大渡河安谷水電站調速器的選型設計

張 海 江， 余 林

(1.中國水電建設集團圣達水電有限公司，四川 樂山 614013；2.中電建水電開發集團有限公司，四川 成都 610041)

1 工程概況

安谷水電站是大渡河干流梯級開發中的最后一級，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，下游距樂山市區約15 km。

安谷水電站的裝機容量為772 MW，裝設4臺單機容量為190 MW的軸流轉槳式水輪發電機組(1～4#機組)和1臺12 MW的軸流轉槳式水輪發電機組(5#機組)，水輪機型號為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，設計引用流量為2 576 m3/s+64.9 m3/s。

安谷水電站調速器選用武漢長江控制設備研究所有限公司生產的WDST-200-6.3型調速器，為可編程雙微機控制、雙調節調速器。

2 安谷水電站水輪機調速器選型設計的基本原則

安谷水電站水輪機調速器選型設計主要遵循以下基本原則：

(1) 對調速器結構的選擇。選擇當前主流結構模式，滿足技術先進性要求。

(2) 對技術性能指標的選擇。能達到國際標準和行業標準所規定的各項性能與技術要求。

(3) 對調速器各項功能設置的選擇。選擇能滿足區域電網要求以及能保障電廠安全發電和綜合自動化的需要。

3 安谷水電站水輪機調速器的選型設計

3.1 調速器總體功能要求

根據電站運行需要，安谷水電站調速器應具有轉速控制、開度控制、功率控制、開停機和緊急停機控制、快速同步、導葉開度限制、導葉與槳葉協聯、頻率跟蹤控制、適應式變參數、在線自診斷及處理，能實現現場及遠方的手動、自動進行水輪機啟動、停機、緊急停機、快速同步等功能。其必須具備投入一次調頻功能。當電網頻率波動時，應自動參與依次調頻。發電機組一次調頻應滿足《華中電網發電機組一次調頻技術管理規定(試行)》(華中電監市場[2006]32號)的技術要求。應具備AGC功能，滿足電網調整要求，調整速率原則上不小于80%/min的額定負荷。

調速器內部發生故障時，不造成水輪機運行不穩定和出力波動。在外部系統事故時，能保證機組安全停機。調速器應能現地和遠方進行機組的自動、手動開停機和事故停機；通過電站計算機監控系統的機組現地控制單元(LCU)，以數據通信和開關量接口兩種方式向調速器發送各種調節命令，并采集調速器中的各種信號。

3.2 調速器結構模式的選擇

當前調速器的主流結構模式均為并聯PID調節規律，因此，安谷水電站設計之初就明確調速器應是成熟的、具有PID調節規律的雙調節數字式微機電液調速器。

3.3 調速設備的選擇

3.3.1 電液轉換裝置的選擇

導葉/槳葉電液轉換元件是將電氣信號和液壓信號相互轉換的裝置，在很大程度上影響著調速器的精密性能和可靠性能。為保證設備的可靠性，安谷水電站電液轉換元件采用原裝進口的、由德國BOSCH生產的比例伺服閥。該閥在國內眾多大中型水電站中均有應用，具有行程控制精度高、滯壞和不重復性小的優點，同時，在閥芯裝有位置控制傳感器反饋裝置，可將反饋信號引入電路形成閉環控制，在電磁鐵斷電時有“故障保險”功能，以保證失電時閥芯回復到中位。

同時，為提高機械液壓系統的可靠性，明確主配壓閥以前的機械液壓系統采用對稱雙冗余結構，采用兩個電磁比例閥作為調速器電液轉換器。

3.3.2 主配壓閥的選擇

主配壓閥是調速器機械液壓系統末級液壓放大的最終控制閥，其作用是控制進入主接力器的流量和方向。按照國內電網的通用要求，調速器主配壓閥閥芯應具有失電時自復中功能，且能實現機械純手動功能。主配壓閥的直徑選擇應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，應進行主配壓閥的選型計算。

安谷水電站調速器的選型計算為：

導葉接力器容積Vd=0.65 m3；槳葉接力器容積Vj=0.97 m3；油在管道內的流速v=4 m/s ；導葉最快關機時間Td=10 s；槳葉最快關機時間Tj=30 s。

=0.144(m)

=0.102(m)

根據計算結果，在設計聯絡會上，經業主、設計、制造廠三方確認，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公司生產的原裝進口設備。

3.3.3 壓力油罐容積的計算

壓力油罐的作用是儲存能量并減小調速器工作時的壓力波動，還可以使油泵間歇或短時間運行，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，油壓裝置的選擇實際上是確定壓力油罐的容積。

安谷水電站油壓裝置計算如下：

(1)原始數據：導葉接力器容積為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)調速器工作壓力油罐總容積計算。

壓力罐的油壓從Pomin降到PR時，壓力罐應有的可用油容積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時的壓力罐內空氣容積Vair。

由波義耳定律：

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

求壓力罐的總容積VH：

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。

綜合考慮電站的實際情況，調速器工作壓力罐容積最終取VH= 28 m3。

(3)調速器事故壓力罐總容積計算。

當水輪機組需事故停機時，調速器工作壓力罐切除，事故壓力罐和事故配壓閥關導葉接力器。

壓力罐的油壓從Pomin降到PR時，壓力罐應有的可用油容積VU為：

VU≥1Vd

取VU=1.5；Vd=0.975 m3.

求工作油壓下限Pomin時的壓力罐內空氣容積Vomin。

由波義耳定律：

PominVomink=PRVRk=PR(Vomin+VU)k

式中k取1.25。

求壓力罐的總容積VH：

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。

綜合考慮電站的實際情況，調速器工作壓力罐容積最終取VH=8 m3。

3.4 電氣控制設備的選型設計

安谷水電站的電氣控制采用雙微機冗余系統，兩臺控制器用交換機進行主、備用切換。當其中一個微機系統出現故障時，系統自動無擾動切換到備用控制系統，進而極大地增強了設備的可靠性。

調速器電氣控制部分包括硬件和調節軟件兩部分。電氣硬件主要包括：測頻環節、開關量輸入輸出、模擬量輸入輸出、比例閥驅動、與上位機通訊接口、人機界面等；調節軟件主要包括：PID調節規律、程序軟件、通訊協議等。

4 結 語

筆者介紹了安谷水電站調速器選型設計的基本原則，簡單闡述了調速設備以及電氣控制設備的選型、計算情況，作為對該工程建設過程中設備選型的一個回顧。

截至目前，安谷水電站已成功投運兩年，從安谷水電站機組運行情況看，調速器充分發揮了其應有的作用，未出現技術、功能隱患，說明安谷水電站調速器的設計選型符合需要，滿足規范。

[1] 魏守平.現代水輪機調節技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2002.