吉牛水電站六噴六折調速器的主要特點及應用

白 維， 蔣 敏， 文 慶

(四川革什扎水電開發有限責任公司，四川 丹巴 626300)

1 概 述

吉牛水電站位于革什扎河干流上，是革什扎河“一庫四級”水電開發方案中的最末一級，該電站裝有2臺沖擊式機組，單機容量均為120 MW，額定水頭為457 m，額定轉速為300 r/min。調速器采用武漢三聯生產的CJWT-6/6-6.3型微機(PLC)調速器。

2 吉牛水電站六噴六折調速器液壓系統工作原理

吉牛水電站調速器控制對象為六噴六折沖擊式機組，它與相應的電氣部分配合對機組進行轉速調整、機組負荷自動分配。該調速器可實現機組平穩地開機、停機、并網和加減負荷，可自動調整和操作，并可以在事故情況下緊急停機以保護機組安全。

圖1 噴針接力器液壓控制圖

調速器機械柜主要由緊急停機電磁閥和六套相對獨立的電磁液動換向閥、比例伺服閥、液控單向閥、雙單向節流閥等液壓元件組成。吉牛水電站噴針接力器和折向器接力器控制油管路情況見圖1、2。

噴針與折向器的液壓控制分6組共12塊集成閥塊安裝在回油箱上。噴針接力器和折向器接力器分別由不同的電磁閥控制且均可自動和手動控制。安裝于噴針接力器和折向器接力器上的位移傳感器(0%～100%)轉換成標準的測量信號送至調速器控制系統。

2.1 噴針接力器調節單元

吉牛水電站沖擊式機組噴針接力器全開、全關時間設計為130 s，其調節單元主要由伺服比例閥、液控單向閥、節流閥、單向閥等構成(圖1)。伺服比例閥的基本原理：比例電磁鐵推力與電氣信號成正比，閥芯抵抗彈簧力后的位移與電氣信號成正比，從而產生一個給定的閥芯位置。當接受到調速器控制屏的電信號后，伺服比例閥動作，控制壓力油的方向和流量，輸出流量的大小與輸入的電信號成比例，從而實現對噴針接力器開關方向和速度的控制，同時液控單向閥能確保伺服比例閥控制調節過程平穩，調節后噴管接力器行程不變，節流閥通過控制油的流量調節噴針開啟、關閉的時間。當伺服比例閥失電時，彈簧作用力將伺服比例閥閥芯推至中間位，液控單向閥確保噴管接力器行程不變，防止其誤動作，調速器保持在失電前的狀態。

2.2 折向器控制單元

折向器只有全開和全關兩種狀態，小波動時折向器不動，完全由噴針調節，可保證系統的穩定性和調節品質。當機組自動停機、緊急停機和轉速超過設定值時，折向器動作。正常開機時，折向器控制電磁閥15-A側線圈帶電后，壓力油經液控單向閥進入折向器接力器開啟腔；正常停機時，當噴針關閉后，折向器控制電磁閥15-B側線圈帶電，折向器接力器的油經液控單向閥進入折向器接力器關閉腔。吉牛水電站折向器全開啟時間整定為5 s，全關閉時間整定為1.5 s。

圖2 折向器接力器液壓控制圖

2.3 緊急停機

當水機保護或機組事故停機流程動作后，緊急停機電磁閥111在右側位置，壓力油經111-B、13-A、液控閥等油路，使機組6組折向器全部關閉，以保證機組可靠停機。

3 機組開停機過程

3.1 開機過程

機組開機條件具備，LCU 開出開機命令，開機命令保持2 s以上后，調速器打開主噴針相對應的折向器。空載運行時，始終是相對稱兩噴針(如1#、4#噴針；2#、5#噴針；3#、6#噴針)工作；在手動狀態下，自主選擇開機主噴針，噴針開啟至機組啟動噴針開度(17%)。當噴針維持在啟動噴針開度時，調速器檢測機組轉速，分為3種狀態：機頻正常時，當機組轉速達到45 Hz和50 Hz之間時，調速器自動進入到空載工況進行PID調節；當機頻正常，但噴針維持啟動噴針開度達到17%(現場整定)時調速器直接進入空載工況進行PID調節；當機頻異常，則調速器進入空載工況，將當前開限限制在1%～5%開度位置。

3.2 停機過程

LCU監控系統減負荷使調速器雙噴針運行至空載開度位置，有功小于1 MW 后，斷開發電機出口斷路器，發出正常停機命令，主噴針關至全關位置，判斷噴針目標小于0.1%后，將所對應的折向器全關，當機組轉速降至35 Hz以下時，調速器從停機過程進入停機備用狀態，即認為停機完成。

4 噴針切換模式

吉牛水電站沖擊式機組在各噴針之間切換及噴針與折向器之間的協作關系為：

(1)噴針與折向器的協作關系：折向器跟隨相對應的噴針目標或噴針開度而動作；在斷路器分的狀態下，當噴針目標大于設定值時，相對應的折向器全開，反之全關；在斷路器合的狀態下，當噴針開度大于設定值時，相對應的折向器全開，反之全關；

