國(guó)產(chǎn)巨型主配壓閥在百龍灘水電站的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

梅高鑫，初云鵬，朱榮巧

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇省南京市 210003）

國(guó)產(chǎn)巨型主配壓閥在百龍灘水電站的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

梅高鑫，初云鵬，朱榮巧

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇省南京市 210003）

本文主要研究了南瑞自產(chǎn)MDV200主配壓閥調(diào)速器的控制原理，通過(guò)更換主配壓閥及新型電氣設(shè)備，解決了電站打油頻繁及一次調(diào)頻被考核問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了南瑞自產(chǎn)MDV200主配壓閥在百龍灘水電站的成功應(yīng)用，完成發(fā)電機(jī)組開(kāi)停機(jī)、增減負(fù)荷、建模等自動(dòng)功能試驗(yàn)。

百龍灘水電廠；調(diào)速器；伺服比例閥；MDV200主配壓閥

0 引言

主配壓閥作為水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速、出力的核心控制設(shè)備，對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)組的頻率及功率、保障電網(wǎng)的電能質(zhì)量和安全穩(wěn)定起著非常關(guān)鍵的作用。而DN200通徑以上的巨型主配壓閥，制造工藝復(fù)雜、精度要求較高，再加上控制機(jī)理復(fù)雜，安全與可靠性要求高，在國(guó)內(nèi)水電市場(chǎng)上，巨型主配壓閥一直長(zhǎng)期由少數(shù)國(guó)外公司如ALSTOM、GE、VOITH等壟斷。然而國(guó)外產(chǎn)品價(jià)格高昂，不能適應(yīng)我國(guó)國(guó)情長(zhǎng)期有效發(fā)展，并且進(jìn)口主配壓閥曾多次因閥套脫落、管路震動(dòng)、傳感器磨損、調(diào)速系統(tǒng)電源消失等造成非計(jì)劃停機(jī)，危害電站生產(chǎn)及電網(wǎng)安全穩(wěn)定。

百龍灘水電廠作為南盤(pán)江洪水河水電基地規(guī)劃中的第七個(gè)梯級(jí)電站，安裝6×32MW燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)。水輪機(jī)調(diào)速器原先采用NARI自產(chǎn)的SAFR-2000型水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)采用GE公司生產(chǎn)的FC系列主配壓閥，該系統(tǒng)自2005年首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電以來(lái)，經(jīng)歷了十年的運(yùn)行后，電站運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)進(jìn)口的主配壓閥，由于泄漏量大，主配壓閥未配置純機(jī)械手動(dòng)，造成機(jī)組在發(fā)電工況下打油頻繁，油溫升高，對(duì)機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。為此，電站于2015年對(duì)調(diào)速器設(shè)備進(jìn)行了升級(jí)改造。除了電柜升級(jí)為貝加萊X20控制器外，主配壓閥則采用了NARI最新開(kāi)發(fā)的MDV200型巨型主配壓閥。

1 調(diào)速器液壓系統(tǒng)改造

（1）百龍灘水電站調(diào)速器液壓系統(tǒng)改造見(jiàn)圖1，根據(jù)電站的要求，采用NARI自產(chǎn)MDV200新型主配壓閥，其通徑達(dá)到200mm，用于替代原先的導(dǎo)葉GE公司生產(chǎn)的FC主配壓閥，在導(dǎo)葉的液壓控制系統(tǒng)上采用了雙BOSCH公司的功放一體式伺服比例閥[1]，同時(shí)配置了純機(jī)械手動(dòng)閥組、自復(fù)中切換閥組和緊急停機(jī)閥組。NARI主配壓閥保留了自復(fù)中切換功能，可以讓用戶(hù)自行選擇當(dāng)電氣柜失電情況下是關(guān)機(jī)還是繼續(xù)保持接力器當(dāng)前開(kāi)度狀態(tài)。在切手動(dòng)環(huán)節(jié)，NARI增加了一路切純機(jī)械手動(dòng)閥組，即當(dāng)電柜判斷嚴(yán)重故障需切純機(jī)械手動(dòng)后，電站運(yùn)行人員可以通過(guò)主配壓閥上的調(diào)節(jié)純機(jī)械手動(dòng)閥組來(lái)實(shí)現(xiàn)接力器的開(kāi)關(guān)，如圖2所示。

