比例阀控制可编程调速器在丹江口水电厂的应用

比例阀控制可编程调速器在丹江口水电厂的应用孙富根1陈海军2（1．湖北丹江口水力发电厂湖北丹江口市442700；2．湖北汉江王甫洲水力发电有限责任公司湖北老河口市441800）摘要本文对丹江口水电厂比例阀控制可编程调速器的特点、工作原理及现场调试运行情况进行了介绍，针对比例阀控制可编程调速器在调试和运行中遇到的问题作了初步的分析。关键词丹江口水电厂比例阀控制可编程调速器调试和运行一、电厂概况丹江口水电厂位于南水北调中线水源地湖北丹江口市境内，装有6台15万千瓦的水轮发电机组，总装机容量90万千瓦，是我国早期投产的大型水力发电厂之一。因电厂的可调性好，当前在容量已超过80000MW的华中电网中仍承担着调频、调峰、调相和事故备用等重要任务，是电网的主要直调厂之一。二、调速系统现状及改造的原因目前在运行的水轮机调速器是1993年到1995年更换的，电气部分采用的是南京自动化研究所（南瑞）研制的SJ－700系列双微机水轮机调速器，机械部分是武汉市水电控制设备公司（武汉三联）生产的KZT－150型块式直连型机械液压系统。电液转换器为环喷式。该套调节系统投运以来运行稳定可靠，但随时间的推移各种故障现象日趋增多，其中许多与设备的结构有关，这种调速器已越来越不能满足我厂安全生产的需要。南水北调中线水源工程的实施，使丹江丹江大坝在原有的162米高程基础上，加高14.6米，坝顶高程将达到176.6米，大坝加高后，水库的正常蓄水位由157米升高到170米，相应的发电额定水头将由现在的63.5米提高到81米，由于水头的提高，发变电设备也要作相应的更新改造，其中水轮机调速器也被列入此次改造项目。三、新型调速器的选型及工作原理和性能特点通过全国科学技术工作者的不懈努力，我国水轮机调节技术近年来已取得了长足的进步，各主要生产厂生产的可编程调速器的技术性能、功能和工艺水平已全面达到国际先进水平。各种新型电液转换技术也都有了成熟的应用。因此，结合我厂对调速系统技术要求和现有产品的性能特点，我们选用了由武汉长江控制设备研究所生产的比例阀控制可编程调速器，其特点是调速器无机械杆件和传递机械位移的机构，可将电液比例阀和其它控制阀都集成于主配压阀上，调速器的机械部分十分简单和紧凑,安装维护检修方便。1比例阀控制可编程调速器的性能特点：比例阀控制可编程调速器是专为水轮发电机组研制的新型电液调速器，其电气部分采用可编程序控制器(PLC)，配以比例集成式电液随动装置及相应的油压装置，构成一个完整的电液调速器，完全满足各式机组对调速器的各项技术要求。其主要特点为：(1)电气部分以可靠性极高的可编程序控制器为其硬件的主体，软件采用统一的时变参数控制策略，可适时辨识空载、并网和孤立运行等不同工况，可靠性高，稳定性好，带孤立负荷能力较强。(2)具有残压测频，频率跟踪等功能，能快速并网。(3)触摸显示屏能显示调速系统的运行状态和主要参数，如机组频率,电网频率，导叶开度，调节器输出等调节器的诸参数，具有多种显示界面，包括调速器的各种状态及故障指示，能显示调速系统的动态过程曲线。(4)能以各种通讯协议方便地实现与上位机的通讯。(5)用电液比例阀直接控制主配压阀，结构简单，调整方便，可靠性高，耗油量小。2比例阀控制可编程调速器的工作原理(1)调速器的电气控制部分，我厂调速器的电气控制部分是以PLC的各功能模块为核心硬件，辅以中文触摸显示屏、接口功能板、比例阀控制板及电源等部分，组合而成的高可靠性工业控制装置。其PID调节原理如图1所示：图1PID调节原理框图机端电压PT的频率信号经隔离变、模块整形滤波后，再将信号整形输入PLC，经测频软件模块进行频率测量，机组频率与频率给定值（或电网频率）综合后，送PID调节软件模块，经过处理，输出与开度给定综合，经永态转差系数环节，送至积分环节输入端，与频率偏差综合后进行积分。