梅高鑫，初云鵬，朱榮巧

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇省南京市 210003）

國產(chǎn)巨型主配壓閥在百龍灘水電站的設(shè)計及應(yīng)用

梅高鑫，初云鵬，朱榮巧

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇省南京市 210003）

本文主要研究了南瑞自產(chǎn)MDV200主配壓閥調(diào)速器的控制原理，通過更換主配壓閥及新型電氣設(shè)備，解決了電站打油頻繁及一次調(diào)頻被考核問題，實現(xiàn)了南瑞自產(chǎn)MDV200主配壓閥在百龍灘水電站的成功應(yīng)用，完成發(fā)電機(jī)組開停機(jī)、增減負(fù)荷、建模等自動功能試驗。

百龍灘水電廠；調(diào)速器；伺服比例閥；MDV200主配壓閥

0 引言

主配壓閥作為水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速、出力的核心控制設(shè)備，對調(diào)節(jié)機(jī)組的頻率及功率、保障電網(wǎng)的電能質(zhì)量和安全穩(wěn)定起著非常關(guān)鍵的作用。而DN200通徑以上的巨型主配壓閥，制造工藝復(fù)雜、精度要求較高，再加上控制機(jī)理復(fù)雜，安全與可靠性要求高，在國內(nèi)水電市場上，巨型主配壓閥一直長期由少數(shù)國外公司如ALSTOM、GE、VOITH等壟斷。然而國外產(chǎn)品價格高昂，不能適應(yīng)我國國情長期有效發(fā)展，并且進(jìn)口主配壓閥曾多次因閥套脫落、管路震動、傳感器磨損、調(diào)速系統(tǒng)電源消失等造成非計劃停機(jī)，危害電站生產(chǎn)及電網(wǎng)安全穩(wěn)定。

百龍灘水電廠作為南盤江洪水河水電基地規(guī)劃中的第七個梯級電站，安裝6×32MW燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)。水輪機(jī)調(diào)速器原先采用NARI自產(chǎn)的SAFR-2000型水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)采用GE公司生產(chǎn)的FC系列主配壓閥，該系統(tǒng)自2005年首臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電以來，經(jīng)歷了十年的運行后，電站運行人員發(fā)現(xiàn)進(jìn)口的主配壓閥，由于泄漏量大，主配壓閥未配置純機(jī)械手動，造成機(jī)組在發(fā)電工況下打油頻繁，油溫升高，對機(jī)組長時間安全運行帶來隱患。為此，電站于2015年對調(diào)速器設(shè)備進(jìn)行了升級改造。除了電柜升級為貝加萊X20控制器外，主配壓閥則采用了NARI最新開發(fā)的MDV200型巨型主配壓閥。

1 調(diào)速器液壓系統(tǒng)改造

（1）百龍灘水電站調(diào)速器液壓系統(tǒng)改造見圖1，根據(jù)電站的要求，采用NARI自產(chǎn)MDV200新型主配壓閥，其通徑達(dá)到200mm，用于替代原先的導(dǎo)葉GE公司生產(chǎn)的FC主配壓閥，在導(dǎo)葉的液壓控制系統(tǒng)上采用了雙BOSCH公司的功放一體式伺服比例閥[1]，同時配置了純機(jī)械手動閥組、自復(fù)中切換閥組和緊急停機(jī)閥組。NARI主配壓閥保留了自復(fù)中切換功能，可以讓用戶自行選擇當(dāng)電氣柜失電情況下是關(guān)機(jī)還是繼續(xù)保持接力器當(dāng)前開度狀態(tài)。在切手動環(huán)節(jié)，NARI增加了一路切純機(jī)械手動閥組，即當(dāng)電柜判斷嚴(yán)重故障需切純機(jī)械手動后，電站運行人員可以通過主配壓閥上的調(diào)節(jié)純機(jī)械手動閥組來實現(xiàn)接力器的開關(guān)，如圖2所示。

