數字插裝閥調速器在黃河上游電站大型燈泡貫流式機組上的應用

任紅軍

（青海省三江水電開發有限責任公司，青海 西寧 810000）

1 概述

黃河康揚水電站安裝有7臺單機容量為40.5 MW的燈泡貫流式水輪發電機組，電站多年平均發電量9.92億kW·h，由兩回110 kV線路接入青海電網。電站于2003開工建設，2007年首臺機組并網發電，是當時國內建設的最大燈泡貫流式機組，水輪機由日本日立公司制造，發電機由哈電制造。

電站原水輪機調速器由武漢長控所制造供貨。型號為GLT-100K-6.3 型燈泡貫流式機組專用型調速器。采用了傳統形式的自復中式滑閥結構，單電液比例閥驅動。其電氣部分采用可編程序控制器(PLC)，配以比例集成式電液隨動裝置及相應的油壓裝置,構成一個完整的電液調速器。比例閥的功能是把調速器控制器輸入的電氣控制信號轉換成相應輸出的流量控制，以控制主配壓閥繼而控制導葉或槳葉接力器。在電磁鐵斷電時，閥具有“故障保險”位置，保證失電時閥芯回復到中位。

該調整器自2007年投運至今，基本運行正常。但隨著青海新能源并網比例的提升，對調速系統的性能提出更高要求，調速器的調節速率和精度難以滿足電網“兩個細則”考核要求，一次調頻功能不滿足電網要求，頻繁出現電量及輔助服務考核；隨著調節頻率的增加和調節速率的加快，調速器系統出現元器件老化加速、機械部分磨損嚴重、內部漏油或竄油、主配壓閥卡澀等問題；造成油泵啟動頻繁，組合閥故障率增多，嚴重影響到機組的安全穩定運行。

2 調速系統改造技術路線

微機數字型調速器因可靠性高、使用和編程方便而廣泛應用，電液轉換部件可以完成電氣控制信號至機械液壓信號的轉換，是調速器系統中的關鍵設備。微機數字調速技術信號的采集、機組的調節控制均由可靠性高微機處理器完成，調節規律由軟件實現，控制功能靈活性大，易于實現與計算機監控系統的通信接口和遠方控制。具備雙調節器通道、雙電液轉換通道，具有高性能與高可靠性，為目前絕大多數水電機組采用方式，已經成為業內的共識。電液轉換部件目前市場主要有以下3種技術路線：

比例伺服閥電液轉換技術：伺服比例閥把調速器控制器輸入的電氣控制信號轉換成相應輸出的流量控制，以控制主配壓閥繼而控制導葉或槳葉接力器。在電磁鐵斷電時，閥具有“故障保險”位置，保證失電時閥芯回復到中位。

步進電機電液轉換技術：由步進電機轉換裝置控制主配壓閥動作，形成主配壓閥隨動的閉環控制系統。當步進電機偏離中位向下移動時，步進電機將主配壓閥控制腔與壓力油連通，主活塞向下移動，直至將主配壓閥控制腔封閉為止。反之，步進電機偏離中位向上移動，步進電機將主配壓閥控制腔與回油連通，主活塞向上移動，直至將主配壓閥控制腔封閉為止。當調速器失電時，調速器自動切換到自復中控制狀態，步進電機轉換裝置利用自復中功能，將主配壓閥穩定在中間位置，主配壓閥保持在中間位置狀態，導葉接力器也將保持當前開度位置。

高速開關閥技術：高速開關閥在調速器中起到從電氣脈沖量到液壓量轉換的作用，即“電-液轉換”的作用，是微機控制液壓系統的理想方案之一。作為微機與液壓系統的橋梁，可直接與計算機接口而無需 D/A 轉換，從而使流體控制數字化；系統的調節、控制無需由“中間位置”與機械反饋來保證。同時也是對傳統液壓技術的有效補充和發展，兼顧了液壓系統動作的可靠性、微機的適用性和控制閥的簡單化。