（2）巨型主配壓閥設(shè)計(jì)原理：主配壓閥的部件為閥體、閥芯、閥套等元件組成（見(jiàn)圖3）。主閥芯上部為恒壓腔活塞，下部為控制腔活塞，控制閥芯位置的兩活塞作用面積不同；恒壓油作用在恒壓腔活塞上，控制油作用在控制腔活塞上，放入壓力油或接通回油，從而控制閥芯位置，此功能由比例伺服閥調(diào)節(jié)。恒壓腔活塞上裝有開(kāi)機(jī)時(shí)間調(diào)節(jié)螺母、關(guān)機(jī)時(shí)間調(diào)節(jié)螺母，并分置于定位塊兩端。用來(lái)分別限制主閥芯的極限位置，從而限制油口的開(kāi)口面積，達(dá)到調(diào)節(jié)主接力器開(kāi)關(guān)時(shí)間的目的。主配壓閥拒動(dòng)感應(yīng)塊固定于主配壓閥上端，作為主配壓閥拒動(dòng)的感應(yīng)元件。主配壓閥最頂端為主配壓閥位移傳感器，用于將主閥芯的位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)提供給電氣控制裝置。上端蓋上部為自復(fù)中調(diào)節(jié)桿，用以實(shí)現(xiàn)機(jī)械零點(diǎn)的精確調(diào)節(jié)。

圖1 百龍灘水電站調(diào)速器液壓系統(tǒng)改造Fig.1 Principle of Bailongtan Hydraulic system

圖2 主配閥組布置圖Fig. 2 Arrangement plan of MDV

圖3 百龍灘DN200通徑主配壓閥結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Structure chart of DN200 MDV of Bailongtan

（3）掉電自復(fù)中功能：掉電復(fù)中閥 EV2帶電情況下，主配壓閥的操作油依靠伺服比例閥的控制油路來(lái)實(shí)現(xiàn)；當(dāng)EV2失電情況下，壓力油直通至定中缸DZ，定中缸會(huì)頂住主配閥芯，造成閥芯無(wú)法往關(guān)方向走，此時(shí)實(shí)現(xiàn)掉電自復(fù)中。

（4）純機(jī)械手動(dòng)閥組：EV3閥組得電，切掉伺服閥1、伺服閥2的控制油，同時(shí)EV2失電，主配壓閥掉電自復(fù)中功能投入，此時(shí)油路切換至純機(jī)械手動(dòng)回路，通過(guò)操作MV1和MV2閥組可以操作主配壓閥開(kāi)關(guān)。

（5）緊急停機(jī)閥組：當(dāng)緊急停機(jī)閥EV4得電后，此時(shí)會(huì)造成液控?fù)Q向閥HV換向，主配壓閥控制腔失壓，主配壓閥依靠對(duì)側(cè)的壓力油關(guān)下來(lái)。

2 調(diào)速器電氣系統(tǒng)改造

2.1 電氣控制柜的配置

電氣控制柜由雙重供電模塊、測(cè)頻信號(hào)處理模塊、冗余配置的 X20 PCC控制器、觸摸屏等組成，新型的X20 PCC控制器采用了模塊化式的插拔結(jié)構(gòu)，由CPU模件、電源模件、開(kāi)入模件、開(kāi)出模件、模入模件、模出模件、測(cè)頻模件、對(duì)時(shí)模件、通信模件組成，它具有功耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、信號(hào)斷線(xiàn)報(bào)警等優(yōu)點(diǎn)，兩套控制器之間依靠智能切換PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)主從機(jī)之間的切換，其系統(tǒng)原理圖如下圖4所示。

電氣控制柜上安裝一臺(tái)B&R觸摸屏，依靠網(wǎng)口與控制器通信，監(jiān)視機(jī)組的狀態(tài)以及控制參數(shù)的修改。控制程序采用ST語(yǔ)言進(jìn)行編程，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，程序控制關(guān)鍵部分執(zhí)行10ms的循環(huán)周期。在測(cè)頻部分，采用了殘壓測(cè)頻和雙齒盤(pán)測(cè)頻的冗余配置，實(shí)現(xiàn)了殘壓與齒盤(pán)間的無(wú)擾切換。針對(duì)水頭，采用了自動(dòng)水頭和人工水頭雙冗余的配置，機(jī)組運(yùn)行在自動(dòng)水頭下，一旦自動(dòng)水頭故障，調(diào)速器系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切回人工水頭，防止水頭信號(hào)波動(dòng)造成調(diào)速器系統(tǒng)的抽動(dòng)。

