巨型水輪機調速器主配電氣中位整定關鍵技術研究與應用

涂 勇，陳自然，陸勁松，李志祥

（向家壩水力發電廠，四川宜賓644612）

0 引 言

水力發電過程中，水輪發電機組調速器控制系統需要精準完成機組的轉速調節、開度調節、功率調節及工況輪轉控制等重要核心任務［1］，其通過控制接力環旋轉動作來控制水輪機導葉開度，實現調節通過水輪機蝸殼水流流量的目標，最終使被控對象的電能質量關鍵指標，即頻率和有功輸出滿足電網要求［2］。調速器調節性能好壞與電網能否安全穩定優質運行密切相關。特別是800 MW 單機大容量機組，一旦水輪機調節系統調節品質不佳，將嚴重影響電網電能質量。如何保障巨型機組安全穩定運行是一個值得關注和研究的課題［3］。為提升調速器控制系統的調節控制性能和品質，增強調速器糾錯容錯能力，科研小組對調速器液壓隨動系統進行了深入研究。通過建立數學模型，提出了靜態和動態平衡理論，在明確主配頻繁調節原因的基礎上探索出了主配電氣中位自動診斷方法、自動整定方法、直接整定方法及改進型直接整定方法等一系列可精確快速整定主配電氣中位的技術方法，并將其成功應用于調速器現場檢修作業。現場測試和投運效果表明，該技術方法有效解決了調速器系統主配頻繁調節這一長期困擾調速專業的現場難題。

1 主配頻繁調節問題簡介

當機組導葉開度給定值穩定不變時，實際導葉開度在調速器調節穩定后出現持續增大或減小趨勢，調速器主配出現周期性單方向調節，若主配調節周期小于某一閾值，則將這種現象稱為主配頻繁調節現象［4］。

為了從理論上對控制系統進行定性的分析和定量的計算，首先要建立系統的數學模型［5］。經對調速器液壓跟隨系統進行數學建模，深入研究，發現該現象與以下兩個因素有關［4］：①比例閥電氣中位未整定準確；②主配壓閥電氣中位未整定準確。

主配頻繁調節問題會導致調速器出現一系列設備問題，嚴重影響機組正常運行。若在機組處于并網運行狀態情況下，讓設備維護人員處理該問題，將面臨很高的風險，但如果將機組解列或停機處理，又不可避免會導致水電站棄水，從而影響整個電站的發電效益和經濟指標。

2 主配電氣中位自動診斷及整定技術

從根源入手，對調速器液壓隨動系統進行專項研究，探索出一種調速器主配中位自動診斷及智能整定方法［4］。該方法不僅廣泛適用于使用比例閥、主配作為電液轉換和液壓放大環節的水輪發電機組，通過技術升級，也適用于采用其他裝置作為電液轉換和液壓放大環節的水輪發電機組。該方法可廣泛應用于機組停機檢修時，調速器主配電氣中位的自動整定。

2.1 主配電氣中位整定原理

調速系統液壓隨動系統由電液轉換元件、液壓控制元件和執行元件等組成［6］。為了使控制系統的表示既簡單又明了，在控制工程中一般繪制控制系統的框圖進行分析研究［7］。水輪機調節系統是一個閉環系統，水輪機控制系統自身也是一個閉環系統［8］。采用閉環控制的系統框圖如圖1所示。

圖1在導葉開度控制模塊輸出的主配位置給定M給定疊加一個主配試驗信號M試驗，用以調速器電氣控制系統自動測量主配動作死區，未進行主配動作死區測量時，M試驗=0。

設主配電氣中位設定值為M中，△Y為Y給定和Y之差，開度死區為Y死區，主配死區為［M關，M開］，M關＜0 且M開＞0。當調速系統Y給定穩定不變，系統靜態平衡時，比例閥閥芯位置設為B0平衡。比例閥死區很小，故可以理想化處理，縮小成一個點，設比例閥的實際中位為B0實際。

當系統處于靜態平衡狀態時，以下公式關系成立：

由公式（1）～（6）可以得到：

由式（7）可以發現，當系統處于靜態平衡狀態時，若比例閥中位已設定準確，進行主配動作死區測量，M會跟隨M試驗，否則，M為0，物理含義為電氣控制系統將主配壓閥閥芯位置調節到主配電氣中位。

當M中未準確整定時，就會導致主配位置M?［M關，M開］，此時Y開始變化。當M＜M關時，Y開始減小；當M＞M開時，Y開始增大［4］。

當︱Y給定-Y︱＞Y死區時，系統所處的靜態平衡狀態會被打破，調速器電控系統開始驅動比例閥、主配以及接力器動作，將Y調節至Y給定附近位置，當︱Y給定-Y︱≤Y死區時，系統又重新進入靜態平衡狀態。

在調速器液壓隨動系統主配電氣中位偏移的持續影響下，整個過程持續循環進行，這就是調速器液壓隨動系統的動態平衡。主配電氣中位的漂移情況越嚴重，這個過程的周期就越短，調速器主配及導葉調節就越頻繁。

