功果橋水電站調速系統的研制

劉亞濤，凌偉華

（1.哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040；2.中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

1 引言

哈爾濱電機廠有限責任公司（以下簡稱哈電機）承擔了為功果橋水電站提供4臺套調速系統的任務。在總結景洪水電站調速器應用的基礎上，設計開發了功果橋水電站的調速系統。

2 系統介紹

調速器采用成熟的具有PID調節規律的雙自動加電手動全數字式電液調速器，額定工作油壓為6.3MPa。調速器電氣柜和機械柜分開設置，調速器機械柜置于回油箱之上，與回油箱組合為一體。微機調速器及其控制軟件、主配壓閥、比例伺服閥、油泵、電機、自動化元件等均采用國際優質產品，且有成熟技術和運行經驗，調速器機械液壓部分采用成熟和先進的技術。微機調速器處理器、轉速測量部分、接力器位置反饋、功率反饋、電液轉換單元、各部分的電源均采用冗余結構，這樣保證了調速系統的高可靠性。

微機調速器采用雙重化微機冗余容錯系統并具有獨立的電手動功能。冗余系統中的每一個通道，從輸入至輸出以及電源、測頻系統，均為相互完全獨立，在運行過程中隨時將其中一個通道退出而不影響調速系統的正常工作，且退出的通道能進行停電檢修。電氣操作系統有遠方操作的 I/O接口。在調速器內部發生故障時，不會造成水輪機運行不穩定或出力波動，在調速器外部系統事故時，將保證機組安全停機。

調速器機械液壓部分與油壓裝置回油箱采用組合式設計。主配壓閥、比例伺服閥及液壓元件等具有油管連接關系的附件布置在回油箱內，其他部件儀表等布置在機械柜內。過速限制裝置及分段關閉裝置采用集成一體化結構并安裝固定于回油箱側壁下方。機械柜、主配壓閥、回油箱、過速限制裝置及分段關閉裝置之間的油管路集成布置，至接力器的操作油管路從過速限制裝置及分段關閉裝置直接引出。機械柜調試、操作、維護方便，保證運行可靠、安全。

3 調速器電氣柜

在線自診斷和故障處理功能

調速系統有下面給出的在線自診斷和故障處理功能，故障通過電氣柜上的指示燈指示。各故障信息以I/O方式及串行通信方式提供給電站計算機監控系統。

(1)導葉開度限制作用；(2)轉速信號故障；(3)導葉反饋故障；(4)功率反饋故障；(5)綜合故障報警；(6)1#220VAC電源故障；(7)2#220VAC電源故障；(8)1#220VDC電源故障；(9)1#24VDC電源故障；(10)2#24VDC電源故障； (11)緊急停機電磁閥動作；(12)主配壓閥拒動；(13)事故配壓閥動作；⒁油過濾器堵塞報警。

離線診斷及調試功能

調速器有下面給出的離線診斷及調試功能:

(1)修改和調整程序；(2)程序檢查及調試；(3)調節參數檢查及調試；(4)系統硬件及軟件故障檢查，包括各硬件模塊故障檢查；(5)檢查、調試和電站計算機的通信。

故障保護

調速系統發生任何故障或電源消失，關機回路和開度限制都將保持可操作性，當雙微機自動控制系統均喪失控制功能時，調速器能夠維持導葉在故障以前的位置。

調速器冗余系統中任一通道故障時，不影響調速系統的正常工作，包括所有功能和性能指標。當調速器的自動調節系統故障時，調速系統應自動地切換到電手動控制方式。調速器的任何故障也不影響機組必要的緊急停機操作。

調速系統內的每一個故障均有現地指示信號，對重要信號(如主配壓閥拒動、事故低油位)分別提供 2對電氣獨立的觸點至電站計算機監控系統。

調速系統中每個動作于停機的保護(如過速停機、事故低油壓停機等)，分別提供2對接點至機組現地控制單元，事故停機電磁閥動作時有對外輸出的信號接點。

4 系統介紹

4.1 系統方框圖

系統方框圖如圖1所示。

圖1 機械液壓部分方框簡圖

4.2 系統結構組成

液壓系統由回油箱總裝、壓力罐總裝、油泵電機單元、精細濾油裝置、事故配壓閥總裝、液控單向節流閥及相應的管路、閥門等組成。

控制部分設計為全自動控制。當機組運行調速器控制采用全自動控制方式時，整個調速系統設計會非常簡單，整個調速系統的可靠性也得到了極大的提高。

調速器機械液壓系統采用了德國博士公司生產的比例伺服閥作為電液轉換元件；主配壓閥采用哈電機公司自主研發的產品，兩個主閥位置傳感器互為冗余、安裝于其內部；調速器各種功能閥采用板式安裝，模塊式直聯結構，油路集成度高；主接力器采用直線位移傳感器的電反饋形式，無杠桿或鋼絲繩反饋。

調速系統的結構特點使其具有調節性能好、調節精度高、具有很好的抗油污性能等優點。同時也達到了良好的可維修性，方便維護、檢查、檢修與調試。

4.3 工作原理

4.3.1 系統原理

系統原理如圖2所示。

4.3.2 工作原理簡介

此調速器系統能夠實現自動控制及緊急停機。自動控制時，由比例閥選擇電磁閥101EM動作比例閥選擇液控閥106DR，通過比例閥選擇液控閥106DR選擇比例伺服閥101EB或102EB工作。無論是調速器處于何種運行狀態，例如遠方/自動或現地/自動或現地/手動，當機組遇到需緊急停機情況時，通過電站自動化系統發出的信號，調速系統會自動完成機組的緊急停機工作。

