大型沖擊式水輪機調速系統在云南高橋水電廠的應用

潘熙和，高 雄，方斌臣，嚴國強，朱明光，聶 偉

(1.長江科學院 長江控制設備研究所，湖北 武漢 430010； 2.云南昭通高橋發電有限公司，云南 昭通 657000)

0 引 言

大型沖擊式水輪發電機組，出力范圍為30～500 MW，適用于300～3 000 m較大范圍的水頭，且無需建筑大型水壩和建造下游尾水管，對自然環境影響也較小。為了更大限度利用水能，大型沖擊式水輪機一般設計有4～6個噴針，多個噴針射流能量同時供給轉輪做功[1]。目前，國內針對大型沖擊式水輪機調速系統進行了相關研究。安剛等[2]依托新疆布倫口-公格爾水電站，對沖擊式水輪機調速器機械液壓系統進行了詳細研究。王麗娟等[3]依托中國第1座高水頭電站——云南以禮河水電廠在不同時期具有代表性的沖擊式水輪機調速器運行實踐，針對孤立負荷運行問題和折向器與噴針的聯動控制問題進行了分析，并提出了處理方案。

目前，沖擊式水輪機調速系統的技術環節已日趨成熟，但是在某些方面還存在進一步優化空間，如為適應電網要求的一次調頻功能、歷史數據保存和回看、多噴針之間的轉換等技術環節。本文介紹了一款大型沖擊式水輪機調速系統在云南高橋水電廠的應用，包含機械設計原理、測頻精度、人機界面功能和多噴針切換與同步等多項關鍵技術，對水電站的安全、穩定、經濟運行有重要意義。

1 調速系統硬件

調速系統的硬件包括機械液壓部分和電氣控制部分，機械液壓部分布置在水輪機層，電氣控制部分布置在發電機層。整套硬件設備均采用標準化元件和模塊式結構設計，提高了調速系統的可靠性和可維護性[4]。

1.1 調速器機械液壓系統

調速系統采用5套并聯組合的囊式蓄能器組作為壓力油存儲裝置，每套囊式蓄能器可以在機組正常運行時進行單獨檢修，而不必機組停機；調速器有4套獨立的噴針調節單元、1套偏流器控制單元以及具備電氣和液壓信號控制的事故配壓閥，在事故配壓閥動作時，能同時關閉噴針和偏流器。

1.1.1 囊式蓄能器組

囊式蓄能器組是由囊式蓄能器、截止閥(檢修閥和工作閥)、測壓表計等組成，作為儲能裝置給調速器提供穩定的壓力油[5]。其工作原理見圖1。

正常工作時，來自油泵的壓力油經過工作閥進入囊式蓄能器組中，蓄能器組經過供油閥給調速器提供穩定的壓力油，此時工作閥和供油閥打開，檢修閥和泄壓閥關閉；在某個蓄能器出現故障需要檢修時，關閉故障蓄能器的工作閥，并打開其檢修閥，使故障蓄能器內的壓力油排入回油箱后即可進行檢修，其余蓄能器仍可保持工作。測壓表計用于控制油泵啟動和停止，以保證蓄能器組工作在設計的油壓范圍內，同時向監控系統實時提供油壓的信號。

圖1 蓄能器組原理

1.1.2 噴針調節單元及事故停機控制單元

噴針調節單元由比例換向閥、液壓鎖、單向節流閥及位移傳感器組成，是一個一級放大的液壓隨動控制系統。手動換向閥用于停機檢修操作，事故停機液控閥2在機組事故停機后關閉噴針。工作原理見圖2。

目前，采用電液比例技術直接控制水輪機接力器已廣泛應用于國內外各類型調速器中[3]，此處不闡述。在沖擊式水輪機組的事故停機過程中，噴針接力器的關閉一般是由電氣控制信號輸出給比例閥完成的。在出現調速器電控系統失靈或失電的極端情況時，水輪機組控制存在較大安全隱患。該方案把事故停機技術應用到噴針的機械液壓控制中，當事故停機電磁閥接收到停機的電氣信號動作或機械過速保護裝置因機組過速而動作后，都能通過事故停機液控閥1和液壓鎖的配合使用來切斷至比例換向閥和手動換向閥的壓力油，同時使事故停機液控閥2動作，直接關閉噴針接力器。