為了解決調速器液壓隨動系統主配和比例閥中位偏移，設定不準確的問題，就需要實時對調速器主配和比例閥電氣中位進行自動診斷和智能整定。

自動整定主配電氣中位方法就是確定主配開關向死區臨界點對應的主配位置反饋通道值M開和M關，或者通過自動改變M中，找到使導葉具有關和開趨勢的對稱調節周期點M1和M2，取其中間值作為M中。

2.2 主配電氣中位自動診斷方法

系統自診斷功能：系統發生故障時能及時做出判斷，并發出報警信號，給出故障產生原因的推斷［9］。科研小組基于主配電氣中位整定原理，探索出一種基于液壓隨動系統動態平衡理論的自動診斷方法，步驟如下：①采集M給定，Y給定等變量參數；②檢測主配電氣中位偏移判據條件是否滿足：當系統開度給定保持不變時，閾值T大于系統主配位置給定的調節周期。在系統中位設置合理的情況下，調節周期通常還與Y死區大小和水輪機接力器漂移速度的快慢有關，基于系統運行應用工況需求，T設定值大于或等于20 s；③若符合，則診斷環節完成，進入自動整定環節；若不符合，返回①。

2.3 主配電氣中位自動整定方法

根據2.1 中主配電氣中位整定原理，可以找到一種基于液壓隨動系統動態平衡的調速器主配電氣中位自動整定方法，步驟如下：①實時采集M，Y等數據；②檢測當∣M∣≤ε穩定不變時，Y的變化趨勢；③若Y逐漸減小，則M試驗以M給定的最高單位精度j為步長，逐漸增大；自動判斷Y開始不變和開始增大的臨界點，將臨界點的主配位置反饋通道值M通記錄為主配的關方向動作死區M關和開方向動作死區M開；④若Y逐漸增大，則M試驗以M給定的最高單位精度j為步長，逐漸減小；自動判斷Y開始不變和開始減小的臨界點，將臨界點的主配位置反饋通道值M通記錄為主配的關方向動作死區M開和開方向動作死區M關；⑤將M中設為（M關+M開）/2，即完成了調速器主配電氣中位自動整定，返回主配電氣中位自動診斷環節。本方法示意圖如圖2所示。

2.4 主配電氣中位改進型自動整定方法

實際應用中，由于導葉開度傳感器測量精度不夠，測量值會出現來回小幅往復跳變情況，很難準確判斷Y變化趨勢。為此，基于主配電氣中位整定原理，在主配電氣中位自動整定方法的基礎上，探索一種主配電氣中位改進型自動整定方法，步驟如下：①采集Y給定，M給定等變量參數；②檢測當液壓隨動系統Y給定保持穩定不變時，計算調速器電控程序中M給定的調節周期；③若閾值T大于主配調節周期，且主配為關方向調節時，則M中以最高單位精度值為步長逐漸減小，且調整周期與主配的調節周期成正比例；若閾值T大于主配調節周期，且主配為開方向調節時，則M中以最高單位精度值為步長逐漸增加，且調整周期與主配的調節周期成正比例；④檢測M給定調節周期是否滿足以下判據，若M給定調節周期增大過程中首次大于閾值T′時，記錄此時M中的值為M1；若M給定調節周期減小過程中首次小于閾值T′時，記錄此時M中的值為M2；若未確定M2則返回步驟①；⑤將M中設為（M1+M2）/2，即完成了調速器主配中位自動定位，進入比例閥電氣中位漂移自動診斷環節。

調速器電控程序中M中調整步長越小，調整速度越慢，調整周期就越長，測量計算M給定調節周期的結果就越精確，從而M中的整定結果更精確，離主配電氣中位實際值就越接近。本方法示意圖如圖3所示。

2.5 主配電氣中位直接整定方法

調速器電氣部分檢修過程中，需要整定校核主配電氣中位參數設置是否準確，基于主配中位整定原理，結合調速器現場檢修需求，探索出一種無需調速器主配中位診斷，直接進行主配電氣中位自動整定的方法，步驟如下：①調速器主配電氣中位根據主配機械中位初設；②采集M給定，Y給定等變量參數；③檢測當液壓隨動系統Y給定保持穩定不變時，計算調速器電控程序中M給定的調節周期；④以M中最高單位精度值為步長，周期性增加M中，若M給定調節周期減小過程中首次小于閾值T’時，記錄此時M中的值為M1，M中返回主配電氣中位初設值；⑤以M中最高單位精度值為步長，周期性減小M中，若M給定調節周期減小過程中首次小于閾值T’時，記錄此時M中的值為M2；⑥將M中設為（M1+M2）/2，即完成了調速器主配中位自動定位，整定完畢。

調速器電控程序中M中調整步長越小，調整速度越慢，調整周期就越長，測量計算M給定調節周期的結果就越精確，從而M中的整定結果更精確，離主配電氣中位實際值就越接近。本方法的示意圖如圖4所示。