4.3.2.1 自動控制

以比例伺服閥101EB處于工作狀態為例。

當機組在穩定運行狀態時，電氣部分輸出到比例伺服閥101EB的信號VD-E為0，比例伺服閥處于中間位置，沒有液壓輸出。這時，主配壓閥控制端活塞受下腔的壓力等于受上腔的壓力。主配壓閥活塞的上下兩個閥盤封住主配壓閥襯套的兩個控制窗口，主配壓閥沒有液壓輸出，處于動態平衡狀態，接力器不動，機組處于穩定運行狀態。

圖2 調速器機械液壓系統

當機組自動增加負荷時，電氣部分輸出到比例伺服閥101EB的信號VD-E為正，比例伺服閥處于上位工作位置。主配壓閥控制腔通過比例伺服閥與控制壓力油相通，下腔液壓力大于上腔液壓力，因而使得主配壓閥活塞向上移動，打開主配壓閥襯套通往接力器開機的窗口，推動接力器活塞開啟導葉，使機組增加負荷。與接力器活塞一起移動的位移傳感器及與主配壓閥活塞一起移動的位移傳感器，發出反饋信號與所加信號相抵消。這個調節過程結束后，機械液壓系統的各個部件恢復到穩定控制運行狀態。

機組自動減少負荷時，機械液壓系統的上述部件動作相反，調節過程結束后，機械液壓系統恢復到穩定控制狀態。

4.3.2.2 緊急停機

緊急停機操作既可以通過主配壓閥緊急停機，也可以通過事故配壓閥緊急停機，當主配壓閥發卡時，系統將自動動作事故配壓閥緊急停機。如果通過主配壓閥緊急停機，首先動作緊急停機電磁閥 102EM 或103EM，然后緊急停機電磁閥動作緊急停機液控閥107DR，這樣就會完成主配壓閥的控制腔接通排油，實現電氣緊急停機的目的。如果通過事故配壓閥緊急停機，可以通過過速保護飛擺切換閥緊急停機，也可以通過過速保護電磁切換閥104EM緊急停機。

5 液壓主要部分特點介紹

5.1 電液轉換元件

液壓系統電液轉換元件采用比例伺服閥（德國Bostch公司生產），與雙自動加電手動控制系統及冗余的接力器位置反饋傳感器和冗余的主閥位置反饋傳感器共同完成調速系統的閉環控制。

比例伺服閥的應用十分廣泛。該閥結構簡單、安裝方便、耗油量小、抗油污能力強；在保證其使用條件下，能正確可靠地工作；在最大實際負荷下，調速器死區極小。該閥采用集成塊板式聯接，電氣驅動與液壓部分集成為一體，絕緣密封性能好，與調速器的電氣聯接是標準信號；一但出現電源信號斷線現象，該閥的“故障保險位置”即投入工作，自動關閉接力器，保證機組的安全。

本系統中設置了兩個完全相同的比例伺服閥101EB和102EB作為電液轉換元件，分別與雙自動加電手動組成完全自動控制的方式。一個比例閥選擇電磁閥101EM和一個比例閥選擇液控閥106DR能夠完成雙比例伺服閥的選擇切換功能，由雙自動加電手動共同決定雙比例伺服閥的主用和熱備用工作狀態。此設計使雙比例伺服閥完全處于相同的工作狀態，只是一個起實際控制作用，一個處于完全工作的熱備用工作狀態。這種雙比例伺服閥切換工作原理保證了當雙比例伺服閥相互切換時，被控對象接力器的擾動極小。

傳統設計的備用狀態比例伺服閥往往處于冷備用狀態，只有當切換到其工作狀態時，才有電氣控制信號輸出到相應的比例伺服閥，這就使得雙比例伺服閥切換時被控對象會產生較大的擾動。

5.2 主配壓閥

主配壓閥采用哈電機公司的產品。其主要由閥體、襯套和活塞組成。閥體與襯套為鑄件，活塞為鍛件，兩閥盤結構。主閥本體上設有開、關機調整時間的調整件，調整方便，能做到無級調整；一端部設有主配壓閥拒動的觸點111FC及反映主配壓閥活塞位置的位移傳感器111MM和112MM，主配位移傳感器是雙冗余設計。

與傳統帶有輔助接力器的結構相比，此主配壓閥結構簡單，加工和安裝方便，且具有中間接力器功能。由于主配壓閥活塞位移傳感器反饋放大器放大倍數用可調電阻可調，且易調整；調速系統隨動設置中的振蕩系數、增益系數、偏移量是數字可調，且易調整。這樣保證了整個調速器隨動系統的簡便、易調整、精確度高，速動性能更好。

5.3 集成塊裝配

調速系統的各個閥集成在一個集成塊上，包括冗余的雙比例伺服閥101EB和102EB，比例伺服閥選擇液控閥106DR，比例伺服閥選擇電磁閥101EM，緊急停機液控閥 107DR，緊急停機電磁閥 102EM 和103EM。這樣減少了管路連接，通油能力強，不易發卡，不易漏油，操作也更加簡便、同時也利于維護和檢修。

6 結語

通過對三峽右岸和景洪水電站調速系統的設計，最終完成了對功果橋水電站調速系統的設計，實現了大型調速系統設計的國產化。今后工作中還要積累一些大型調速系統國產化后的運行經驗，包括保證調速系統的高可靠性及調速系統控制程序的可移植性。