大型沖擊式水輪機微機調(diào)速器在田灣河流域梯級水電站中的應用

王容，申泉涌，曹德友

(1.四川川投田灣河開發(fā)有限責任公司，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”電站，自上而下依次為仁宗海水庫電站、金窩、大發(fā)水電站，設計水頭達600m左右。每站裝有2臺高水頭沖擊式機組，單機容量均為120MW，系目前亞洲單機容量最大的六噴六折沖擊式機組。

對于沖擊式水輪機，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，推動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。由于沖擊式水輪機的壓力鋼管一般比較長，因此噴針不能關閉太快，否則會產(chǎn)生極大的水壓，危害壓力鋼管的安全，同時，又必須在極短的時間內(nèi)切除射流，以防止出現(xiàn)飛逸轉(zhuǎn)速，故其機組一般采用噴針與折向器雙重調(diào)節(jié)的操作機構。

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

2 微機調(diào)速器的系統(tǒng)組成

2.1 電氣配置

(1)微機調(diào)節(jié)器。微機調(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。可編程控制器的信號直接作用電液比例閥，使之按信號的正負、大小成比例的向噴針接力器開、關機腔輸入壓力油，從而驅(qū)動接力器向開機或關機方向運動，直至控制信號與位移反饋信號相等為止，從而實現(xiàn)對噴針水流大小的調(diào)節(jié)。

(3)工控機。工控機采用德國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)實時運行軟件。實時運行軟件可以使調(diào)速器具有全部調(diào)節(jié)與控制功能。運行過程中與工控機觸摸屏通訊，反映設備運行狀態(tài)、工況、參量機故障等信息。

(2)實時監(jiān)控軟件。監(jiān)控系統(tǒng)使用三維力控自行開發(fā)的軟件，采集設備運行狀態(tài)信息、數(shù)據(jù)信息、報警信息并實現(xiàn)設備的實時監(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、故障診斷和報警。

2.3 調(diào)速器的機械液壓系統(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指示，不參與調(diào)節(jié)。主要液壓元件有:緊急停機電磁換向閥、電磁液動換向閥、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、電氣反饋裝置構成。當可編程控制器的信號與噴針接力器信號經(jīng)過比例閥驅(qū)動板比較放大后，直接作用電液比例閥，使之按信號的正負、大小成比例的向噴針接力器開、關機腔輸入壓力油，從而驅(qū)動接力器向開機或關機方向運動，直至控制信號與位移反饋信號相等為止，從而實現(xiàn)對噴針水流大小的調(diào)節(jié)。當伺服比例閥失電時，彈簧作用力將伺服比例閥閥芯推至事故保險位(即伺服比例閥靠彈簧側)，防止其誤動作，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、關閉的時間。

2.3.2 折向器控制單元

當調(diào)速器接力器需要朝開方運動時，壓力油經(jīng)過緊急停機電磁閥到先導控制閥，折向器控制電磁閥41FW－1上側線圈帶電后，壓力油經(jīng)液控單向閥41CS－1、41CS1－1進入折向器接力器開啟腔，將折向器打開;同理，噴針關閉后，當接力器需要向關機方向運動時，折向器控制電磁閥41FW－1下側線圈帶電，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。折向器只有全開和全關兩種狀態(tài)，小波動時折向器不動，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)。只有當機組自動停機、緊急停機和過速時，折向器才動作。液壓系統(tǒng)圖見圖1。

圖1 液壓系統(tǒng)圖

2.3.3 單組停機單元

單組停機單元主要由單組停機電磁閥41EM－1，液控閥41VF－1、41VP－1、41VP－2、31VP－1、31VP1－1組成。單組停機電磁閥動作后，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閉。當調(diào)速器一組噴針或折向器故障時，單組停機電磁閥41EM上側線圈帶電，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均關閉，使折向器控制電磁閥41FW－1不起作用。同時，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閉。另外，單組停機電磁閥41EM－1上側線圈帶電后，液控閥31VP－1切斷伺服比例閥與噴針接力器的油路，同時，31VP1－1下腔接通，關閉噴針接力器。