2.6 主配電氣中位改進型直接整定方法

主配電氣中位直接整定方法實際運用過程中，M中調整周期越長，整定耗時越長；M中調整周期越短，M中整定結果準確度越低。為減少整定時長，同時提高整定結果準確度，根據2.1 中主配中位整定原理，在2.5 主配電氣中位直接整定方法的基礎上，結合實際應用情況，找到一種主配電氣中位改進型直接整定方法，步驟如下：①調速器主配電氣中位根據主配機械中位初設；②采集M給定，Y給定等變量參數；③檢測當液壓隨動系統Y給定保持穩定不變時，計算調速器電控程序中M給定的調節周期；④以M中最高單位精度值為步長，周期性快速增加M中，若M給定調節周期減小過程中首次小于閾值T′，然后周期性慢速減小M中，若M給定調節周期減小過程中首次大于閾值T″時，記錄此時M中的值為M1，M中返回主配電氣中位初設值；⑤以M中最高單位精度值為步長，周期性快速減小M中，若M給定調節周期減小過程中首次小于閾值T′，然后周期性慢速增加M中，若M給定調節周期減小過程中首次大于閾值T″時，記錄此時M中的值為M2；⑥將M中設為（M1+M2）/2，即完成了調速器主配中位自動定位，整定完畢。

快速調整M中階段，適當減小調整周期，可以縮短整個主配中位整定過程消耗時長。

慢速調整M中階段，適當增大調整周期，可以提高主配調節周期的測量精度，最終整定結果越接近主配電氣中位實際值。本方法的示意圖如圖5所示。

3 主配中位自動診斷及整定功能開發

3.1 人機界面設計

人機界面一般用于同PLC 等控制器進行信息通訊，用于顯示控制器中采集或計算出的數據，并把需要控制的設定數值或設備的開關信號送入PLC 等控制器中［10］。觸摸屏畫面設計見圖6。

3.2 主配電氣中位自動診斷及整定功能軟件設計

根據主配電氣中位自動診斷和整定方法，繪制軟件設計流程圖如圖7所示。

實際應用中，由于很難準確判斷Y變化趨勢，為此探索了一種改進優化的方法，即對稱確定使M給定互為反向，M給定調節周期均為T′的主配位置反饋中位值M1和M2，取其中間值作為M中。優化改進后，軟件設計流程圖如圖8所示。

3.3 主配電氣中位直接整定功能軟件設計

根據2.5 中一種主配電氣中位直接整定方法，繪制軟件設計流程圖如圖9所示。

為減少整定時長，同時提高整定結果準確度，根據2.6 中一種主配電氣中位改進型直接整定方法。繪制軟件設計流程圖如圖10所示。

4 現場應用測試

調速器增加主配電氣中位整定功能后，進行現場試驗并對試驗數據進行分析。

4.1 試驗過程

將試驗機組調速器控制方式切為電手動運行方式，比例閥和主配、接力器作為執行機構，完成比例閥中位調整，并已準確設定比例閥中位。導葉開度開至40%，模擬機組并網負載態，強制輸入機組轉速50 Hz信號，開度給定值保持穩定不變，主配電氣中位根據主配機械中位設定為16 595 后，進行試驗，M中調整周期初始階段為1 s，在整定過程中M給定調節周期小于T′后，調整為M給定調節周期，T′設為10 s，T″設為30 s，M給定調節周期初始值為25 s。

4.2 試驗數據

試驗波形圖見圖11。圖11中，藍色為M給定調節周期曲線，紅色為M中曲線。

4.3 試驗分析

由圖11可見，第19.1 s，啟動整定功能，M中以每1 s增加1個碼值的速度變化，第154.7 s檢測到T′大于主配調節周期后，M中以主配調節周期為周期，1 個碼值為步長，逐漸減小，實時計算主配調節周期，直到第605.5 s，閾值T″開始小于主配調節周期，記錄M1為16 689，M中恢復初設值16 595，然后M中以每1 s 減小1個碼值的速度變化，第949.9 s檢測到T′大于主配調節周期后，M中以主配調節周期為周期，1 個碼值為步長，逐漸增加，實時計算主配調節周期，直到第1 527.7 s，閾值T″開始小于主配調節周期，記錄M2為16 324，主配電氣中位最終的整定計算結果為16 506，整定結束。M中調整周期越長，最終試驗結果越精準。

5 結 語

本技術成果革新了調速器檢修作業方法，替代了人工，實現了自動化作業，根本解決了機組運行中，調速器主配和比例閥中位整定不準確導致的主配頻繁調節問題，提高了調速器智能化水平，實現了容錯機制，提高檢修作業精度和檢修效率，為實現精益檢修，推動水力發電科學技術進步，提高設備運行穩定性和可靠性，避免缺陷處理導致電站棄水和機組等效可用系數下降做出了貢獻。同時，對于提高發電效益，避免因設備問題導致發生電網停電等影響社會民生的電力事故也有積極和深遠的意義。