淺談直崗拉卡水電廠5號機組調速器液壓控制回路特點

莫文菁

（青海大唐國際直崗拉卡水電開發有限公司，青海 尖扎 811999）

淺談直崗拉卡水電廠5號機組調速器液壓控制回路特點

莫文菁

（青海大唐國際直崗拉卡水電開發有限公司，青海 尖扎 811999）

摘要：對直崗拉卡水電站5號機組水輪機調速器液壓系統組成、工作特點進行了詳細介紹，同時著重闡述了手動操作過程中主閥芯復歸中間位置的過程的特點。

關鍵詞：調速器；液壓系統；5號機組；直崗拉卡水電廠

直崗拉卡水電站位于青海省尖扎縣的黃河干流上，電站壩址距上流李家峽水電站7km，壩址以上控制流域面積13.7萬km2，多年平均流量679m3/s，電站安裝5臺單機容量38MW的貫流式水輪發電機組，年平均發電量762GW·h。電站新裝5號機組采用的是武漢長江控制設備研究所有限公司的GLT-100-6.3型可編程計算機調速器。調速器電氣部分采用施耐德M258可編程控制器，可實時辨識空載、并網和固網運行等不同工況，可靠性好，帶孤立負荷能力較強，能夠按轉速、水位或給定負荷進行自動調節，具有數字協聯及波動控制的功能，能以PLC專用通訊協議方式方便實現與上位機通訊，實現機組按規定操作程序進行正常的自動啟動和自動停機、空載、單機或并網帶負荷穩定運行。并能在機組運行中出現故障時，進行手動和自動事故停機及必要的機組保護操作，以保證機組的安全運行，機械部分采用了兩項專利技術：水輪機調速器的電液比例隨動裝置，水輪機調速器的電動集成隨動裝置，電源、控制模塊、傳感器、電液轉換等均采用雙冗余配置，具有用電液比例閥直接控制主配壓閥，結構簡單，調整方便，可靠性高，耗油量小的特點。

1直崗拉卡水電站調速器液壓系統

1.1系統組成

根據直崗拉卡水電站的特點，通過組織兩次設計聯絡會確定了調速器的液壓系統（見圖1）。液壓系統在設計上采用電液隨動技術和流量控制、流量反饋技術，信號流完全由電氣和液壓信號構成，由于電氣信號的快速響應性、液壓信號載體—油液的不可壓縮（因為油液的壓縮量極微小，工程上認為其是不可壓縮的）性，使得控制信號能快速、準確地到達執行機構，極大地降低了死區并提高了控制精度,系統中大量使用標準液壓元件，集成閥塊、液壓元件和功能部件之間的油路連接均采用O型密封圈靜止密封方式，所有連接處均無泄漏。液壓系統主要由主配壓閥、直動式電液比例閥、手動操作閥、接力器電氣反饋裝置、濾油器油壓裝置等幾部分組成,主配壓閥是實現操作接力器的功能部件，直動式電液比例閥是實現液壓邏輯各元件總成后的功能部件，濾油器是提供潔凈壓力油的功能部件，系統各功能部件之間的油路連接和控制壓力油、控制回油的對外連接均通過底板實現，并實現各功能部件的單層布置，系統內無杠桿，整機結構簡潔新穎，安裝、調試、操作、維護簡便。根據GB/T9652.1-1997《水輪機調速器與油壓裝置技術條件》標準。當測速裝置信號或水頭信號消失時，大型電調和重要電站的中型電調應能使機組保持所帶的負荷，同時要求不影響機組的正常停機和事故停機，系統中主配壓閥設有1套自復中裝置流量反饋閥（圖1中的虛線部分），增加1套純手動操作裝置（圖1中的手動閥），用以實現調速系統電源消失后導葉保持在失電之前的開度，也可根據需要通過手動閥來完成導葉的關閉或打開，獨創的流量位置跟蹤與流量反饋系統，能精確對主配壓閥活塞進行回中控制，因此，調速器能保證在任何時候由自動運行切換到純手動運行時，導葉接力器活塞保持在當前位置，防止機組運行失控，滿足相關標準和合同的要求。

