飛來峽水電廠調速器系統技術改進與應用分析

肖南文

(廣東粵海飛來峽水力發電有限公司，廣東 清遠 511825)

1 原調速器簡介及存在的主要問題

1.1 調速器系統

飛來峽電廠機組的原調速系統引進奧地利MCE公司，型號為MIPREG DGC 600C，屬于采用PID調節規律的雙調節微機數字調速器，整套系統包括AGC系統、電子調節器、執行機構、引水和泄水系統、水輪發電機組和測量元件等(如圖1所示[1])，電子調節器和執行機構構成水輪機調速器。電子調節器接收機組頻率、功率和AGC系統的負荷給定信號并在內部實現頻率和功率閉環調節。

圖1 調速系統的組成模塊示意

1.2 執行機構[2]

執行機構包括壓力油罐、調速器油箱、漏油箱、輪轂油箱、比例閥組、旁通閥組、受油器、導葉接力器、重錘、輪葉接力器、導葉、輪葉和輪轂等組成。調速器油箱中油由調速器油泵泵油到高壓油罐形成壓力操作油，高壓油罐中的操作油由比例閥組控制配送到導葉開啟腔、關閉腔和輪葉開啟腔、關閉腔管路，油經過管路輸送到導葉接力器和輪葉接力器，通過接力器操作導葉、輪葉[3]。操作油系統為機組導葉、輪葉動作提供動能的執行機構系統如圖2所示。

圖2 執行機構示意

1.3 存在的主要問題

1) 飛來峽機組的調速器系統為20世紀90年代的產品，各部位的元器件老化現象正日益突出，整體運行的穩定性也逐年下降；近年來陸續出現了導葉和輪葉開度傳感器故障、調速器電源模塊故障、調速器主板和輸入輸出板故障、液壓元件(快關閥、旁通閥、卸荷閥和電液轉換器等)故障等導致機組非計劃停運的事件，影響機組的安全穩定運行和發電效益。

2) 飛來峽機組調速系統所用的主要配件和自動化元件已基本停產或進行了升級換型，存在備品備件采購困難和采購周期長等問題，影響了設備的維護消缺工作。

3) 現用的導葉及輪葉位移傳感器的內部電路采用多圈電位器進行信號轉換及傳輸，屬于接觸式的位移傳感器，在使用一定時間后會出現電位器磨損及接觸不良的問題，易導致導葉或漿葉開度信號中斷引起電調故障跳閘停機[4]。

4) 原調速系統采用6 200 L壓力油罐，選用單臺油泵連續運行方式，定量泵油，當油壓到達58 bar(備用泵為56 bar)時，主油泵的加載閥動作，油泵泵油輸入壓力油罐；當油壓到達60 bar時，加載閥停止加載，油泵泵出的部分油流將返回到調速器油箱；由于減載時油流仍然回到調速器油箱并具有油泵全流量(約1～1.5 bar壓力)，此時油泵仍有較大輸出功率，同時減載后油泵并不停機而是持續運轉，導致電機電能損耗偏大；且調速系統輪轂油箱的補油采用壓力油罐持續補油方式，多余的油通過溢流管流回調速器油箱[5]，此方式下壓力油罐的壓力下降較快進而引起調速器油泵頻繁泵油，導致操作油在調速器系統管路、油箱和油罐等設備中加速循環，致使油溫偏高[6]油質變差(正常運行時平均油溫為52℃，環境溫度高時平均油溫為54℃)。

2 技術改進與應用分析

2.1 技術改進的主要內容

本次技術改進選用了TC1703XL微機調速器(TC1703XL微機控制器主要配置如圖3)及其配套的機械液壓裝置和自動化元器件，對調速器系統的電氣部分和機械油壓部分進行了技術改進。調速器電氣部分進行整體升級更換，包括更換調速器GT01柜和GT02柜及內部元器件，并對導葉、輪葉位移傳感器和齒盤測速探頭等相關自動化元件進行換型升級，更換與調速器相關的二次回路電纜。調速器機械部分進行了部分改進，調速器油箱及機械柜進行整體更換，包含油泵、油泵閥組、導葉控制閥組、輪葉控制閥組、快關閥組、旁通閥組控件、調速器主油泵加減載閥塊、壓力開關，油位變送器等元件；同時在調速器油箱上增加1臺小型增壓泵，原調速器油箱的油冷卻器更換成管式冷卻器，增加輪轂油箱補油閥，增加輪葉比例閥先導級及主級間的控制油路塊，將原調速器比例控制閥更換為REXROTH公司的4WRLE35型比例閥等。

