劉桂波

(永豐縣水資源保護(hù)和綜合利用中心，江西 吉安 331500)

1 存在的主要問(wèn)題

該電站原調(diào)速器采用DKT-100-2.0型交流伺服電機(jī)帶反饋鋼帶控制式全可編程單調(diào)節(jié)調(diào)速器。一些電氣的重要元件使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，而且無(wú)法采購(gòu)到備件，出現(xiàn)故障率極高，具體表現(xiàn)為：

(1)主配閥芯有著頻繁卡塞，磨損嚴(yán)重的問(wèn)題，機(jī)組不能跟蹤負(fù)荷指令，機(jī)組壓油裝置異常造成電機(jī)磨損，無(wú)法保證系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，存在安全隱患。

(2)機(jī)器設(shè)備自動(dòng)化水平較低，技術(shù)復(fù)雜性強(qiáng)，操控難度大，輪值操作人員工作強(qiáng)度大。

(3)當(dāng)線路甩負(fù)荷時(shí)，影響孤網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性[1-4]。

1.1 硬件部分問(wèn)題

(1)主配壓閥。因?yàn)楦鱾€(gè)零件安裝技術(shù)不標(biāo)準(zhǔn)，并且存在透平油不純的現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備磨損程度較為嚴(yán)重，漏油量異常，油壓下降速度過(guò)快，導(dǎo)致油壓系統(tǒng)油泵反復(fù)啟動(dòng)停止等安全問(wèn)題發(fā)生，更嚴(yán)重的會(huì)造成設(shè)備的密封件提前報(bào)廢，運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)異常等現(xiàn)象。

(2)可編程邏輯控制器。調(diào)速系統(tǒng)具有3套可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController，PLC)，A套和B套均選用施耐德PLC，C套則選用西門子PLC，顯示屏原產(chǎn)于日本先進(jìn)的光洋觸摸屏。因?yàn)槭褂肞LC系統(tǒng)版本過(guò)低，而且A、B兩套和C套的品牌不一樣，在現(xiàn)場(chǎng)操作中容易發(fā)生通信維護(hù)障礙、程序操作失敗等問(wèn)題，一般會(huì)造成觸摸屏無(wú)響應(yīng)，發(fā)生更嚴(yán)重的狀況是因觸摸屏無(wú)響應(yīng)造成槳葉主配抽動(dòng)。

(3)控制回路。控制回路是機(jī)組獲取操作指令的主要路徑，發(fā)揮著不可替代的作用，其運(yùn)行的穩(wěn)定性是整體機(jī)組正常工作的保障。優(yōu)化前控制回路如下：

①調(diào)速器的導(dǎo)葉和槳葉全部使用數(shù)字閥調(diào)控。利用比例閥控制板把PLC控制信號(hào)加強(qiáng)，然后傳輸給機(jī)柜的數(shù)字閥，進(jìn)而完成對(duì)導(dǎo)葉和槳葉的調(diào)控。

②PLC只有一個(gè)開(kāi)關(guān)量操控傳輸DO模塊，也只有一個(gè)模擬量操控傳輸AO模塊，換言之最大傳輸16個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)以及4個(gè)模擬量信號(hào)。在調(diào)速器測(cè)試過(guò)程中，將傳感器信號(hào)串接或者并接，避免因接線故障造成機(jī)器損壞。

③各種控制信號(hào)通過(guò)調(diào)速器遠(yuǎn)程控制進(jìn)行閉鎖，基于接收調(diào)速器信號(hào)的監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程操控完成閉鎖的方法。

④調(diào)速器各種緊急指令是通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出，再由調(diào)速器電柜端子傳送到調(diào)速器機(jī)柜急停電磁閥[5]。

1.2 軟件部分問(wèn)題

(1)導(dǎo)葉、槳葉測(cè)量功能。調(diào)速系統(tǒng)利用3個(gè)導(dǎo)葉/槳葉開(kāi)度傳感器相互獨(dú)立的發(fā)送給A、B、C套PLC，接下來(lái)利用三者的通信查找導(dǎo)葉/槳葉開(kāi)度的異常問(wèn)題。一旦A、B、C三套PLC之間無(wú)法正常通信，就不能精準(zhǔn)判斷導(dǎo)葉/槳葉開(kāi)度的問(wèn)題所在。

(2)頻率測(cè)量功能調(diào)速系統(tǒng)。利用3個(gè)齒盤測(cè)頻信號(hào)相互獨(dú)立的傳遞到A、B、C套PLC，并且殘壓測(cè)頻信號(hào)是源于一臺(tái)機(jī)端PT。如果機(jī)端1YH發(fā)生二次空開(kāi)關(guān)跳閘或者出現(xiàn)其他問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致殘壓測(cè)頻信號(hào)突然消失。