1.2系統工作特點

圖1調速系統

調速器液壓系統是具有內閉環的相對獨立的電液隨動系統，它能夠與電氣柜及自動化系統一起，對機組進行自動控制，也可以單獨對機組進行手動控制，系統中設置了相互冗余的兩套采用伺服比例閥控制的自動控制回路及一套以手動電磁閥控制的手動操作回路。通過系統中的緊急停機電磁閥可實現機組的緊急停機操作。

1.2.1自動控制

緊急停機電磁閥EV14、EV15在復歸狀態，手/自動切換電磁閥EV12在自動位（電磁線圈激磁），手/自動換向閥HV11控制腔經EV12回油，將主閥控制腔與伺服比例閥輸出連通，系統處于自動控制狀態

伺服比例閥SV11和伺服比例閥SV12互為備用，兩路比例閥同時接受電氣調節器的控制信號，并輸出流量壓力信號，當兩個通道比例閥均工作正常時，由比例閥切換電磁閥根據設計邏輯選擇其中一個通道比例閥的輸出信號進入主配壓閥HS11控制腔，控制HS11活塞移動，改變主閥開口的方向和大小，控制水輪機導葉開啟或關閉；伺服比例閥及放大器、主配壓閥HS11及其傳感器BS11構成1個負反饋內環回路，當主配壓閥活塞的位移通過主閥位移傳感器反饋到伺服比例閥的功放板，與其輸入信號綜合后使主配壓閥活塞在某一開度下停止移動；另外，綜合放大回路、內環回路、導葉接力器及導葉位移傳感器GS11構成1個負反饋大閉環回路，接力器活塞的位移反饋到電氣調節器的綜合放大回路，與其輸入信號綜合后，綜合放大回路輸出變為零。伺服比例閥在電氣調節器輸出信號時已形成了一個工作平衡位置，當其輸入減為零時，伺服比例閥的閥芯移動，將主配壓閥下腔與伺服閥的控制腔連通，主閥活塞在其控制器腔壓力作用下移動，當主閥活塞回到平衡位置時，其反饋信號正好與伺服比例閥的輸入信號大小相等符號相反，伺服比例閥迅速回到平衡位置，切斷主配壓閥控制腔的進出油路，此時伺服比例閥、主配壓閥HS11均回到平衡位置，導葉接力器停止移動，完成一次循環調節。在系統的整個運行過程中，電氣調節器對伺服比例閥的工作狀態進行實時檢測，并對其進行判斷，當檢測到正在工作的伺服比例閥輸出信號與輸入不一致時，將通過雙比例閥通道切換電磁閥EV11，實現伺服比例閥SV11和伺服比例閥SV12間的無擾切換，并同時發出伺服環故障信號。由于兩個通道的比例閥均接收同一個控制信號，因此另一通道比例閥處于熱備用狀態，保證了雙通道比例閥的無擾切換。

1.2.2手動控制

手動控制系統是純液壓控制的，只要系統建立起適當的油壓，接力器允許操作，不需要電氣調節器配合，就可以利用該系統進行人為的導葉控制操作。該系統為機組的安裝、調試工作提供了極大的便利條件。

當機組運行過程中，萬一遇到調速器電氣調節器或者比例伺服閥出現故障，廠用電消失、同時電廠直流電源故障的最惡劣情況，系統自動將手/自動切換電磁閥EV12失磁，其閥芯在電磁力作用下改變工作位置，使壓力油進入手/自動換向閥HV11控制腔，使之換向，切斷比例閥的輸出通道，同時，接通手動控制通道與主配壓閥控制腔的油路，切換到手動控制通道。在手動控制狀態，通過手動操作電磁閥EV13則可直接控制主配壓閥HS11活塞的移動方向和大小，實現對導葉接力器的開啟和關閉控制。純手動操作系統為僅有內閉環沒有外環反饋的液壓系統，手動方式運行則須有運行人員現地監護。

在自動控制通道工作時，作為手動控制位置反饋的流量反饋閥HS12的閥套是與主配壓閥活塞連為一體的，始終跟隨主配壓閥活塞移動，實現手動跟蹤自動功能，當自動通道故障切換到手動通道時，保證導葉維持在自動通道發生故障時的開度，并保持足夠長時間不變，為電廠提供足夠的應急處理時間，避免意外停機。

