小灣電站水輪機筒閥電液同步控制策略優化

賀　臻，張會軍（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南　大理 675702）

小灣電站水輪機筒閥電液同步控制策略優化

賀臻，張會軍
（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南大理 675702）

小灣電站筒閥同步系統采用電液同步控制，由同步分流器的液壓同步和經典PID比例閥調節的電氣控制同步，通過對筒閥卡阻現象分析，針對筒閥卡阻發生的主要原因，從合理設置筒閥的初始緩沖階段與實現自動平壓操作的方向優化了筒閥控制系統控制策略，大大提高了筒閥運行的同步性能，徹底解決了筒閥卡阻問題，增加了筒閥運行的可靠性。

筒閥；電液同步控制；卡阻；控制策略；小灣水電站

小灣水電站6臺機組均采用筒形閥（以下簡稱筒閥）作為水輪機主閥，具有結構緊湊、操作靈活、水力損失小、密封性好等特點。筒閥安裝在固定導葉與活動導葉之間，主要由閥體、上/下止水密封、直缸接力器、操作機構、同步機構等組成，筒閥下密封安裝在底環上，上密封安裝在頂蓋下環上，筒體圓周均布12個導向區，每個導向區設有銅質抗磨板起導向作用，每臺筒閥采用6只直缸接力器操作，以電液同步系統實現6只接力器的同步運行。

1　小灣電站筒閥同步控制系統

筒閥同步機構廣泛采用的方式有兩種，分別是機械同步（即鏈條同步）和電液同步控制。小灣電站筒閥同步控制系統采用的是電液同步控制，主要由機械和電氣兩部分組成，如圖1所示。

1.1機械液壓部分

小灣電站機械液壓部分由1套綜合控制閥組、1套同步分流器、6套同步控制閥組組成。機械液壓同步主要是同步分流器（徑向柱塞式液壓同步分流馬達，分流精度可達到±0.4%～±0.8%），此種分流器采用靈活、高效的方式，將6個液壓泵組合在一起，應用于6個回路液壓系統中。每個分流器包括一系列齒輪副，將輸入油液等量、成比例地分成六路輸出，調校分流器輸出的六路壓力一致，以達到6只接力器下腔的進油量基本一致，使筒閥6只接力器運行同步，實現筒閥系統的機械液壓同步。

圖1　筒閥同步控制系統示意

1.2電氣控制部分

小灣電站在筒閥電氣控制上配置了德國BULLUFF高性能微脈沖線性位移傳感器，并在筒閥到達全開位置時，每個筒閥接力器在全開位置有限位開關指示全開位置。同時每個筒閥接力器的開腔由壓力傳感器測量油壓。在每個控制筒閥接力器閥組上的液壓控制塊也配有位置反饋信號，以指示該控制塊位置。PLC采集位移傳感器、壓力傳感器模擬量信號及各位置開關信號，對筒閥進行閉環控制，并在PLC軟件中實現筒閥控制運動規律的設定。

PLC控制邏輯中將筒閥的整個系統可視為以接力器位移量偏差為負反饋的閉環電液隨動系統。開啟筒閥過程中，以6個接力器的平均位移為基準；關閉筒閥過程中，以6個接力器的最大位移為基準。在給定的啟、閉規律基礎上按經典的PID控制算法，比例閥控制接力器控制油量大小校正發生的不同步的偏差以保證各接力器的同步運行。當接力器的位移與基準位移的偏差超過設定值時，關閉分油器，切斷筒閥接力器的主油路，筒閥整體停止上升或下降，僅通過筒閥接力器對應的液壓比例閥平衡各接力器的行程。當接力器的位移與基準位移的偏差量減小到設定值時，打開分油器，接通筒閥接力器主油路，筒閥整體繼續上升或下降。

為了防止油路系統的油錘效應，在臨近全開（筒閥全開開度的95%）、臨近全關位置（筒閥全開開度5%開度）時，關閉分油器，切斷筒閥接力器的主油路，將液壓比例閥開至最大開度，使筒閥達到全開或全關位置。到達全關位置后，延遲10 s后，將比例閥閥芯移到55%開度（中間偏關）位置，為接力器上腔補充壓力油，使筒閥保持在全關位置。到達全開位置后，繼續將液壓比例閥開至最大開度（0），為接力器下腔補充壓力油，使筒閥保持在全開位置。

