南津渡水電廠貫流式水輪機調節系統的優化控制設計

陳敬明，胡立新，張治宇，侯　銳，李　佶，蔡　群，李　娜

南津渡水電廠貫流式水輪機調節系統的優化控制設計

陳敬明1，胡立新1，張治宇2，侯銳2，李佶2，蔡群2，李娜2

（1.南津渡水電廠，湖南 永州 425199；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

結合南津渡水電廠貫流式水輪機調節系統的技術改造，對若干具有代表性的優化控制措施進行分析介紹。

水流作用力；水力制動；輪葉控制；浪涌控制；汽蝕限制

1　電站概況及主要參數

南津渡水電廠位于湖南省永州市零陵區南郊，是湘江支流瀟水梯級開發的末端電站，電站籌建于1984年，水輪發電機組為奧地利Voith-Elin的燈泡貫流式水輪發電機組，1991年11月～1992年5月3臺機組相繼投產并網發電。主要技術參數見表1。

表1　南津渡水電廠機組主要技術參數

2　概述

南津渡水電廠水輪機調節系統原為奧地利Elin公司生產的SPS-R84型數字液壓調速器，1991年～1992年投入運行后，因受備件供應及售后服務等方面的制約，中途更換為國產伺服電機型調速器，由于運行年代久遠，設備先后出現不同程度的問題。為滿足電廠正常生產要求，對原伺服電機型調速器進行技術改造，于2014年更換為中國水利水電科學研究院生產的CVZT-100-6.3型數字插裝式調速器，本次設備改造，緊密結合貫流式水輪機的設備特點，對調節系統的控制方式進行了一系列優化設計，取得了良好效果。

3　優化控制的實施

針對我廠燈泡貫流機組的特點及運行需要，本次改造我們采取了一系列的優化控制措施，諸如：快速平穩的開/停機控制、甩負荷轉速反超調控制（將另文介紹）、浪涌控制、流量控制、水位控制、汽蝕/出力限制控制、轉速測控故障容錯、重錘關機閥、最小壓力閥控制、接力器反饋故障及隨動系統伺服故障容錯控制、孤網調節優化控制等。

3.1開/停機優化控制

一般而言，若機組在低轉速歷時太長，對推力瓦和軸瓦將產生某種程度的損傷，故用戶希望機組能盡快且平穩渡過低轉速區，這就要求水輪機調節系統能結合機組狀況與特點，通過特定的優化控制策略實現平穩、單調、快捷的開/停機過程控制。

為達此目的，有必要對貫流機組轉輪葉片的受力情況進行適當分析。圖1給出了水流對轉輪葉片作用力的示意圖，水流對葉片產生的綜合效果可分解為切向的主動力Fr1和阻力Fr2，軸向正推力Fa1和軸向反推力Fa2。為便于分析、突出重點，暫不考慮機組機械摩擦力矩和電磁力矩，則水流進水動力F1與機組旋轉時產生的水阻力F2可表示為：

