新型調速器在石泉水電廠的應用

茍先智（大唐陜西發電有限公司石泉水力發電廠，陜西 石泉 725200）

新型調速器在石泉水電廠的應用

茍先智
（大唐陜西發電有限公司石泉水力發電廠，陜西 石泉 725200）

摘要：以石泉水電廠3號機組調速器改造為例，論述CVT-100數字式水輪機調速器在3號機組的應用。對CVT-100數字式水輪機調速器系統的硬件、工作原理進行了說明，并且重點介紹其技術創新點及具體應用。

關鍵詞：技術創新；冗余配置；高速開關閥

0　引言

石泉水電廠5臺水輪發電機組原調速器為雙微機比例伺服閥電液調速器，該型調速器采用“工控機（IPC）+液壓隨動系統”結構模式，隨著使用年限的增加，原調速器關鍵電氣元件老化嚴重，各性能參數明顯下降，機械元件/組件也磨損嚴重，多次發生機組偷開誤開、開機過程機組過速及運行中溜負荷異常事件，其工作性能危及機組的安全運行，無法滿足電廠正常生產要求，需要采用一種各項功能及性能滿足國標及相關規程要求、運行穩定可靠的新型水輪機調速器，以取代原調速器系統。

通過廣泛的市場調研、反復甄別與比較，決定在3號機調速器改造中采用北京中水科工程總公司生產的基于現代液壓數字邏輯插裝技術的新一代水輪機調速器CVT-100，對原有調速器進行技術改造。

1　系統構成

3號機CVT-100調速器采用的是機、電柜分體式結構，由電氣調節器、液壓隨動系統兩大部分構成。

（1）電氣調節器：其核心部件為可編程控制器、輸入/輸出信號調理模塊、智能功放/驅動回路；具有高可靠性和直觀、方便的人機接口，提供了全方位、最直接的監測、調試和維護手段。

（2）液壓隨動系統：其基本結構特征可歸納為先導控制（高速數字開關閥）、閥座主級（邏輯插裝閥）、嵌入式聯接。各組件之間采用模塊化結構有機地組合在一起。液壓隨動系統采用模塊化結構，可根據使用需要進行靈活的組合和布置。整個液壓控制系統具有很高的集成度，無任何桿件、鋼絲繩及內部外露管道。

2　工作原理

調節規律的綜合及控制量的計算由電氣調節器部分實現，而純粹將CVT型液壓隨動系統作為功率放大部件，跟隨電氣控制量并同時實現D/A轉換，以驅動導葉接力器。

2.1電氣調節器的工作原理

CVT型微機調節器接收LCU命令，根據采集得到的機頻/網頻、有功、水頭、開度等信號，通過軟件進行調節規律的綜合，進而得出相應的控制量，其控制量通過高速開關量接口與智能功放板驅動液壓隨動系統的高速開關閥；最終實現對機組導葉接力器的相應調節與控制。

2.2高速開關閥（數字閥）原理

高速開關閥在 CVT系列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。它屬于脈沖式流體控制，只有開/關兩個狀態，響應時間約0.5～3ms，作為計算機與液壓系統的橋梁，它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，起到了“數字閥”的作用。而且高速開關閥的重復精度可達0.05ms，充分保證隨動系統的控制精度。其功能是接收電氣柜的數字脈沖序列信號，使其直動式閥芯產生通/斷動作，進而控制先導油口壓力油的通斷，以控制主控閥或主配產生相應的動作。它具有結構簡單、抗污能力強、重復性好、工作穩定可靠、節能等優點。

2.3系統工作原理

自動狀態下導葉反饋信號通過位移傳感器經A/D轉換反饋至微機調節器，調節器根據不同的控制要求，將控制量與反饋量比較后輸出控制信號，此信號經轉換放大后作用于先導控制高速開關閥；與此同時，經高速開關閥轉換后的液流信號就會立即作用于由邏輯插裝單元組合而成的液壓功率驅動閥板（接力器控制閥），通過功率驅動閥板轉換放大后的液流最終進入主接力器，使其跟隨調節柜控制信號的變化，直至調節過程結束。

3　技術創新

CVT-100調速器由電子調節器、液壓隨動系統兩大部分構成。該調速器采用邏輯插裝技術，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。它突破了近一個世紀以來一成不變的電氣-機械/液壓轉換元件（比例伺服閥等電液轉換器）+滑閥式主配壓閥的經典形式、以及制造工藝與結構布置等方面的種種制約，系統的調節、控制無需由“中間位置”與機械反饋來保證，使調速器的設計、制作與生產發生了根本性的變化；它兼顧了機械液壓動作的可靠性、微機的適用性和閥的簡單化。具有高可靠性、響應快、動作平穩性能好、定位精度高、工作效率高、節省油源消耗等獨特優點，在調速器領域獨樹一幟。

