燈泡貫流式機組調速器的特點及應用

陳 艷，李學禮

（天津電氣科學研究院有限公司，天津 300180）

燈泡貫流式機組調速器的特點及應用

陳 艷，李學禮

（天津電氣科學研究院有限公司，天津 300180）

以泰國NARESUANA電站燈泡貫流式水輪發電機組及其調速器為例證，著重說明了燈泡貫流機組的特點，闡述了調速器的步進電機系統研制和應用：①采用適應式、變結構、變參數、并聯PID調節模式，使機組在不同狀態下均能穩定運行；② 采用變參數導葉分段關閉裝置，根據水頭、負荷、頻率等機組工況自動改變導葉分段關閉投入點，減少了快速關閉時造成水擊壓力的升高，并防止涌浪、低頻及水錘的發生；③槳葉根據機組頻率自動改變關閉速度，防止涌浪、低頻及水錘的發生。

燈泡貫流式機組；調速器；步進電機；變參數分段關閉；

0 前言

近年來在低水頭水力資源的開發中，燈泡貫流機組以其優良的水力特性和顯著的經濟效益，得到普遍重視和廣泛采用，由于燈泡貫流的特殊性，對其調速器的性能及控制方式也提出了越來越高的要求。

l 燈泡貫流機組介紹

1.1 燈泡貫流機組的結構

燈泡貫流機組為水平布置，發電機布置在水輪機上游或下游河道里與水密封的燈泡形金屬殼體內，由上游流人的壓力水繞過燈泡外殼，通過導葉直接作用于輪葉，帶動發電機旋轉，其全部重量支撐在混凝土基礎上。

1.2 燈泡貫流機組的優點

（1）燈泡貫流式機組是開發低水頭資源最優良、最經濟的機型，對水頭變化較大的低落差逕流電站。有較好的適應性。

（2）燈泡貫流機組的效率比立式機組高3%～5%。

（3）燈泡貫流式機組結構緊湊，占用位置少、土建工程量小，有利于工程布置。

1.3 燈泡貫流機組的特殊性

燈泡貫流機組發電機置于水下的燈泡內。由于水流條件的影響，燈泡比受到一定的限制，發電機尺寸較小，重量輕、轉動慣量及GD2相應較小。因此其調節過程和常規機組相比，有一定的獨特性，具體表現為：燈泡貫流機組水頭低、流量大、因此水流慣性時間常數Tw較大，而機組轉動慣量GD2較小，只有同容量立式機組的15%～30%，因此其機組慣性時間Ta較小，使得Tw/Ta值很大，調速器國標規定：調速器控制條件要求Tw/Ta比值不大于0.4，燈泡貫流機組由于其結構的特殊性，這一數值一般都比較大，無法滿足國標的要求，因此采用常規的控制方式往往無法滿足機組的正常運行。

燈泡貫流機組由于低水頭、大流量，小轉動慣量，運行中容易出現以下現象：

（1）由于轉動慣量較小，甩負荷時速率上升較高。

（2）由于槳葉關機速度較慢，甩負荷后易出現低頻現象。

（3）燈泡貫流機組的過流量大，甩負荷、緊急停機時，上游水位抬高，下游流量減少，產生很大波動，易產生浪涌及負水錘。

2 燈泡貫流機組調速器的特點

燈泡貫流式機組調節有著上節所述的特殊性，因此相應的控制設備調速器需要進行特殊的設計。

（1）燈泡貫流電站由于水頭變化較大，不同水頭下的水力狀況差異較大，同一組調節參數很難適應所有工況，因此需設計變參數并聯PID調節模式，即調速器根據水頭自動改變PID參數以適應不同水力狀況，保證機組在不同工況下穩定運行。

（2）燈泡貫流機組由于重量輕、轉動慣量及GD2較小，另外由于槳葉開關速度較慢，甩負荷時導葉及槳葉的正常協聯關系被破壞，因此甩負荷時易發生以下現象：

1）轉速上升較快，為限制機組的上升率，需快速關閉導葉，但由于燈泡貫流機組的過流量大，水頭低，導葉快速關閉過程中容易產生水錘，因此需設置導葉兩段關閉裝置以克服水錘；

