá)到0.0003125Hz。電廠機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)調(diào)速器頻率測(cè)量以殘壓測(cè)頻為主，在出現(xiàn)故障時(shí)將自動(dòng)切換至齒盤測(cè)頻通道，在機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)頻率故障，調(diào)速器報(bào)系統(tǒng)故障，導(dǎo)葉接力器行程保持不變，當(dāng)機(jī)組頻率信號(hào)恢復(fù)后，報(bào)警信息自動(dòng)復(fù)歸。

5、在機(jī)組導(dǎo)葉主接力器上新增設(shè)一套拉桿式位移傳感器，與之前已有的導(dǎo)葉拉桿式位移傳感器分別送入調(diào)速器控制系統(tǒng)的兩套微機(jī)控制器，形成調(diào)速器雙機(jī)雙反饋冗余系統(tǒng)，微機(jī)控制器根據(jù)機(jī)組當(dāng)前的開(kāi)度、功率、轉(zhuǎn)速對(duì)兩個(gè)導(dǎo)葉傳感器進(jìn)行狀態(tài)甄別與故障判斷，根據(jù)傳感器的位移反饋模擬量，實(shí)時(shí)自動(dòng)診斷導(dǎo)葉行程輸入，確認(rèn)當(dāng)前導(dǎo)葉的實(shí)際位置，自動(dòng)提示故障類別。當(dāng)主用導(dǎo)葉行程信號(hào)故障或消失后，調(diào)速器自動(dòng)切換至備用微機(jī)控制器使用另一套導(dǎo)葉位移傳感器來(lái)繼續(xù)機(jī)組控制，導(dǎo)葉開(kāi)度保持不變，確保水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定在當(dāng)前狀態(tài)下運(yùn)行，調(diào)速器發(fā)出故障信號(hào)至監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)主用機(jī)、備用機(jī)導(dǎo)葉反饋信號(hào)均消失，調(diào)速器報(bào)“調(diào)速器事故”至監(jiān)控系統(tǒng)，由監(jiān)控系統(tǒng)判斷機(jī)組出口斷路器工作位置，如判斷斷路器在分閘位置，則作用于機(jī)組緊急停機(jī)，雙導(dǎo)葉反饋工作模式極力提高調(diào)速器工作容錯(cuò)能力，筑固機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。

6、調(diào)速器電氣協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)組的導(dǎo)葉與槳葉的協(xié)聯(lián)，調(diào)速器內(nèi)部的協(xié)聯(lián)函數(shù)發(fā)生器按照在調(diào)速器觸摸屏上整定的協(xié)聯(lián)曲線，按實(shí)際水頭自動(dòng)選擇相應(yīng)協(xié)聯(lián)曲線來(lái)控制槳葉開(kāi)度。電廠目前有3m、5m、7m、9m水頭下的4條協(xié)聯(lián)曲線，每條協(xié)聯(lián)曲線上設(shè)置10個(gè)點(diǎn)，在調(diào)速器改造前VGC512-3P1調(diào)速器導(dǎo)葉和槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系采用的角度開(kāi)度值對(duì)應(yīng)表，改造后PSWST.2G2S150調(diào)速器按照協(xié)聯(lián)插值計(jì)算公式，轉(zhuǎn)換為百分比開(kāi)度值對(duì)應(yīng)表，線與線之間以及點(diǎn)與點(diǎn)之間采用線性插值及逐次逼近方式，通過(guò)調(diào)速器的性能試驗(yàn)觀察，改造前后的調(diào)速器協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線基本吻合無(wú)誤，槳葉隨動(dòng)系統(tǒng)不準(zhǔn)確度偏差范圍為-0.993%～0.124%，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程要求，確保協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線的真實(shí)性及控制的平穩(wěn)性。協(xié)聯(lián)插值計(jì)算公式如下：

φH=φi + （Hi+1-H） （φi+1-φi）/（ Hi+1-H i）

A為導(dǎo)葉開(kāi)度值，φH：槳葉開(kāi)度值，H：水頭值，Hi，Hi+1為設(shè)定的水頭下的協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線。

四、試驗(yàn)

調(diào)速器改造后依照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程要求進(jìn)行了調(diào)速器性能試驗(yàn)、水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實(shí)測(cè)與建模試驗(yàn)和機(jī)組一次調(diào)頻功能試驗(yàn)。其中調(diào)速器性能試驗(yàn)包含調(diào)速器整機(jī)靜特性試驗(yàn)、導(dǎo)葉接力器靜態(tài)漂移試驗(yàn)、緊急停機(jī)時(shí)間測(cè)定試驗(yàn)、空載擾動(dòng)試驗(yàn)、空載擺動(dòng)試驗(yàn)、接力器不動(dòng)時(shí)間測(cè)定試驗(yàn)和甩負(fù)荷試驗(yàn)等項(xiàng)目，性能試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果為除空載擺動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)速擺動(dòng)相對(duì)值為：-0.207%～0.180%略超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求，但不影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，其它試驗(yàn)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實(shí)測(cè)與建模試驗(yàn)開(kāi)展對(duì)發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)實(shí)測(cè)工作，并通過(guò)對(duì)調(diào)速器數(shù)學(xué)模型的研究和仿真計(jì)算，建立更為準(zhǔn)確的調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，試驗(yàn)分為靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)兩個(gè)部分，通過(guò)試驗(yàn)得知，在不同的工況下系統(tǒng)各參數(shù)測(cè)試結(jié)果相差很小，結(jié)果可信。水輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)所確定的水輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型可以作為電力系統(tǒng)的中長(zhǎng)期穩(wěn)定性仿真計(jì)算中數(shù)學(xué)模型。

機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)測(cè)定機(jī)組一次調(diào)頻功能的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)，檢驗(yàn)機(jī)組的一次調(diào)頻能力，確定機(jī)組投入一次調(diào)頻功能的調(diào)速器PID參數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)得知，在機(jī)組開(kāi)度控制模式下，PID參數(shù)設(shè)置為bp=4%、bt=15%、Td=2 Tn=0，出力響應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間為13.5113s，出力響應(yīng)的穩(wěn)定時(shí)間為39.4538s，滿足一次調(diào)頻管理規(guī)定的要求。

五、結(jié)束語(yǔ)

馬跡塘電廠水輪機(jī)調(diào)速器控制系統(tǒng)改造為國(guó)產(chǎn)知名品牌雙機(jī)雙反饋冗余控制系統(tǒng)后，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，各項(xiàng)性能指標(biāo)良好，是一次成功的改造工程。在后期運(yùn)行過(guò)程中觀察發(fā)現(xiàn)，調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)因先于電氣控制系統(tǒng)改造，長(zhǎng)期運(yùn)行以來(lái)導(dǎo)葉、槳葉主配壓閥的先導(dǎo)級(jí)磨損，間隙增大導(dǎo)致壓油槽保壓時(shí)間減短，說(shuō)明在水輪機(jī)調(diào)速器改造時(shí)，宜將電氣控制系統(tǒng)和機(jī)械液壓系統(tǒng)一同改造，方能綜合發(fā)揮設(shè)備改造經(jīng)濟(jì)最大化效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳名鋼 《PSWST-PLC型調(diào)速器在水電站的應(yīng)用》

[2] 鄒杰《調(diào)速器改造過(guò)程中存在的問(wèn)題分析與處理》

作者簡(jiǎn)介

劉靚（1977.7-），男，漢族，本科，湖南桃江人，工程師，研究方向：電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控，自動(dòng)化，調(diào)速器的檢修維護(hù)。