巨型水輪機(jī)調(diào)速器主配電氣中位整定關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

涂 勇，陳自然，陸勁松，李志祥

（向家壩水力發(fā)電廠，四川宜賓644612）

0 引 言

水力發(fā)電過程中，水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器控制系統(tǒng)需要精準(zhǔn)完成機(jī)組的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、開度調(diào)節(jié)、功率調(diào)節(jié)及工況輪轉(zhuǎn)控制等重要核心任務(wù)［1］，其通過控制接力環(huán)旋轉(zhuǎn)動作來控制水輪機(jī)導(dǎo)葉開度，實現(xiàn)調(diào)節(jié)通過水輪機(jī)蝸殼水流流量的目標(biāo)，最終使被控對象的電能質(zhì)量關(guān)鍵指標(biāo)，即頻率和有功輸出滿足電網(wǎng)要求［2］。調(diào)速器調(diào)節(jié)性能好壞與電網(wǎng)能否安全穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)運行密切相關(guān)。特別是800 MW 單機(jī)大容量機(jī)組，一旦水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)不佳，將嚴(yán)重影響電網(wǎng)電能質(zhì)量。如何保障巨型機(jī)組安全穩(wěn)定運行是一個值得關(guān)注和研究的課題［3］。為提升調(diào)速器控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制性能和品質(zhì)，增強調(diào)速器糾錯容錯能力，科研小組對調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。通過建立數(shù)學(xué)模型，提出了靜態(tài)和動態(tài)平衡理論，在明確主配頻繁調(diào)節(jié)原因的基礎(chǔ)上探索出了主配電氣中位自動診斷方法、自動整定方法、直接整定方法及改進(jìn)型直接整定方法等一系列可精確快速整定主配電氣中位的技術(shù)方法，并將其成功應(yīng)用于調(diào)速器現(xiàn)場檢修作業(yè)。現(xiàn)場測試和投運效果表明，該技術(shù)方法有效解決了調(diào)速器系統(tǒng)主配頻繁調(diào)節(jié)這一長期困擾調(diào)速專業(yè)的現(xiàn)場難題。

1 主配頻繁調(diào)節(jié)問題簡介

當(dāng)機(jī)組導(dǎo)葉開度給定值穩(wěn)定不變時，實際導(dǎo)葉開度在調(diào)速器調(diào)節(jié)穩(wěn)定后出現(xiàn)持續(xù)增大或減小趨勢，調(diào)速器主配出現(xiàn)周期性單方向調(diào)節(jié)，若主配調(diào)節(jié)周期小于某一閾值，則將這種現(xiàn)象稱為主配頻繁調(diào)節(jié)現(xiàn)象［4］。

為了從理論上對控制系統(tǒng)進(jìn)行定性的分析和定量的計算，首先要建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型［5］。經(jīng)對調(diào)速器液壓跟隨系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，深入研究，發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象與以下兩個因素有關(guān)［4］：①比例閥電氣中位未整定準(zhǔn)確；②主配壓閥電氣中位未整定準(zhǔn)確。

主配頻繁調(diào)節(jié)問題會導(dǎo)致調(diào)速器出現(xiàn)一系列設(shè)備問題，嚴(yán)重影響機(jī)組正常運行。若在機(jī)組處于并網(wǎng)運行狀態(tài)情況下，讓設(shè)備維護(hù)人員處理該問題，將面臨很高的風(fēng)險，但如果將機(jī)組解列或停機(jī)處理，又不可避免會導(dǎo)致水電站棄水，從而影響整個電站的發(fā)電效益和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

2 主配電氣中位自動診斷及整定技術(shù)

從根源入手，對調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)進(jìn)行專項研究，探索出一種調(diào)速器主配中位自動診斷及智能整定方法［4］。該方法不僅廣泛適用于使用比例閥、主配作為電液轉(zhuǎn)換和液壓放大環(huán)節(jié)的水輪發(fā)電機(jī)組，通過技術(shù)升級，也適用于采用其他裝置作為電液轉(zhuǎn)換和液壓放大環(huán)節(jié)的水輪發(fā)電機(jī)組。該方法可廣泛應(yīng)用于機(jī)組停機(jī)檢修時，調(diào)速器主配電氣中位的自動整定。

