小浪底水電站6號機組筒閥系統更新改造

楊 平，張延智，王世魁

（1.黃河明珠水利水電建設有限公司，河南省三門峽市 472000；2.黃河水利水電開發總公司，河南省濟源市 459017）

小浪底水電站位于河南省濟源市與洛陽市孟津縣交界處，是黃河最后一個峽谷出口，安裝了6臺300MW混流式水輪發電機組，是河南電網重要的調峰調頻電廠。由于黃河多泥沙、小浪底機組設計年利用小時數低等因素，小浪底水電廠機組采用了目前國內較為少用的筒閥。小浪底機組的調速器和筒閥液壓系統共用一套壓油系統，兩者電氣部分相互獨立控制。

筒閥安裝在固定導葉和活動導葉之間，如圖1所示，在機組正常開機時，先提升筒閥，再打開導葉。正常關機時，則先關閉導葉，再關閉筒閥。當發生事故時，筒閥快速關閉；當調速系統失靈時，筒閥靠自重實現動水自動關閉，防止事故擴大。

1 筒閥簡介

圖1 筒閥結構示意圖

筒閥為碳鋼筒形環狀體，分成二瓣制作，在現場組焊調圓，直徑為8100 mm、高1710 mm、厚142mm。筒閥的外圓均勻分布10個青銅導軌，在與導軌相對應的10個固定導葉的出水邊加工與導軌相配合的導向面，在筒閥上下移動時起導向作用，避免發生傾斜[1]。為避免筒閥在下落時發卡，筒閥體的底部外緣成圓弧狀，便于筒閥關閉。

筒閥系統分為油壓裝置和液壓控制系統。油壓裝置由兩臺壓油泵向壓油罐供油，其額定工作壓力為6.4MPa，當油壓系統壓力低于6MPa時，啟動主泵，當油壓系統壓力低于5.8MPa時，啟動主泵和備泵。液壓控制系統由1套控制模塊、1個分流模塊、5個配油模塊及5臺直缸液壓接力器組成。控制模塊主要通過接收PLC的信號來控制比例電磁閥開啟或關閉的油口開度，進而控制接力器的開啟或關閉速度。分流模塊通過同軸液壓馬達來實現控制管路的集成布置。配油模塊通過粗調電磁閥、微調電磁閥、液控單向閥來調整筒閥接力器上下腔供、排油和電氣同步。

筒閥系統的同步調整功能主要通過一套PLC來實現，如圖2所示，安裝在5個筒閥接力器上的直線位移傳感器，實時向PLC反饋筒閥接力器位置。當筒閥打開或關閉時，PLC通過接力器的位移及位移偏差運算，輸出電壓量信號控制比例閥開度，從而控制筒閥動作速度。當接力器的偏差小于允許位移偏差時，則認為筒閥同步運行；當接力器的偏差大于允許偏差，未超過最大偏差，則PLC通過配油模塊中的粗調電磁閥和微調電磁閥調節筒閥偏差，使筒閥重新保持同步運行。當筒閥接力器偏差超過最大偏差時，筒閥報“發卡”信號，并停止工作。

2 改造原因

筒閥系統經多年運行，總體運行穩定可靠，故障率低，但也存在以下問題：

圖2 筒閥液壓同步控制系統原理圖

（1）筒閥系統電氣控制核心元件采用美國SAIA公司生產的PLC，該類型PLC已停產。

（2）筒閥系統電氣控制部分已進入壽命末年，故障率和缺陷發生率明顯增高。

（3）筒閥系統未改造前，其主要以信號燈和按鈕為主，缺乏各個重要狀態點的數據監測和趨勢分析功能，不能完全滿足現設備維護需求，給實際維護檢修工作帶來不便。

（4）筒閥系統對油質要求很高，現場油的清潔度難以滿足要求，液壓管路中存在的金屬碎屑等雜質易使比例閥、調節電磁閥等元器件無法正常工作，導致筒閥發卡。為改善油質問題，在壓油裝置加裝在線濾油裝置和慮水裝置，較大程度改善液壓油質量。當機組長時間并網運行，筒閥長期處于全開狀態，待停機時仍然會發生筒閥發卡的情況，無法得到很好的解決。

3 改造方案

小浪底水電站承擔著河南電網調峰調頻任務，年機組開停機次數約500次/臺，筒閥系統常年頻繁動作。小浪底水電站原筒閥系統具有操作靈活方便、開閉速度快、密封良好等特點，比較適應小浪底水電站機組工作要求。綜合權衡筒閥系統的優點和存在的問題，決定于2015年8月至2015年9月對小浪底水電站6號機組筒閥系統電氣部分進行了更新改造，使用美國SAIA公司生產的型號為PCD 3.M5540的PLC作為控制核心，并針對以上問題進行了重新優化。

3.1 測量系統

筒閥位移測量的準確性是保持筒閥接力器同步的重要環節。在原測量系統中，接力器位置測量由BTA-D11數字處理卡和與其配套的BTL2/5位移傳感器（安裝在接力器頂部）完成。傳感器為磁桿結構，可直接測出接力器活塞位置的絕對值。傳感器配置16位輸出，將位移信號通過PLC的通道以16位不連續信號輸入PLC。BTA-D11以最高達1Hz的頻率發送10V方波給BTL2。BTL2根據磁桿的位移量返回方波，返回的方波中包含了位移與時間的關系，由此可計算出某一時刻位移的大小，即筒閥接力器的位置。

