大渡河安谷水電站調(diào)速器的選型設(shè)計(jì)

張 海 江， 余 林

(1.中國水電建設(shè)集團(tuán)圣達(dá)水電有限公司，四川 樂山 614013；2.中電建水電開發(fā)集團(tuán)有限公司，四川 成都 610041)

1 工程概況

安谷水電站是大渡河干流梯級(jí)開發(fā)中的最后一級(jí)，壩址位于大渡河安谷河段的生姜坡，上游距已建的沙灣水電站約35 km，下游距樂山市區(qū)約15 km。

安谷水電站的裝機(jī)容量為772 MW，裝設(shè)4臺(tái)單機(jī)容量為190 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組(1～4#機(jī)組)和1臺(tái)12 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組(5#機(jī)組)，水輪機(jī)型號(hào)為ZZD706-LH-865。安谷水電站正常蓄水位高程為398 m，額定水頭為33 m/21 m，設(shè)計(jì)引用流量為2 576 m3/s+64.9 m3/s。

安谷水電站調(diào)速器選用武漢長江控制設(shè)備研究所有限公司生產(chǎn)的WDST-200-6.3型調(diào)速器，為可編程雙微機(jī)控制、雙調(diào)節(jié)調(diào)速器。

2 安谷水電站水輪機(jī)調(diào)速器選型設(shè)計(jì)的基本原則

安谷水電站水輪機(jī)調(diào)速器選型設(shè)計(jì)主要遵循以下基本原則：

(1) 對(duì)調(diào)速器結(jié)構(gòu)的選擇。選擇當(dāng)前主流結(jié)構(gòu)模式，滿足技術(shù)先進(jìn)性要求。

(2) 對(duì)技術(shù)性能指標(biāo)的選擇。能達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的各項(xiàng)性能與技術(shù)要求。

(3) 對(duì)調(diào)速器各項(xiàng)功能設(shè)置的選擇。選擇能滿足區(qū)域電網(wǎng)要求以及能保障電廠安全發(fā)電和綜合自動(dòng)化的需要。

3 安谷水電站水輪機(jī)調(diào)速器的選型設(shè)計(jì)

3.1 調(diào)速器總體功能要求

根據(jù)電站運(yùn)行需要，安谷水電站調(diào)速器應(yīng)具有轉(zhuǎn)速控制、開度控制、功率控制、開停機(jī)和緊急停機(jī)控制、快速同步、導(dǎo)葉開度限制、導(dǎo)葉與槳葉協(xié)聯(lián)、頻率跟蹤控制、適應(yīng)式變參數(shù)、在線自診斷及處理，能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)及遠(yuǎn)方的手動(dòng)、自動(dòng)進(jìn)行水輪機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)、緊急停機(jī)、快速同步等功能。其必須具備投入一次調(diào)頻功能。當(dāng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)，應(yīng)自動(dòng)參與依次調(diào)頻。發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻應(yīng)滿足《華中電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻技術(shù)管理規(guī)定(試行)》(華中電監(jiān)市場(chǎng)[2006]32號(hào))的技術(shù)要求。應(yīng)具備AGC功能，滿足電網(wǎng)調(diào)整要求，調(diào)整速率原則上不小于80%/min的額定負(fù)荷。

調(diào)速器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，不造成水輪機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定和出力波動(dòng)。在外部系統(tǒng)事故時(shí)，能保證機(jī)組安全停機(jī)。調(diào)速器應(yīng)能現(xiàn)地和遠(yuǎn)方進(jìn)行機(jī)組的自動(dòng)、手動(dòng)開停機(jī)和事故停機(jī)；通過電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的機(jī)組現(xiàn)地控制單元(LCU)，以數(shù)據(jù)通信和開關(guān)量接口兩種方式向調(diào)速器發(fā)送各種調(diào)節(jié)命令，并采集調(diào)速器中的各種信號(hào)。

3.2 調(diào)速器結(jié)構(gòu)模式的選擇

當(dāng)前調(diào)速器的主流結(jié)構(gòu)模式均為并聯(lián)PID調(diào)節(jié)規(guī)律，因此，安谷水電站設(shè)計(jì)之初就明確調(diào)速器應(yīng)是成熟的、具有PID調(diào)節(jié)規(guī)律的雙調(diào)節(jié)數(shù)字式微機(jī)電液調(diào)速器。

3.3 調(diào)速設(shè)備的選擇

3.3.1 電液轉(zhuǎn)換裝置的選擇

導(dǎo)葉/槳葉電液轉(zhuǎn)換元件是將電氣信號(hào)和液壓信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的裝置，在很大程度上影響著調(diào)速器的精密性能和可靠性能。為保證設(shè)備的可靠性，安谷水電站電液轉(zhuǎn)換元件采用原裝進(jìn)口的、由德國BOSCH生產(chǎn)的比例伺服閥。該閥在國內(nèi)眾多大中型水電站中均有應(yīng)用，具有行程控制精度高、滯壞和不重復(fù)性小的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，在閥芯裝有位置控制傳感器反饋裝置，可將反饋信號(hào)引入電路形成閉環(huán)控制，在電磁鐵斷電時(shí)有“故障保險(xiǎn)”功能，以保證失電時(shí)閥芯回復(fù)到中位。

同時(shí)，為提高機(jī)械液壓系統(tǒng)的可靠性，明確主配壓閥以前的機(jī)械液壓系統(tǒng)采用對(duì)稱雙冗余結(jié)構(gòu)，采用兩個(gè)電磁比例閥作為調(diào)速器電液轉(zhuǎn)換器。

