數(shù)字式調(diào)速器在燈泡貫流式機(jī)組中的應(yīng)用

五凌電力有限公司株溪口電廠 申潘威 劉 禹 莫建安

株溪口電廠裝由4臺18.5MW、總裝機(jī)容量為74MW 的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組組成，水輪機(jī)采用了安德里茨研制的三槳葉轉(zhuǎn)輪，機(jī)組由浙富生產(chǎn)并提供，調(diào)速器型號為PSW（S）T 型微機(jī)調(diào)速器，由武漢三聯(lián)生產(chǎn)，并于2008年投入生產(chǎn)。投產(chǎn)后調(diào)速器暴露出了導(dǎo)葉主配限位塊頻繁斷裂、調(diào)速系統(tǒng)油壓裝置保壓時間短、主配卡澀等諸多問題。針對這些問題電廠在2017年對調(diào)速器進(jìn)行了換型改造，后面陸續(xù)完成了4臺機(jī)組的改造工作。經(jīng)過4年的運(yùn)行觀察，改造后調(diào)速器運(yùn)行效果良好。

株溪口電廠4臺機(jī)組調(diào)速器由伺服電機(jī)+主配壓閥換型改造成數(shù)字式插裝閥結(jié)構(gòu)后，解決了原調(diào)速器存在的導(dǎo)葉主配限位塊頻繁斷裂、主配調(diào)節(jié)頻繁、主配卡澀等突出問題，避免了由此問題造成的損失，解決了電廠機(jī)組在安全經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行過程中的隱患。基于此，根據(jù)電廠實(shí)際情況，在本文中將改造后數(shù)字式插裝閥調(diào)速器現(xiàn)場應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)，供同行借鑒參考。

1 調(diào)速器改造前存在的問題及改造設(shè)想

株溪口電廠原調(diào)速器型號為PSW（S）T 型微機(jī)調(diào)速器，采用電液轉(zhuǎn)換器+主配壓閥的經(jīng)典結(jié)構(gòu)。但自2008年機(jī)組投運(yùn)以來，調(diào)速器運(yùn)行方式并不穩(wěn)定，問題主要集中在引導(dǎo)閥卡阻、主配壓閥頻繁抽動、調(diào)速器主配壓閥內(nèi)泄漏油量過大等機(jī)械方面的問題，以及采用拉線式電壓型導(dǎo)、槳葉開度傳感器拉線斷裂、調(diào)速器控制參數(shù)優(yōu)化等電氣控制系統(tǒng)方面的問題。

近年來由于調(diào)速器主配壓閥內(nèi)泄漏油量增加，導(dǎo)致4臺機(jī)組調(diào)速器主配頻繁調(diào)節(jié)情況加重，工作狀態(tài)下壓油槽保壓周期出現(xiàn)明顯降低，平均保壓時間約8min，調(diào)速器油泵因此頻繁啟動、油溫度不斷爬升，尤其在迎峰度夏時期問題尤其突出。調(diào)速器主配壓閥頻繁調(diào)節(jié)，同時會對調(diào)速系統(tǒng)油路不斷形成沖擊，嚴(yán)重時會引起受油器、操作油管等設(shè)備的損壞，2號機(jī)外操作油管出現(xiàn)裂紋的主要誘因也在于此，另外2號機(jī)組導(dǎo)葉長臂限位塊變形、開裂也與此有一定關(guān)聯(lián)。

導(dǎo)、槳葉開度傳感器因采用電壓型，在使用過程中因意外情況導(dǎo)致拉線斷裂后，測量回路任然存在一定的殘壓，導(dǎo)致不能夠及時正確的反饋至調(diào)速器，照成調(diào)速器的異常開啟或關(guān)閉，引發(fā)機(jī)組的過負(fù)荷或逆功率，危及機(jī)組的安全運(yùn)行。調(diào)速器的控制參數(shù)在電氣及機(jī)械設(shè)備拆卸檢修安裝后，經(jīng)常需要根據(jù)以往的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行，存在一定安全風(fēng)險。