2.1 主配電氣中位整定原理

調(diào)速系統(tǒng)液壓隨動系統(tǒng)由電液轉(zhuǎn)換元件、液壓控制元件和執(zhí)行元件等組成［6］。為了使控制系統(tǒng)的表示既簡單又明了，在控制工程中一般繪制控制系統(tǒng)的框圖進(jìn)行分析研究［7］。水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)，水輪機(jī)控制系統(tǒng)自身也是一個閉環(huán)系統(tǒng)［8］。采用閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1在導(dǎo)葉開度控制模塊輸出的主配位置給定M給定疊加一個主配試驗信號M試驗，用以調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)自動測量主配動作死區(qū)，未進(jìn)行主配動作死區(qū)測量時，M試驗=0。

設(shè)主配電氣中位設(shè)定值為M中，△Y為Y給定和Y之差，開度死區(qū)為Y死區(qū)，主配死區(qū)為［M關(guān)，M開］，M關(guān)＜0 且M開＞0。當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)Y給定穩(wěn)定不變，系統(tǒng)靜態(tài)平衡時，比例閥閥芯位置設(shè)為B0平衡。比例閥死區(qū)很小，故可以理想化處理，縮小成一個點，設(shè)比例閥的實際中位為B0實際。

當(dāng)系統(tǒng)處于靜態(tài)平衡狀態(tài)時，以下公式關(guān)系成立：

由公式（1）～（6）可以得到：

由式（7）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)處于靜態(tài)平衡狀態(tài)時，若比例閥中位已設(shè)定準(zhǔn)確，進(jìn)行主配動作死區(qū)測量，M會跟隨M試驗，否則，M為0，物理含義為電氣控制系統(tǒng)將主配壓閥閥芯位置調(diào)節(jié)到主配電氣中位。

當(dāng)M中未準(zhǔn)確整定時，就會導(dǎo)致主配位置M?［M關(guān)，M開］，此時Y開始變化。當(dāng)M＜M關(guān)時，Y開始減小；當(dāng)M＞M開時，Y開始增大［4］。

當(dāng)︱Y給定-Y︱＞Y死區(qū)時，系統(tǒng)所處的靜態(tài)平衡狀態(tài)會被打破，調(diào)速器電控系統(tǒng)開始驅(qū)動比例閥、主配以及接力器動作，將Y調(diào)節(jié)至Y給定附近位置，當(dāng)︱Y給定-Y︱≤Y死區(qū)時，系統(tǒng)又重新進(jìn)入靜態(tài)平衡狀態(tài)。

在調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)主配電氣中位偏移的持續(xù)影響下，整個過程持續(xù)循環(huán)進(jìn)行，這就是調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)的動態(tài)平衡。主配電氣中位的漂移情況越嚴(yán)重，這個過程的周期就越短，調(diào)速器主配及導(dǎo)葉調(diào)節(jié)就越頻繁。

為了解決調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)主配和比例閥中位偏移，設(shè)定不準(zhǔn)確的問題，就需要實時對調(diào)速器主配和比例閥電氣中位進(jìn)行自動診斷和智能整定。

自動整定主配電氣中位方法就是確定主配開關(guān)向死區(qū)臨界點對應(yīng)的主配位置反饋通道值M開和M關(guān)，或者通過自動改變M中，找到使導(dǎo)葉具有關(guān)和開趨勢的對稱調(diào)節(jié)周期點M1和M2，取其中間值作為M中。