電站于2019年12月對原有調速器系統進行了升級改造，經過充分的市場調研，和不同廠家的調速器技術人員進行技術交流，最終決定采用第3種技術路線的調速器。該調速器采用了中水科技生產的CVZT-100-6.3型數字式調速器，由高速開關閥與邏輯插裝閥等標準液壓件進行元件-組件-回路的多層次組合與優化設計，進而實現調速器調節與控制的所有功能。具有高可靠性、響應快、動作平穩性好、定位精度高、工作效率高、節省油源消耗等獨特優點。

3 原調速器存在的問題及原因分析

康揚水電站自投運至今已有13年之久，隨著使用年限的增加調速器出現諸多問題。主配壓閥中位偏離、間隙增大、泄油量增加、隨動性差；壓油泵啟動頻繁造成油泵易損壞；組合閥性能下降等故障，直接影響調速器系統的正常運行。2018年至今，陸續定制更換了各機組調速器主配壓閥閥芯和襯套；更換后效果不明顯，雖然這些改造滿足當前生產需要，但并未從根本上解決調速器系統工況，只是在疲于應付。

3.1 機械隨動性差

機組運行年限較久，調速器導葉、槳葉主配閥芯、引導閥和調速器主配襯套及導桿磨損，隨動性和穩定性能降低，并經常出現主配拒動現象，嚴重影響機組穩定運行。

3.2 組合閥頻繁出故障

由于主配壓閥間隙增大，泄油量增加，嚴重加劇調速器壓油裝置組合閥和油泵運行頻次，壓油裝置頻繁報故障。主要問題有：組合閥故障頻繁，造成油泵不打壓或者報軟啟動器故障，壓油泵殼體開裂等。

3.3 油泵頻繁啟動

壓油泵頻繁啟動使得軟啟動器發熱甚至損壞，也容易造成控制油泵啟停的接觸器發熱損壞。再次，壓油泵頻繁啟動增加了廠用電量。最后，壓油泵頻繁啟動導致油溫升高，加速了油的劣化。

3.4 測頻精度不合格

康揚水電站調速器一次調頻功能因調節性能不達標，被考核分數較多。2018年康揚水電站并網考核和輔助服務補償結算匯總情況顯示，考核高達2 500分。

通過對電站一次調頻考核曲線進行技術分析，發現測頻精度不能滿足電網要求。康揚水電站調速器原電調柜使用施耐德PLC型號為TM258,其中高速計數器模塊計數頻率為200 kHz，經計算：

機組工作頻率?=50 Hz，測量頻率?0=200 kHz，則其碼值為：

測頻精度為：測頻精度±0.012 5 Hz不能滿足電網一次調頻考核要求。

4 技改選型

通過對3種技術路線、產品選型比較和大量市場調研后，決定將原有調速器更換為北京中水科技研制生產的CVZT-100-6.3型數字高速開關閥式調速器，該調速器在技改后具有以下優點:

4.1 數字插裝閥性能

采用數字開關閥+插裝閥，取代了傳統的電液轉換器+主配壓閥控制，無需“中間位置”，從而實現直接數字控制。數字插裝閥（高速開關閥組）大量采用了標準的液壓元件，從元件到系統高度標準化、模塊化、集成化，通用化，互換性好；因此整個隨動系統在可靠性、速動性、可控性、可維護性、靈活性等方面具有優勢。

4.2 動態相應速率

高速開關閥與控制系統的接口更簡單，數字信號直接動作于液壓部分，無D/A轉換，不需要中間環節就能構成直接數字控制系統，實現整個系統的數字化，構成全數字式調速器。此結構形式，使調速器系統響應速率快、調節精度高、減少了中間環節，設備故障率低，對于流量變化大，調節頻繁的機組可以滿足一次調頻調節性能要求，同時可以做到免維護。