圖3 TC1703XL微機控制器主要配置示意

2.2 技術改進的主要亮點

1) 采用CPU 3套冗余、IO模塊2套冗余、外圍信號2套冗余、電源模塊2套冗余的多級交叉冗余方式，可最大限度保證系統的長期安全穩定運行。

2) TC1703XL微機控制器為水電站自動化控制專用微機系統，采用32位CPU，閃存卡存儲調速器應用程序，無須電池(原調速器的程序在調速器斷電后靠主板上的后備電池維持)；控制器采用實時多任務操作系統，并具有實時時鐘，可通過GPS對時；每個I/O模板都帶有處理器，采用現今最先進的多處理器體系結構，單一處理器失效只能導致單一功能失效，不會影響系統其他功能。

3) 測頻環節采用專用的測頻模塊和殘壓信號隔離器，實現微機本體測頻，抗干擾能力強；測頻模塊計數脈沖為20 MHz，測頻精度為0.000 125 Hz，相比原測頻模塊0.001 Hz的精度提高了1個量級，為調速器1次調頻功能的正常發揮提供堅實的設備基礎[7]。

4) 全面支持IEC系列國際標準通信規約，硬件和軟件與在用的機組監控系統為同一平臺，系統設計統一，可實現2套系統間以通訊的方式進行聯接。

5) 導葉及輪葉位移傳感器選用德國公司生產的Temposonics-Ⅲ高精度位移傳感器，具有2 μm分辨率，輸出信號為4～20 mA。該傳感器為非接觸式位移傳感器，相比原系統采用多圈電位器接觸式的位移傳感器，其可靠性高，重復性好，可有效解決因電位器磨損嚴重及接觸不良導致導葉或漿葉開度信號中斷，引起電調故障跳閘停機的問題[7]。

6) 旁通閥的控制采用增加1個旁通閥緊急停機電磁閥的方式，可強化旁通閥控制機組過速的作用和能力。

7) 調速系統的主油泵設計為間歇啟動運行的方式，同時在保證供油量的前提下減小主油泵電機的容量，增加1個持續運行的小功率增壓泵，并把原調速器油箱的強制循環油冷卻器更換成管式冷卻器，方便日后的運維。

8) 原調速系統輪轂油箱的補油采用壓力油罐持續補油方式[8]，多余的油通過溢流管流回調速器油箱，此方式導致壓力油罐的壓力下降較快及調速器油泵頻繁打油。改進后將增加1個輪轂油箱的補油電磁閥，該電磁閥由輪轂油箱油位節點直接控制，當輪轂油箱油位低時，電磁閥動作，壓力油通過此閥進入輪轂油箱，當油箱油位高時，電磁閥關閉，壓力油截止供油，以解決壓力油罐的壓力下降較快及油耗較大的問題。

9) 新調速器增加了1塊15寸彩色液晶觸摸屏，具有良好的中文人機界面，具有在線錄波、存儲故障信息、支持Windows操作界面等強大功能，用戶可以直接通過觸摸屏查看調速器各相關數據及運行曲線。新系統的調試軟件支持在線監視、曲線記錄等功能，調速軟件自帶機組模型，配合調試軟件可實現調速器及機組運行的離線仿真，方便運行維護人員對調速器進行故障檢查、參數調整、整體試驗及學習調速器相關知識。

10) 本次技術改進采用的是REXROTH[8]的兩級比例伺服閥4WRLE35，額定流量為1 500 L/min。導葉及輪葉可采用相同比例閥，具有互換性，可減少備件儲備。調速器電氣指令將直接控制比例閥的開口從而控制導葉及輪葉的動作。