1.1.3 偏流器控制單元及事故停機控制單元

偏流器控制單元由電液換向閥、梭閥和單向節流閥組成。事故停機液控閥1在機組事故停機后關閉偏流器。工作原理見圖3。

圖3 偏流器控制單元及事故停機控制單元

偏流器要求的動作速度很快，因此偏流器控制閥采用了流量較大的電液換向閥作為其控制元件。當事故停機電磁閥接收到停機的電氣信號動作或者機械過速保護裝置因機組過速而動作后，事故停機液控閥1將偏流器控制電液閥的壓力油口接通回油，同時壓力油經過事故停機液控閥1、梭閥和液控單向閥后進入折向接力器關閉腔，直接使折向接力器關閉。

圖2 噴針調節單元及事故停機控制單元原理

隨著對大型沖擊式機組控制系統研究的不斷深入，對于多噴針機組，噴針與偏流器采用獨立的單元控制是調速系統最理想的技術方案。噴針作為主調節系統，采用比例閥實現閉環連續控制，保證系統運行工況的調節性能和調節品質；偏流器采用開關量控制，利用電液換向閥進行正常開關，其僅在機組甩負荷等大波動時快速關閉，起到機組過速保護的作用。同時，系統設置事故配壓閥對所有偏流器進行緊急與快速的關閉控制，確保機組不過速。如果機組設置了反向噴針，亦采用開關量控制，加速機組的停機過程。

該方案的創新點在于：把事故配壓閥應用于噴針控制，當事故配壓閥動作時噴針和偏流器都關閉，在調速器掉電時可確保系統安全停機。

1.2 調速器電氣控制系統

調速器的控制器采用兩套可編程計算機控制器(PCC)互為主備冗余，人機界面(觸摸屏)采用臺灣研華TPC系列平板計算機，三者經以太網互聯。

高橋水電廠的PCC核心部件為CP1382，可靠性高且控制功能強大，結合觸摸屏的友好界面、靈活的歷史數據回訪功能，可充分滿足調速系統的控制與調節要求。

1.2.1 控制器特點介紹

在水輪機調速器行業，PCC技術優勢明顯，主要特點是分時多任務操作系統和強大的測頻功能[6]。

(1) 分時多任務操作系統。不同于常規PLC的單任務時鐘掃描方式，PCC采用的是分時多任務操作系統，可以分配多種任務等級，各等級任務采用不同的掃描周期，這種控制周期可以在CPU運算能力允許的前提下，按照用戶的實際要求任意修改。

以高橋水電廠項目為例，將B碼對時程序置于1 ms的高速任務中運行；將開入開出程序、PID調節運算、工況計算、信號輸出、故障報警等程序置于10 ms的任務中運行；協聯數據、PCC與上微機的通信程序則置于150 ms的任務中運行；自動水頭的濾波程序則置于1 000 ms的任務中運行。

(2) 強大的測頻功能。在調速器最核心的測頻環節上，PCC具備測頻環節簡單、測頻精度高、實時性強、可靠性高等優勢。由于PCC針對測頻環節配備了專用的軟件函數和硬件模塊，使得測頻的外圍設計和內部程序都比較簡單，容易操作[7]。高橋水電廠調速器在不需要外部殘壓信號分頻的前提下，PCC本體測頻精度可以達到0.000 3 Hz，滿足水輪機調節系統的速動性和穩定性要求，同時也可以滿足電網對機組一次調頻等涉網試驗的要求。

1.2.2 人機界面特點介紹

人機界面(觸摸屏)采用臺灣研華12寸TPC1250H平板計算機，主顯畫面如圖4，顯示調速器常用的參數，畫面簡潔清晰，信息完備，方便用戶巡查。此外，觸摸屏程序還配備了數據列表、靜態試驗、參數修改等讀/寫畫面，以及極值查詢、退出/關機、觸摸校驗等功能畫面，以便于用戶運行維護。