通過對同類型電廠的調(diào)研、考察、研究，發(fā)現(xiàn)使用“標(biāo)準(zhǔn)化PLC 微機(jī)調(diào)節(jié)器+電液隨動系統(tǒng)”結(jié)構(gòu)模式的新微機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)運(yùn)行情況良好。這種調(diào)速器通過邏輯插裝技術(shù)，通過對標(biāo)準(zhǔn)的液壓部件、如快速切換閥和邏輯插裝閥，對部件、回路進(jìn)行多級的組合和最優(yōu)配置，純粹將機(jī)械液壓部分作為功率放大、進(jìn)行隨動控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。根據(jù)設(shè)備的特性，此類設(shè)備可以很好的解決株溪口電廠存在的引導(dǎo)閥卡阻、主配壓閥頻繁抽動、調(diào)速器內(nèi)泄漏量大等機(jī)械液壓系統(tǒng)方面的故障，避免了設(shè)備拆卸檢修裝復(fù)后的參數(shù)調(diào)整工作。同時也考慮到了機(jī)械液壓動作的可靠性、微機(jī)的適應(yīng)性和閥組的簡易化。具有可靠性高、響應(yīng)快、動作平穩(wěn)、定位精度高、工作效率高、節(jié)省用油量等特點(diǎn)。

單獨(dú)對拉線式電壓型的傳感器進(jìn)行換型，導(dǎo)葉更換為拉桿式電流型傳感器、槳葉更換為旋轉(zhuǎn)式電流型，避免拉線在帶動內(nèi)部輪軸時受機(jī)組振動的干擾，并在信號中斷后調(diào)速器能夠立即測量到并發(fā)出報警信號。

2 調(diào)速器改造的實(shí)施

整體思路：將原有調(diào)速器電氣柜及機(jī)械柜做整體移除，新調(diào)速器電氣柜及機(jī)械液壓柜仍采用舊柜體，原有的事故配壓閥和分段關(guān)閉閥不進(jìn)行更換。

2.1 電氣控制柜設(shè)計

控制部分由兩套一模一樣的系統(tǒng)構(gòu)成，互相冗余，任意一套系統(tǒng)都能作為主用或備用調(diào)節(jié)器。兩套調(diào)節(jié)器能在不同的運(yùn)行條件和情況下工作，使用變PID 參數(shù)和變結(jié)構(gòu)的模式來調(diào)整機(jī)組，具有轉(zhuǎn)速和加速度監(jiān)測、速度調(diào)整、有功增減、導(dǎo)葉調(diào)整、開度限制（空載和負(fù)載隨水頭自動給定限制值）、孤網(wǎng)控制、最大負(fù)荷限制、機(jī)組的調(diào)相與調(diào)速自動診斷、一次調(diào)頻功能等功能。調(diào)速器能滿足在各種工作工況下遠(yuǎn)方自動（切至現(xiàn)地后調(diào)速器不受監(jiān)控系統(tǒng)控制）和手動控制。

對比舊調(diào)速器系統(tǒng)，能實(shí)時接收機(jī)組水頭信號，能有效地消除水頭波動的影響，自動按水頭修正啟動開度、空載開度及機(jī)組最大負(fù)荷限制等；當(dāng)水頭信號出現(xiàn)問題時，繼續(xù)使用信號故障前的數(shù)值來進(jìn)行調(diào)節(jié)、變更為固定值運(yùn)行，當(dāng)水頭信號重新恢復(fù)時自動變更運(yùn)行模式，恢復(fù)為自動跟蹤水頭運(yùn)行。

導(dǎo)葉、槳葉傳感器：導(dǎo)葉開度傳感器改為電流制式（4mA～20mA）輸出的傳感器。驅(qū)動部分采用直線拉桿式位移傳感器。選用美國MTS 公司磁致伸縮拉桿型電流制式輸出位移傳感器，測量范圍為0～1200mm（圖1）。槳葉開度信號經(jīng)操作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為角位移，轉(zhuǎn)角范圍為-17°～+17°，故須選用與之匹配角位移變送器，變送器轉(zhuǎn)軸經(jīng)聯(lián)軸結(jié)直接與槳葉轉(zhuǎn)軸相連（圖2）。

圖1 導(dǎo)葉傳感器安裝示意圖

圖2 槳葉傳感器安裝示意圖

2.2 機(jī)械控制設(shè)計

機(jī)械液壓柜采用數(shù)字閥+插裝閥式模塊化設(shè)計。

2.2.1 高速開關(guān)閥

該快速切換閥由閥套、電磁體、控制閥芯和閥芯末端的回復(fù)彈簧等構(gòu)成。快速切換閥門是利用螺線型鐵推桿在閥門內(nèi)部做軸向移動，從而切斷與其對應(yīng)的油通道。該氣缸為一種多節(jié)的環(huán)槽筒，其上裝有工作錐或鋼球形，而在氣缸（套管）中設(shè)有幾條凹槽，各凹槽之間由對應(yīng)的孔與外界連接。高速開關(guān)閥僅有2個操作位置，在切斷電磁體電源時閥被下側(cè)的彈簧推動而上，且油孔P 與控制端口K 連通，而返回油T 和控制端口K 處于關(guān)閉狀態(tài)。