2.2 主配電氣中位自動診斷方法

系統(tǒng)自診斷功能：系統(tǒng)發(fā)生故障時能及時做出判斷，并發(fā)出報警信號，給出故障產(chǎn)生原因的推斷［9］。科研小組基于主配電氣中位整定原理，探索出一種基于液壓隨動系統(tǒng)動態(tài)平衡理論的自動診斷方法，步驟如下：①采集M給定，Y給定等變量參數(shù)；②檢測主配電氣中位偏移判據(jù)條件是否滿足：當(dāng)系統(tǒng)開度給定保持不變時，閾值T大于系統(tǒng)主配位置給定的調(diào)節(jié)周期。在系統(tǒng)中位設(shè)置合理的情況下，調(diào)節(jié)周期通常還與Y死區(qū)大小和水輪機(jī)接力器漂移速度的快慢有關(guān)，基于系統(tǒng)運行應(yīng)用工況需求，T設(shè)定值大于或等于20 s；③若符合，則診斷環(huán)節(jié)完成，進(jìn)入自動整定環(huán)節(jié)；若不符合，返回①。

2.3 主配電氣中位自動整定方法

根據(jù)2.1 中主配電氣中位整定原理，可以找到一種基于液壓隨動系統(tǒng)動態(tài)平衡的調(diào)速器主配電氣中位自動整定方法，步驟如下：①實時采集M，Y等數(shù)據(jù)；②檢測當(dāng)∣M∣≤ε穩(wěn)定不變時，Y的變化趨勢；③若Y逐漸減小，則M試驗以M給定的最高單位精度j為步長，逐漸增大；自動判斷Y開始不變和開始增大的臨界點，將臨界點的主配位置反饋通道值M通記錄為主配的關(guān)方向動作死區(qū)M關(guān)和開方向動作死區(qū)M開；④若Y逐漸增大，則M試驗以M給定的最高單位精度j為步長，逐漸減小；自動判斷Y開始不變和開始減小的臨界點，將臨界點的主配位置反饋通道值M通記錄為主配的關(guān)方向動作死區(qū)M開和開方向動作死區(qū)M關(guān)；⑤將M中設(shè)為（M關(guān)+M開）/2，即完成了調(diào)速器主配電氣中位自動整定，返回主配電氣中位自動診斷環(huán)節(jié)。本方法示意圖如圖2所示。

2.4 主配電氣中位改進(jìn)型自動整定方法

實際應(yīng)用中，由于導(dǎo)葉開度傳感器測量精度不夠，測量值會出現(xiàn)來回小幅往復(fù)跳變情況，很難準(zhǔn)確判斷Y變化趨勢。為此，基于主配電氣中位整定原理，在主配電氣中位自動整定方法的基礎(chǔ)上，探索一種主配電氣中位改進(jìn)型自動整定方法，步驟如下：①采集Y給定，M給定等變量參數(shù)；②檢測當(dāng)液壓隨動系統(tǒng)Y給定保持穩(wěn)定不變時，計算調(diào)速器電控程序中M給定的調(diào)節(jié)周期；③若閾值T大于主配調(diào)節(jié)周期，且主配為關(guān)方向調(diào)節(jié)時，則M中以最高單位精度值為步長逐漸減小，且調(diào)整周期與主配的調(diào)節(jié)周期成正比例；若閾值T大于主配調(diào)節(jié)周期，且主配為開方向調(diào)節(jié)時，則M中以最高單位精度值為步長逐漸增加，且調(diào)整周期與主配的調(diào)節(jié)周期成正比例；④檢測M給定調(diào)節(jié)周期是否滿足以下判據(jù)，若M給定調(diào)節(jié)周期增大過程中首次大于閾值T′時，記錄此時M中的值為M1；若M給定調(diào)節(jié)周期減小過程中首次小于閾值T′時，記錄此時M中的值為M2；若未確定M2則返回步驟①；⑤將M中設(shè)為（M1+M2）/2，即完成了調(diào)速器主配中位自動定位，進(jìn)入比例閥電氣中位漂移自動診斷環(huán)節(jié)。

調(diào)速器電控程序中M中調(diào)整步長越小，調(diào)整速度越慢，調(diào)整周期就越長，測量計算M給定調(diào)節(jié)周期的結(jié)果就越精確，從而M中的整定結(jié)果更精確，離主配電氣中位實際值就越接近。本方法示意圖如圖3所示。