11) 緊急停機采用以下2種方式[8]：① 通過比例閥：緊急停機電磁閥動作后，將切斷導葉及輪葉比例閥的控制油路，比例閥將不再受電氣信號控制。導葉比例閥的主級將在油壓的作用下向關機方向移動，導葉關閉。輪葉比例閥的主級可在油路上設計成靜止不動，以滿足緊急停機時的輪葉關閉規律的要求。比例閥的主級在緊停動作時的動作方式由插入在比例閥先導級及主級間的油路塊實現(原系統輪葉比例閥無此設計)。② 通過旁通閥：旁通閥連接導葉開關機腔，在機組正常運行時，旁通閥是關閉的；當緊急停機動作或系統失油壓時，旁通閥將打開，導通導葉接力器的開關機腔，導葉將在重錘的作用下關閉。旁通閥的控制可采用緊急停機電磁閥或另增加的一個旁通閥緊急停機電磁閥，本次改造，采用新增1個緊急停機電磁閥的方式。

12) 增加1個輪轂油箱補油閥，原調速系統輪轂油箱補油采用壓力油罐持續補油方式，多余的油通過溢流管流回調速器油箱，此方式壓力油罐的油耗較大。本次改進將增加1個補油電磁閥，該電磁閥由輪轂油箱油位節點直接控制，當輪轂油箱油位低時，電磁閥動作，壓力油通過此閥進入輪轂油箱，當油箱油位高時，電磁閥關閉，壓力油截止供油。

13) 原調速系統技術改進后系統主油泵采用間歇啟動運行方式，增加1個持續運行的小功率增壓泵(額定功率為7.5 kW)，在壓力油罐壓力為58～60 bar之間時，啟動增壓泵持續泵油增壓，到60 bar后使增壓泵空載運行。該方式有以下優點：①節能，系統主油泵采用間歇啟動方式，依據壓力值啟動，增加增壓泵后，主油泵的運行時間可大大縮短，減少系統的空載損耗；② 降溫，由于新增的增壓泵為壓力補償泵，在油壓接近60 bar時其增壓泵輸出功率接近為0，可大幅減少系統的發熱量，顯著降低調速器油箱和壓力油罐內的油溫。

2.3 調速器系統應用性能分析

此次技術改進未改變原控制原理、原PID調節規律、原有的功能和原有的控制方式，增加AGC接口功能，對現有AGC控制邏輯和調節參數進行了優化[9];能成功通過第三方試驗機構開展的參數實測、建模和1次調頻功能試驗，其靜態特性和動態特性品質等技術指標優于國家和行業相關規程規范的要求，具體性能技術指標如下:

1) 1次調頻性能[9]

① 1次調頻死區不大于±0.05 Hz; ② 調速系統速度不等率(永態轉差系數)不高于4%; ③ 調速系統遲緩率小于0.15%;④ 1次調頻響應滯后時間不大于3 min;⑤ 1次調頻穩定時間小于30 min;⑥ 1次調頻的負荷響應速度自頻差超出1次調頻死區開始，達到90%目標負荷的時間不大于15 min;⑦ 1次調頻的負荷變化幅度避開機組最大和最小負荷限值振動區間運行;⑧ 具有1次調頻的自動投入和手動投、退功能，機組正常并網運行時1次調頻功能能動投入。

2) 靜態特性

① 靜態特性曲線近似為直線;② 測至主接力器的轉速死區ix不大于0.06%;③ 在水輪機靜置及輸入轉速信號恒定的條件下接力器擺動值不超過0.25%;④ 漿葉隨動系統的不準確度ia不大于0.8%，實測協聯曲線與理論協聯關系曲線的偏差不大于漿葉接力器全行程的1%[9]。