(3)甩負(fù)荷判斷功能。調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)出口開(kāi)關(guān)合閘信號(hào)是否存在鑒別機(jī)組甩負(fù)荷。如果信號(hào)抖動(dòng)，調(diào)速系統(tǒng)很容易鑒別為甩負(fù)荷，導(dǎo)致機(jī)組甩負(fù)荷或發(fā)生溜負(fù)荷現(xiàn)象。

(4)停機(jī)控制程序。目前的停機(jī)程序設(shè)定調(diào)速器在獲取到停機(jī)指令后，必須保持每100 ms 減少2%導(dǎo)葉開(kāi)度給定速度關(guān)閉導(dǎo)葉。所以調(diào)速器使導(dǎo)葉慢慢開(kāi)啟至空載開(kāi)度(隨水頭變化，約14%)到達(dá)完全關(guān)閉狀態(tài)所用時(shí)間不超過(guò)1s，由空載開(kāi)度到達(dá)完全關(guān)閉狀態(tài)所用時(shí)間5s左右。但是由于關(guān)閉速度太快，容易發(fā)生轉(zhuǎn)輪室真空度過(guò)大的現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)組抬機(jī)量增加，甚至造成機(jī)器損壞的嚴(yán)重后果。

2 改造措施

2.1 調(diào)速器系統(tǒng)智能化高效化

(1)采用微機(jī)控制器。調(diào)速器電氣系統(tǒng)的所有功能由施耐德可編程控制器M340構(gòu)成的調(diào)節(jié)器提供。重要的硬件由施耐德電氣利用奧地利貝加萊X20可編程計(jì)算機(jī)制定的高性能、高可用性的新一代PLC。充分落實(shí)了“靈活設(shè)備控制”的理念，此程序能夠滿足用戶的功能訴求，方便用戶理解，快速進(jìn)行操作?？梢詫?shí)施調(diào)速系統(tǒng)高速計(jì)量功能，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等重要控制方案完成調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)的指令，進(jìn)而使設(shè)備性能到達(dá)最優(yōu)。在性能上，ModiconM340可編程控制器具有雙核處理器，內(nèi)核1主要處理管理系統(tǒng)工作，同時(shí)還可以輔助應(yīng)用代碼的運(yùn)行。內(nèi)核2主要執(zhí)行通信工作，通過(guò)應(yīng)用間通信促進(jìn)任務(wù)完成，提高任務(wù)完成效率。

(2)引入人機(jī)界面。調(diào)速器人機(jī)對(duì)話裝置選取高清彩色液晶顯示屏，該系統(tǒng)具有各種先進(jìn)模式?？娠@示清晰的試驗(yàn)圖像，便于電站工作人員利用觸摸屏監(jiān)控試驗(yàn)流程，無(wú)需使用外接試驗(yàn)裝置，遵照說(shuō)明手冊(cè)，操作員能夠正確規(guī)范的使用調(diào)速器，還可以節(jié)約時(shí)間成本。不僅如此，該調(diào)速器能夠利用故障錄波裝置和事故追憶系統(tǒng)，為工程專家檢索機(jī)組的所需資料，排查問(wèn)題原因。選用PLC本體測(cè)頻測(cè)量，保障了測(cè)頻結(jié)果的科學(xué)性。選用TFT工業(yè)級(jí)人機(jī)界面，有利于人機(jī)界面更加穩(wěn)定、靈活，便于協(xié)同操作以及后期保養(yǎng)。

(3)控制回路。根據(jù)控制回路的實(shí)際情況開(kāi)展改進(jìn)工作，進(jìn)一步保障功能的穩(wěn)定性，避免發(fā)生設(shè)備誤操作，實(shí)際操作方法如下:①調(diào)速器的導(dǎo)葉和葉片全部通過(guò)比例閥操控。根據(jù)PLC輸出的模擬量控制信號(hào)AO完成操作，方便簡(jiǎn)潔，使操作系統(tǒng)更加科學(xué)、真實(shí)。②利用PLC開(kāi)關(guān)量輸出DO模塊由16個(gè)開(kāi)關(guān)量擴(kuò)展到32個(gè)開(kāi)關(guān)量，不僅如此，模擬量輸出AO模塊由1個(gè)模塊擴(kuò)展到4個(gè)模塊，同一時(shí)間最多輸出16個(gè)模擬量控制信號(hào)。最大程度擴(kuò)展了輸出回路。③改進(jìn)各個(gè)程序控制信號(hào)的閉鎖方式，風(fēng)葉關(guān)閉順序，調(diào)速器電柜“遠(yuǎn)方”手柄和接收信號(hào)的監(jiān)控系統(tǒng)都可以進(jìn)行閉鎖，提高了調(diào)速器的穩(wěn)定性。④各種緊急指令通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出經(jīng)過(guò)調(diào)速器電柜急停閥動(dòng)作繼電器接點(diǎn)，最后完成機(jī)柜急停電磁閥的指令，當(dāng)需要進(jìn)行緊急停閥時(shí)，繼電器接點(diǎn)方能夠利用監(jiān)控系統(tǒng)復(fù)歸令的控制回路，這時(shí)才可以進(jìn)行復(fù)歸。