在電磁上加電流時，閥體受到電磁推桿的推進(jìn)器的推動而運(yùn)動，在油孔P 和控制孔K 斷開，而返回油T 則與控制端口K 連通。采用脈沖調(diào)制方式來調(diào)節(jié)高速切換閥通斷信號，也就是通過控制脈沖頻率和脈沖寬度，實(shí)現(xiàn)對流量或壓力接近連續(xù)的控制。

2.2.2 主控插裝閥

主調(diào)節(jié)閥也就是“邏輯插裝閥門”，是實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的主要部件，其作用是接受來自高速開關(guān)閥或比例閥先導(dǎo)油路的壓力/流量信號，從而引起一個主閥門的相應(yīng)的操作，進(jìn)而控制通向?qū)А~接力器工作回路中的油流量，以調(diào)整導(dǎo)、槳葉接力器的移動量。該閥門的結(jié)構(gòu)特征在于其動力段為插裝型，該插裝型是由閥芯、閥套及附屬彈簧、密封件等組成，其裝配時僅將閥芯和閥套的彈簧、密封件等連接在一起即可。尺寸按DIN24342標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)在的ISO7368、GB/T2877就是原封不動地從DIN24342照搬。

該系統(tǒng)能無限量接收多種形式的開關(guān)、模擬、數(shù)字信號的先導(dǎo)控制，在一個主單元內(nèi)完成壓力、流量和方向等多種作用，并兼容開關(guān)閥、比例閥和數(shù)字閥，當(dāng)指示訊號持續(xù)或比例調(diào)整時，閥座主單元就可完成對比例閥的伺服和比例閥的控制，可控性非常好。

2.3 安全保護(hù)設(shè)計

故障保護(hù)：在調(diào)速裝置的失效特性允許裝置繼續(xù)工作或速度檢測訊號消失時，該裝置須在不干擾裝置和意外情況下繼續(xù)工作，并向發(fā)電廠監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送錯誤信息，排除故障后自動穩(wěn)定地繼續(xù)工作。當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)失效時，除停機(jī)回路及導(dǎo)葉開限機(jī)構(gòu)須具有操作能力之外，調(diào)節(jié)器須維持導(dǎo)葉開度處于出事前的狀態(tài)。對于重大故障，機(jī)組應(yīng)停機(jī)的信號點(diǎn)，電調(diào)柜上的信號燈應(yīng)指出相應(yīng)問題，調(diào)速器應(yīng)有報警接點(diǎn)信號輸出（包括調(diào)速器失靈接點(diǎn)信號）。

過速限制裝置：機(jī)械過速裝置采用原有裝置。過速限制裝置除通過液壓回路驅(qū)動外，還應(yīng)通過電氣回路驅(qū)動，并有信號反饋；當(dāng)調(diào)速器液壓控制閥組拒動后，應(yīng)將接點(diǎn)開出至監(jiān)控系統(tǒng)；在機(jī)組停機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉情況下，調(diào)速器應(yīng)能給導(dǎo)葉偏關(guān)信號功能，防止導(dǎo)葉開啟。

3 調(diào)速器試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

完成調(diào)速器系統(tǒng)改造后主要參照DL/T 563-2016《水輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)及裝置技術(shù)規(guī)程》、DL/T 496-2016《水輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)及裝置調(diào)整試驗(yàn)導(dǎo)則》、DL/T 1245-2013《水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)導(dǎo)則》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了一系列的調(diào)速器性能試驗(yàn)，包括導(dǎo)葉接力器靜態(tài)漂移試驗(yàn)、調(diào)速器靜態(tài)特性試驗(yàn)、開關(guān)機(jī)時間測定試驗(yàn)、緊急停機(jī)時間測定試驗(yàn)、機(jī)組頻率信號消失試驗(yàn)、導(dǎo)葉反饋信號消失試驗(yàn)、電源消失試驗(yàn)、水頭消失試驗(yàn)、運(yùn)行模式切換、手、自動運(yùn)行方式切換試驗(yàn)、自動開機(jī)試驗(yàn)、空載擾動試驗(yàn)、空載擺動試驗(yàn)、主/備用機(jī)切換試驗(yàn)、接力器不動時間測量試驗(yàn)、甩負(fù)荷試驗(yàn)。