(2)电液随动系统电液随动系统在电子调节器加电液随动系统结构的调速器中，起执行机构的作用。现代水轮机调速器的电液随动系统有两大类，即采用流量输出转换元件的电液随动系统和采用位移输出转换元件的电液随动系统。我厂选用了采用转换元件为流量输出的具有液压内反馈的电液随动系统。其原理如下：该电液随动系统由电液比例阀、主配压阀、紧急停机电磁阀、手动操作阀及位移传感器等组成。其系统结构见图2。(+)YIK频率给定FGD或（＋）（－）机组频率JFPYPKDYDK＋I(+)bp+(+)(-)+前馈PG＝a±Kt操作指令线性模型YK（调节输出）电网频率NF辅助接力器内反馈阀电位移反馈V/Sα主配压阀主接力器QaQf电液比例阀比较放大器Q'SfSfYsYPID液压内反馈Vy图2具有液压内反馈的电液随动系统原理框图传统主配压阀的辅助接力器是一个积分环节。而在该系统中主配压阀内置了液压内反馈环节，将辅助接力器的输出Sf与转换元件的输入Qa改变成比例关系，即其输出位移Sf与输入流量Qa成正比，成为流量—位移转换环节。所谓内部流量反馈，由电液比例阀流量输入Qa产生辅助接力器位移Sf，此位移与内反馈阀共同形成与输入流量相反的流量Qf负反馈，两流量平衡时得到0fQQaQ，辅助接力器的位移ffQKnS1＝。其系统工作原理见图3。关1456789101111,主配壳体；2，主配衬套；3，双联滤油器；4，紧急停机电磁阀；5，主配活塞；6，引导阀；7，引导阀衬套;8，开关机时间调整螺母；9，电液比例阀；10，手自动切换阀；11，主接力器；12，手动操作阀；13，位移传感器3211213压力油源图3具有液压内反馈的电液随动系统原理图动作原理：自油压装置的压力油一路进入主配压阀的压力油腔，另一路经双联滤油器③过滤后进入电液比例阀⑨和手动换向阀12。电液比例阀经手自动切换阀接通主配压阀辅助接力器控制腔。正常运行时，紧急停机电磁阀与手自动切换阀均为通路，主配引导阀接通压力油。电气控制信号与主接力器位置信号之差为零时，电液比例阀阀芯在复位弹簧作用下复中，切断辅助接力器控制腔的油路，主配压阀准确地稳定于中位，主接力器也将稳定不动。当电气控制信号减小时，电液比例阀向关机方向运动，使辅助接力器控制腔接通排油时，主配压阀自中间位置向上移动一定距离，主接力器向关机方向运动。同时带动位移传感器移动，直到与电气控制信号相等，两差值信号为零时，电液比例阀和主配压阀便随之复中，主接力器便停止运动。反之，如电气控制信号增大时，电液比例阀向开机方向运动，使辅助接力器控制腔接通压力油时，主接力器将向开机方向运动相应距离。这样，主接力器将按一定比例随动于微机调节器控制信号，构成了电液随动系统。四调速器的现场调试及运行今年5月，我厂在3号机组大修过程中对调速系统进行了更换，6月6日开始进行带水调试运行，经过多次反复调试，完成了调试大纲所要求的调试项目。调试主要项目和遇到的问题如下；1试验内容及完成情况(1）自动开机和停机试验进行了上位机自动开机和停机试验，基本能满足监控流程的要求，完成开停机过程。进行了现地PLC自动开机和停机试验，基本能满足流程的要求，完成开停机过程。(2）手动开机和停机试验做了电手动开机和停机试验，能完成开机和停机过程(3）调速器手/自动方式切换试验在试验中，做了手动切自动1（期间出现一次溜负荷）；手动切自动2；自动1切手动；自动2切手动，自动1和自动2相互切换，基本上能满足无扰动切换注：手动通道就是数字阀通道，该系统为：调节器综合开关量信号，数字阀驱动板，反馈传感器1或2，主配随动系统。自动和手动通道的切换：该切换就是自动通道（自动1或自动2）和数字阀通道的切换，其油路切换为“数字阀切换阀”切换和隔离。其切换方式为：PLC自动切换，当检测到两个自动通道故障时，PLC能自动切到数字阀通道，PLC只能由自动通道切到数字阀通道。