2.2 線路甩負(fù)荷時(shí)孤網(wǎng)運(yùn)行

電力系統(tǒng)電源根據(jù)能源的不同主要分為水力發(fā)電、火力發(fā)電、核能發(fā)電。三者分擔(dān)發(fā)電工作，為充足供電提供保障。聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行是發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)連接，并向電網(wǎng)輸送功率，每個(gè)發(fā)電廠的工作是由系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況分配，不僅如此，系統(tǒng)中心調(diào)度是按照不同廠區(qū)的綜合能力，負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一規(guī)劃運(yùn)行方案，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)正常運(yùn)行。電網(wǎng)容量不斷擴(kuò)大，頻率越來(lái)越穩(wěn)定，機(jī)組通常承擔(dān)基荷，沒(méi)有特殊情況不使用調(diào)速器。

調(diào)速器選用適應(yīng)式模糊變參數(shù)的并聯(lián)PID控制結(jié)構(gòu)，即根據(jù)頻率變化的實(shí)際情況不斷調(diào)控PID控制參數(shù)，以保障調(diào)控的實(shí)時(shí)性和可靠性，并且落實(shí)相關(guān)輔助措施，切實(shí)保障調(diào)速系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

通過(guò)以下途徑實(shí)現(xiàn)：完善控制器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)；更改參數(shù)，減少波動(dòng)時(shí)的調(diào)整時(shí)間；自動(dòng)檢測(cè)孤網(wǎng)情況，優(yōu)化調(diào)速器PID調(diào)節(jié)算法，在調(diào)速器控制軟件中增加孤網(wǎng)運(yùn)行識(shí)別算法，并根據(jù)不同狀態(tài)實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)變化，實(shí)現(xiàn)PID的快速精準(zhǔn)響應(yīng)[6-9]。

3 改造后調(diào)速器主要技術(shù)指標(biāo)分析

3.1 主要技術(shù)指標(biāo)

轉(zhuǎn)速死區(qū)ix≤0.04%；靜態(tài)特性曲線線性誤差<5%；自動(dòng)空載三分鐘轉(zhuǎn)速擺動(dòng)相對(duì)值≤0.25%；接力器不動(dòng)時(shí)間Tq<0.3 s；平均故障間隔時(shí)間≥8000 h。

3.2 電氣部分主要技術(shù)參數(shù)

頻率允許變化的區(qū)間FG：45～55 Hz；功率允許變化的區(qū)間PG：0～100%；態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp：0～10%；人工失靈區(qū)E：0～±2 Hz；機(jī)頻、網(wǎng)頻信號(hào)電壓：AC0.3～110.0 V；交流電源：AC200 V；直流電源：DC220 V或DC110 V。

3.3 改造效果分析

2015年8月完成對(duì)該電站的全部改造，經(jīng)過(guò)3個(gè) 月的試運(yùn)行后順利驗(yàn)收。調(diào)速器優(yōu)化升級(jí)后，操作控制簡(jiǎn)單，提高了機(jī)器設(shè)備自動(dòng)化，降低故障率，消除了原有調(diào)速器的弊端，優(yōu)化了孤網(wǎng)的性能，優(yōu)化升級(jí)符合預(yù)期。改造效果見(jiàn)表1。

表1 改造前后效果

4 結(jié) 語(yǔ)

水輪機(jī)調(diào)速器是保障水電站正常工作的關(guān)鍵設(shè)備。調(diào)速器的安全運(yùn)轉(zhuǎn)為電網(wǎng)正常供電提供有效保障。因此，踐行設(shè)備的科技創(chuàng)新，持續(xù)推動(dòng)機(jī)器優(yōu)化升級(jí)是科學(xué)規(guī)劃電網(wǎng)布局，保障電網(wǎng)安全的必由之路。對(duì)電站調(diào)速器開(kāi)展改造實(shí)踐，消除了原有調(diào)速器的弊端，優(yōu)化了孤網(wǎng)的性能，運(yùn)轉(zhuǎn)效率顯著提高。