數字缸在水輪機筒形閥電液同步控制系統中的應用

甘 楠，時天富

（中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072）

1 問題的提出

自1942年法國Neyrpic公司取得水輪機筒形閥專利權，并于1962年用于真機以來，水輪機筒形閥陸續在國外一些大型電站中得到大量應用和推廣。我國自1993年在漫灣一期電站安裝筒形閥并投入商業運行成功后，先后在小浪底、漫灣二期、石泉、董箐、光照、灘坑、瀑布溝、小灣等大型、巨型水電站中得到成功應用。如何保證水輪機筒形閥多只接力器的同步，是筒形閥控制的關鍵技術問題。

目前，國內外筒形閥同步機構采用的同步方式主要有機械液壓同步 （依靠鏈條強迫各接力器同步運行）和電液同步 （大多采用同軸油馬達式電液同步控制系統），隨著國內水電開發進度的加快，機組容量、尺寸、筒體質量越來越大，為滿足現代水電開發的需求，滿足大尺寸、大容量、大質量的筒形閥同步需求，在同步控制上，從國內已建和待建大型和巨型水電站可以經明顯看出電液同步有取代機械同步的趨勢。

但是目前已建電站采用的電液同步 （大多采用同軸油馬達式電液同步）控制系統還存在一些問題：

（1）控制復雜。控制時必須電氣、機械液壓系統密切配合，一旦控制環節上出現一點錯誤，將直接導致開啟、關閉筒形閥的失敗及卡阻。

（2）液壓系統由大量液壓元件組合、插裝而成，整個系統安裝周期長、調試難度大、運行和維護成本高。

（3）系統管路多，連接點和漏油點多，不利于電廠達標。

（4）接力器位移測量傳感器必須可靠，一旦測量不準確或損壞，整個系統就會癱瘓。

目前已建電站的圓筒閥的電液同步主要依靠接力器位移測量傳感器測量和比較接力器的行程，并將測得的差異反饋給控制系統隨時進行糾偏，由于負載阻力的不確定性和工況的復雜性，糾偏控制的響應時間長，液壓元件處于頻繁動作狀態，導致系統元件壽命縮短和可靠性降低。將數字缸應用在筒形閥電液同步控制系統中，較好地解決了以上問題。

2 數字缸在筒形閥電液同步控制系統中的應用

2.1 數字缸

數字缸（或稱數字伺服控制裝置）是電氣元件、機械傳動結構和液壓元件高度集成化的液壓裝置。在數字缸內部集成有數字電機、數字伺服液壓閥、位置傳感器 （角編碼器式位移變送器）和液壓缸（即接力器）等。

數字缸工作原理：步進電機接收計算機發出的數字脈沖信號而轉動，該轉動帶動數字伺服閥運動，并將旋轉運動轉變為直線運動，該直線運動打開數字閥的閥口，由液壓油源驅動操作油缸活塞桿前進或后退。活塞桿帶動反饋機構并與數字閥相連，形成耦合，調節閥口以保證操作油缸活塞桿的當量值。

從數字缸工作原理可以看出數字缸有如下優點：

（1）數字缸將原來復雜的速度控制和位置控制，變成了簡單的數字脈沖開環控制，簡化了控制系統，提高了響應速度。

（2）由于所有元件均裝在油缸內部，大大提高了系統的安全性和可靠性，并且由于沒有了復雜的閉環電反饋裝置 (只是純機械式閉環反饋)，也大大提高了系統的抗干擾能力，從而提高了設備的可靠性，并且基本上可以做到零調試和零維護，可長期穩定工作。

（3）數字缸活塞桿移動位移的誤差是由設計、裝配決定的，在活塞桿移動過程中，沒有累積誤差，只有一個基礎誤差。

2.2 數字缸筒形閥電液同步控制系統基本原理

數字缸筒形閥電液同步控制系統由電氣控制裝置和液壓執行系統兩部分組成。液壓執行部分是數字缸，每只接力器頂部安裝有1套步進電機、數字伺服液壓閥和位置傳感器等。

筒形閥的電液控制是通過數字缸內步進電機控制的。正常工作時，筒形閥電氣控制裝置向6只接力器端部的步進電機輸出編制好相同速度和位置的信號，筒形閥即按給定的運行速率曲線同步升降，脈沖頻率代表油缸運行速度，脈沖總數代表行程，一一對應。所有這些功能的實現，是通過數字缸內部的傳感器自動檢測速度和位移，并與數字缸給定的速度指令和位置指令進行比較并自動調節，在接力器油缸內實現機械速度閉環和位置閉環，只要六只接力器頂部的步進電機接收到的脈沖信號頻率和脈沖信號的總數相同，那么6只接力器的開關速度和位置就會相同，就能始終保持高精度的速度同步和位置同步。

每只接力器油缸的實際運行情況，由數字缸內置的位移傳感器不間斷地發送到筒形閥電氣控制裝置，由筒形閥電氣控制裝置檢測、監控、顯示。

如果需要單只接力器動作時，筒形閥電氣控制裝置可以單獨只給需要動作的接力器端部數字步進電機脈沖指令，也可以用手柄轉動步進電機頂部外露的電機軸，控制每個接力器的行程位置，這為筒形閥的初期安裝、調試、試驗提供了極大的方便。