鑒于筒閥改造不能在大修期間進行，舊傳感器則無法得到更換。在新測量系統中，筒閥接力器位置測量采用兩套測量系統。第一套為BTME1UV300數字處理卡和與其配套的BTL2/5位移傳感器組成（目前采用此測量系統），測量原理同舊測量系統；第二套采用BTL7位移傳感器，測量信號通過4～20mA模擬量直接傳輸給PLC（待大修時更換BTL7，并切換位移測量系統）。新測量系統中采用容錯處理，當一個筒閥接力器位移傳感器出現故障，使用相鄰兩個筒閥接力器位移信號平均值代替。

3.2 電氣同步系統

原筒閥電氣同步系統，PLC內部設定了與筒閥接力器位移相關的允許偏差，以筒閥接力器活塞中位置最低的接力器位移作為基準值。如圖3所示，在筒閥運動過程中，當筒閥其他4個接力器與基準接力器之間的最大偏差小于允許偏差，則認為筒閥運行同步；如果某個接力器位移與基準接力器位移的偏差大于允許偏差的30%，則微調電磁閥動作使接力器下腔排油；如果偏差大于允許偏差的70%，則粗調電磁閥動作使接力器下腔排油，從而使有偏差的接力器與其他接力器保持同步。如果實際偏差大于允許偏差，經過延時反向運動仍不能調整到允許偏差范圍之內，筒閥停止運動，發出發卡報警。

新筒閥同步系統中，同步控制方式更加精準、智能、安全、可靠、多樣，主要體現在：基準值選取、同步判斷、同步調整、減速運行、報警處理等方面。

圖3 筒閥運行允許誤差曲線

基準值選取方式共三種，以接力器活塞相對位置最小值作為基準；以接力器活塞相對位置最大值作為基準；以接力器活塞位置平均值作為基準。筒閥控制柜觸摸屏OP可選擇任何一種基準值，筒閥處于自動方式下時自動以最小值為基準值。

同步判斷主要是接力器位置值與基準值之間偏差的計算和判斷、相鄰接力器之間位置值的偏差計算和判斷。當接力器位置值與基準值之間偏差小于5mm或者相鄰接力器之間位置值偏差小于3mm，認為筒閥同步運行，否則筒閥處于不同步運行或者發卡。

同步調整主要是當接力器位置值與基準值之間偏差大于5mm時，微調電磁閥動作，當接力器位置值與基準值之間偏差大于7mm時，粗調電磁閥動作。當相鄰接力器之間位置值偏差大于3mm時，微調電磁閥動作。

減速運行分為筒閥減速一級速度運行和在減速基礎上再減一級速度運行兩種方式。當超過3個細調電磁閥動作、超過2個粗調電磁閥動作、接力器位置值與基準值之間偏差大于12mm并延時5s后、相鄰接力器之間位置值偏差大于10mm并延時5s則筒閥減一級速度運行。當超過5個細調電磁閥動作、超過3個粗調電磁閥動作、接力器位置值與基準值之間偏差大于12mm并延時10s后、相鄰接力器之間位置值偏差大于12mm并延時5s則筒閥再減一級速度運行。

在筒閥報警處理方面，當接力器位置值與基準值之間偏差大于12mm，直接報警；當接力器位置值與基準值之間偏差大于15mm，延時2s后報筒閥發卡；開啟或關閉筒閥時，超過3min則停止運行，并發出延時報警。

3.3 速度控制

筒閥在運動過程中，PLC按照曲線（如圖4所示）向比例閥發出調節信號，比例閥根據調節信號控制開啟側或關閉側的油口開度，進而控制接力器運動速度。在筒閥運動過程中，中間段速度為最大，起始段和終止段運動速度相對小很多。此設計方法是為了防止筒閥在行程的起始段和終止段運動速度過快產生發卡或撞擊到相鄰部件。

筒閥新系統程序中，筒閥速度控制分為13段，如圖5所示，筒閥運動速度曲線形如梯狀。在筒閥提升的起動階段，輔助電磁閥向5個接力器下腔供高壓油沖洗，幫助筒閥起動快速脫離底座。筒閥開度隨比例閥開度不斷增加，筒閥運動速度也隨之分段變化。筒閥運動速度不斷上升，在筒閥47.5%至52.5%開度時速度達到最大值。筒閥開度持續增加直至筒閥全開，筒閥運動速度逐漸下降。當筒閥達到全開時輔助電磁閥勵磁，接力器下腔注入高壓油，筒閥保持全開狀態不下落。筒閥下落與提升過程類同，當筒閥達到全關時輔助電磁閥勵磁，接力器下腔油被排空，筒閥保持全關狀態。

圖4 筒閥運行速度曲線

當機組長時間并網運行，筒閥長期處于全開狀態，待停機時仍然會發生筒閥發卡，無法下落的情況。改造后，通過先打開輔助電磁閥，使筒閥下腔供油和排油管路接通，對筒閥接力器下腔持續3s沖洗，保證筒閥順利下落。

圖5 筒閥運動速度曲線（新）

4 結束語

小浪底水電站機組筒閥系統自投運以來，其可靠性、控制精度、運行穩定性相對較好。通過對小浪底水電站6號機組筒閥系統更新改造，運行穩定性和可靠性得到了進一步的提升，原筒閥系統存在的不足得到了很好的解決，運行性能較之前有了很大程度地提高。鑒于筒閥系統改造完成時間較短，我們將對筒閥系統以后的運行狀態繼續加以關注。

[1] 張建生，劉定友，趙旭春.電液同步控制筒閥在小浪底水電廠的應用.水電自動化與大壩監測，2003，27（4）:29-31.

[2] 馬新紅，李濤，鐘光華.小浪底電廠筒閥液壓控制系統.大電機技術，2006，2:67-70.

[3] 馬新紅，等.小浪底水電站筒閥發卡信號出現原因分析.水力發電，2006，32（2）:89-91.