2）甩負荷后機組轉速迅速上升至最高值后便迅速下降，大部分可降至90%額定轉速以下，即出現低頻現象，為克服機組低頻的發生，可根據不同的水頭及甩負荷，改變導葉兩段關閉裝置的動作值，同時對槳葉實行兩段關閉控制以優化機組的穩定性。

3 工程概況

以泰國NARESUAN電站為例，詳細介紹燈泡貫流機組調速器的控制方式。NARESUAN水電站位于泰國北方城市Phitsanulok，電站裝機1臺8500KW燈泡貫流機組，電站基本參數見表1。

表1 機組參數

3.1 調速系統

調速器采用某研究所生產的TDBWST-80-6.3型PLC步進電機微機調速器，該產品以PLC為控制核心、步進電機為電液轉換元件、觸摸屏為人-機對話工具，硬件配置先進穩定，軟件技術成熟可靠。

3.2 硬件配置

調速器硬件配置如圖1所示。

圖1 調速器硬件配置

3.3 軟件設計

由于機組甩負荷后轉速迅速升高，導葉快速關閉，導葉快速關閉后漿葉由于關機時間較慢而開度仍然較大，此時機組容易出現低頻及反水錘現象，為了克服這一現象，可根據負荷及水頭改變導葉兩段關閉投入值，即根據不同負荷及水頭適當提高導葉兩段關閉投入點，這樣可以保證機組甩負荷后迅速關閉而又不至于關閉太小，從而保證機組不過速且克服低頻問題。表2為試驗后的導葉兩段關閉投入數據。

表2 試驗后導葉兩段關閉投入數據

另外機組甩負荷后轉速升高到最高點后快速下降，調速器控制機組導葉快速打開，此時漿葉關閉至較小值，機組頻率會再次快速升高從而造成振蕩，為了克服上述問題，可在機組轉速上升至最高點時減緩槳葉關閉速度，從而減緩機組轉速變化的速率，使機組轉速變化平滑、穩定。

機組甩負荷控制流程圖如圖2所示。

圖2 機組甩負荷控制流程圖

4 試驗數據及波形

50%甩負荷記錄如圖3所示。

圖3 機組50%甩負荷記錄

100%甩負荷記錄如圖4所示。

圖4 機組100%甩負荷記錄

從上述波形及表3數據可以看出，機組在100%甩負荷后轉速上升率為43.51%，而設計值為50%，另外機組甩負荷后最低轉速接近額定轉速，未出現低頻現象，且機組在調節過程中轉速變化平穩，在30s內即可穩定在額定轉速。

表3 甩負荷試驗數據及分析

另外機組蝸殼水壓上升率為61.4%，調節過程中亦未監測到水錘產生。

5 結論

由于燈泡貫流機組水頭低、流量大、機組轉動慣量較小，從而造成水流慣性時間常數Tw與機組慣性時間常數Ta的比值過大，使得常規的控制方式很難滿足機組的調節品質要求，本文所介紹的變參數、并聯PID調節模式及根據水頭及負荷改變導葉分段關閉投入點、根據頻率改變槳葉關閉速度的方法不僅完全滿足燈泡貫流機組的調節要求，而且可以很好地解決機組在甩負荷過程中可能出現的低頻及水錘問題，泰國NARESUANA電站的試驗及2年的安全運行充分證明了上述方法的可靠性和穩定性。

審稿人：樸秀日

Characteristic of Bulb Hydraulic Turbine Governor

CHEN Yan, LI Xueli
(Tianjin Research Institute of Electric Science Co., Ltd, Tianjing 300180, China)

Bulb hydraulic generating units are development very quickly in recent years in low water-head power station for its smaller volume, compact construction and high efficiency. Turbine governor as important control equipment in hydraulic power station provide high-quality, reliable power protection for the industrial production and people's daily lives, the regulation performance will affect the power quality and power plant safety and economic operation. A Special regulation model for bulb generating units has been introduced in this paper through the Thailand NARESUANA station on-site testing.

bulb hydraulic generating units; governor; step-motor; changeable two step closure

TK730.4+1

A

1000-3983(2016)02-0061-04

2015-01-20

陳艷（1976-），1997年7月畢業于合肥工業大學電氣系電力系統及其自動化專業，1997-2012在天津電氣科學研究院有限公司從事水輪機調速器的研究與設計，2012年開始至今從事水電站電氣設計工作，高級工程師。