（1）調速器控制核心部件采用高可靠PCC控制器，并采用雙微機通道冗余控制結構，且按獨立雙通道主從（或并聯）方式工作，任一通道退出時，不會導致頻率或有功波動，且另一套立即投入自動運行。廢棄了原來的一路輸入，兩路輸出的控制方式。雙套調節器的工作（穩壓）電源各自獨立，并分別由雙路交/直流電源供電。從而提高了設備的可靠性、安全性、穩定性。

（2）人機界面：液晶彩色顯示器作為人機交互顯示接口，具有良好的全中文圖形人機界面和在線幫助系統，操作簡單方便。它可以實時顯示調節器雙微機控制器各種運行參數與曲線，并可對各種控制參數進行修改，且軟件具備修后試驗功能，能完整的記錄修后試驗數據和曲線。

（3）殘壓測頻加齒盤測速：測頻裝置是決定水輪發電機組及調速器安全、穩定運行極為關鍵的部件，而齒盤測頻檢測機組頻率，具有信號穩定，不易受現場干擾的優點，是可靠的測頻信號源。改造中采用了齒盤測頻和殘壓測頻（PT測頻）的雙重測頻方式，雙重測頻互為熱備用，一旦PT測頻故障，立即無擾動切換到齒盤測頻，并發故障信號。

（4）調速器信號測量與反饋的核心元件-導葉位移傳感器分別采用獨立兩路輸入接入A機（PCC），B機（PCC）。若一套故障退出運行時，另一套立即投入自動運行。避免了自動狀態下發生因導葉位移傳感器的損壞而甩負荷及負荷波動，提高了設備的利用率、可靠性與穩定性。

（5）診斷與容錯子程序：完成對系統主要狀態、外部輸入信號的故障診斷。對某些特定的故障現象采取容錯控制策略，例如在并網發電狀態，若檢測到網頻信號故障或機頻信號故障或接力器位移反饋故障，此時仍維持接力器開度在當前開度不變，以保證機組在當前負荷仍然正常運行，同時向LCU報故障信號；當機組處于空載時，若檢測到機頻信號故障或接力器位移反饋故障，則調速器將實行關機保護，以避免故障面的進一步擴大及機組可能面臨的事故威脅。

（6）液壓隨動系統采用模塊化結構，可根據使用需要進行靈活的組合和布置。整個液壓控制系統具有很高的集成度，無任何桿件、鋼絲繩及內部外露管道。液壓隨動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數百公斤以上的液壓作用力驅動，動作可靠性有了很大的提高，亦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。

（7）采用高速開關閥作為電液轉換組件，可以實現容錯控制。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。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。該調速器液壓部分除了能實現傳統機械液壓系統的所有功能外，還能實現容錯降級運行，以及自動/機手動/電手動之間無條件、無擾動的平滑切換。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。

（8）系統結構簡單明了，內部液流阻力小，從元件到系統密封性能好，泄漏小，穩定工況下基本無油耗，調速器更換前漏油系統平均1h啟動1次，現漏油系統平均3h啟動1次。更換前壓油系統平均10min啟動1次，現壓油系統平均48min啟動1次。延長了油泵以及電機的使用壽命，節省了廠用電消耗。

4　性能試驗

3號機調速器改造完成后，按國家標準GB/T9652. 1-2007、GB/T9652.2-2007、行業標準DL/T563-2004、DL/T496-2001的要求進行了性能驗收試驗，包括調速器測頻單元、整機靜特性、空載試驗、一次調頻、甩負荷、不動時間等試驗，所有指標優于國家標準和行業標準的要求。

4.1調速器靜特性試驗（圖1）

圖1靜特性曲線

4.2并網狀態下故障模擬試驗

機組處于滿負荷自動運行狀態下，模擬調速器雙電源消失、頻率反饋和導葉反饋故障，觀察調速器動作狀態，記錄故障前后導葉開度（表1）。

表1

4.3甩負荷試驗

調速器處于自動發電方式，負荷平衡狀態。依次分別甩掉25%、50%、75%、100%的額定負荷，觀測并記錄機組轉速、導葉接力器行程的變化及有關特征參數（表2）。

表2

4.4試驗結果匯總（表3）

表3

5　結論

3號機調速器改造后，徹底解決了原調速器存在的問題，大大提高了3號機運行的安全性、可靠性，確保了機組穩定快速的開/停機及負荷增減控制，保障了機組的安全、經濟、穩定運行。鑒于改造后調速器優異的性能表現，在后續幾臺機調速器改造中繼續采用CVT-100型調速器產品，現已完成2號機、4號機調速器改造工作，5號機調速器改造計劃在2015年機組A修中實施。改造后的3、2、4號機調速器運行穩定，零故障、零缺陷！CVT-100調速器達到真正意義的免檢修、免維護，為電廠實現無人值班、少人值守電站打下了良好的基礎。

中圖分類號：TK730.4+1

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）03-0041-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.012

收稿日期：2014-12-09

作者簡介：茍先智（1963-），男，助理工程師，從事水電廠電氣二次技術工作。