2　筒閥卡阻原因分析

小灣水電站筒閥投入運行以來，運行穩定可靠，在停機時筒閥全關截斷流止水，有效的防止導葉間隙氣蝕，減小水能利用損失；機組運行時，筒閥全開后筒體置于座環與頂蓋空腔內，對水流流動無干擾，提高了水能發電利用效率。但也出現過數次筒閥的6個接力器動作不同步造成卡阻的異常現象。

小灣電站筒閥卡阻現象多出現在筒閥關閉過程中95%～98%開度下，也有出現過在筒閥開啟過程中2%～5%開度下。針對筒閥卡阻現象，原因分析如下：

（1）筒閥長期開啟狀態下，筒閥接力器下腔壓力不平衡。由于筒閥長期處于全開位置，6只接力器有桿腔發生壓力不均衡現象，導致筒閥卡阻。分析其壓力變化的原因，筒閥全開后，由于6個止動銷安裝不可能完全水平，個別接力器的筒閥頂端首先接觸到止動銷，但其他沒有到位。加之筒閥長期開啟狀態下，隨著水流的變化以及筒閥本身的撓性，筒閥將以首先接觸到止動銷位的接力器為支點左右擺動。又由于比例閥在筒閥全開狀態一直給下腔供油，在筒閥擺動的過程中，接力器下腔壓力低于比例閥補油壓力，比例閥將油補入下腔，而液控單向閥的存在，使得筒閥回擺后油壓上升，導致6個接力器有桿腔壓力不平衡。在長期開啟筒閥后，各接力器有桿腔壓力逐漸出現不平衡，筒閥在不同接力器下腔壓力作用下出現柔性變形，產生結構應力。所以在比例閥由有桿腔供油變為向無桿腔供油的過程中，由于各接力器初始有桿腔壓力的不一致，在有桿腔泄壓的瞬間，結構應力同時釋放，容易導致筒閥在啟動時位移就出現較大偏差。

（2）筒閥液壓系統進氣。筒閥全開后主油路切斷，由于存在間隙內泄情況，從分流器至液控換向閥這一段主油路存在內泄，由于流速變化、壓力下降、空氣分離、管路進氣等原因導致主油路進氣，導致長時間切斷油路后再次啟動，分流器及接力器下腔排油不均勻，導致筒閥卡阻。針對液壓系統進氣的問題，小灣電站通過檢修維護，改善了液壓系統密封性能，并提高了漏油管的背壓（0.2～0.4 MPa）。這樣減小了泄漏量保持主油管、漏油管的液流穩定，減少了液壓系統進氣的可能。

（3）筒閥動作瞬間，各電磁閥切換，各接力器的油流速度存在差異。由于筒閥6個接力器及同步分流器的布置情況，各接力器的與綜合控制閥組和同步分流器的油管距離不一致，同時，各電氣元器件及電磁閥動作速度也存在差別，導致筒閥動作瞬間，油路切換時，各接力器油流速度存在差異，出現不同步卡阻現象。

綜上所述，結合筒閥的動作過程，發現由于機械結構等原因導致筒閥最容易在始端和末端出現卡阻現象，而中間過程同步性是比較好的。同時，筒閥電液同步控制邏輯恰恰是始端和末端關閉同步分流器，只依靠比例閥全開動作，比例閥失去同步調節能力，因此，筒閥的同步控制策略上的不完善也是導致筒閥開啟的初始階段和筒閥在關閉的初始階段較容易出現卡阻的現象。

3　筒閥電液同步控制策略優化

筒閥卡阻的主要原因為筒閥的機械結構特性及同步控制策略的不完善，由于優化筒閥機械結構的難度和工程量巨大，過程費時費力且收效甚微，只有優化筒閥同步控制策略才能解決卡阻問題。針對筒閥同步控制策略的不完善，對其進行了數次優化。

3.1初始階段控制策略優化

在考慮始端機械沖擊不大的實際情況下，對筒閥動作初始階段控制邏輯進行了優化，即擴大比例閥的調節范圍。

2011年2月，修改了筒閥控制系統運行參數，將筒閥關閉初始段緩沖行程參數由95%改為99%，縮短比例閥不參與調節的行程。優化結果：筒閥卡阻次數減少，優化方向正確并取得了一定的效果，但仍存在卡阻現象。

2011年4月，修改了筒閥控制系統運行參數，將筒閥關閉初始段緩沖行程參數由99%改為100%，即取消筒閥關閉初始段緩沖，直接接通主油路，比例閥投入調節。優化后筒閥系統運行情況良好。

取消開啟過程中初始端的緩沖段，使得比例閥一開始就具有調節功能，但結束段的停止緩沖設置是必需的，這種設置可以降低筒閥高速運動到停止給機組的沖擊力。優化后筒閥一段時期內均未出現卡阻現象，足以說明筒閥控制系統的控制邏輯優化是有效的。