由手动通道切到自动通道，只能操作机柜上的操作按钮来实现。(4）双调节器的控制及双比例阀通道的控制切换试验两调节器对等，可以互相切换，不受系统其余部分影响。手动切换，调节器的手动切换可以在电柜上的“A机”、“B机”切换按钮进行；自动切换，当调节器检测到本调节器系统故障时，自动切备用调节器。A调节器系统故障有：A调节器PLC的硬件，A调节器的测频板，A调节器系统的电源。比例阀通道就是“自动1”、“自动2”两通道，受到调节器综合DA模拟量控制信号的控制。自动1通道的系统为：调节器综合DA模拟量信号，比例阀驱动板1，反馈传感器1，主配随动系统。自动1、自动2的切换：自动切换，当自动通道检测到该系统有故障时，PLC能自动切到备用自动通道；手动切换，可以操作机柜上的“自动1”、“自动2”进行两个自动通道的切换。自动1、自动2的油路切换为“比例阀切换阀”切换和隔离。在自动1工作方式，做了A/B机相互切换，基本上无扰动（期间出现一次溜负荷）在自动2工作方式，做了A/B机相互切换，基本上无扰动(5）115%Ne过速试验在手动运行方式进行了115%Ne过速试验，保护动作正常，满足监控流程要求。(6）140%Ne逸速试验在空载运行工况下，模拟140%N转速信号，保护能正确动作，满足监控流程要求。(7）事故低油压停机当油压降至低油压停机值，保护能正确动作，并满足监控流程要求(8）甩负荷试验机组做了甩25%及100%负荷试验，调速器能正确动作并保持机组空载运行（甩100%负荷试验期间，出现过一次调速器抽动现象）(9）手动增减负荷试验在电手动方式，增减负荷正常(10）机组并网运行时的功率调节及负荷扰动试验在调试初期，存在超调和调节慢的现象。经厂家处理后，在最后一次调试中暂时未出现。大功率扰动试验时，3F出力由25Mw直接加至110Mw时，调速器有抽动现象。经厂家处理后，在最后一次调试中暂时未出现。2存在的主要问题(1)、机组在备用状态，调速器无论在自动还是在手动方式，都存在向开机方向爬行现象。此问题有待厂家进一步研究解决。在机组备用且调速器在自动时，由于此现象的存在，①造成在线比例阀断续带电，易过热烧毁。②机组自转，当前由于上游水位低，3F刚大修完毕，导叶间隙调整小，推力瓦新更换后摩擦阻力大，机组还未出现自转现象，但若上游水位增加，3F投运时间增长，极易造成3F在备用时自转，开机时间延长，满足不了并网考核协议。③若将调速器切手动，纯手动操作阀压至关闭侧，可能造成调速系统油耗增加，压油泵启动频繁。④调速器在自动，接力器锁锭投入后，不能拔出，耽误机组开机时间。(2)、调速器在有压力的情况下，调速器双联滤油器滤网不能拆卸清洗。后经厂家在滤油器底部加装卸压螺丝以后问题得以解决。(3)、机组在备用，调速器在自动时，试验人员接线时，出现一次机组自启动现象，有待厂家查明原因，便于运行人员采取防范措施(4)、调速器在手动运行时间长后，比例阀发烫。切自动时溜负荷。(5)、调速器动态调节品质不稳，调试初期，出现过超调及调节时间长的现象。(6)、调速器在A/B机切换；手/自动切换过程中出现过溜负荷现象。五结束语3号机比例阀控制可编程调速器更换至今已运行有3个月，整个系统运行稳定、可靠、节能、维护方便的特点得到了充分的体现。机组的调节品质有了明显提高，负荷不变情况下油泵的启动间隔时间又原来的平均40分钟延长为100分钟，节能效果显著。由于投运时间不长，调速器可能还存在这样那样的问题，有待我们以后去发现，并与厂家一道解决并提高，为推动我国水轮机调节技术的发展作出微薄的贡献。参考文献1魏守平，现代水轮机调节技术，华中科技大学出版社，2001年2武汉长江控制设备研究所《丹江口电厂调速系统原理说明》作者简介：孙富根，男，工程师，从事水电厂运行管理及相关技术工作。陈海军，男，工程师，从事水电厂机电技术管理工作。