(2)空載運行時，始終是相對稱的兩噴針(如1#、4#噴針；2#、5#噴針；3#、6#噴針)工作；

(3)負載運行時噴針上行切換由兩噴針→ 四噴針→六噴針；噴針下行切換由六噴針→四噴針→兩噴針；

噴針上行切換：先由主用兩噴針(以1#、4#噴針為例)工作，當噴針目標值大于2-4噴針切換值時，由兩噴針運行切至四噴針工作，切換過程中，1#、4#噴針以一定速率向關的方向動作，2#、5#噴針以一定速率往開的方向動作；當四噴針開度平衡后，再同步往開的方向動作；當噴針目標值大于4-6噴針切換值時，由四噴針運行切至六噴針工作，切換過程中，1#、4#、2#、5#噴針以一定速率往關的方向動作，3#、6#噴針以一定速率往開的方向動作；當六噴針開度平衡后，再同步往開的方向動作。

噴針下行切換：六噴針同步關閉，當噴針目標值小于6-4噴針切換值時，由六噴針運行切至四噴針工作，切換過程中，1#、4#、2#、5#噴針以一定速率往開的方向動作，3#、6#噴針以一定速率往關的方向動作；當3#、6#噴針全關后，1#、4#、2#、5#噴針再同步關閉；當噴針目標值小于4-2噴針切換值時，由四噴針運行切至兩噴針工作，切換過程中，1#、4#噴針以一定速率往開的方向動作，2#、5#噴針以一定速率往關的方向動作；當2#、5#噴針全關后，主用噴針再同步往關的方向動作。

5 吉牛水電站進行的主要試驗

5.1 噴針開啟、關閉時間整定

噴針及折向器的開、關機時間調整方法相同。通過調整液壓系統上的液控換向閥來實現接力器開啟、關閉時間的調整。吉牛水電站沖擊式調速器液壓系統是由幾個相同的液壓系統構成的，所以，對于每個單元系統要調整一次全開、全關時間。吉牛水電站1#機組噴針及折向器在無水條件下開啟關閉時間整定情況見表1，滿足設計要求。

表1 1#機組噴針及折向器開關閉時間整定表

5.2 靜特性試驗

試驗參數Kp=9.99,Ki=9.99，Kd=0,Bp=6%,空載PID下限修改為0。吉牛水電站調速器靜特性試驗相鄰測試點間的頻差為0.24 Hz,非線性度為0.05%，轉速死區最大為1.02%,最小為0.48‰，滿足國標轉速死區<2‰的要求。

5.3 噴針切換試驗

吉牛水電站沖擊式機組在帶負荷過程中，按照負荷的變化，調速器共有2噴針、4噴針、6噴針3種運行方式。調速器按照流量平衡、水輪機運行效率最高的原則進行噴針的切換。噴針按照幾何位置對稱、水力平衡的要求進行切換。在噴針切換時，開啟參與調節的噴針，關閉退出調節的噴針。吉牛水電站1#機組帶負荷過程中噴針變化情況見表2。

表2 1#機組噴針切換及負荷表

在功率調節模式下，吉牛水電站沖擊式調速器噴針在上行過程切換中，負荷變化趨勢為升高；下行過程中，負荷變化趨勢為下降，負荷變化無反調趨勢。在噴針切換過程中，試 驗 參 數Kp=2.25,Ki=0.25，Kd=0.15,Bp=6%,噴針4切6上行過程中，有功波動超調量為8 MW，略高于電網要求，但不影響機組的穩定運行。

在開度調節模式下，由于調速器沒有采集機組過機流量，按照等噴針開度已不能準確反映流量，噴針切換后有功波動高達10 MW，故功率調節方式為吉牛水電站正常運行時的最優運行方式。

5.4 甩負荷試驗

調速器處于負載運行狀態，分別將機組帶25%、50%、75%、100%的額定負荷進行甩負荷試驗，具體試驗數據見表3。

表3 1#機組噴針切換及負荷表

吉牛水電站機組在甩100%負荷時，最大轉速為53.207 Hz，波動次數為1次，轉速調節時間為77.9 s,配水環管水壓上升率為5.66%,遠低于設計要求(配水環管最大壓力上升不大于20%Hmax，最大轉速升高率不大于30%)。甩負荷過程中噴針及折向器已全關，此時機組轉速依賴慣性下降，進而造成甩負荷調節時間過長，此現象為

沖擊式機組獨有的特性。

6 結 語

吉牛水電站1#機組于2013年12月24日并網運行以來，調速器運行穩定且基本可靠，由1、2、3、4、6五種運行方式改為2、4、6三種運行調節方式，減少了噴針切換次數，同時功率調節的引入，基本解決了噴針切換過程中有功功率反調現象，其加減負荷的速率滿足四川電網要求。

在運行過程中存在的主要問題：噴針切換過程涉及多個噴針操作，因噴針開啟關閉時間為動態，由于水流特性作用，造成噴針開啟時間由130 s變為190 s，而關閉時間由130 s變為110 s，致使在噴針切換過程中，噴針開啟過慢，在由4噴針切換到6噴針過程中，存在負荷波動，這一問題還有待商討解決方案。

參考文獻：

[1] 張齊武，徐建文．新型液壓控制系統在多噴嘴沖擊式水輪機調速器上的應用[J]．機床與液壓，2005，35(3)：108-109.

[2] 范學民，何永華．6噴嘴沖擊式水輪機調速器在田灣河梯級電站的應用[J].水電站機電技術，2008,31(4)：6-8.

作者簡介:白 維(1973-)，男，四川廣安人，副總經理，高級工程師，碩士，從事水電工程管理工作；