（2）巨型主配壓閥設(shè)計原理：主配壓閥的部件為閥體、閥芯、閥套等元件組成（見圖3）。主閥芯上部為恒壓腔活塞，下部為控制腔活塞，控制閥芯位置的兩活塞作用面積不同；恒壓油作用在恒壓腔活塞上，控制油作用在控制腔活塞上，放入壓力油或接通回油，從而控制閥芯位置，此功能由比例伺服閥調(diào)節(jié)。恒壓腔活塞上裝有開機(jī)時間調(diào)節(jié)螺母、關(guān)機(jī)時間調(diào)節(jié)螺母，并分置于定位塊兩端。用來分別限制主閥芯的極限位置，從而限制油口的開口面積，達(dá)到調(diào)節(jié)主接力器開關(guān)時間的目的。主配壓閥拒動感應(yīng)塊固定于主配壓閥上端，作為主配壓閥拒動的感應(yīng)元件。主配壓閥最頂端為主配壓閥位移傳感器，用于將主閥芯的位移信號轉(zhuǎn)換成模擬量信號提供給電氣控制裝置。上端蓋上部為自復(fù)中調(diào)節(jié)桿，用以實現(xiàn)機(jī)械零點的精確調(diào)節(jié)。

圖1 百龍灘水電站調(diào)速器液壓系統(tǒng)改造Fig.1 Principle of Bailongtan Hydraulic system

圖2 主配閥組布置圖Fig. 2 Arrangement plan of MDV

圖3 百龍灘DN200通徑主配壓閥結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Structure chart of DN200 MDV of Bailongtan

（3）掉電自復(fù)中功能：掉電復(fù)中閥 EV2帶電情況下，主配壓閥的操作油依靠伺服比例閥的控制油路來實現(xiàn)；當(dāng)EV2失電情況下，壓力油直通至定中缸DZ，定中缸會頂住主配閥芯，造成閥芯無法往關(guān)方向走，此時實現(xiàn)掉電自復(fù)中。

（4）純機(jī)械手動閥組：EV3閥組得電，切掉伺服閥1、伺服閥2的控制油，同時EV2失電，主配壓閥掉電自復(fù)中功能投入，此時油路切換至純機(jī)械手動回路，通過操作MV1和MV2閥組可以操作主配壓閥開關(guān)。

（5）緊急停機(jī)閥組：當(dāng)緊急停機(jī)閥EV4得電后，此時會造成液控?fù)Q向閥HV換向，主配壓閥控制腔失壓，主配壓閥依靠對側(cè)的壓力油關(guān)下來。

2 調(diào)速器電氣系統(tǒng)改造

2.1 電氣控制柜的配置

電氣控制柜由雙重供電模塊、測頻信號處理模塊、冗余配置的 X20 PCC控制器、觸摸屏等組成，新型的X20 PCC控制器采用了模塊化式的插拔結(jié)構(gòu)，由CPU模件、電源模件、開入模件、開出模件、模入模件、模出模件、測頻模件、對時模件、通信模件組成，它具有功耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、信號斷線報警等優(yōu)點，兩套控制器之間依靠智能切換PLC來實現(xiàn)主從機(jī)之間的切換，其系統(tǒng)原理圖如下圖4所示。

電氣控制柜上安裝一臺B&R觸摸屏，依靠網(wǎng)口與控制器通信，監(jiān)視機(jī)組的狀態(tài)以及控制參數(shù)的修改?？刂瞥绦虿捎肧T語言進(jìn)行編程，為了實現(xiàn)實時控制，程序控制關(guān)鍵部分執(zhí)行10ms的循環(huán)周期。在測頻部分，采用了殘壓測頻和雙齒盤測頻的冗余配置，實現(xiàn)了殘壓與齒盤間的無擾切換。針對水頭，采用了自動水頭和人工水頭雙冗余的配置，機(jī)組運行在自動水頭下，一旦自動水頭故障，調(diào)速器系統(tǒng)會自動切回人工水頭，防止水頭信號波動造成調(diào)速器系統(tǒng)的抽動。

2.2 機(jī)械液壓柜

機(jī)械液壓控制系統(tǒng)包括了MDV200型主配壓閥、雙伺服比例閥、切換閥、純機(jī)械手動閥、緊急停機(jī)閥等組成，系統(tǒng)額定油壓為6.3MPa。手動控制回路分為了電手動回路和純機(jī)械手動回路，電手動回路主要依靠伺服比例閥，通過NARI自產(chǎn)的綜合控制模塊來實現(xiàn)電手動操作，以保證手動狀態(tài)下接力器不會隨著水流沖擊的慣性產(chǎn)生漂移；而純機(jī)械手動依靠的是主配壓閥的定中缸功能，依靠增加、減少閥組人為的來控制主配壓閥，屬于開環(huán)調(diào)節(jié)。在主配壓閥控制部分，引入了二級閉環(huán)的控制方式，第一級依靠伺服比例閥自身的閉環(huán)控制、第二級引入主配閥芯的位移量作為反饋以確保主配壓閥的控制精度。為了確保機(jī)組在出現(xiàn)故障的情況下可靠實現(xiàn)緊急停機(jī)，NARI調(diào)速器在緊急停機(jī)回路配備了緊急停機(jī)電磁閥，控制線圈既可以在液壓操作柜面板上操作，也可以通過監(jiān)控系統(tǒng)來操作。