而用于產生旋轉力矩的切向力Fr及軸向凈作用力Fa的表達式為：

圖1　水流在轉輪葉片上的作用力

上述受力狀況不僅與輪葉本身角度φ有關，還與導葉開度α、水頭H及機組轉速n有關。其大體規律歸納如下：

（1）當水頭H、轉速n、導葉開度α、不變時：

Fr1、Fr2隨輪葉角度φ的增加而增加；

Fa1、Fa2隨輪葉角度φ的增加而減小。

（2）當水頭H、轉速n、輪葉角度φ不變時：

Fr1、Fa1隨導葉開度α的增加而增加；

Fr2、Fa2與導葉開度α無關。

（3）當水頭H、導葉開度α、輪葉角度φ不變時：

Fr1、Fa1隨轉速n的增加而減??；

Fr2、Fa2隨轉速n的增加而增加。

在上述受力分析的前提下，再來分析、比較機組在開/停機過程中葉片角度大小對機組所產生的影響，從而選擇合適的角度來優化開/停機控制。

3.1.1機組開機過程優化控制

機組從靜止至啟動需要一定的啟動力矩使機組加速，從上述受力分析出發，可以很自然想到2種最基本的開機啟動過程：

（1）采用較大的導葉開度和相應較小的輪葉轉角啟動；

（2）采用較小的導葉開度和相應較大的輪葉轉角啟動。

根據轉輪葉片的水作用力分析，第1種方式引起的軸向正推力Fa1較大，而加速過程中必然要經歷一定時段的低轉速區，而低速轉動期間較大的Fa1對推力瓦很不利，又由于輪葉角度較小，其切向阻力Fr2也較小，使得后期升速過程過快，當轉速高于90%nr時開始向空載開限附近壓導葉開度，這個過程需要一段時間，此時極易產生較大的轉速超調，導葉要反復調節幾個周期才能把轉速穩定下來，導致開機過程時間較長。而第2種方式不僅在啟動加速時Fa1較小，在加速過程中可使輪葉從較大的啟動角緩慢向協聯角度關閉（通常為輪葉的最小設計轉角），此過程可逐步抵消因升速導致切向阻力Fr2也上升的趨勢，使機組平穩升速，不致引起較大的超調，開機過程歷時較短，因此該啟動方式較為合理。

上述開機方式都離不開合適的導葉啟動開度及空載開限（即大家熟知的第1啟動開度、第2啟動開度），而這些量又與水頭有密切關系，在調試階段，針對當前試驗時的工作水頭，要整定出合理的導葉啟動開度及空載開限數值是很容易的，問題是其他水頭下的合理數值，當時是得不到的，若通過統計積累，那將是一個十分漫長的過程！故目前通常的做法是在當前試驗水頭下的整定值基礎上，增加或減小一定數值，延伸至其他水頭，總的趨勢是小的水頭對應大整定值，大的水頭對應小的整定值。這種開機方式的另一個缺點是，本質上是開環或半閉環開機，且頻率給定始終是額定值50Hz或網頻，同時啟動開度較空載開度大很多，一般為1.5倍的空載開度或空載開度加10%[2]，導致調節過程后期導葉動作較猛烈，易引起轉輪動態應力偏高。

鑒于此，本次改造在上述第2種開機方式的基礎上，對開機控制過程進行了進一步優化調整，采用加速度控制的啟動方式。在整個開機過程中，測頻信號一直參與控制，調速器始終處于閉環調節狀態。加速開度（啟動開度）的整定值較小，既可小于空載開度也可略大于空載開限，當機組開始轉動，調速器剛測到機組頻率，輪葉就從啟動角緩慢向協聯角度關閉；頻率給定（頻率目標值）結合機頻的當前值按近似指數規律逐漸增加至額定值，使機頻也按指數規律逐漸達到額定值。從機組開始轉動至額定轉速的20%，頻率給定跟蹤機組頻率；機組轉速約達額定轉速的85%前，機組加速度設定為2Hz/s；機組轉速約達額定轉速的95%前，機組加速度設定為1Hz/s；機組轉速達額定轉速的95%后，機組加速度設定為0.5Hz/s，直至頻率給定值達額定值。這種啟動方式對水頭與空載開度關系的依賴小，機組升速平穩快捷、軸向力及轉輪力矩波動小、轉輪動應力小、流道壓力變化較小。

3.1.2機組停機過程優化控制

在停機過程中，目前通常的做法是，導葉全關至零，輪葉也隨之關至最小角度，這種停機方式，機組減速過程很長，為縮短停機過程，防止低轉速歷時過長造成磨損或燒瓦現象，一般需要對機組低轉速區進行電制動和機械制動的連續制動方式，而未能考慮到輪葉能起的制動作用。

通過前面的受力特性分析可知，若在停機時開啟輪葉，此時可以增加水的阻力，而此時導葉已全關，切向的主動力為零，同時也減小了軸向反推力，這樣既可有效地加快機組減速過程，縮短停機時間，也可抑制抬機現象，這種水力制動方式還可保護或延長推力瓦和制動設備的使用壽命長。