3) 動態特性

① 調速器能保證機組在各種工況和運行方式下的穩定性，在空載工況自動運行時，施加一階躍型轉速指令信號，待機組穩定后測其轉速擺動相對值不超過±0.25%。② 機組啟動開始至機組空載轉速偏差小于同期帶(1%～-0.5%)的時間TSR不大于從機組起動開始至機組轉速達到80%額定轉速時間的5倍。③ 機組甩負荷后動態品質能達到：甩100%額定負荷后，在轉速變化過程中，超過穩態轉速3%額定轉速值以上的波峰不超過2次；從機組甩負荷時起，到機組轉速相對偏差小于±1%為止的調節時間tE與從甩負荷開始至轉速升至最高轉速所經歷的時間tM比值不大于8；轉速或指令信號按規定形式變化，接力器不動時間不大于0.2 s[9]。

2.4 降溫效果分析

改進前調速器油箱油溫正常運行時平均為52 ℃，夏天環境溫度高時平均油溫為54 ℃，報警設定值為55 ℃，技術改進后，調速器主油泵泵油次數明顯減少，調速器油冷卻循環泵啟動次數變為0次；冬天環境溫度低時平均溫度為20 ℃，夏天環境溫度高時平均溫度為36 ℃。6 200 L的壓力油罐中有1 404 L為循環油，有350 L為死油量(該部分溫度變化能量忽略不計)，5 700 L的調速器油箱運行油量為2 280 L，總計約3 684 L油(不含輪轂油)，油號為N46,密度為 0.875 kg/L，總質量約為3 223.5 kg，比熱容為 1.87 kJ/(kg·℃)，1 kJ等于0.277 8 W時，根據能量公式Q=cmΔt，冬季Q1=1.87×3 223.5×(52-20)=192 894.24 kJ;轉換為電能約為53.59 kWh；新調速器系統每天降溫節能約為1 286 =kWh。夏季Q2=1.87×3 223.5×(52-36)=96 447.12 kJ，為冬季的一半，每天降溫節能約為643 kWh。按11月到3月為冬季，4月到10月為夏季；折合4臺機組平均機組等效利用系數為65.51%；改進后每年每臺機組節約電能約為21.48萬kWh。

2.5 節能效果分析

機組調速器系統主油泵額定功率為90 kW，空載時功率約為27 kW；調速器油冷卻循環泵額定功率為3 kW，新增增壓泵為7.5 kW。改進前，機組并網運行時，主油泵24 h連續運行，停機間歇啟動；改進后，并網時主油泵間歇啟動，增壓泵連續運行，停機時主油泵間歇啟動，增壓泵不運行。改進前后調速器系統各泵的運行時間、能耗及機組每天并網與停機的總能耗如表1所示，按機組等效利用系數65.51%，即全年機組并網運行時間為240 d。停機時間為125 d，每年每臺機組節約12.6萬 kWh(漏油泵能耗忽略不計)。

表1 改進前后各泵能耗統計

3 結語

1) 本次調速器系統技術改進減少了飛來峽水電廠因調速器系統備品備件不足或采購周期長造成的發電效益損失；以增壓泵代替主油泵連續運行，實現了以較為經濟實惠的增壓泵磨損代替昂貴的主油泵磨損，減小了主油泵的維修幾率和難度，減少機組非計劃停運事件。

2) 調速器系統技術改進后，機組開機/停機時間較原系統稍長(延后約為15 s)，但開停機過程均平滑順暢,因改進該系統飛來峽水電廠4臺機組平均每年可節能約電能約136萬kWh。

3) 原調速器系統操作油(粘度:46 mm2/s(40 ℃))，最優運行溫度為50 ℃，改進后偏離了最優運行溫度，所產生的影響還有待后續數據分析。

4) 需要進行調速器系統技術改進的水電站還可以進行如下改進嘗試：① 去掉調速器油冷卻循環泵及冷卻板等全套設備；② 去掉輪轂油箱油溫監視裝置及其線路；③ 在增加增壓泵的前提下保留1臺調速器主油泵，即在完善增壓泵和1臺調速器主油泵的配合使用控制圖紙后可以去掉另外1臺大功率備用泵;④ 如選用TC1703XL微機調速器，其微機控制器應增加CPU對閃存器、存儲器等部分數據定期清除功能，防止調速器人機交互窗口頻繁出現數據內存不夠的報警信息。