一種調速器綜合實訓平臺設計

2021-04-13 08:07:48尹廣斌劉多斌王洪彬尹勝軍曾祥廣

水電與新能源 2021年3期

尹廣斌，劉多斌，王洪彬，尹勝軍，曾祥廣

(國網新源水電有限公司豐滿培訓中心，吉林吉林 132000)

調速器在機組運行時用來維持機組轉速恒定或在允許誤差范圍內，承擔機組啟停、并網、增減負荷和一次調頻等操作[1]。當機組發生電氣事故或機械事故導致發電機突然跳閘后，調速器可以及時關閉水輪機的導水機構，以防止事態擴大。因此對于電站運維人員，必須要掌握調速器正常的開、停流程和機械檢修、維護，以及異常情況的故障排查等技能。但是這些技能的學習和培養，僅依靠發電廠真實機組的調速系統來學習是不夠的，還需要進行系統性的專業培訓作為補充。為此，國網新源水電有限公司豐滿培訓中心提出建設水輪機調速器實訓平臺。

由于國網新源水電有限公司系統內調速器類型不一，按油壓等級分有高油壓調速器和低油壓調速器；按照調速器的電/機轉換器類型分有無油電轉、比例閥和數字閥等[1]；按照調速器的功能分有常規水輪機調速器和抽水蓄能調速器。這些不同油壓等級、不同電/機轉換器及不同功能的調速器，如何有機地集成到一個調速器實訓平臺，以滿足系統內大部分培訓需求，是一個值得研究的課題。查閱國內有關水電站調速器培訓平臺建設方面的文獻[2-4]，發現在這方面所做的研究工作并不多，因此還需要做大量的研究工作來填補這一空白，可以預見調速器綜合實訓平臺將是未來水電站調速器實訓平臺建設的一個發展趨勢。

1 總體設計

豐培中心調速器實訓平臺總體設計為具有高油壓調速器、低油壓調速器和抽水蓄能調速器的綜合實訓平臺，如圖1所示。高油壓調速器和低油壓調速器為常規水輪機調速器，它們有各自獨立的機械液壓系統，高油壓調速器壓力等級設計為16 MPa，其電-液轉換器設計為數字閥與比例閥組合式結構；低油壓調速器壓力等級設計為6.3 MPa，其電-機轉換器設計為伺服式無油電轉結構；抽水蓄能調速器為低油壓調速器的衍生品，采用低油壓調速器的機械液壓系統部分，不同之處是在調速系統控制軟件上增加了抽水蓄能調速器的水泵模式和多工況轉換等功能。這三種類型的調速器，可在調速器電氣柜操作面板上進行人工選擇，如圖2所示，滿足學員了解和學習多種類型調速器的需求。

2 實訓平臺架構

豐培中心調速器實訓平臺組成及各組成部分之間的邏輯、連接關系的架構如圖3所示。

圖1 調速器實訓平臺的調速器類型設計圖

圖2 調速器電氣柜操作面板設計圖

圖3 調速器實訓平臺架構圖

豐培中心調速器實訓平臺總體由調速系統操作終端、水輪機仿真系統操作終端、電源屏柜、調速器電氣柜、調速器機械柜、油壓裝置、機械液壓系統、接力器及其反饋裝置和水輪機仿真系統等組成。調速系統操作終端屬于調速器電氣柜的組成部分，水輪機仿真系統操作終端屬于水輪機仿真系統的組成部分。

3 油壓裝置設計

油壓裝置由兩部分組成：①油泵電機組1、控制閥組1、高油壓蓄能罐組；②油泵電機組2、控制閥組2、低油壓蓄能罐組。它們是油壓裝置控制系統輸出命令的執行機構，為調速器實訓平臺提供兩種不同等級的壓力油，并實現了兩種油源切換時相互閉鎖，保證了兩種壓力等級的調速系統獨立運行時的安全性和可靠性。豐培中心調速器實訓平臺油壓裝置液壓系統如圖4所示。

圖4 調速器實訓平臺油壓裝置系統圖

高油壓油源切換的控制部分由高壓油源切換電磁閥EHV、高壓主供油插裝閥HMV11、高壓油源主供油截止閥HMV1和高壓油監視壓力繼電器PR1組成。低油壓油源切換的控制部分由低壓油源切換電磁閥ELV、單向閥NRV、低壓主供油插裝閥LMV11、低壓主供油截止閥LMV1和低壓油監視壓力繼電器PR2組成。HMV1、LMV1在非檢修狀態下，處于常開狀態。高、低油源切換電磁閥EHV、ELV分別控制主供油插裝閥HMV11、LMV11的上腔通油狀態，使油壓裝置輸出調速系統相應壓力等級的壓力油，同時密閉另一壓力等級的壓力油，使兩種壓力油互不影響。

實訓平臺油壓裝置的特別之處是在低油壓輸出回路中設計了單向閥NRV，目的是避免油壓裝置工作在高油壓等級時，高壓油PH返回到LMV11的下腔，進而克服LMV11上腔壓力油PL頂開低壓主供油插裝閥(LMV11處于密閉狀態，LMV11上腔通PL)，使高壓油竄入低壓油系統，造成油壓系統故障。反之，當油壓裝置工作在低油壓等級時，低壓油PL也會返回到高壓主供油插裝閥HMV11下腔，但由于HMV11上腔通高壓油PH，低油壓PL無法頂開HMV11，因此高油壓輸出回路不需要設置單向閥。這一設計為兩種壓力油互不影響提供保證。但為了防止誤操作，兩種壓力油源的儀器儀表均選用高等級壓力配置，確保系統安全。