2.2 機(jī)械液壓柜

機(jī)械液壓控制系統(tǒng)包括了MDV200型主配壓閥、雙伺服比例閥、切換閥、純機(jī)械手動(dòng)閥、緊急停機(jī)閥等組成，系統(tǒng)額定油壓為6.3MPa。手動(dòng)控制回路分為了電手動(dòng)回路和純機(jī)械手動(dòng)回路，電手動(dòng)回路主要依靠伺服比例閥，通過(guò)NARI自產(chǎn)的綜合控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)電手動(dòng)操作，以保證手動(dòng)狀態(tài)下接力器不會(huì)隨著水流沖擊的慣性產(chǎn)生漂移；而純機(jī)械手動(dòng)依靠的是主配壓閥的定中缸功能，依靠增加、減少閥組人為的來(lái)控制主配壓閥，屬于開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)。在主配壓閥控制部分，引入了二級(jí)閉環(huán)的控制方式，第一級(jí)依靠伺服比例閥自身的閉環(huán)控制、第二級(jí)引入主配閥芯的位移量作為反饋以確保主配壓閥的控制精度。為了確保機(jī)組在出現(xiàn)故障的情況下可靠實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)，NARI調(diào)速器在緊急停機(jī)回路配備了緊急停機(jī)電磁閥，控制線(xiàn)圈既可以在液壓操作柜面板上操作，也可以通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)操作。

3 調(diào)速器一次調(diào)頻與二次調(diào)頻的配合

圖4 調(diào)速器系統(tǒng)原理圖Fig. 4 Principle of governor system

百龍灘電站為了滿(mǎn)足調(diào)度對(duì)一次調(diào)頻考核的要求，增加了電站的二次調(diào)頻功能，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行于開(kāi)度模式下的一次調(diào)頻模式時(shí)，將屏蔽電站上位機(jī)的數(shù)字式或者脈沖式的調(diào)節(jié)，防止一次調(diào)頻與電站的二次調(diào)頻的相互干擾。當(dāng)電站需要進(jìn)行電站整體的負(fù)荷分配時(shí)，應(yīng)該向調(diào)速器發(fā)出二次調(diào)頻介入令，退出一次調(diào)頻功能，但必須在調(diào)速器一次調(diào)頻動(dòng)作復(fù)歸后才可以二次調(diào)頻。圖5為一次調(diào)頻動(dòng)作與二次調(diào)頻介入的控制策略功能圖。

機(jī)組在發(fā)電工況下的二次調(diào)頻是電站的監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)成組調(diào)節(jié)電站機(jī)組的功率分配來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)頻任務(wù)[3]，水輪機(jī)調(diào)速器則不單獨(dú)按頻率調(diào)節(jié)負(fù)荷。在電站進(jìn)行二次調(diào)頻時(shí)，調(diào)速器則通過(guò)退出一次調(diào)頻功能來(lái)避免相互干擾[4]。二次調(diào)頻的響應(yīng)速度相對(duì)于一次調(diào)頻慢一些，只能在需要大負(fù)荷調(diào)整和頻率與額定頻率偏差較大時(shí)，短時(shí)間投入[5]。大部分運(yùn)行時(shí)間應(yīng)該投入調(diào)速器的一次調(diào)頻。在電站實(shí)施二次調(diào)頻改變機(jī)組功率分配的時(shí)候，為了加速功率調(diào)節(jié)的速度，裝置的功率調(diào)節(jié)使用具有前饋的功率調(diào)節(jié)算法[6]。

4 系統(tǒng)性能測(cè)試

設(shè)備調(diào)試結(jié)束后，多次調(diào)整PID參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，部分?jǐn)?shù)據(jù)如下：

圖5 一次調(diào)頻動(dòng)作與二次調(diào)頻介入的控制策略功能圖Fig.5 Control strategy function chart of second frequency regulate

4.1 靜特性試驗(yàn)