通過操作手動操作電磁閥EV13使其閥芯運動，當控制信號的大小和方向發生變化時，主配壓閥下腔的壓力隨之發生變化，主閥活塞失去原有的平衡而產生相應的移動，通過主閥活塞的位移輸出流量信號以控制導葉接力器的動作，同時，當主閥活塞移動時，與之相連的流量反饋閥HS12套移動，將其位移量反饋給流量控制系統，主閥位移越大，反饋信號越強。手動操作電磁閥在彈簧作用下迅速回到中間位置，將液控單向閥CV11的背壓側與回油相通，確保其可靠關閉；主閥活塞還沒回到平衡位置時，流量反饋閥窗口仍保持在開啟狀態，此時主閥將控制腔的油液經HV11、HV12與流量反饋閥HS12連通，主閥在上、下腔壓差作用下隨同流量反饋閥套回到平衡位置，將反饋窗口、主閥窗口均關閉，導葉接力器停止運動，完成導葉操作。

圖2手動控制方框圖

2直崗拉卡水電站5號機組調速器的特點

2.1電液比例閥作電液轉換元件

電液比例閥的功能是把輸入的電氣控制信號轉換成相應輸出的流量控制，根據其輸入輸出特性Q=f（UE），功放板接受±10V的控制信號，經其放大后輸出相應的電流信號，電流信號在伺服比例閥線圈中產生的磁場驅動比例電磁鐵移動相應的位移量，從而帶動伺服比例閥的閥芯移動，輸出相應的流量，輸出流量與輸入控制信號成比例線性關系。與一般的電液閥相比，該閥芯移動的同時，內置差動變壓器式位移傳感器檢測閥芯位置，并將其信號反饋到比例放大器，與比例電磁鐵形成閉環位置控制。因此控制精度高，動態響應好，溫漂小，零位耗油量小，閥的滯環和不重復性均很小。在電磁閥失電時，閥具有“故障保險”位置，保證失電時閥處在關閉狀態。該閥的最大特點是采用強電流信號控制，功率大，提高了伺服比例閥的操作力，加上結構簡單，無阻尼孔，因此，抗油污能力強，提高了伺服比例閥工作的可靠性。它綜合了伺服閥和比例閥的優點，既有伺服閥的高精度響應性，又有比例閥的出力大、耐污染能力及防卡等高可靠性。

2.2主配壓閥

主配壓閥（見圖3）從結構原理上講是一只三位四通機液伺服閥，通過主閥活塞的位移輸出流量信號以控制導葉接力器的動作。主配壓閥由殼體、主閥襯套、主閥活塞、輔助接力器殼體、活塞、流量反饋閥針塞及主閥活塞位移傳感器組成。輔助接力器活塞與主閥活塞連為一體，采用差動控制。其上腔為恒壓腔通壓力油源，下腔為控制腔，控制面積約為恒壓腔的兩倍，經事故停機換向閥與伺服比例閥控制輸出或手動操作閥、流量反饋閥控制輸出口相通。主配壓閥活塞向上移動開啟導葉，反之關閉。使接力器開啟腔，與壓力油源相通，同時，將接力器關閉腔通至回油。主配壓閥液壓部分設置有自復中裝置流量反饋閥，當調速器交、直流電源均發生故障時，自復中裝置能保證主配壓閥自復中，維持水輪機導葉在故障前的位置，并可無擾地切換到手動，防止機組運行失控，根據電站要求手動安全運行或停機。

圖3主配壓閥

2.3緊急停機電磁閥

本裝置緊急停機回路由2只電磁閥YV4、YV5 和1只緊急停機換向閥HV2構成。緊急停機電磁閥采用的是二位四通帶定位機構、手動應急按鈕的雙電磁線圈換向閥，操作電源為DC220V。為保證緊急停機回路工作可靠，本系統采用2只雙穩態電磁換向閥串聯控制，同時接受故障保護信號，只要其中任一只電磁閥動作，均能控制HV12換向，切斷調速器控制輸出信號，并將主配壓閥HS11控制腔與回油接通，保證機組停機。雙穩態就是指電磁閥具有2個穩定的工作位置，在沒有得到新的控制操作信號前，將保持原來的閥位不變，提高了機組保護回路的可靠性。緊急停機回路的作用是當機組或系統發生需要停機的故障時，接受來自機組或系統的故障保護信號緊急關閉導葉開度，強迫機組停機。本閥也可以通過現地操作手動應急按鈕，實現緊急停機。

