數字閥PCC智能調速器在水電站設備改造中的應用

米建國，劉忠良，張偉朋，徐田鵬（天津市科音自控設備有限公司，天津 300409）

數字閥PCC智能調速器在水電站設備改造中的應用

米建國，劉忠良，張偉朋，徐田鵬
（天津市科音自控設備有限公司，天津 300409）

摘要：介紹了一種全新的水輪機調速器，電氣部分以PCC可編程計算機控制器為核心，軟件采用高級語言；電氣液壓轉換部件采用電磁球閥，機械液壓放大元件采用二通插裝閥，采用無杠桿，無明管路結構。實際應用結果表明，該型調速器調試簡單，維護方便，具有先進的技術性能和高可靠性。

關鍵詞：智能調速器；PCC；數字閥；電磁球閥；插裝閥

1　老型調速器存在的問題

老型調速器受當時技術、制造條件的限制，自身存在著許多弱點，無法滿足電站正常運行的要求。

YT、T、ST型機械液壓調速器的主要問題：機械機構復雜，調整困難；機柜內部傳遞杠桿較多，造成死區較大、不易維修；明油管路較多,漏油量大；調速器特性差。

YDT、DT、DST型電液調速器的主要問題：控制部分采用模擬電路，使用很多電路板，電路復雜，可靠性差；穩定性差，輸出隨溫度，濕度變化而變化，溫度漂移大，時間漂移大；抗干擾能力差，電站的電磁干擾很大，而模擬電路的很多環節都容易受到干擾的侵入，導致調速器無法自動運行；電液轉換器對油質要求高，易卡阻。

上述兩類調速器存在的共同問題：機構復雜，調整維護困難；明油管路較多，不易升壓等；由于原調速器采用主配壓閥的結構，其形式為滑閥，主配壓閥活塞與襯套之間的間隙所造成的滲漏就不可避免，漏油量大，油泵啟動頻繁，縮短了油泵和電機的使用壽命，同時耗電量大，不符合節能減排的要求；為了減少主配壓閥活塞與襯套之間的滲漏，就要在主配壓閥活塞閥盤與襯套之間加大搭疊量，而搭疊量加大了調速器機械死區；由于主配壓閥活塞與襯套之間的間隙所造成的滲漏不可避免，因此在手動運行時就需要機械反饋來補償，否則，接力器就要漂移。

2　當前調速器的最新技術

水輪機調速器（以下簡稱調速器）是水電站重要的輔機設備之一，其可靠程度直接關系到整個電站的安全運行和機組本身的安全，所以，調速器的可靠性問題一直是水電站關注的重點，從20世紀50年代至今，我國調速器的發展經歷了從機調→電子管電調→晶體管電調→集成電路電調→單板機、單片微機調→PLC調速器→步進電機PLC調速器→數字閥PCC智能調速器的過程。“數字閥PCC智能調速器”是國家科技部創新基金項目，該項目產品已成功運行于各種型式水輪機發電機組并進入國際市場。“數字閥PCC智能調速器”榮登《世界經理人周刊》2005年中國500最佳新產品排行榜。數字閥PCC智能調速器是水電站擴容增效改造，提高自動化程度的首選產品。

PCC代表著一個全新的控制理念，它既具有可編程邏輯控制器(PLC)的標準控制功能（可靠性高、易擴展），又具有工業計算機（IPC）的系統功能（運算能力強、適時性好、編程方便等特點）。它能方便地處理開關量，模擬量，進行回路調節。并能用高級語言編程，具備大型機的分析運算能力。其硬件具有獨特新穎的插拔式模塊結構，可使系統得到靈活多樣的擴展和組合。軟件也具備模塊結構，系統擴展時只需在原有基礎上疊加運用軟件模塊。PCC的CPU為32位，運行效率高，具有高速的智能處理器TPU，TPU功能可使系統響應時間達到微秒級，而CPU不需作任何加載。用戶存儲器容量大。具有良好的電磁兼容能力和現場總線全面支持技術，體現了工控領域的發展方向。

數字閥PCC智能調速器，由于采用了PCC，從根本上解決了以往各種調速器的調節器硬件故障頻發、易受干擾或程序跑飛等問題；而由于采用數字閥技術，去掉了主配壓閥，從根本上解決了以往各種電調中電液轉換器易被油污卡阻的老大難問題；特別是由于采用了觸摸屏后，實現了全中文人機對話，易學易掌握,又從根本上解決了以往各種微機調速器的操作不直觀、似乎高深莫測的問題，由于上述三個根本問題的解決，該種調速器目前在很多大中型水電站得到廣泛應用，普遍反應良好。