4 機械液壓系統設計

機械液壓系統由低油壓調速器機械液壓系統和高油壓調速器機械液壓系統兩部分組成，它們是調速器控制系統輸出命令的執行部分。

4.1 低油壓調速系統

低油壓調速系統系統設計原理如圖5所示，圖5中PCL表示低壓控制壓力油，PL表示低壓油源。該系統具有不用油、能自動復中的特性[5]。

低油壓調速系統具有自動和手動兩種控制方式，由伺服電機2執行調速系統控制器輸出命令進行自動控制；由人工旋轉無油電液轉換器4的手輪進行手動控制，最終將電機或手輪的旋轉運行轉換為主配閥7活塞的上、下位移動作。

如圖5所示，液控單向閥1在低壓控制壓力油PCL作用下，將低壓油PL引入到主配壓閥7的壓力腔，在無油電-機轉換器4作用下，改變主配壓閥7的閥位機能，經疊加式液控單向閥8輸出壓力油對接力器進行開、關操作。緊急停機閥6接受外部控制命令對接力器進行快速關閉，并將緊急停機閥閥位狀態通過緊停信號器5上送給監控系統。

圖5 低油壓調速系統圖

4.2 高油壓調速系統

高油壓調速系統系統設計原理如圖6所示，圖6中PCH表示高壓控制壓力油，PH表示高壓油源。該系統具有積木式疊加結構，無明管，比例閥具有控制精度高，響應速度快的特性[5]。

高油壓調速系統具有自動和手動兩種控制方式，由電磁換向閥3或比例閥9執行調速系統控制器輸出命令進行自動控制；由人工手動操作圖2所示的調速器電柜面板的導葉增、減旋鈕，實現比例閥9的手動控制。

如圖6所示，液控單向閥1在高壓控制壓力油PCH作用下，將高壓油PH引入到緊急停機和液控換向閥6。當執行調速系統控制器大幅度動作命令時，動作電磁換向閥3，改變液控換向閥6的閥位機能，輸出壓力油經疊加式液控單向閥7至接力器進行大開、大關操作；當執行調速系統控制器小幅度動作命令時，動作比例閥9，比例閥輸出壓力油經疊加式液控單向閥8至接力器進行小開、小關操作。兩者相配合，以實現導葉開度的精確控制。緊急停機閥2接受外部控制命令對接力器進行快速關閉，并將緊急停機閥閥位狀態通過緊停信號器4上送給監控系統。

圖6 高油壓調速系統圖

5 實訓平臺硬件設計

實訓平臺控制器選用瑞士ABB生產的高性能AC500系列PLC，全部為標準化模塊式結構，所有模塊均直接安裝在標準的eCO總線上。各模塊均有自己的微處理器，完成各自特定的功能，CPU模塊僅完成邏輯判斷與PID運算；輸入、輸出、開度采樣等工作由各自單獨模塊完成，各處理器并行工作，速度快，擴展、升級容易。

測頻模塊由高性能CPU構成，僅完成頻率的測量任務，能實現“軟升級”。由導葉位置傳感器測得的導葉位置、由水輪機仿真系統輸出的仿真有功等電信號經A/D模塊轉換取得導葉位置信號及有功信號；由開關量輸入模塊采集二次的開、停機、增、減等命令。AI、DI等輸入信號送至CPU模塊，由CPU按調節規律分析計算出相應的導葉控制信號及狀態信號，送開關量或模擬量輸出模塊完成控制輸出和狀態輸出。開關量或模擬量輸出模塊按計算控制值輸出對應寬度脈沖的開關信號或模擬信號，控制相應的機械液壓系統，使導葉按照調節規律的要求動作，并在故障時，動作報警信號。通訊單元負責與上位機通訊，接受上位機的命令或發送系統狀態數據給上位機。通過液晶觸摸屏作為人機交互界面，完成調速器的現場操作命令及狀態數據顯示、故障記錄、操作記錄、試驗等功能。

6 軟件設計

調速系統的軟件包括系統軟件和應用軟件，軟件按模塊化設計并允許從規定的程序接口設備去改變程序運行方式或控制參數。軟件使用方便，維護容易，所有軟件均經過測試，并能直接投入現場操作。

1)控制程序。PLC控制軟件在ABB公司提供的軟件的基礎上編制，為實時多任務控制系統，采用變結構變參數自適應并聯PID控制算法，并內嵌基本邏輯型控制器,具備全面容錯控制策略。控制軟件包括主令控制、跟蹤、PID調節、負荷調節、故障診斷和容錯、故障報警、通訊、一次調頻、控制輸出、轉速測量等程序模塊。

2)人機界面。信息處理軟件是在利用Kinco HMI工業液晶觸摸屏組態軟件編制而成，全中文、信息顯示全面，包括有各種數據/狀態/儀表顯示、操作控制、曲線記錄顯示、狀態記錄、故障記錄、試驗測試、參數設置和通訊等程序模塊。

7 系統主要試驗結果

調速系統試驗根據GB/T 9652.1-2019《水輪機控制系統技術條件》、GB/T9652.2-2019《水輪機控制系統試驗》標準和國網新源水電有限公司關于調速器相關技術規范進行。調速器實訓平臺按要求進行了調速系統全部功能和性能試驗，這里只重點介紹調速系統靜態特性和甩滿負荷試驗并對照標準進行了分析。圖7和圖8分別為調速器靜特性和甩負荷的試驗曲線。