邏輯插裝技術新型調速器在水電廠的應用

吳正良，鄭賢喜（新安江水力發電廠，浙江 建德 311608）

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邏輯插裝技術新型調速器在水電廠的應用

吳正良，鄭賢喜
（新安江水力發電廠，浙江 建德 311608）

摘要：在調速器技術改造中采用邏輯插裝技術的新型調速器，突破了傳統結構模式的調速器結構，使調速器產品的設計、制作與生產發生了根本性的變化。本文對該調速器的結構、特點以及調試和運行情況進行介紹，表明該調速器穩定可靠，調節性能優良，節能效果明顯。

關鍵詞：調速器；高速開關閥；邏輯插裝閥；試驗

1電廠概況

新安江水電廠位于浙江省建德市境內，是我國自己設計、自制設備、自己施工建設的第一座大型水力發電站，裝有5臺72.5 MW和4臺75 MW的水輪發電機組，總裝機容量662.5 MW，1960年第一臺機組投產發電，是華東電網第一調頻廠，擔負電網調頻、調峰、事故備用的任務。電廠于1999年開始進行機組增容改造，機組單機容量由75 MW（72.5 MW）增至95 MW，全廠總裝機容量提升至850 MW。

2調速系統現狀及改造原因

在機組增容改造的同時，對調速系統也同步進行了改造，調速器選用武漢能達通用電氣股份公司的WBDT-100型步進式調速器。調速器電氣部分采用的是三菱A系列可編程控制器；機械部分電液轉換采用步進電機絲桿轉換機構，絲桿的直線位移通過杠桿作用于引導閥，機械反饋通過回復軸實現。該套調節系統投運以來運行穩定可靠，但隨著華東區域發電廠并網運行管理實施細則和華東區域并網發電廠輔助服務管理實施細則的實行，對并網發電廠造成實際發電曲線偏離電力調度交易機構下達的發電計劃曲線，偏離量超過允許偏差、一次調頻投入率、響應時間、調節量進行考核，對調速器的調節性能提出了更高的要求。由于WBDT-100型步進式調速器屬二級系統，運行中過調量、調節死區均偏大，已不能滿足電網運行的需要，電廠于2012年對該調速器進行更新。

3新型調速器的選型和特點

隨著科學技術的進步和科技工作者的不懈努力，我國水輪機調節技術近年來已取得了長足的進步，各主要生產廠生產的可編程調速器的技術性能、功能和工藝水平已全面達到國際先進水平，各種新型電液轉換技術也都有了成熟的應用［1］。結合我廠對調速系統的要求和現有產品的性能特點，選用了由中水科水電科技開發有限公司生產的CVT-100型數字式水輪機調速器。其特點是采用邏輯插裝技術，它揚棄了傳統結構模式的調速器結構，無主配壓閥，突破了一成不變的電氣-機械/液壓轉換元件（電液轉換器或微型電機帶引導閥等）+主配壓閥的經典形式、以及制造工藝與結構布置等方面的種種制約，使調速器產品的設計、制作與生產發生了根本性的變化。由邏輯插裝閥組件實現主級放大元件-主配壓閥的功能，而作為先導級的液壓控制元件，則由快速開關閥組件實現；系統的調節、控制無需由“中間位置”與機械反饋來保證。另一特點是事故配壓閥也采用插裝閥，與調速器控制插裝閥組成上、下一體結構，大大簡化了調速液壓系統油管路配置。

4系統配置和設計改進

CVT-100型數字式調速器由電氣控制部分、液壓隨動系統兩大部分構成，機電合柜布置，各部分的

4.1電氣控制部分

調速器電氣控制部分以奧地利貝加萊單臺PCC可編程控制器及其系列模板作為硬件核心，配以10.4寸彩色液晶觸摸屏，具有自動調節和控制功能，容錯功能，故障診斷和監控功能。其基本調節模式可分為功率調節模式、開度調節模式和頻率調節模式3種，頻率調節模式采用適應式變參數PID調節規律，開度和功率調節模式采用PI調節規律。調速器具有遠方和就地控制功能，并有相應接點輸出，與計算機監控系統進行數字、模擬信號以及開關量輸入/輸出信號的通訊和數據交換。

4.2機械液壓部分

機械液壓系統特點是由組合結構的邏輯插裝控制閥單元取代主配壓閥實現調節與控制功能，并與事故配壓閥組成一體化結構。由高速開關閥、邏輯插裝閥、開停機脈沖閥、緊急停機閥、油過濾器、流量調節閥、手動操作閥等部件組成。主要部件結構及工作原理：

