淺談馬跡塘水電廠水輪機(jī)調(diào)速器控制系統(tǒng)改造

摘 ?要：針對馬跡塘水電廠原水輪機(jī)調(diào)速器控制系統(tǒng)存在的國外產(chǎn)品單微機(jī)控制，不能直接控制機(jī)械調(diào)速器的控制閥體，沒有配備殘壓測頻、失電停機(jī)電磁閥等不符合二十五項反措要求的諸多問題，對三臺機(jī)組調(diào)速器依次進(jìn)行了技術(shù)改造及性能試驗，改造后調(diào)速器運(yùn)行情況良好。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)調(diào)速器;國產(chǎn)化：PSWST.2G2S150;雙機(jī)雙反饋冗余

一、概況

五凌電力有限公司馬跡塘水電廠位于湖南省桃江縣馬跡塘鎮(zhèn)大塘坪村資水干流上，于1976年動工興建，1983年三臺機(jī)相繼投產(chǎn)發(fā)電，是我國第一座低水頭貫流式機(jī)組水電廠。電廠安裝有三臺奧地利ELIN公司制造的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量為18.5MW，轉(zhuǎn)輪直徑6.3m，三臺機(jī)組滿負(fù)荷水頭6.55m，設(shè)計年發(fā)電量1.89億kWh。改造前調(diào)速器電氣部分為Voith中國公司上海希科生產(chǎn)的VGC512-3P1數(shù)字調(diào)速器，調(diào)速器機(jī)械部分采用武漢三聯(lián)水電控制公司型號為PSW（S）T-100-6.3比例數(shù)字冗余式機(jī)械液壓系統(tǒng)。

二、原系統(tǒng)存在問題

1、VGC512-3P1數(shù)字調(diào)速器為單微機(jī)控制運(yùn)行方式，調(diào)速器以及相關(guān)模件均為進(jìn)口設(shè)備，運(yùn)行周期長久，大多數(shù)元件模塊已停產(chǎn)，且運(yùn)行期間調(diào)速器多個元件模塊塊出現(xiàn)過故障，設(shè)備冗余性和可靠性下降。

2、機(jī)械調(diào)速器因原Voith電液隨動系統(tǒng)設(shè)備老化效率降低、執(zhí)行元件間隔漏油量較大等原因?qū)е聣河筒郾簳r間大幅度減短，從而調(diào)速器油泵啟動頻繁，已將其改造為武漢三聯(lián)型號為PSW（S）T-100-6.3比例數(shù)字冗余式機(jī)械液壓系統(tǒng)，單獨(dú)配套一套電氣中間控制轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，用于實現(xiàn)機(jī)調(diào)與VGC512-3P1數(shù)字調(diào)速器的控制對接。數(shù)字調(diào)速器不能直接驅(qū)動機(jī)調(diào)的控制閥體，在轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)上存在轉(zhuǎn)換與測量的偏差，并且存在中間控制環(huán)節(jié)損壞導(dǎo)致調(diào)速器失控的安全隱患。

3、VGC512-3P1數(shù)字調(diào)速器投運(yùn)較早，單微機(jī)單反饋控制方式冗余性不足，存在沒有配套殘壓測頻、I級過速保護(hù)功能，機(jī)調(diào)部分的緊急事故停機(jī)電磁閥為單電源供電單線圈動作方式，沒有裝設(shè)失電動作的電磁閥等問題，不滿足國家二十五項反措中對機(jī)組調(diào)速器的有關(guān)要求。

三、改造主要內(nèi)容

1、將VGC512-3P1調(diào)速器改造為武漢三聯(lián)的PSWST.2G2S150雙機(jī)冗余控制系統(tǒng)，新系統(tǒng)由兩套完全相同的微機(jī)控制器組成，核心控制元件選用西門子S7-300系列可編程邏輯控制器，采用雙機(jī)互為備用的冗余結(jié)構(gòu)，控制器通過開出模塊、模出模塊和功率放大模塊等驅(qū)動在相應(yīng)信號的作用下驅(qū)動機(jī)械液壓系統(tǒng)電液轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)對機(jī)械液壓系統(tǒng)的直接控制;兩套微機(jī)控制器都能獨(dú)立完成對水輪發(fā)電機(jī)組的開機(jī)、停機(jī)、緊急停機(jī)、增減負(fù)荷、頻率調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)等操作，可實現(xiàn)自動故障切換和人為操作切換，在控制器切換過程中機(jī)組無擾動，當(dāng)主用機(jī)故障時，備用機(jī)能自動承擔(dān)控制任務(wù)，如果雙機(jī)都檢測到“致命故障”，那么雙機(jī)都放棄控制權(quán)，能自動切換到機(jī)械手動運(yùn)行。調(diào)節(jié)器可以實現(xiàn)電液隨動系統(tǒng)的比例閥和數(shù)字閥工作狀態(tài)的自動故障判斷，系統(tǒng)能根據(jù)狀態(tài)判斷能在比例閥和數(shù)字閥工作模式自動勿擾切換。