2.5 主配電氣中位直接整定方法

調(diào)速器電氣部分檢修過程中，需要整定校核主配電氣中位參數(shù)設(shè)置是否準(zhǔn)確，基于主配中位整定原理，結(jié)合調(diào)速器現(xiàn)場檢修需求，探索出一種無需調(diào)速器主配中位診斷，直接進(jìn)行主配電氣中位自動整定的方法，步驟如下：①調(diào)速器主配電氣中位根據(jù)主配機(jī)械中位初設(shè)；②采集M給定，Y給定等變量參數(shù)；③檢測當(dāng)液壓隨動系統(tǒng)Y給定保持穩(wěn)定不變時，計算調(diào)速器電控程序中M給定的調(diào)節(jié)周期；④以M中最高單位精度值為步長，周期性增加M中，若M給定調(diào)節(jié)周期減小過程中首次小于閾值T’時，記錄此時M中的值為M1，M中返回主配電氣中位初設(shè)值；⑤以M中最高單位精度值為步長，周期性減小M中，若M給定調(diào)節(jié)周期減小過程中首次小于閾值T’時，記錄此時M中的值為M2；⑥將M中設(shè)為（M1+M2）/2，即完成了調(diào)速器主配中位自動定位，整定完畢。

調(diào)速器電控程序中M中調(diào)整步長越小，調(diào)整速度越慢，調(diào)整周期就越長，測量計算M給定調(diào)節(jié)周期的結(jié)果就越精確，從而M中的整定結(jié)果更精確，離主配電氣中位實際值就越接近。本方法的示意圖如圖4所示。

2.6 主配電氣中位改進(jìn)型直接整定方法

主配電氣中位直接整定方法實際運用過程中，M中調(diào)整周期越長，整定耗時越長；M中調(diào)整周期越短，M中整定結(jié)果準(zhǔn)確度越低。為減少整定時長，同時提高整定結(jié)果準(zhǔn)確度，根據(jù)2.1 中主配中位整定原理，在2.5 主配電氣中位直接整定方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際應(yīng)用情況，找到一種主配電氣中位改進(jìn)型直接整定方法，步驟如下：①調(diào)速器主配電氣中位根據(jù)主配機(jī)械中位初設(shè)；②采集M給定，Y給定等變量參數(shù)；③檢測當(dāng)液壓隨動系統(tǒng)Y給定保持穩(wěn)定不變時，計算調(diào)速器電控程序中M給定的調(diào)節(jié)周期；④以M中最高單位精度值為步長，周期性快速增加M中，若M給定調(diào)節(jié)周期減小過程中首次小于閾值T′，然后周期性慢速減小M中，若M給定調(diào)節(jié)周期減小過程中首次大于閾值T″時，記錄此時M中的值為M1，M中返回主配電氣中位初設(shè)值；⑤以M中最高單位精度值為步長，周期性快速減小M中，若M給定調(diào)節(jié)周期減小過程中首次小于閾值T′，然后周期性慢速增加M中，若M給定調(diào)節(jié)周期減小過程中首次大于閾值T″時，記錄此時M中的值為M2；⑥將M中設(shè)為（M1+M2）/2，即完成了調(diào)速器主配中位自動定位，整定完畢。

快速調(diào)整M中階段，適當(dāng)減小調(diào)整周期，可以縮短整個主配中位整定過程消耗時長。

慢速調(diào)整M中階段，適當(dāng)增大調(diào)整周期，可以提高主配調(diào)節(jié)周期的測量精度，最終整定結(jié)果越接近主配電氣中位實際值。本方法的示意圖如圖5所示。

3 主配中位自動診斷及整定功能開發(fā)

3.1 人機(jī)界面設(shè)計

人機(jī)界面一般用于同PLC 等控制器進(jìn)行信息通訊，用于顯示控制器中采集或計算出的數(shù)據(jù)，并把需要控制的設(shè)定數(shù)值或設(shè)備的開關(guān)信號送入PLC 等控制器中［10］。觸摸屏畫面設(shè)計見圖6。