3.3.2 主配壓閥的選擇

主配壓閥是調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)末級(jí)液壓放大的最終控制閥，其作用是控制進(jìn)入主接力器的流量和方向。按照國內(nèi)電網(wǎng)的通用要求，調(diào)速器主配壓閥閥芯應(yīng)具有失電時(shí)自復(fù)中功能，且能實(shí)現(xiàn)機(jī)械純手動(dòng)功能。主配壓閥的直徑選擇應(yīng)保證通過主配壓閥的輸出流量能滿足主接力器全行程所需的最大流量，應(yīng)進(jìn)行主配壓閥的選型計(jì)算。

安谷水電站調(diào)速器的選型計(jì)算為：

導(dǎo)葉接力器容積Vd=0.65 m3；槳葉接力器容積Vj=0.97 m3；油在管道內(nèi)的流速v=4 m/s ；導(dǎo)葉最快關(guān)機(jī)時(shí)間Td=10 s；槳葉最快關(guān)機(jī)時(shí)間Tj=30 s。

=0.144(m)

=0.102(m)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)會(huì)上，經(jīng)業(yè)主、設(shè)計(jì)、制造廠三方確認(rèn)，主配壓閥直徑明確為200 mm。

安谷水電站主配壓閥選用美國GE公司生產(chǎn)的原裝進(jìn)口設(shè)備。

3.3.3 壓力油罐容積的計(jì)算

壓力油罐的作用是儲(chǔ)存能量并減小調(diào)速器工作時(shí)的壓力波動(dòng)，還可以使油泵間歇或短時(shí)間運(yùn)行，從而減小能耗使能量的利用更為合理。在額定工作油壓確定后，油壓裝置的選擇實(shí)際上是確定壓力油罐的容積。

安谷水電站油壓裝置計(jì)算如下：

(1)原始數(shù)據(jù)：導(dǎo)葉接力器容積為0.65 m3；槳葉接力器容積為0.97 m3；額定油壓為6.3 MPa；導(dǎo)葉、槳葉最低操作油壓Pmin為4.8 MPa；Pomax為額定工作壓力，6.3 MPa；Pomin為工作壓力下限，6 MPa；PT為緊急停機(jī)后的壓力(Pomin>PT>PR；PR為最低需要壓力(MPa)，取PR=Pmin+△P=4.8+0.1=4.9(MPa)。

(2)調(diào)速器工作壓力油罐總?cè)莘e計(jì)算。

壓力罐的油壓從Pomin降到PR時(shí)，壓力罐應(yīng)有的可用油容積VU為：

VU≥3Vd+(1.5～2)Vj

取VU=3Vd+2Vj=3×0.65+2×0.97

=3.89(m3)。

求工作油壓下限Pomin時(shí)的壓力罐內(nèi)空氣容積Vair。

由波義耳定律：

PominVomink=PRVRk=PR(Vomin+VU)k，k取1.25。

求壓力罐的總?cè)莘eVH：

VH=Vomin+VU+VRes=22.12+3.89+

0.2×3.89 =26.8(m3)

其中：VRes為剩余油量，通常為(0.1～0.2)VU。

綜合考慮電站的實(shí)際情況，調(diào)速器工作壓力罐容積最終取VH= 28 m3。

(3)調(diào)速器事故壓力罐總?cè)莘e計(jì)算。

當(dāng)水輪機(jī)組需事故停機(jī)時(shí)，調(diào)速器工作壓力罐切除，事故壓力罐和事故配壓閥關(guān)導(dǎo)葉接力器。

壓力罐的油壓從Pomin降到PR時(shí)，壓力罐應(yīng)有的可用油容積VU為：

VU≥1Vd

取VU=1.5；Vd=0.975 m3.

求工作油壓下限Pomin時(shí)的壓力罐內(nèi)空氣容積Vomin。

由波義耳定律：

PominVomink=PRVRk=PR(Vomin+VU)k

式中k取1.25。

求壓力罐的總?cè)莘eVH：

VH=Vomin+VU+VRes

=5.54+0.975+0.2×0.975

=6.71(m3)

其中：VRes為剩余油量，通常為(0.1～0.2)VU。

綜合考慮電站的實(shí)際情況，調(diào)速器工作壓力罐容積最終取VH=8 m3。

3.4 電氣控制設(shè)備的選型設(shè)計(jì)

安谷水電站的電氣控制采用雙微機(jī)冗余系統(tǒng)，兩臺(tái)控制器用交換機(jī)進(jìn)行主、備用切換。當(dāng)其中一個(gè)微機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)無擾動(dòng)切換到備用控制系統(tǒng)，進(jìn)而極大地增強(qiáng)了設(shè)備的可靠性。

調(diào)速器電氣控制部分包括硬件和調(diào)節(jié)軟件兩部分。電氣硬件主要包括：測(cè)頻環(huán)節(jié)、開關(guān)量輸入輸出、模擬量輸入輸出、比例閥驅(qū)動(dòng)、與上位機(jī)通訊接口、人機(jī)界面等；調(diào)節(jié)軟件主要包括：PID調(diào)節(jié)規(guī)律、程序軟件、通訊協(xié)議等。

4 結(jié) 語

筆者介紹了安谷水電站調(diào)速器選型設(shè)計(jì)的基本原則，簡(jiǎn)單闡述了調(diào)速設(shè)備以及電氣控制設(shè)備的選型、計(jì)算情況，作為對(duì)該工程建設(shè)過程中設(shè)備選型的一個(gè)回顧。

截至目前，安谷水電站已成功投運(yùn)兩年，從安谷水電站機(jī)組運(yùn)行情況看，調(diào)速器充分發(fā)揮了其應(yīng)有的作用，未出現(xiàn)技術(shù)、功能隱患，說明安谷水電站調(diào)速器的設(shè)計(jì)選型符合需要，滿足規(guī)范。

[1] 魏守平.現(xiàn)代水輪機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.