3 調(diào)速器一次調(diào)頻與二次調(diào)頻的配合

圖4 調(diào)速器系統(tǒng)原理圖Fig. 4 Principle of governor system

百龍灘電站為了滿足調(diào)度對一次調(diào)頻考核的要求，增加了電站的二次調(diào)頻功能，當(dāng)機(jī)組運行于開度模式下的一次調(diào)頻模式時，將屏蔽電站上位機(jī)的數(shù)字式或者脈沖式的調(diào)節(jié)，防止一次調(diào)頻與電站的二次調(diào)頻的相互干擾。當(dāng)電站需要進(jìn)行電站整體的負(fù)荷分配時，應(yīng)該向調(diào)速器發(fā)出二次調(diào)頻介入令，退出一次調(diào)頻功能，但必須在調(diào)速器一次調(diào)頻動作復(fù)歸后才可以二次調(diào)頻。圖5為一次調(diào)頻動作與二次調(diào)頻介入的控制策略功能圖。

機(jī)組在發(fā)電工況下的二次調(diào)頻是電站的監(jiān)控系統(tǒng)通過成組調(diào)節(jié)電站機(jī)組的功率分配來實現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)頻任務(wù)[3]，水輪機(jī)調(diào)速器則不單獨按頻率調(diào)節(jié)負(fù)荷。在電站進(jìn)行二次調(diào)頻時，調(diào)速器則通過退出一次調(diào)頻功能來避免相互干擾[4]。二次調(diào)頻的響應(yīng)速度相對于一次調(diào)頻慢一些，只能在需要大負(fù)荷調(diào)整和頻率與額定頻率偏差較大時，短時間投入[5]。大部分運行時間應(yīng)該投入調(diào)速器的一次調(diào)頻。在電站實施二次調(diào)頻改變機(jī)組功率分配的時候，為了加速功率調(diào)節(jié)的速度，裝置的功率調(diào)節(jié)使用具有前饋的功率調(diào)節(jié)算法[6]。

4 系統(tǒng)性能測試

設(shè)備調(diào)試結(jié)束后，多次調(diào)整PID參數(shù)，對系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)試驗，部分?jǐn)?shù)據(jù)如下：

圖5 一次調(diào)頻動作與二次調(diào)頻介入的控制策略功能圖Fig.5 Control strategy function chart of second frequency regulate

4.1 靜特性試驗

一次調(diào)頻參數(shù)PID分別設(shè)為10、10、0，Bp=6%，動作死區(qū)設(shè)為0Hz，試驗結(jié)果如下圖6所示，轉(zhuǎn)速死區(qū)為0.01%，特性曲線近似直線。

4.2 調(diào)速系統(tǒng)自穩(wěn)性試驗

空載參數(shù)分別為：Kp=2.5，Ki=0.2，Kd=2，根據(jù)《水輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)及裝置技術(shù)規(guī)程》要求，大型電液調(diào)節(jié)裝置的系統(tǒng)，在任意3min內(nèi)機(jī)組轉(zhuǎn)速擺動相對值不超過±0.15%[2]（即碼值跳變范圍為：199700～200300），試驗結(jié)果如下圖7所示，試驗結(jié)果優(yōu)于國標(biāo)要求。

圖6 靜特性試驗曲線Fig. 6 Static characteristic test curve

4.3 甩負(fù)荷試驗

機(jī)組甩負(fù)荷試驗如下圖8所示，甩100%負(fù)荷過程中機(jī)組的轉(zhuǎn)速上升率和水壓上升率均在規(guī)定的范圍內(nèi)。甩25%的負(fù)荷導(dǎo)葉不動時間為：0.15s，國標(biāo)規(guī)定為大型電液調(diào)節(jié)裝置，接力器不動時間不得超過0.2s[2]。