本次改造我們就采用了這種水力制動方式，以實現停機過程的優化控制。為證明其實際效果，我們特意撤除電氣制動，采用水力制動結合機械制動，實際減速過程較電氣制動節省近25s時間。

3.2浪涌控制

為保證在甩負荷的情況下使連續的水流通過水輪機，避免浪涌或尾水位下沉，調速器設有浪涌控制保護，當進入甩負荷工況，輪葉角度在原運行位置上增加3°，在此位置保持一段時間，然后緩慢關閉直到重新達到協聯關系。

3.3流量控制

為實現流量控制，水輪機制造廠給出了水頭-開度-流量關系曲線，我們以此為依據，將原始數據離散化后，以表格形式存入調節器，這樣就可根據水頭-開度的當前值通過計算得出流量的實時數據及機組效率。

在發電工況，調速器接收監控系統LCU的增/減脈沖信號，根據脈寬時間折算成相應的流量增/減量，再根據插值表折算為開度控制量，顯然，在不同工況下同樣的流量變化所對應的開度增/減量是不同的；這樣可以保證在任何工況及水頭下，同樣脈寬時間所對應的流量是相同的。而一般的開度調節模式，無論在什么工況及水頭，LCU增/減脈沖信號在同樣脈寬時間下，所對應的開度是相同的，這樣脈寬時間與流量不直接對應。

3.4水位控制

根據電廠運行要求，建立開度-水位關系曲線，在機組發電運行時調速器根據開度-水位關系曲線控制機組開度，進而控制水庫水位，徹底改善來水量的優化自動調度；在PID控制算法上增加水位控制增量△Yh=f（H），用來控制水庫水位（前池水位）；其控制輸出為：YC=YPID+△Yh。

3.5汽蝕/出力限制控制

根據水輪機制造廠給出的資料，我們以插值表的形式在調節器中建立了2條汽蝕限制線、1條最大功率限制線，在機組發電運行中，將根據水頭、尾水位的變化使開度限制能在“汽蝕限制1”、“汽蝕限制2”、“最大功率限制”之間切換，避免機組進入非推薦運行區運行，保證了機組的安全運行。

3.6轉速測控故障容錯

本次設備改造將轉速繼電器功能集成至調節器本體內，提高了轉速信號傳輸效率及測量精度與實時性，正常工作狀態下，其信號品質遠優于獨立的轉速繼電器，且測速信號源采用殘壓和齒盤冗余設計；盡管如此，考慮到萬一雙路測量信號均發生故障時，有可能導致監控系統無法完成正常的剎車制動控制與停機流程。為避免此類隱患，我在調節器中設計了模擬減速曲線，在停機過程中若出現冗余的測速信號源同時消失或測頻單元故障及失效，則將根據當前開度作為初始條件，模擬計算出呈指數規律下降的轉速信號，分別在不同時刻驅動95%、90%、40%、3%以下等輸出繼電器動作，并上傳至監控系統LCU，保證機組在停機過程中能夠正常投入剎車制動，可靠完成停機過程。

4　結語

限于篇幅，本文僅列舉了若干有代表性的優化控制措施，目的是拋磚引玉，這些控制方式新穎、實施簡便、開闊了設計思路，在實際應用中已取得了良好效果，對貫流式水輪機調節系統設計及技術改造具有普遍的參考與借鑒意義。

[1]GB/T9652.1-2007水輪機控制系統技術條件[S].北京：中國標準出版社，2007.

[2]蔡衛江，陳登山，黃嘉飛.貫流機組調速器的控制策略[J].水電廠自動化與大壩監測，2008（3）.

[3]張濤，等.轉槳式水輪機雙調控制策略及其軟件實現[J].華中理工大學研究生學報，1992（12）.

TV736

B

1672-5387（2016）08-0071-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.08.021

2016-06-29

陳敬明（1969-），男，研究員級高級工程師，從事水電廠自動化工作。