（1）高速開關閥

高速開關閥起到從電氣脈沖量到液壓量轉換的作用，即“電-液轉換”的作用，從而驅動末級液壓放大系統，實現對水輪發電機組的調節任務。它是由閥套、電磁鐵、控制閥芯以及閥芯端部的復位彈簧等組成的封裝件。高速開關閥屬于脈沖式流體控制，只有開/關兩個狀態，響應時間約為0.5～3 ms，通過對高速開關閥的通斷信號進行脈沖頻率和頻率寬度等調制，就可以實現對流量和壓力接近連續的控制。高速開關閥采用3通道冗余結構，某一個通道失靈，可自行切換，由正常通道來維持系統的穩定工作。

工作原理：高速開關閥是通過電磁鐵推桿控制閥芯在閥體內作軸向運動，使相應的油路導通或斷開的。它是一個具有多段環形槽的圓柱體，閥芯帶有工作錐體或鋼球，而閥套（襯套）內有若干條沉割槽，每條沉割槽都通過相應的孔道與外部聯接。高速開關閥只有2個工作位置，當電磁鐵斷電時，閥芯在下端彈簧推力的作用下向上移動，此時油口P與控制口K導通，而回油T與控制口K之間是截止的。當電磁鐵通電時，閥芯受電磁鐵推桿推力的作用向下移動，其閥位狀態如圖1所示，此時油口P與控制口K之間截至，而回油T與控制口K導通。

圖1高速開關閥通電狀態

（2）主控閥

主控閥即邏輯插裝閥，如圖2所示。插件的工作狀態由作用在閥芯上的合力大小和方向決定，當合力大于零，閥芯關閉；當合力小于零，閥芯開啟；當合力等于零，閥芯停留于某一平衡位置，通過對控制腔K壓力的改變來實現對邏輯插裝閥的控制。邏輯插裝閥是實現調速器主級位置隨動控制的關鍵部件，功能是接收來自高速開關閥先導油路的壓力/流量信號，使主閥芯產生相應動作，進而控制通向主接力器主控工作油路液流的變化，以控制主接力器的位移量。其組成為閥芯、閥套及附屬的彈簧、密封件等。當微機調節器輸出調節信號時，信號經轉換放大后作用于高速開關閥，液流經過高速開關閥的調節后，作用于邏輯插裝閥控制腔，通過插裝閥放大后的液流最終進入主接力器，使其跟隨調節器控制信號的變化，直至調節過程結束。

圖2主控閥

4.3設計改進

CVT-100型數字式調速器設計時面板按鈕、指示燈偏多，面板比較雜亂。通過優化面板，只保持手/自動切換開關、現地/遠方開關、導葉增/減開關和緊急停機按鈕以及導葉開度表和頻率表、故障和事故指示燈。

緊急停機電磁閥原設計采用DC 24 V電源，改進后采用DC 220 V電源，并從調速器直流220 V電源開關上樁頭接入，提高緊急停機電磁閥電源及動作地可靠性，在調速器失去交、直流電源情況下可手動確保安全運行。

增加頻率、開度、功率運行模式和孤網運行遠方投退功能；軟件部分增加機組帶主變零升程序，程序實現方法：在主變開關拉開情況下，機組開機后發電機開關合上，調速器電開限仍保持空載開度，PID使用空載調節參數，頻率給定在49.5～50.5 Hz之間，遠方可以調節。

5調速器的現場調試及運行

我廠在2號機大修中更新了此型號調速器，經過無水、帶水調試，完成了調試大綱所要求的調試項目。動水調試主要項目如下：

（1）手動開、停機試驗

調速器控制方式切為手動方式，電手動和手操手動分別進行機組開機、停機。開機過程中，殘壓機頻、齒盤機頻測量信號正常，開、停機過程無異常現象。

（2）140%Ne過速試驗

調速器控制方式切為手動方式，電手動開機。機組轉速升至額定穩定運行5min后，繼續升至140%Ne，保護能正確動作，調速器緊急停機電磁閥動作正確，迅速將導葉關至零。

（3）自動開、停機試驗

上位機發開機令，導葉先開到加速開度，經數秒后，當Fj＞45 Hz時導葉開度關至空載開度以下，機組到空載狀態，記錄開機過程曲線，計算機組轉速超調量和開機時間。機組穩定運行后，檢查各部正常，上位機發停機令，機組進入停機過程至停機等待狀態，記錄停機過程曲線，計算停機時間。

現地LCU進行機組自動開、停機試驗，能滿足監控流程要求，自動開、停機過程正常。

（4）空載擾動試驗

機組自動起動到空載狀態，改變頻率給定，使機組頻率在48～52 Hz之間擾動。頻率給定改變過程為50 Hz→52 Hz→48 Hz，48 Hz→52 Hz→50 Hz。分別設置3組不同的KP、Ki、Kd數值，記錄空載擾動波形，取超調量和調整時間最優的一組參數見表1。

表1空載擾動參數

（5）空載擺動試驗

設置bp、bt、Td、Tn（KP、Ki、Kd）為最佳空擾試驗運行參數，Fg=50 Hz。機組在空載自動狀況下運行。記錄機組頻率在3 min的波形曲線，計算頻率擺動值，連續測量3次，取3次平均值，結果見表2。