2.4電液隨動裝置系統

以導葉控制部分為例：壓力油過濾后，經緊急停機電磁閥后一路進入主配引導閥，另一路進入電液比例閥和手動操作閥。正常運行時，緊急停機電磁閥為通路，主配引導閥接通壓力油,電液比例閥直接與輔助接力器上腔相通。當電氣控制信號為零時，電液比例閥閥芯在彈簧作用下復中，切斷了通往輔助接力器上腔的油路，主配活塞準確地穩定于中位，主接力器也將穩定不動。當電液比例閥閥芯在電氣控制信號的作用下運動一定距離，輔助接力器上腔接通排油時，主配活塞將自中位向上移動一定距離，主接力器向關機側運動。主接力器在關機時，同時帶動電氣反饋裝置，直到使電氣控制信號回零，電液比例閥和主配活塞隨之復中，主接力器便停止運動。反之，如電液比例閥使輔助接力器上腔接通壓力油，主接力器亦將向開機側運動相應距離。這樣，主接力器將按一定比例隨動于電氣控制信號，構成了電液隨動裝置。當電氣控制部分發生故障時，調速器切至手動狀態，輔助接力器上腔將受按鈕或手動操作閥的控制，實現手動操作。當電液比例閥發生故障時，將控制油路上的截止閥關閉，實現機械手動操作。

在事故情況下，緊急停機電磁閥動作,使輔助接力器上腔接通排油,同時切斷了控制油路的壓力油源，使主配活塞快速上移，實現緊急停機。

槳葉控制部分沒有緊急停機電磁閥，其系統工作原理與導葉控制部分基本相同。

2.5電氣控制回路

目前有很多微機調速器的開機過程仍和傳統機械液壓調速器以及模擬電調一樣，當接到開機命令后，導葉接力器和電氣開度限制均同步開啟至第一開機啟動開度，導葉接力器維持不動，機組開環啟動。當機組頻率大于45Hz后，則將電氣開限關至空載開限位置，并投入PID調節，接力器在其控制下穩定于空載開度，開機過程結束，并轉入空載狀態。這種方式不能保證開機過程的整個環節全閉環，自動化水平不高。

長江控制設備研究所研制的施耐德M258調速器采用全閉環開機過程。當接到開機令后，閉環調節投入，將機組頻率與頻率給定值或電網頻率相比較，進行PID運算和調節。同時設置兩個開限：①機組啟動開限，保證機組啟動快速；②空載開限，保證機組開機超調量小，甚至無超調量，快速并入系統。這兩個開限由軟件通過水頭值和機組特性查表確定，也可由用戶在操作顯示面板上直接給定。導葉則根據PID運算的值控制機組直至額定轉速。對于雙調節型調速器，輪葉控制系統同樣始終處于閉環調節狀態。開機前，導葉開度及機組轉速均為零，輪葉開至啟動角，自動開機后，當機組轉速上升到80%額定轉速左右，根據協聯關系，輪葉將自動關閉到零。特別提出的是，開機全過程實現閉環控制并且設有兩個開限，這樣可以實現機組開機過程快速穩定且無超調，方便機組快速并入系統。

在機組開機過程和空載運行中，施耐德M258調速器根據機組特征與工況，連續、適時改變調節參數，保證了機組并網前穩定運行，并具有良好的調節品質。

3結語

直崗拉卡水電站5號機組的管理人員和技術人員對電站調速器液壓系統進行了大膽的設計和制造嘗試，相信這一技術會為直崗拉卡水電站帶來很好的經濟效益，在水電站領域會有廣泛的應用價值。

參考文獻：

[1]GB/T9652.1-1997水輪機調速器與油壓裝置技術條件[S].

中圖分類號：TK730.4+1

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）12-0030-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.12.011

收稿日期：2014-07-31

作者簡介：莫文菁（1977-），女，中級工，從事水輪發電機組運行與維護工作。