3.2增加平壓控制策略

初始階段控制策略優化后，解決了筒閥卡阻的現象，但是，在筒閥動作瞬間，油路切換時油流速度的差異并未徹底解決。結合筒閥系統實際運行方式，增加筒閥系統的有桿腔和無桿腔平壓過程，有效的防止了筒閥動作時，各接力器油流的差異，徹底解決筒閥運行過程中的卡阻現象。

3.2.1開啟過程

筒閥控制系統接到開啟筒閥命令后，對筒閥系統進行延時4 s的平壓操作：開啟液控閥，平衡6個接力器上、下腔壓力；保持比例閥電磁閥25%開度（筒閥開啟方向），平衡將下腔壓力與系統壓力；開啟同步分流器關筒閥（筒閥關閉方向）及液控單向閥，平衡上腔與系統壓力；延時4 s關閉液控閥。平壓后筒閥開始初段（開度為0～0.5%）采用比例閥25%開度（筒閥開啟方向）開啟，主油路關閉。筒閥中間過程（開度為0.5%～99%）筒閥同步分流器開啟（筒閥開啟方向），比例閥進行同步調節。筒閥開啟末端（開度為99%～100%）關閉同步分流器，主油路關閉，比例閥25%開度開啟，直至全開并保持開度給接力器有桿腔供油，將筒閥保持在全開位置。

3.2.2關閉過程

筒閥控制系統接到關閉筒閥命令后，對筒閥系統進行延時3 s平壓操作：開啟液控單向閥及液控閥，平衡6個接力器上、下腔壓力；保持比例閥電磁閥25%開度（筒閥開啟方向），平衡將下腔壓力與系統壓力。平壓后，筒閥初始階段和中間過程（開度為100%～1%）啟動同步分流器（筒閥關閉方向），比例閥進行同步調節。筒閥關閉末端（開度為1%～0），關閉同步分流器，主油路關閉，比例閥75%開度（筒閥關閉方向）關閉，直至全關并保持給接力器上腔供油，將筒閥保持在全關位置。

此種優化結合現場實際將筒閥初始階段控制策略優化和平壓操作融合，從調試及長期運行過程中發現優化后的控制策略取得了很好的同步效果：筒閥開啟關閉過程中，接力器位移偏差在3 mm以內，接力器下腔壓力基本上一致，運行過程6個接力器各參數都非常平衡，筒閥整體運行平穩。優化后的近兩年時間內，小灣電站未發生過筒閥卡阻現象。

4　結語

小灣水電站筒閥同步系統由同步分流器的液壓同步和經典PID比例閥調節的電氣控制同步，通過對筒閥卡阻現象分析，針對筒閥卡阻發生的主要原因，從合理設置筒閥的初始緩沖階段與實現自動平壓操作的方向優化了筒閥控制系統控制策略，大大提高了筒閥運行的同步性能，徹底解決了筒閥卡阻問題，增加了筒閥運行的可靠性。

［1］馬新紅，李濤，鐘光華.小浪底電廠筒閥液壓控制系統［J］.大電機技術，2006（2）：67-70.

［2］權君宗，謝俊.水輪機筒形閥控制方案的比較［J］.東方電機，2005（4）：77-82.

［3］鄭丕宗，李定力，楊永忠.兩種筒閥同步裝置在漫灣水電站的應用［J］，水電站機電技術，2008（4）：31-32.

（責任編輯高瑜）

Optimization of Electro-hydraulic Synchronous Control Strategy of Ring Gate for Hydraulic Turbines in Xiaowan Hydropower Station

HE Zhen，ZHANG Huijun
（Huaneng Hydro Lancang Xiaowan Hydropower Plant，Dali 675702，Yunnan，China）

The synchronous control system of ring gates in Xiaowan Hydropower Station adopts electro-hydraulic synchronous control.By analyzing the jamming problem of ring gates and the main reasons of jamming，the control strategy of ring gate is optimized from two aspects of setting reasonable initial buffer stroke and achieving automatic pressure balance operation.The optimizations greatly improve the operation synchronization performance of ring gate，and completely eliminate the jamming of ring gate and increase operation reliability of ring gate，

ring gate；electro-hydraulic synchronous control；jamming；control strategy；Xiaowan Hydropower Station

TM312（274）

A

0559-9342（2015）10-0038-03

2015-07-22

賀臻（1985—），男，湖南郴州人，工程師，主要從事水電廠機電設備運行維護管理工作.