一次調(diào)頻參數(shù)PID分別設(shè)為10、10、0，Bp=6%，動(dòng)作死區(qū)設(shè)為0Hz，試驗(yàn)結(jié)果如下圖6所示，轉(zhuǎn)速死區(qū)為0.01%，特性曲線(xiàn)近似直線(xiàn)。

4.2 調(diào)速系統(tǒng)自穩(wěn)性試驗(yàn)

空載參數(shù)分別為：Kp=2.5，Ki=0.2，Kd=2，根據(jù)《水輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)及裝置技術(shù)規(guī)程》要求，大型電液調(diào)節(jié)裝置的系統(tǒng)，在任意3min內(nèi)機(jī)組轉(zhuǎn)速擺動(dòng)相對(duì)值不超過(guò)±0.15%[2]（即碼值跳變范圍為：199700～200300），試驗(yàn)結(jié)果如下圖7所示，試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于國(guó)標(biāo)要求。

圖6 靜特性試驗(yàn)曲線(xiàn)Fig. 6 Static characteristic test curve

4.3 甩負(fù)荷試驗(yàn)

機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)如下圖8所示，甩100%負(fù)荷過(guò)程中機(jī)組的轉(zhuǎn)速上升率和水壓上升率均在規(guī)定的范圍內(nèi)。甩25%的負(fù)荷導(dǎo)葉不動(dòng)時(shí)間為：0.15s，國(guó)標(biāo)規(guī)定為大型電液調(diào)節(jié)裝置，接力器不動(dòng)時(shí)間不得超過(guò)0.2s[2]。

經(jīng)過(guò)廣西中試所檢驗(yàn)，確定NARI調(diào)速器性能滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，個(gè)別指標(biāo)優(yōu)于國(guó)標(biāo)，滿(mǎn)足電廠運(yùn)行要求，可以投入商業(yè)運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

本次百龍灘電廠的調(diào)速器改造，通過(guò)更換電氣控制柜、機(jī)械液壓柜和主配壓閥，取代了原先以GE公司生產(chǎn)的FC主配壓閥為控制核心的調(diào)速系統(tǒng)，解決了原先打油頻繁造成油溫過(guò)高等問(wèn)題，推進(jìn)了進(jìn)口設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化，經(jīng)過(guò)中試所的檢驗(yàn)，系統(tǒng)主要性能指標(biāo)優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。NARI調(diào)速器自2015年4月在百龍灘電站1號(hào)機(jī)成功投運(yùn)以來(lái)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，NARI自產(chǎn)MDV200主配壓閥性能超過(guò)原先GE公司生產(chǎn)的FC主配壓閥，滿(mǎn)足水電廠“無(wú)人值班，少人值守”的要求。

圖7 自穩(wěn)性試驗(yàn)曲線(xiàn)Fig. 7 Self stability test curve

圖8 甩負(fù)荷試驗(yàn)曲線(xiàn)Fig. 8 Rejection test curve

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Successfully Application of Domestic Giant Governor in Bailongtan Hydropower Station

MEI Gaoxin，CHU Yunpeng，ZHU Rongqiao
（State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 210003，China）

This paper mainly studies the principle of NARI MDV200 governor，by replacing Main Disturbing Valve and electrical equipment，we solve the power station frequent start pump and primary frequency regulation evaluation，the self-manufactured MDV200 governor was successfully applied in Bailongtan Hydropower station，we complete the test of the auto-start and shutdown the unit，increase and decrease load，modeling and so on.

Bailongtan hydropower station； governor； servoproportional valve；MDV200 main disturbing valve

TV734.4

A

570.30

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.02.014

2016-08-15

2017-01-13

梅高鑫（1986—），男，江蘇泰州人，碩士，助理工程師，主要從事水輪機(jī)調(diào)速器研發(fā)、設(shè)計(jì)及調(diào)試工作。E-mail：meigaoxin@sgepri.sgcc.com.cn

初云鵬（1986—），男，遼寧丹東人，本科，項(xiàng)目經(jīng)理，主要從事水輪機(jī)調(diào)速器項(xiàng)目管理工作。E-mail：chuyunpeng@sgepri.sgcc.com.cn

朱榮巧（1986—），男，江蘇泰州人，本科，項(xiàng)目經(jīng)理，主要從事水輪機(jī)調(diào)速器項(xiàng)目管理工作。E-mail：zhurongqiao@sgepri.sgcc.com.cn