4.3 維護成本方面

由于整個系統高度集成、采用大量標準化液壓元器件、結構相當簡單，工作可靠，使用、調整和維護方便。

4.4 冗余配置

高速開關閥采用多通道冗余結構，一旦某一個通道失靈，可自行切換，由正常通道來維持系統的穩定工作，可以實現容錯控制。容錯控制功能與濾油工作回路的獨特可靠設計從根本上保證了真正意義上的免維護。即使電氣部分徹底失靈，也能使主接力器保持當前開度不變，并自動地切為手動運行，從而避免了故障的擴大以及由此造成的不良后果。

4.5 油耗方面

由于閥體采用錐閥線密封結構，不存在發卡的機理元件，同時系統耐油污強。穩態耗油量小；油泵電機動作次數少（6～8 h），穩定工況下基本無油耗，極大地提高了系統的穩定性，延長了油泵—電機的使用壽命，大幅減少調速器系統的廠用電消耗。

5 技改后的效果

2019年12月至2022年6月電站結合機組大修相繼完成了1號、2號、4號、5號、6號、7號機組的調速器系統技改工作，通過涉網試驗其各項指標均滿足國家和行業標準。調速器調節速率和調節精度得到大幅提高。

5.1 邏輯插裝控制閥

新的調速器系統采用邏輯插裝技術，由組合結構的邏輯插裝控制閥單元取代主配壓閥，由于邏輯插裝控制閥單元的工作位置是直接由6.3 MPa的液壓作用力驅動，動作可靠性有了很大的提高，同時又避免了傳統的主配壓閥存在的標準化程度低、性能一致性難以保證、互換性不好等不足。從此技術特點來看，明顯改變原調速器系統性能、設計及實際運行中所存在的比例閥組件卡阻導致機組過速、主配壓閥卡阻、調速器拒動無法調節、組合閥卡阻、油泵組合閥工作中發出刺耳噪聲以及調速器壓油裝置啟動頻繁等缺陷。

5.2 測頻精度提升

使用信號發生器向調速器發送穩定的頻率信號，檢查調速器機頻測量回路工作狀態，記錄觸摸屏上顯示的測頻結果，記錄如表1。

表1 測頻精度表

檢測結果頻率測量分辨率小于0.001 Hz，符合設計要求。

轉速死區：A機：ix=0.004 8%；B機：ix=0.006 0 %；（試驗結果合格，國標要求：頻率/轉速死區ix不大于0.02%）

表2 轉速死區計算表

圖1 A機靜特性試驗

圖2 B機靜特性試驗

5.3 實用性增加

技改后調速器液壓系統采用液壓插裝控制閥實現開、關兩種功能，無零位位置。調速器系統設計上配裝了多個測壓接口，可方便壓力檢測和提高故障排查的實用性。

5.4 元件耐油污性能強

對工作介質污染不敏感，高速開關閥的閥芯操作力大，耐油污能力強和工作可靠性有很好的保證。

5.5 經濟效益增加

壓油泵運行間隔大幅增加，由原來的平均10 min啟動一次變為8 h啟動一次，減少了壓油泵年運行時間，減少了泵的磨損及損耗，有效降低廠用電，每年每臺機組可節約2.24萬kW·h，全廠全年節約廠用電15.68萬kW·h，節約電費4萬元（電費0.23元/kW·h），上網收益3.33萬元（電費0.212 6元/kW·h）。表中數值為穩定狀態下的平均計算值，未考慮機組停機、臨時檢修及負荷頻繁調節等復雜狀態。

表3 油泵啟停消耗電能統計表

自機組陸續技改投入運行至今，技改后的調速器系統未出現過主配壓閥卡阻、調速器拒動無法調節、油泵組合閥卡阻以及調速器壓油裝置啟動頻繁等故障，不僅有效提高了各機電設備的經濟效益和運行質量，同時也明顯降低了廠用電的損耗，較大程度提升了機組安全穩定運行水平。

6 結束語

通過康揚水電站調速器技改應用和一年多的試運行情況，CVZT-100-6.3型調速器在可靠性、速動性、可控性、維護性、靈活多變等方面性能指標優良，能夠滿足各種工況和各種控制方式的要求。此次技改達到預期的改造目標，可向同類型貫流式機組推廣應用。