數字式雙反饋調速器在燈泡貫流式機組中的應用

劉 禹，周 樂，潘軍林，張寶慶，陳 伽，莫建安，申潘威

（五凌電力有限公司株溪口水電廠，湖南益陽 413500）

0 引言

株溪口水電廠裝有4 臺18.5 MW 燈泡貫流式水輪發電機組，原有調速器采用比例伺服閥控式電液轉換雙調節，通過比例伺服閥、數字閥進行電液轉換，將電氣信號變成接力器行程，其機械手動卻用數字球閥進行人為操作，在電氣事故、停電、電液轉換環節故障、試驗、大修后第一次開機等工況，使用率非常低，需要人為干預監護，難以準確定位，操作很不方便，而且數字球閥調節控制精度達不到規程要求，易出現超調、引導閥端蓋容易出現卡阻拒動、卡澀等現象，造成開機不成功。

利用液壓數字邏輯插裝技術，引入導葉/槳葉雙反饋實時采樣參與控制，以快速開關閥和插裝閥等電磁閥分別代替電液轉換器和主配壓閥，調速器電氣控制系統無須進行數/模轉換，導葉/槳葉雙調節控制無需由比例閥和數字閥的“中間位置”來保證。機組在負載靜態方式下達到耗油量小、運行穩定、邏輯控制集成化程度較高，可實現液壓系統的全面容錯控制，解決了長期困擾水電廠的調速器拒動、主配漏油、引導閥卡澀、先導閥閥芯卡澀等問題。

1 數字式雙反饋調速器的應用

數字式雙反饋在貫流式水電站的成功應用，實現了導葉/槳葉開度的雙冗余，在研究雙反饋的控制原理、優先邏輯、PLC 信號輸入處理等技術上有新的突破，并通過機組調速器系統改造做了大量的現場試驗，驗證其可靠性與穩定性。電廠選取了雙CPU 的PLC 模塊接收兩套導葉反饋的信號，如圖1 所示，槳葉反饋原理與此類似。導葉開度傳感器安裝在接力器導葉反饋原來的位置，設計兩套反饋共用一個固定支架，并且在制作過程加裝分段關閉的硬接點回路，一方面確保反饋信號的線性度與4～20 mA 的模擬量采樣信號不失真，另一方面在機組甩負荷導葉快速關閉時分段關閉正常動作，有效防止反水錘抬機，緩解接力器有桿腔活塞與端部的撞擊力。當一套導葉傳感器故障時，調速器PLC 可自動切換至接收另一套導葉傳感器信號的B 機，維持原有導葉開度不變的情況下保持機組負荷平衡運行，同時將導葉傳感器故障信號報警給監控系統，通知運維人員及時進行處理。

圖1 數字式調速器導葉雙反饋設計

數字式雙反饋調速器根據機組轉速上升的趨勢，在控制邏輯中加入適當的延時，當槳葉進入正常的協聯，并調整到一定的轉角開度，防止機組不會因低轉速而導致停機。當機組轉速下降一定程度時，打開導葉開度到一定開度，以減少水錘壓力的上升，并控制最低轉速下降，機組轉速到額定轉速附近時投入PID控制算法，使機組轉速穩定在額定轉速。

2 數字式雙反饋調速器部分試驗內容及要求

2.1 導葉/槳葉雙反饋傳感器的開關機時間測定

試驗條件是燈泡貫流式機組流道內未充水，調速器液壓與電氣系統已安裝驗收，調速器壓油槽、接力器、管道充油完畢，具備無水調試試驗條件。

將導葉/槳葉接力器行程A/B 套反饋信號串入調速器系統綜合特性測試儀，電調柜手動操作插裝閥以3 級開啟速度開啟導葉/槳葉接力器，使導葉/槳葉接力器從全關0%至全開100%；電調柜手動操作插裝閥以3 級關閉速度關導葉/槳葉接力器，使導葉/槳葉接力器從全開100%至全關0%，記錄導葉/槳葉接力器行程變化時間，按導槳葉25%～75%動作時間的兩倍計算導槳葉開關機的時間。導葉全關時的慢關時間須躲過機組振動區，取8～9 s 符合實際運行要求。

2.2 緊急停機時間測定試驗

試驗條件是調速器液壓與電氣系統已安裝驗收，調速器壓油槽、接力器、管道充油完畢，具備無水調試試驗條件，電氣部分上電正常。

手動操作緊急停機電磁閥，使接力器從全開100%向全關0%動作，記錄導葉接力器行程雙反饋信號的變化時間。動作緊急停機電磁閥快關時間，A 套3.5 s，B 套3.4 s；拐點，A 套42.42%，B 套42.36%；第二段關閉時間，A 套8.2 s，B 套8.4 s。導葉/槳葉雙反饋動作時間均符合電廠設計值要求。

在調速系統主供油閥全開情況下人為動作重錘關機閥，使接力器從全開100%向全關0%動作，記錄導葉接力器行程變化時間。調速系統主供油閥全開，在燈泡體手動動作重錘關機閥和機械過速裝置飛擺啟動導葉快關時間，A 套5.25 s，B 套5.26 s；拐點，A 套38.4%，B 套37.99%；第二段關閉時間，A 套21.2 s，B套20.8 s。導葉/槳葉雙反饋動作時間均符合電廠設計值要求。

調速系統主供油閥全關，無壓力油的情況下在燈泡體手動動作重錘關機閥和機械過速裝置快關時間，A 套7.22 s，B 套7.24 s；拐點，A 套43.12%，B 套43.08%；第二段關閉時間，A 套23.2 s，B套23.1 s。導葉/槳葉雙反饋動作時間均符合電廠設計值要求。