2、調(diào)速器電氣部分和機(jī)械液壓部分控制沿用原機(jī)電分柜的方式，調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)集成部署在機(jī)械柜，為比例數(shù)字冗余式機(jī)械液壓系統(tǒng)，主要由主配壓閥、先導(dǎo)控制級及活塞、主配位移傳感器、比例伺服閥、帶手動操作的開關(guān)機(jī)電磁球閥、功能分選閥等組成。主配壓閥由閥體、襯套及活塞組成，活塞上行為開導(dǎo)葉接力器，活塞下行為關(guān)導(dǎo)葉接力器，主配壓閥活塞采用液壓反饋定位復(fù)中，不需要調(diào)整機(jī)械零位;先導(dǎo)控制級由缸體及活塞組成，其活塞位移的控制由比例伺服閥或電磁球閥來完成。

3、在機(jī)械柜的原DC220V緊停事故停機(jī)電磁閥處安裝油流分配集成塊，在集成塊上新增一個DC24V緊急事故停機(jī)電磁閥，電磁閥的DC24V工作電源由調(diào)速器的直流DC220V和廠用AC220V雙供電電源逆變后冗余輸出至機(jī)械柜，由機(jī)械柜的DDTJ300掉電停機(jī)模塊整流和儲備DC24V電源。當(dāng)?shù)綦娡C(jī)模塊監(jiān)視到DC24V輸入電源中斷時，利用模塊儲備的DC24V電源動作DC24V緊急事故停機(jī)電磁閥自動快速關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，增強(qiáng)了機(jī)組安全運(yùn)行可靠性。

4、將機(jī)組轉(zhuǎn)速測頻信號源改進(jìn)為兩路SSG齒盤測頻加機(jī)組出口PT的殘壓測頻兩套冗余信號源，增設(shè)調(diào)速器PLC本體測頻和可編程轉(zhuǎn)速測控裝置兩套測頻設(shè)備，兩套測頻設(shè)備的信號輸入源均為一組獨(dú)立的SSG齒盤測頻信號和殘壓測頻信號，其中可編程轉(zhuǎn)速測控裝置可按電廠開停機(jī)流程要求設(shè)定若干轉(zhuǎn)速定值點，裝置可輸出轉(zhuǎn)速定值報警干節(jié)點和轉(zhuǎn)速模擬量值至監(jiān)控系統(tǒng)和其它系統(tǒng)。機(jī)組出口PT送來的正弦波殘壓信號經(jīng)調(diào)速器CPZX300測頻整形模塊進(jìn)行隔離、限幅、整形后，送到PLC的頻率測量輸入端;安裝在水輪機(jī)大軸上的齒盤與電磁式接近開關(guān)組成頻率信號發(fā)生器，當(dāng)機(jī)組大軸轉(zhuǎn)動時帶著齒盤一起旋轉(zhuǎn)，固定在支架上的電磁式接近開關(guān)產(chǎn)生了與機(jī)組頻率成正比的頻率信號，經(jīng)調(diào)速器內(nèi)部測頻回路隔離、限幅、整形后的方波信號送到PLC頻率測量輸入端，PLC根據(jù)內(nèi)部頻率測量功能指令對兩路頻率信號進(jìn)行頻率綜合測量，每路測頻范圍0.2Hz～120.000Hz，測頻采用的時基125ns，測頻精度達(dá)到0.0003125Hz。電廠機(jī)組正常運(yùn)行時調(diào)速器頻率測量以殘壓測頻為主，在出現(xiàn)故障時將自動切換至齒盤測頻通道，在機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行時頻率故障，調(diào)速器報系統(tǒng)故障，導(dǎo)葉接力器行程保持不變，當(dāng)機(jī)組頻率信號恢復(fù)后，報警信息自動復(fù)歸。

5、在機(jī)組導(dǎo)葉主接力器上新增設(shè)一套拉桿式位移傳感器，與之前已有的導(dǎo)葉拉桿式位移傳感器分別送入調(diào)速器控制系統(tǒng)的兩套微機(jī)控制器，形成調(diào)速器雙機(jī)雙反饋冗余系統(tǒng)，微機(jī)控制器根據(jù)機(jī)組當(dāng)前的開度、功率、轉(zhuǎn)速對兩個導(dǎo)葉傳感器進(jìn)行狀態(tài)甄別與故障判斷，根據(jù)傳感器的位移反饋模擬量，實時自動診斷導(dǎo)葉行程輸入，確認(rèn)當(dāng)前導(dǎo)葉的實際位置，自動提示故障類別。當(dāng)主用導(dǎo)葉行程信號故障或消失后，調(diào)速器自動切換至備用微機(jī)控制器使用另一套導(dǎo)葉位移傳感器來繼續(xù)機(jī)組控制，導(dǎo)葉開度保持不變，確保水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定在當(dāng)前狀態(tài)下運(yùn)行，調(diào)速器發(fā)出故障信號至監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)主用機(jī)、備用機(jī)導(dǎo)葉反饋信號均消失，調(diào)速器報“調(diào)速器事故”至監(jiān)控系統(tǒng)，由監(jiān)控系統(tǒng)判斷機(jī)組出口斷路器工作位置，如判斷斷路器在分閘位置，則作用于機(jī)組緊急停機(jī)，雙導(dǎo)葉反饋工作模式極力提高調(diào)速器工作容錯能力，筑固機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。