筒形閥電氣控制裝置由PLC（可編程邏輯控制器）、觸摸屏、信號燈、切換開關、控制按鈕、繼電器、電源轉換裝置、接線座等組成。所有電氣元件組裝在1個800 mm×600 mm×2 260 mm標準盤柜內。

電氣裝置最核心部分為PLC，通過它控制數字缸-筒形閥電液同步控制系統，操作筒形閥開啟、關閉；觸摸屏、信號燈、切換開關、控制按鈕組裝在筒形閥控制盤正面；所有顯示、現地操作命令都在觸摸屏界面上實現。

整個筒形閥電氣控制盤由220VAC和220VDC雙路供電，盤內PLC與觸摸屏由24VDC供電，24VDC電源來自1個電源轉換裝置。正常狀態下，電源轉換裝置由220VAC供電，當220VAC電源消失時，自動切換由220VDC供電；當220VAC電源恢復時，又自動恢復由220VAC供電，以保證筒形閥電氣控制盤的可靠性。為保證在廠用電失電情況下電氣控制柜能正常工作，在電氣控制柜內還設置有一套備用UPS電源，在筒形閥電氣控制盤的兩路220VAC和220VDC都失去的情況下，備用UPS電源自動投入，可大大增加筒形閥電氣控制裝置的可靠性。

2.3 數字缸筒形閥電液同步控制系統的優點

數字缸筒形閥電液同步控制系統與同軸油馬達式電液同步控制系統相比具有如下優點：

（1）系統簡單 （只有兩條主環形油管和一條小控制油管），安裝方便 （每個油缸都可單獨手動，便于安裝找平），調試容易 （幾乎可以做到零調試），維護工作量小。

（2）只要系統壓力油源正常，可全機械手動操作開啟、關閉筒形閥。

（3）功能全面。正常操控時具有任意曲線啟閉筒形閥的功能，充分發揮筒形閥的優越性。

（4）具有多種操作功能和保護功能。無論何種開啟、關閉操作，都是高精度同步 ，運行可靠。

（5）可手動調整并精確控制每個圓筒閥接力器的行程位置，這樣有利于接力器活塞桿和圓筒閥的安裝連接及初期調試。

（6）外觀結構簡潔，布置更加美觀。

2.4 將數字缸應用在水輪機筒型閥的過程

東方電機股份有限公司早在漫灣一期電站投入商業運行后，就已經開始了電液同步研發工作，在筒形閥控制領域開展了大量工作。通過漫灣二期電液同步控制系統設計、系統集成、安裝、調試，發現其系統復雜、調試困難、運行維護工作量大，設備昂貴，且因技術專利屬于國外而受制于歐美國家。為了開發更加先進的圓筒閥控制技術，在經過大量原創性的開發和研究工作后，提出采用數字缸筒形閥電液同步控制系統。

作為一種電液同步控制裝置，數字缸已經被廣泛成功地應用在航空航天及其他領域，在這些領域數字缸作為液壓同步控制裝置具有大量的實際運行經驗。作為水輪機筒型閥的同步電液控制裝置第一次被引入是在錦屏一級水電站。考慮到錦屏一級電站裝機規模大 （6×600 MW），數字缸又是第一次在水電站上應用，作為數字缸電液同步控制系統的供貨方——東方電機股份有限公司 （以下簡稱 “東電公司”）決定在已投入運行的灘坑水電站 （3×200 MW）的一臺真機上進行試運行。據東電公司統計，自2009年7月將灘坑3號機圓筒閥機械液壓同步改為數字缸電液同步，到2010年5月，已順利開啟筒形閥270余次，無一次卡阻故障，運行可靠性較高，且運行維護非常方便。

數字缸在灘坑水電站成功應用，為數字缸應用于水電站水輪機筒型閥電液同步控制系統打下了良好的基礎，隨著數字缸應用于錦屏一級水電站 （6×600 MW）及溪洛渡水電站 （9×770 MW）中可以預見，在不久的將來數字缸將推廣使用在越來越多的大型、巨型水電站上。

3 結語

盡管數字缸在灘坑水電站取得初步的成功，但該系統仍然存在如下問題：

（1）在筒形閥電氣控制裝置故障及失靈的狀況下，筒形閥的開啟和關閉操作只能通過多人協調一致的手動操作，才能同步控制所有數字缸 （圓筒閥接力器）的開啟和關閉。

（2）筒形閥的開啟和關閉控制只能接收電氣信號控制和轉動手柄控制兩種控制方式，而不能接收液壓控制信號。從安全的角度出發，不允許將純機械液壓過速保護裝置的過速液壓信號直接引入圓筒閥的液壓關閉回路。

（3）和其他圓筒閥電液控制系統一樣，在系統壓力油源完全消失的情況下，不能有效控制筒形閥的開啟和關閉。

目前國內電液同步尚在初步應用階段，隨著數字缸在錦屏一級及溪洛渡電站中的運用，會逐步積累更多的運行經驗，數字缸筒形閥電液同步控制系統也會在實踐中得到進一步完善。