圖4 觸摸屏主顯畫面

相對于其他觸摸屏，平板計算機具有強大的歷史數據回訪功能。調速器PCC中重要的參數均可以保存在平板計算機的硬盤中，高橋水電廠保存了16個模擬量和96個開關量，且數據采樣周期可達100 ms，這對電站分析問題、處理故障大有幫助。

1.2.3 多噴針同步控制的原理及特點

四噴針沖擊式水輪發電機組在并網工況下增減負荷的過程中存在兩噴與四噴轉換的問題，武漢長江控制設備研究所有限公司常用的轉換方式有兩種：單拐點法和雙拐點法。

單拐點法見圖5，假定噴針1為主噴，轉換拐點為10%。并網增負荷過程中，兩噴轉四噴時，將1號和3號噴針的開度保持在10%，然后逐步增加(同步增加)2號和4號噴針開度，直至4個噴針的開度都達到10%后，再同步增加4個噴針的開度。減負荷過程中，四噴轉兩噴時，當4個噴針的開度都達到10%后，將1號和3號噴針的開度保持在10%，然后逐步減小(同步減小)2號和4號噴針開度，直至2號和4號噴針全關，再同步減小1號和3號噴針的開度。

圖5 單拐點法

雙拐點法見圖6，假定噴針1為主噴，兩噴轉四噴的轉換點為20%，四噴轉兩噴的轉換點為30%。并網增負荷過程中，當1號和3號噴針的總開度達到20%時，程序進行兩噴轉四噴的操作，將20%的總開度平均分配給4個噴針，即將1號和3號噴針同步減小，從10%關回到5%，將2號和4號噴針同步增加，從0開出至5%，直至4個噴針的開度都達到5%后，再同步增加4個噴針的開度。減負荷過程中，當4個噴針的總開度降至30%時，程序進行四噴轉兩噴的操作，將30%的當前總開度平均分配給兩個主噴針，同時關回另外兩個噴針，即：將1號和3號噴針從7.5%同步增加，到15%，將2號和4號噴針全關。

圖6 雙拐點法

在四噴針的轉換方式上，以上兩種控制模式均有應用，單拐點法對機組出力的波動較小。在多噴針轉換過程中，保持主噴開度，同步動作另外兩個噴針，相對于同時動作4個噴針，機組的出力變化更平穩；同時參數更加簡潔，便于用戶理解和維護，應用更加廣泛[8]。

2 調速系統在高橋水電廠現場運行情況

2022年6月，高橋水電廠2號機組調速器改造成功并正常投運，各項指標均滿足(或優于)國標要求。

2.1 靜態特性試驗

整機靜態特性試驗是調速系統最重要的基礎試驗之一，檢驗了調速系統整個閉環控制系統中的所有環節，2號機組調速系統靜態試驗見表1。

表1 高橋水電廠2號機組調速系統靜態試驗

試驗結果表明，轉速死區及各接力器擺動值均滿足國標要求。

2.2 動態相關試驗

機組空載擺動波形如圖7，機頻3 min擺動差值為0.14 Hz，滿足國標要求。

圖7 空載擺動

機組甩100%負荷波形如圖8，在甩負荷調節過程中，偏離穩定轉速3%(1.5 Hz)以上的波動次數Z=2；從甩負荷開始至機組轉速擺動相對值不超過±1%為止的調節時間TE與從甩負荷開始至轉速升至最高轉速所經歷的時間TM的比值為7.8，均滿足國標要求。

圖8 甩100%負荷過渡過程

3 結 論

通過高橋水電廠調速器系統的研發設計和應用，得出以下幾點結論。

(1) 把事故配壓閥應用于噴針控制，當事故配壓閥動作時噴針和偏流器都關閉，在調速器掉電時可保障系統安全停機。

(2) PCC測頻環節具有0.000 3 Hz的精度，保證一次調頻動作的可靠性和靈敏性，有助于電網穩定。

(3) 觸摸屏配備顯示及歷史數據回訪軟件，以便用戶對設備的維護和數據追溯。

(4) 四噴針系統采用單拐點法進行開度同步，在轉換過程中機組出力的擾動量小，變化更平穩。