3　調速器改造方案

原調速器經過多年的運行，調速器的可靠性已大為降低，直接影響著電站的安全生產。因此，對該類型調速器的改造是電站提升自身形象及機組自動化水平的必要舉措。

針對電站原調速器已使用多年，原有調速器已不適應現有技術等情況，電站油、氣、水管路已布置完成，且原有的油壓裝置等基礎部件運轉良好的特點，從用戶的角度出發，本著盡可能降低改造成本、減少因改造占用的發電時間的原則，提出以下改造方案。

將YT、YDT型（中、小型）調速器改造為YZFT型數字閥PCC可編程智能調速器。

將T、DT型（大型單調節）調速器改造為ZFT型數字閥PCC可編程智能調速器。

將ST、DST型（大型雙調節）調速器改造為ZFST數字閥PCC可編程智能調速器。

對于中小型調速器，僅保留原調速器油壓裝置和主接力器部分，對主配壓閥及以上部分進行更換。

對于大型調速器，僅保留原調速器基礎座部分，將原調速器進行整體更換。將油壓裝置中的安全閥、逆止閥改造為組合閥。

控制器采用奧地利貝加萊公司的可編程計算機控制器（PCC）。PCC的平均無故障時間MTBF高達50萬h。

采用數字閥替代傳統的電液轉換器和主配壓閥，降低對油質的要求，從根本上解決傳統調速器電液轉換元件由于油污造成的發卡的弊病。

無明油管路，大幅度減少漏損和油壓延程損失，提高油壓利用率。

人機對話采用彩色觸摸屏技術。

取消傳遞杠桿系統，消除由于桿系造成的調速器死區，提高調節品質，使機柜內部布置簡潔明快，增大檢修空間。

取消機械反饋，采用電氣反饋。

關鍵部件采用原裝進口設備，保證可用性及可靠性。

4　數字閥PCC智能調速器的主要特點及功能

數字閥PCC可編程智能調速器具有自動、電手動、手動三種操作方式，且可無條件無擾動切換。該調速器的實用性智能性很強，具有如下主要特點及功能（以大型雙調節調速器為例）。

（1）全新的控制理念。采用不同于常規PLC的新一代可編程計算機控制器--PCC，面向控制過程，采用高級語言，分析運算能力強，在同一CPU中能同時運行不同程序。程序運行時僅掃描部分程序，效率很高。

（2）全PCC化，具有極高的可靠性。從輸入到輸出,從測頻到控制脈沖等各環節均實現了PCC化。PCC的平均無故障時間MTBF高達50萬h，即57年。

（3）智能型調速器。采用自適應式變結構，變參數并聯PID調節，采用對常規PID調節器改進后的算法。自動識別電網的性質，并自動適應電站的各種特殊運行方式，如孤網運行，或由大電網解列為小電網運行的突變負荷等特殊情況，均可保證機組穩定運行。人性化設計，具有很強的自診斷、防錯、糾錯及容錯功能。當出現故障時，自動彈出故障診斷畫面，并自動顯示故障原因及處理辦法。

（4）多任務的優點。在傳統PLC中，并行處理是靠程序掃描來完成的。但事實上多任務才是并行處理的邏輯表達式，更簡單直接的方法就是采用多任務技術。PCC恰恰可以滿足這種需求，當某一任務在等待時，其他任務仍可繼續執行。這樣可以提高調節系統的性能指標。

（5）PCC的大內存，為智能型調速器提供了資源保證。用戶內存：1.5MB FLASH PROM。

（6）采用PCC高速計數模塊(HSC)測頻。PCC高達6.3MHz的計數頻率，具有很高的測頻精度和可靠性，從而使調速器的輸入通道－測頻環節的可靠性有了根本的保證。

（7）友好的人機界面。采用觸摸屏做為人機界面，畫面美觀逼真，全中文顯示，操作方便，可以同時顯示很多信息。具有多級密碼保護功能。持有密碼級別的高低，決定了對系統行使權利的大小。運行人員只能觀察到常規顯示畫面并進行常規操作，檢修人員或管理人員可對調節參數等進行修改。具有屏幕保護功能，以延長觸摸屏的壽命。

（8）采用數字協聯方式，且可現場修改協聯曲線并記憶修改后的數據，以便根據電站的實際條件按最優曲線運行，槳葉隨動系統準確度高。

（9）采用數字閥作為電液轉換元件。徹底解決了常規調速器電液轉換元件油污發卡的問題，使電站可以實現完全可靠的自動運行。具有故障鎖錠的功能。由于數字閥只有通/斷兩個狀態，且數字閥采用錐閥密封，可以保證在31.5MPa下無泄漏，所以，數字閥又具有液壓鎖的功能，因此，當測頻信號消失及斷電等情況時，具有故障鎖錠的功能。