6、調(diào)速器電氣協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線實現(xiàn)水輪機(jī)組的導(dǎo)葉與槳葉的協(xié)聯(lián)，調(diào)速器內(nèi)部的協(xié)聯(lián)函數(shù)發(fā)生器按照在調(diào)速器觸摸屏上整定的協(xié)聯(lián)曲線，按實際水頭自動選擇相應(yīng)協(xié)聯(lián)曲線來控制槳葉開度。電廠目前有3m、5m、7m、9m水頭下的4條協(xié)聯(lián)曲線，每條協(xié)聯(lián)曲線上設(shè)置10個點，在調(diào)速器改造前VGC512-3P1調(diào)速器導(dǎo)葉和槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系采用的角度開度值對應(yīng)表，改造后PSWST.2G2S150調(diào)速器按照協(xié)聯(lián)插值計算公式，轉(zhuǎn)換為百分比開度值對應(yīng)表，線與線之間以及點與點之間采用線性插值及逐次逼近方式，通過調(diào)速器的性能試驗觀察，改造前后的調(diào)速器協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線基本吻合無誤，槳葉隨動系統(tǒng)不準(zhǔn)確度偏差范圍為-0.993%～0.124%，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程要求，確保協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線的真實性及控制的平穩(wěn)性。協(xié)聯(lián)插值計算公式如下：

φH=φi + （Hi+1-H） （φi+1-φi）/（ Hi+1-H i）

A為導(dǎo)葉開度值，φH：槳葉開度值，H：水頭值，Hi，Hi+1為設(shè)定的水頭下的協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線。

四、試驗

調(diào)速器改造后依照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程要求進(jìn)行了調(diào)速器性能試驗、水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實測與建模試驗和機(jī)組一次調(diào)頻功能試驗。其中調(diào)速器性能試驗包含調(diào)速器整機(jī)靜特性試驗、導(dǎo)葉接力器靜態(tài)漂移試驗、緊急停機(jī)時間測定試驗、空載擾動試驗、空載擺動試驗、接力器不動時間測定試驗和甩負(fù)荷試驗等項目，性能試驗的試驗結(jié)果為除空載擺動試驗結(jié)果轉(zhuǎn)速擺動相對值為：-0.207%～0.180%略超過標(biāo)準(zhǔn)要求，但不影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，其它試驗結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實測與建模試驗開展對發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)實測工作，并通過對調(diào)速器數(shù)學(xué)模型的研究和仿真計算，建立更為準(zhǔn)確的調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，試驗分為靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗兩個部分，通過試驗得知，在不同的工況下系統(tǒng)各參數(shù)測試結(jié)果相差很小，結(jié)果可信。水輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)所確定的水輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型可以作為電力系統(tǒng)的中長期穩(wěn)定性仿真計算中數(shù)學(xué)模型。

機(jī)組一次調(diào)頻試驗測定機(jī)組一次調(diào)頻功能的靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)，檢驗機(jī)組的一次調(diào)頻能力，確定機(jī)組投入一次調(diào)頻功能的調(diào)速器PID參數(shù)，通過試驗得知，在機(jī)組開度控制模式下，PID參數(shù)設(shè)置為bp=4%、bt=15%、Td=2 Tn=0，出力響應(yīng)的調(diào)節(jié)時間為13.5113s，出力響應(yīng)的穩(wěn)定時間為39.4538s，滿足一次調(diào)頻管理規(guī)定的要求。

五、結(jié)束語

馬跡塘電廠水輪機(jī)調(diào)速器控制系統(tǒng)改造為國產(chǎn)知名品牌雙機(jī)雙反饋冗余控制系統(tǒng)后，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，各項性能指標(biāo)良好，是一次成功的改造工程。在后期運(yùn)行過程中觀察發(fā)現(xiàn)，調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)因先于電氣控制系統(tǒng)改造，長期運(yùn)行以來導(dǎo)葉、槳葉主配壓閥的先導(dǎo)級磨損，間隙增大導(dǎo)致壓油槽保壓時間減短，說明在水輪機(jī)調(diào)速器改造時，宜將電氣控制系統(tǒng)和機(jī)械液壓系統(tǒng)一同改造，方能綜合發(fā)揮設(shè)備改造經(jīng)濟(jì)最大化效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳名鋼 《PSWST-PLC型調(diào)速器在水電站的應(yīng)用》

[2] 鄒杰《調(diào)速器改造過程中存在的問題分析與處理》

作者簡介

劉靚（1977.7-），男，漢族，本科，湖南桃江人，工程師，研究方向：電廠計算機(jī)監(jiān)控，自動化，調(diào)速器的檢修維護(hù)。