表2空載擺動參數

（6）帶主變零升試驗

單元主變壓器開關斷開，機組自動開機，機組開關根據監控流程控制在額定轉速90%自動合上。勵磁電壓從零手動增至額定，檢查調速器運行的穩定性。試驗結果，調速器帶主變壓器小系統能穩定運行。

（7）帶負荷試驗

機組自動開機并網，發電運行穩定，無任何異常現象。在“開度模式”下，通過上位機（LCU）發“增、減負荷”命令，改變機組有功功率。在負荷增減過程中，機組能穩定運行，負荷波動不超過2%，接力器無來回擺動現象。在“功率模式”下，通過上位機（LCU）發“增、減負荷”命令，改變機組有功功率。在負荷增減過程中，機組能穩定運行，負荷波動不超過2%，接力器無來回擺動現象。

（8）手/自動切換試驗

機組自動開機并網帶有功30MW、60MW、90 MW，調速器進行自動切手動、手動切自動，有功功率無波動。

（9）運行模式切換試驗

機組自動開機并網帶有功30MW、60MW、90MW，調速器運行模式在開度模式、功率模式、頻率模式之間轉換，然后進行上位機3種運行模式投、切試驗，有功功率無波動。

（10）事故低油壓試驗

機組自動開機并網帶滿負荷，調速系統油壓降至事故低油壓值時，調速器緊急停機能正確動作，導葉可靠關閉，自動停機過程正常。

（11）甩負荷試驗

機組并網按額定負荷的25%、50%、75%、100% 分4次進行甩負荷試驗。觀察并記錄每次甩負荷波形，分析每次的最高頻率、調整時間和蝸殼壓力上升率，核對開關機時間是否滿足調保計算要求。

經過4次甩負荷試驗，調速器能正確動作并保持機組空載狀態，轉速上升率和水壓上升率均滿足規程要求。甩100%（93.6 MW）結果見表3。

表3甩100%負荷參數

（12）一次調頻試驗

機組帶負荷工況下，將導葉開到40%的開度，以50 Hz為基準頻率，分別進行一次調頻正負死區模擬測量和一次調頻響應測試。

一次調頻正負死區模擬測量：使仿真試驗儀頻率分別按 0.045 Hz、0.046 Hz、0.047 Hz、0.048 Hz、0.049 Hz、0.050 Hz、0.051 Hz、0.052 Hz、0.053 Hz正方向階躍，觀察導葉動作情況，導葉明顯動作時，則該階躍頻率量為一次調頻正方向死區。反之，頻率向負方向階躍，測量一次調頻負方向死區。

一次調頻響應行為測驗：以50 Hz為基值，由仿真試驗儀階躍輸出頻率低于基值0.1～0.25 Hz的頻率信號，觀察導葉動作和機組功率動作情況；然后，由仿真試驗儀階躍輸出頻率高于基值0.1～0.25 Hz的頻率信號，觀察導葉動作和機組功率動作情況。

通過以上兩步試驗得出，一次調頻響應滯后時間Thx＜1.5 s，一次調頻上升時間T0.9＜6 s，穩定時間Ts＜9 s。

（13）運行情況

CVT-100型調速器2012年2月應用于我廠2號機組，運行4年多來狀況穩定，調節性能優良。由于電液轉換部分高速開關閥采用了硬質陶瓷合金，具有足夠硬度、耐沖擊、長壽命、對油質無任何特殊要求、抗污能力強的特點［2］，投運以來無發卡、拒動情況發生。

調速器采用的主控閥克服了普通滑閥徑向間隙泄漏的特點，閥座主級系“線密封”，相比主配壓閥泄漏小，效率高，因此，延長了油泵及電機的壽命，節省了油源和廠用電的消耗［2］。對CVT-100型調速器投入運行后機組壓油泵啟動次數和缺陷進行統計，壓油泵啟動次數少，缺陷沒有發生，相應檢修維護工作量減小。

6結語

我廠2號機CVT-100型調速器投產4年多來的運行情況表明，該調速器穩定可靠，調節性能優良，節能效果明顯。目前，除閥組模塊組合面有少許滲油外，未曾出現過故障，基本達到了免檢修、免維護的要求，調速器的技術改造達到了預定的目標。

參考文獻：

［1］孫富根.比例閥控制可編程調速器在丹江口水電站的應用［J］.水電站機電技術，2008，31（1）：24-26.

［2］王遠飛.兩代調速器性能對比分析及應用［J］.中國水電站，2013（增刊）：98-100.

中圖分類號：TK730.4+1

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2016）06-0030-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.06.011

收稿日期：2016-02-18

作者簡介：吳正良（1965-），男，高級工程師，從事電廠運行技術管理工作。組成大體如下。