尹廣斌，劉多斌，王洪彬，尹勝軍，曾祥廣

(國網(wǎng)新源水電有限公司豐滿培訓(xùn)中心， 吉林 吉林 132000)

調(diào)速器在機組運行時用來維持機組轉(zhuǎn)速恒定或在允許誤差范圍內(nèi)，承擔(dān)機組啟停、并網(wǎng)、增減負(fù)荷和一次調(diào)頻等操作[1]。當(dāng)機組發(fā)生電氣事故或機械事故導(dǎo)致發(fā)電機突然跳閘后，調(diào)速器可以及時關(guān)閉水輪機的導(dǎo)水機構(gòu)，以防止事態(tài)擴大。因此對于電站運維人員，必須要掌握調(diào)速器正常的開、停流程和機械檢修、維護，以及異常情況的故障排查等技能。但是這些技能的學(xué)習(xí)和培養(yǎng)，僅依靠發(fā)電廠真實機組的調(diào)速系統(tǒng)來學(xué)習(xí)是不夠的，還需要進行系統(tǒng)性的專業(yè)培訓(xùn)作為補充。為此，國網(wǎng)新源水電有限公司豐滿培訓(xùn)中心提出建設(shè)水輪機調(diào)速器實訓(xùn)平臺。

由于國網(wǎng)新源水電有限公司系統(tǒng)內(nèi)調(diào)速器類型不一，按油壓等級分有高油壓調(diào)速器和低油壓調(diào)速器；按照調(diào)速器的電/機轉(zhuǎn)換器類型分有無油電轉(zhuǎn)、比例閥和數(shù)字閥等[1]；按照調(diào)速器的功能分有常規(guī)水輪機調(diào)速器和抽水蓄能調(diào)速器。這些不同油壓等級、不同電/機轉(zhuǎn)換器及不同功能的調(diào)速器，如何有機地集成到一個調(diào)速器實訓(xùn)平臺，以滿足系統(tǒng)內(nèi)大部分培訓(xùn)需求，是一個值得研究的課題。查閱國內(nèi)有關(guān)水電站調(diào)速器培訓(xùn)平臺建設(shè)方面的文獻(xiàn)[2-4]，發(fā)現(xiàn)在這方面所做的研究工作并不多，因此還需要做大量的研究工作來填補這一空白，可以預(yù)見調(diào)速器綜合實訓(xùn)平臺將是未來水電站調(diào)速器實訓(xùn)平臺建設(shè)的一個發(fā)展趨勢。

1 總體設(shè)計

豐培中心調(diào)速器實訓(xùn)平臺總體設(shè)計為具有高油壓調(diào)速器、低油壓調(diào)速器和抽水蓄能調(diào)速器的綜合實訓(xùn)平臺，如圖1所示。高油壓調(diào)速器和低油壓調(diào)速器為常規(guī)水輪機調(diào)速器，它們有各自獨立的機械液壓系統(tǒng)，高油壓調(diào)速器壓力等級設(shè)計為16 MPa，其電-液轉(zhuǎn)換器設(shè)計為數(shù)字閥與比例閥組合式結(jié)構(gòu)；低油壓調(diào)速器壓力等級設(shè)計為6.3 MPa，其電-機轉(zhuǎn)換器設(shè)計為伺服式無油電轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)；抽水蓄能調(diào)速器為低油壓調(diào)速器的衍生品，采用低油壓調(diào)速器的機械液壓系統(tǒng)部分，不同之處是在調(diào)速系統(tǒng)控制軟件上增加了抽水蓄能調(diào)速器的水泵模式和多工況轉(zhuǎn)換等功能。這三種類型的調(diào)速器，可在調(diào)速器電氣柜操作面板上進行人工選擇，如圖2所示，滿足學(xué)員了解和學(xué)習(xí)多種類型調(diào)速器的需求。

2 實訓(xùn)平臺架構(gòu)

豐培中心調(diào)速器實訓(xùn)平臺組成及各組成部分之間的邏輯、連接關(guān)系的架構(gòu)如圖3所示。

圖1 調(diào)速器實訓(xùn)平臺的調(diào)速器類型設(shè)計圖

圖2 調(diào)速器電氣柜操作面板設(shè)計圖

圖3 調(diào)速器實訓(xùn)平臺架構(gòu)圖

豐培中心調(diào)速器實訓(xùn)平臺總體由調(diào)速系統(tǒng)操作終端、水輪機仿真系統(tǒng)操作終端、電源屏柜、調(diào)速器電氣柜、調(diào)速器機械柜、油壓裝置、機械液壓系統(tǒng)、接力器及其反饋裝置和水輪機仿真系統(tǒng)等組成。調(diào)速系統(tǒng)操作終端屬于調(diào)速器電氣柜的組成部分，水輪機仿真系統(tǒng)操作終端屬于水輪機仿真系統(tǒng)的組成部分。