（10）無杠桿結構。該系列調速器采用了數字閥液壓隨動系統，自動時有電氣返饋，手動無需反饋，因此取消了杠桿，消除了因為杠桿造成的死區，提高了調速系統的精度，而且無管路，結構簡單，美觀。

（11）具備折線關機功能，并由標準的插裝閥完成，結構簡單，動作可靠。

（12）零擾動手/自動切換。由于自動運行時，電磁球閥每次動作后都處于失電狀態；而切斷電源即為手動運行。手動運行時，電子調節器跟蹤接力器的實際開度。因此數字閥調速器實現了零擾動手/自動切換

（13）聯網方便。具有RS232或RS485通訊接口，可以方便地實現與上位機通訊，提高電站的自動化水平。

（14）具有頻率調節、開度調節、功率調節三種模式，并可實現調節模式間的無擾動切換。功率調節模式下，可接受上位機控制指令，實現發電自動控制功能(AGC)。

（15）具有很強的自診斷、防錯、糾錯及容錯功能，并可將有關故障信息顯示在屏幕上，或發出報警信號。具有下述在線診斷和容錯功能：模擬/數字轉換器和輸入通道故障；反饋通道故障；液壓控制系統故障；程序出錯和時鐘故障；事故關機回路故障；操作出錯；測頻回路故障；其他故障。

（16）維護簡單調試方便。由于PCC的高度集成化和高可靠性，對于運行維護人員沒有太高的特殊要求，調試只需設定有關數字，沒有太多的電位器等可調元件。

5　數字閥PCC智能調速器的構成

數字閥PCC智能調速器的結構框圖如圖1所示。調速器由調節器和電液隨動系統構成。

調節器主要由電源、可編程計算機控制器（PCC）、人機界面（觸模屏）等組成。PCC包括：CPU模塊、高速DI模塊、脈沖輸出模塊、A/D轉換模塊、開關量輸入/輸出模塊、通訊模塊及機架等。

電液隨動系統主要是執行機構，它將直接影響調速器的性能和可靠性。數字閥調速器以標準件—電磁球閥為先導閥，代替傳統的電液轉換器、比例閥或步進電機的電液轉換元件，以標準液壓元件—二通插裝閥為放大元件代替傳統的主配壓閥。其工作特點是以電磁球閥的通、斷控制插裝閥，插裝閥的通、斷來控制接力器。電磁球閥的工作狀態只有通、斷兩個狀態，也即相當于數字電路的高電平、低電平兩個狀態（即1、0），故將其稱為數字閥，由此構成的調速器稱為數字閥調速器。

圖1　數字閥PCC智能調速器結構框圖

6　數字閥PCC智能調速器的應用

目前，已有數百臺數字閥PCC智能調速器在水電站成功投運。部分電站試驗結果如表1所示，所列電站的水輪機均為軸流轉槳式水輪機。現場試驗結果表明，各項性能指標均優于國家標準“水輪機控制系統技術條件GB9652.1-2007”。所有投運的調速器均未出現任何故障，運行人員操作簡單，維護工作量很少。

改造后的調速器是節能型產品，由于數字閥技術的應用，使得調速器漏油量極低，降低了油泵的啟停頻率，在機組帶固定負荷時，確保油泵啟動時間間隔大于5 h，大大降低了電機的能耗，同時延長電機和油泵的使用壽命，為電站帶來可觀的經濟效益。得到用戶的一致好評。

表1　部分電站試驗結果表

7　結語

數字閥PCC可編程智能調速器不僅解決了傳統調速器的缺陷，而且可滿足現代水輪機調速器發展的要求，為實現水電站無人值班奠定了基礎。本項目產品己通過“國家中小型水電設備檢測中心”的技術檢測。國家科技部于2004年將“數字閥PCC智能調速器”確定為創新基金支持項目，天津市科音自控設備有限公司得到了科技部和天津市科委的無償資助，為該項技術的盡快推廣增添了動力。

參考文獻：

[1]齊 蓉．可編程計算機控制器原理及應用[M].西安：西北工業大學出版社，2002.

[2]米建國，劉忠良，錢軍輝，等.基于PCC可編程計算機控制器的數字閥調速器[J].水電站機電技術，2006（3）：22-24.

[3]米建國，劉忠良.數字閥PCC可編程智能調速器的研究及應用[C]//水電廠附屬設備技術進步研討會論文集，2005.

中圖分類號：TK730.4+1

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）02-0078-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.022

收稿日期：2014-10-12

基金項目：國家科技部創新基金項目“數字閥PCC智能調速器”（04C26211201022）。

作者簡介：米建國（1964-），男，教授級高級工程師，從事調速器的研究與開發工作。