3.2 主配電氣中位自動診斷及整定功能軟件設(shè)計

根據(jù)主配電氣中位自動診斷和整定方法，繪制軟件設(shè)計流程圖如圖7所示。

實際應(yīng)用中，由于很難準(zhǔn)確判斷Y變化趨勢，為此探索了一種改進(jìn)優(yōu)化的方法，即對稱確定使M給定互為反向，M給定調(diào)節(jié)周期均為T′的主配位置反饋中位值M1和M2，取其中間值作為M中。優(yōu)化改進(jìn)后，軟件設(shè)計流程圖如圖8所示。

3.3 主配電氣中位直接整定功能軟件設(shè)計

根據(jù)2.5 中一種主配電氣中位直接整定方法，繪制軟件設(shè)計流程圖如圖9所示。

為減少整定時長，同時提高整定結(jié)果準(zhǔn)確度，根據(jù)2.6 中一種主配電氣中位改進(jìn)型直接整定方法。繪制軟件設(shè)計流程圖如圖10所示。

4 現(xiàn)場應(yīng)用測試

調(diào)速器增加主配電氣中位整定功能后，進(jìn)行現(xiàn)場試驗并對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.1 試驗過程

將試驗機(jī)組調(diào)速器控制方式切為電手動運行方式，比例閥和主配、接力器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成比例閥中位調(diào)整，并已準(zhǔn)確設(shè)定比例閥中位。導(dǎo)葉開度開至40%，模擬機(jī)組并網(wǎng)負(fù)載態(tài)，強制輸入機(jī)組轉(zhuǎn)速50 Hz信號，開度給定值保持穩(wěn)定不變，主配電氣中位根據(jù)主配機(jī)械中位設(shè)定為16 595 后，進(jìn)行試驗，M中調(diào)整周期初始階段為1 s，在整定過程中M給定調(diào)節(jié)周期小于T′后，調(diào)整為M給定調(diào)節(jié)周期，T′設(shè)為10 s，T″設(shè)為30 s，M給定調(diào)節(jié)周期初始值為25 s。

4.2 試驗數(shù)據(jù)

試驗波形圖見圖11。圖11中，藍(lán)色為M給定調(diào)節(jié)周期曲線，紅色為M中曲線。

4.3 試驗分析

由圖11可見，第19.1 s，啟動整定功能，M中以每1 s增加1個碼值的速度變化，第154.7 s檢測到T′大于主配調(diào)節(jié)周期后，M中以主配調(diào)節(jié)周期為周期，1 個碼值為步長，逐漸減小，實時計算主配調(diào)節(jié)周期，直到第605.5 s，閾值T″開始小于主配調(diào)節(jié)周期，記錄M1為16 689，M中恢復(fù)初設(shè)值16 595，然后M中以每1 s 減小1個碼值的速度變化，第949.9 s檢測到T′大于主配調(diào)節(jié)周期后，M中以主配調(diào)節(jié)周期為周期，1 個碼值為步長，逐漸增加，實時計算主配調(diào)節(jié)周期，直到第1 527.7 s，閾值T″開始小于主配調(diào)節(jié)周期，記錄M2為16 324，主配電氣中位最終的整定計算結(jié)果為16 506，整定結(jié)束。M中調(diào)整周期越長，最終試驗結(jié)果越精準(zhǔn)。

5 結(jié) 語

本技術(shù)成果革新了調(diào)速器檢修作業(yè)方法，替代了人工，實現(xiàn)了自動化作業(yè)，根本解決了機(jī)組運行中，調(diào)速器主配和比例閥中位整定不準(zhǔn)確導(dǎo)致的主配頻繁調(diào)節(jié)問題，提高了調(diào)速器智能化水平，實現(xiàn)了容錯機(jī)制，提高檢修作業(yè)精度和檢修效率，為實現(xiàn)精益檢修，推動水力發(fā)電科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，提高設(shè)備運行穩(wěn)定性和可靠性，避免缺陷處理導(dǎo)致電站棄水和機(jī)組等效可用系數(shù)下降做出了貢獻(xiàn)。同時，對于提高發(fā)電效益，避免因設(shè)備問題導(dǎo)致發(fā)生電網(wǎng)停電等影響社會民生的電力事故也有積極和深遠(yuǎn)的意義。