經(jīng)過廣西中試所檢驗，確定NARI調(diào)速器性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，個別指標(biāo)優(yōu)于國標(biāo)，滿足電廠運行要求，可以投入商業(yè)運行。

5 結(jié)束語

本次百龍灘電廠的調(diào)速器改造，通過更換電氣控制柜、機(jī)械液壓柜和主配壓閥，取代了原先以GE公司生產(chǎn)的FC主配壓閥為控制核心的調(diào)速系統(tǒng)，解決了原先打油頻繁造成油溫過高等問題，推進(jìn)了進(jìn)口設(shè)備的國產(chǎn)化，經(jīng)過中試所的檢驗，系統(tǒng)主要性能指標(biāo)優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)要求。NARI調(diào)速器自2015年4月在百龍灘電站1號機(jī)成功投運以來，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，NARI自產(chǎn)MDV200主配壓閥性能超過原先GE公司生產(chǎn)的FC主配壓閥，滿足水電廠“無人值班，少人值守”的要求。

圖7 自穩(wěn)性試驗曲線Fig. 7 Self stability test curve

圖8 甩負(fù)荷試驗曲線Fig. 8 Rejection test curve

[1] 沈祖怡.水輪機(jī)調(diào)節(jié)[M].北京：中國水利水電出版社.2001.

[2] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T563—2004 水輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)及裝置技術(shù)規(guī)程[S].14629-2004.

[3] 劉洪濤，李建設(shè)，蘇寅生，等. 云廣±800kV直流控制系統(tǒng)的特點[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù)，2010，4（2）：35-38.LIU Hongtao，LI Jianshe，SU Yinsheng，et al. Characteristics of Yun-nan-Guangdong±800 kV DC Transmission Project Control System[J]. Southern Power System Technology，2010，4（2）：35-38.

[4] 中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司. 中國南方電網(wǎng)2011年運行方式[Z].廣州：中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司，2011.

[5] 洪潮，李巖，楊煜，等．云廣直流系統(tǒng)僅帶小灣電廠孤島運行的調(diào)試與分析[J]．南方電網(wǎng)技術(shù)，2011，5（5）：1-6．HONG Chao，LI Yan，YANG Yu，et a1．On-site Commissioningand Analysis on the Islanding Operation ofYunnan-Guangdong UHVDC System Supplied Only by Xiaowan Power Plant[J]．Southern Power System Technology，2011，5（5）：1-6.

[6] 郭琦，韓偉強(qiáng)，賈旭東，等．云廣直流輸電工程安穩(wěn)裝置的RTDS試驗方法研究[J]．南方電網(wǎng)技術(shù)，2010，4（2）：43-46．GUO Qi，HAN Weiqiang，JIA Xudong，et a1．Study on the RTDS Simulation Test of the System Stability Control of Yunnan-Gu angdong±800kV DC Transmission Project[J]．Southem Power System Technology，2010，4（2）：43-46．

Successfully Application of Domestic Giant Governor in Bailongtan Hydropower Station

MEI Gaoxin，CHU Yunpeng，ZHU Rongqiao
（State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 210003，China）

This paper mainly studies the principle of NARI MDV200 governor，by replacing Main Disturbing Valve and electrical equipment，we solve the power station frequent start pump and primary frequency regulation evaluation，the self-manufactured MDV200 governor was successfully applied in Bailongtan Hydropower station，we complete the test of the auto-start and shutdown the unit，increase and decrease load，modeling and so on.

Bailongtan hydropower station； governor； servoproportional valve；MDV200 main disturbing valve

TV734.4

A

570.30

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.02.014

2016-08-15

2017-01-13

梅高鑫（1986—），男，江蘇泰州人，碩士，助理工程師，主要從事水輪機(jī)調(diào)速器研發(fā)、設(shè)計及調(diào)試工作。E-mail：meigaoxin@sgepri.sgcc.com.cn

初云鵬（1986—），男，遼寧丹東人，本科，項目經(jīng)理，主要從事水輪機(jī)調(diào)速器項目管理工作。E-mail：chuyunpeng@sgepri.sgcc.com.cn

朱榮巧（1986—），男，江蘇泰州人，本科，項目經(jīng)理，主要從事水輪機(jī)調(diào)速器項目管理工作。E-mail：zhurongqiao@sgepri.sgcc.com.cn