2.3.4 總停機電磁閥

當水機保護或機組事故停機流程動作后，總停機電磁閥00EM在左側位置，壓力油經(jīng)00EM，使機組的6組折向器和6組噴針全部關閉，從而保證機組可靠停機。只有復歸總停機電磁閥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 開機過程

機組開機條件具備，LCU開出開機命令，調(diào)速器打開主噴針相對應的折向器，噴針開啟至機組啟動噴針開度，當噴針維持在啟動噴針開度時，調(diào)速器檢測機組轉(zhuǎn)速，分為三種狀態(tài):機頻正常時，當機組轉(zhuǎn)速達到45～50Hz時，調(diào)速器自動進入到空載工況進行PID調(diào)節(jié);當機頻正常，但噴針維持啟動噴針開度達到ts(現(xiàn)場整定)時，調(diào)速器直接進入空載工況進行PID調(diào)節(jié);當機頻異常，則調(diào)速器進入空載工況，將當前開限限制在1.5%開度位置。

機組空載態(tài)，此時調(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)律及適合于空載運行的一組PID參數(shù)，選用該調(diào)節(jié)規(guī)律可控制機組快速跟蹤電網(wǎng)頻率、使頻率偏差小，便于機組并網(wǎng)。

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

3.2 停機過程

監(jiān)控系統(tǒng)減負荷使調(diào)速器單噴針運行至空載開度位置，分機組出口斷路器，發(fā)正常停機令，主噴針關至全關位。判斷噴針全關后，將所對應的折向器全關;當機組轉(zhuǎn)速降至零后，在20s之內(nèi)、機組蠕動檢測開關沒有動作時，即認為停機完成。

4 噴針之間的選擇與切換

調(diào)速器有機的將電氣柜和機械液壓系統(tǒng)組成一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，它們之間統(tǒng)一由電氣柜進行協(xié)調(diào)，六套液壓系統(tǒng)既相互獨立、又相互關聯(lián)。所謂獨立，系指當一組噴嘴和折向器出現(xiàn)故障時，可以單獨退出該組噴嘴和折向器，而不影響機組的正常運行。而且在機組運行過程中，在做好安全措施的情況下可以進行故障噴嘴的檢修和維護，從而最大限度地提高了機組的綜合經(jīng)濟效益;所謂關聯(lián)，就是6個噴嘴和折向器在運行過程中，遵循一定的邏輯關系進行對稱開啟和關閉。

調(diào)速器對開機噴針設置了兩種選擇方式:當其為自動選擇方式時，從1號噴針到6號噴針依次為開機噴針;當處于手動選擇方式時，始終將所選擇的噴針作為開機噴針，用戶可按自身情況選擇。

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

5 操作方式

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

6 微機調(diào)速器的電氣保護

微機調(diào)速器設置有一套完整的實時診斷程序和自診斷系統(tǒng)。對于調(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、測頻故障、功率故障、水頭故障等都能做實時反應，并根據(jù)故障性質(zhì)作出處理。

出現(xiàn)的事故有:轉(zhuǎn)速信號測試全部故障、三個及以上噴針故障、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，則認為出現(xiàn)事故，將停機。

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噴針，運行狀態(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，將以下一個噴針為開機噴針，運行狀態(tài)為單噴針——雙噴針;若相隔兩噴針出現(xiàn)故障，運行狀態(tài)為單噴針——三噴針;若對稱兩噴針出現(xiàn)故障，運行狀態(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。

7 結語

田灣河流域梯級電站大發(fā)水電站1號機組于2007年11月進入正式運行，其余五臺機組調(diào)速器至2009年8月期間陸續(xù)投入運行。經(jīng)過對近幾年的運行情況進行分析，調(diào)速器運行穩(wěn)定可靠。