2.3 導葉/槳葉雙反饋信號消失試驗

試驗條件是燈泡貫流式機組流道內未充水，調速器系統按要求調整參數且試驗完畢，調速器處于自動運行方式。導葉/槳葉接力器行程信號接入調速器系統綜合特性測試儀，給調速器提供機頻信號。

（1）模擬調速器系統導葉/槳葉反饋信號丟失，發調速器開機指令，記錄導葉/槳葉接力器行程變化情況。單套反饋丟失調速器報小故障可正常開機，雙套反饋丟失報大故障，禁止開機。

（2）模擬開機過程中導葉/槳葉反饋信號消失。輸入短接調速器開機指令，由調速器系統綜合特性測試儀改變頻率，模擬機組開機過程，在開機過程中分別斷開調速器的導葉/槳葉接力器A 套/B 套反饋信號，記錄導葉/槳葉接力器行程變化情況。單套丟失調速器報小故障正常運行，雙套反饋丟失報大故障停機。

（3）模擬空載工況導葉/槳葉反饋信號短時消失。由調速器系統綜合特性測試儀給調速器提供機組額定頻率，導葉接力器行程處于小于空載開度限制位置，模擬機組空載運行工況，分別中斷調速器的導葉/槳葉接力器A 套/B 套反饋信號并恢復，記錄導葉/槳葉接力器行程變化情況。

（4）模擬負載工況導葉/槳葉反饋信號短時中斷。短接發電機出口斷路器位置信號，由調速器系統綜合特性測試儀給調速器提供機組額定頻率信號，導葉接力器處于50%行程附近，模擬機組負載運行工況，人為分別斷開調速器的導葉/槳葉接力器A 套/B套反饋信號并恢復，記錄導葉/槳葉接力器行程變化情況。

（5）模擬負載工況導葉/槳葉反饋信號消失同時甩負荷。模擬機組負載工況，拆除斷路器短接的位置信號模擬機組甩負荷，并人為斷開調速器的導葉/槳葉接力器A 套/B 套反饋信號，記錄導葉/槳葉接力器行程變化情況。

2.4 空載擾動試驗

試驗條件是機組流道充水，機組處于空載運行方式，調速器處于自動運行方式。

在自動空載穩定工況下，調速器頻率給定置于額定頻率50 Hz，將調節裝置切至手動，通過手動增減導葉開度的方法，改變機組當前的實際轉速，當轉速變化幅度超過4%額定轉速時，再切至自動。記錄頻率擾動過程的機組頻率、導葉接力器行程的變化情況。根據機組過渡過程變化情況，選取超調量小、波動次數少、穩定快的一組調速器參數，供空載運行使用。A 機優化空載參數分別為KP=1.25，KI=0.12，KD=0.35。

手動擾動52.1 Hz 至50 Hz 衰減度ψ=0，波動次數0，調節時間TP=23.9 s；手動擾動47.7 Hz 至50 Hz 衰減度ψ=0，波動次數0，調節時間TP=24.4 s。

2.5 空載擺動試驗

試驗條件是機組處于空載運行方式，勵磁調節器處于自動運行方式，設置調速器空載參數為試驗選定的參數。

記錄機組在空載穩定運行時的機組頻率、導葉接力器行程的變化情況，記錄時間3 min。根據試驗結果計算調速器空載轉速擺動值。試驗在A 套控制器2 次、B 套控制器1 次，試驗結果取其平均值。如試驗測量得到的調速器自動空載轉速擺動值超過標準規定的要求，應進行手動運行工況的下空載擺動試驗，測量其空載轉速擺動值。調速器處于自動運行方式，A 機空載控制參數分別為KP=1.25，KI=0.12，KD=0.35。

空載擺動試驗結果：A 機主用空載擺動1 轉速擺動相對平均值±0.18%。

2.6 甩負荷試驗

試驗條件是調速器處于自動運行方式，機組并網帶負荷運行穩定，已做好防止機組過速措施。機組頻率信號、導葉接力器行程信號、流道進口水壓信號、尾水管水壓信號接入調速器系統綜合特性測試儀。

甩負荷試驗結論：在試驗水頭8.85 m 時分別甩25%、50%、75%負荷至空載態，最大轉速上升率為33.82%，未超過最小水頭下甩額定負荷時轉速上升率最大值。導葉前水壓上升率和尾水管進口水壓下降率均不大，尾水管水壓進口未出現負壓。

3 結束語

該數字式雙反饋調速器既采用邏輯插裝技術，又增加了反饋裝置的雙冗余技術，以A/B 機分別接收兩套導葉/槳葉信號的運行模式，經歷了線路跳閘機組甩負荷及各種運行工況的驗證，數字式雙反饋調速器將有一定的發展前景。自2017—2020 年電廠完成了4 臺機組調速器的整體換型改造，且4 年期間無故障、無漏油、不卡澀、不拒動，運行期間的基礎數據與試驗結論綜合判斷，該款調速器具有較高的可靠性、頻率負荷響應速度快、動作靈活平穩性好、閥組加工精度高、節省壓油槽油源消耗等優點。在株溪口電廠的成功應用，解決了電廠原有調速器存在的保壓時間短、主配引導閥卡澀、主配反饋信號跳變等問題，維持了電廠的安全生產穩定局面，可供國內同類型發電機組借鑒。