調(diào)速器整機(jī)靜特性試驗(yàn)結(jié)果如表1，試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)程要求，A 套PLC 主用整機(jī)靜特性圖見圖3，B套PLC 主用整機(jī)靜特性見圖4。

表1 調(diào)速器整機(jī)靜特性試驗(yàn)結(jié)果

圖3 A 套PLC 主用整機(jī)靜特性（橫軸導(dǎo)葉開度、縱軸機(jī)組頻率）

圖4 B 套PLC 主用整機(jī)靜特性（橫軸導(dǎo)葉開度、縱軸機(jī)組頻率）

甩25%負(fù)荷過程中測量接力器不動時間Tq 為0.2s，符合規(guī)程。甩75%負(fù)荷時最大轉(zhuǎn)速上升率為44.5%，導(dǎo)葉前最大水壓上升至19.16米，調(diào)節(jié)時間27秒，導(dǎo)葉開度相對平穩(wěn)，未在穩(wěn)定工控反復(fù)波動，機(jī)組頻率經(jīng)歷一個半周期后轉(zhuǎn)為穩(wěn)定狀態(tài)。改造后甩負(fù)荷曲線如圖5。

圖5 改造后甩75%額定負(fù)荷曲線（紅色線機(jī)組頻率、藍(lán)色線導(dǎo)葉開度、綠色線輪葉開度，深綠色導(dǎo)葉進(jìn)口水壓、深藍(lán)色尾水管進(jìn)口壓力）

通過改造前后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對比，采用邏輯插裝技術(shù)及電流型傳感器主要優(yōu)點(diǎn)如下：

機(jī)械液壓部分設(shè)計上沒有了先導(dǎo)閥、引導(dǎo)閥以及主配壓閥等結(jié)構(gòu)，由組合結(jié)構(gòu)的邏輯插裝控制閥模塊代替。采用高速開關(guān)閥，用螺線型鐵控制閥芯在閥門內(nèi)部做軸向移動，從而開斷對應(yīng)的油道。抗油污能力強(qiáng)、磨損少，實(shí)現(xiàn)多路冗余，不存在類似主配閥引導(dǎo)閥卡澀后須立即進(jìn)行停機(jī)緊急處理的情況，大大減少勞動強(qiáng)度和檢修工作量，節(jié)省了勞動成本。從根本上提高了調(diào)速器運(yùn)行可靠性，杜絕了設(shè)備卡澀的可能性；系統(tǒng)的調(diào)節(jié)、控制無需由“中間位置”與機(jī)械反饋來確保，因此避免了調(diào)速器主配工作時頻繁調(diào)節(jié)與抽動而造成受油器、操作油管及接力器等重點(diǎn)部位的液壓沖擊，降低了結(jié)構(gòu)疲勞損壞的風(fēng)險。

調(diào)速器液壓系統(tǒng)內(nèi)部泄漏小，穩(wěn)定工況下基本無油耗，解決了原來調(diào)速器內(nèi)泄漏量大的問題，油泵啟停間隔時間由20分鐘增加到4小時，操作油管油溫由45℃下降到接近室溫，減少了調(diào)速油壓系統(tǒng)的機(jī)械磨損，降低了故障概率，節(jié)省了油源與廠用電消耗；電壓標(biāo)準(zhǔn)的傳感器都有一個共同的問題，就是當(dāng)輸入端的信號斷開后、取樣端的電壓都要經(jīng)過一段很長的一段時期，從而會對反饋的響應(yīng)速度產(chǎn)生影響。導(dǎo)致信號消失后實(shí)際開度變化量大于1%，更換為電流型傳感器后杜絕了因傳感器導(dǎo)致的導(dǎo)葉開度變化量偏大的問題。

本項(xiàng)目實(shí)施后極大地提高了調(diào)速系統(tǒng)裝置的可靠度，使故障處置所需的工作大大降低，極大地避免了在滿發(fā)階段由于啟動不成功而導(dǎo)致的無效棄水量，同時也節(jié)約了廠用電。