3 油壓裝置設(shè)計

油壓裝置由兩部分組成：①油泵電機組1、控制閥組1、高油壓蓄能罐組；②油泵電機組2、控制閥組2、低油壓蓄能罐組。它們是油壓裝置控制系統(tǒng)輸出命令的執(zhí)行機構(gòu)，為調(diào)速器實訓(xùn)平臺提供兩種不同等級的壓力油，并實現(xiàn)了兩種油源切換時相互閉鎖，保證了兩種壓力等級的調(diào)速系統(tǒng)獨立運行時的安全性和可靠性。豐培中心調(diào)速器實訓(xùn)平臺油壓裝置液壓系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 調(diào)速器實訓(xùn)平臺油壓裝置系統(tǒng)圖

高油壓油源切換的控制部分由高壓油源切換電磁閥EHV、高壓主供油插裝閥HMV11、高壓油源主供油截止閥HMV1和高壓油監(jiān)視壓力繼電器PR1組成。低油壓油源切換的控制部分由低壓油源切換電磁閥ELV、單向閥NRV、低壓主供油插裝閥LMV11、低壓主供油截止閥LMV1和低壓油監(jiān)視壓力繼電器PR2組成。HMV1、LMV1在非檢修狀態(tài)下，處于常開狀態(tài)。高、低油源切換電磁閥EHV、ELV分別控制主供油插裝閥HMV11、LMV11的上腔通油狀態(tài)，使油壓裝置輸出調(diào)速系統(tǒng)相應(yīng)壓力等級的壓力油，同時密閉另一壓力等級的壓力油，使兩種壓力油互不影響。

實訓(xùn)平臺油壓裝置的特別之處是在低油壓輸出回路中設(shè)計了單向閥NRV，目的是避免油壓裝置工作在高油壓等級時，高壓油PH返回到LMV11的下腔，進而克服LMV11上腔壓力油PL頂開低壓主供油插裝閥(LMV11處于密閉狀態(tài)，LMV11上腔通PL)，使高壓油竄入低壓油系統(tǒng)，造成油壓系統(tǒng)故障。反之，當(dāng)油壓裝置工作在低油壓等級時，低壓油PL也會返回到高壓主供油插裝閥HMV11下腔，但由于HMV11上腔通高壓油PH，低油壓PL無法頂開HMV11，因此高油壓輸出回路不需要設(shè)置單向閥。這一設(shè)計為兩種壓力油互不影響提供保證。但為了防止誤操作，兩種壓力油源的儀器儀表均選用高等級壓力配置，確保系統(tǒng)安全。

4 機械液壓系統(tǒng)設(shè)計

機械液壓系統(tǒng)由低油壓調(diào)速器機械液壓系統(tǒng)和高油壓調(diào)速器機械液壓系統(tǒng)兩部分組成，它們是調(diào)速器控制系統(tǒng)輸出命令的執(zhí)行部分。

4.1 低油壓調(diào)速系統(tǒng)

低油壓調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計原理如圖5所示，圖5中PCL表示低壓控制壓力油，PL表示低壓油源。該系統(tǒng)具有不用油、能自動復(fù)中的特性[5]。

低油壓調(diào)速系統(tǒng)具有自動和手動兩種控制方式，由伺服電機2執(zhí)行調(diào)速系統(tǒng)控制器輸出命令進行自動控制；由人工旋轉(zhuǎn)無油電液轉(zhuǎn)換器4的手輪進行手動控制，最終將電機或手輪的旋轉(zhuǎn)運行轉(zhuǎn)換為主配閥7活塞的上、下位移動作。

如圖5所示，液控單向閥1在低壓控制壓力油PCL作用下，將低壓油PL引入到主配壓閥7的壓力腔，在無油電-機轉(zhuǎn)換器4作用下，改變主配壓閥7的閥位機能，經(jīng)疊加式液控單向閥8輸出壓力油對接力器進行開、關(guān)操作。緊急停機閥6接受外部控制命令對接力器進行快速關(guān)閉，并將緊急停機閥閥位狀態(tài)通過緊停信號器5上送給監(jiān)控系統(tǒng)。

圖5 低油壓調(diào)速系統(tǒng)圖

4.2 高油壓調(diào)速系統(tǒng)

高油壓調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計原理如圖6所示，圖6中PCH表示高壓控制壓力油，PH表示高壓油源。該系統(tǒng)具有積木式疊加結(jié)構(gòu)，無明管，比例閥具有控制精度高，響應(yīng)速度快的特性[5]。

高油壓調(diào)速系統(tǒng)具有自動和手動兩種控制方式，由電磁換向閥3或比例閥9執(zhí)行調(diào)速系統(tǒng)控制器輸出命令進行自動控制；由人工手動操作圖2所示的調(diào)速器電柜面板的導(dǎo)葉增、減旋鈕，實現(xiàn)比例閥9的手動控制。

如圖6所示，液控單向閥1在高壓控制壓力油PCH作用下，將高壓油PH引入到緊急停機和液控?fù)Q向閥6。當(dāng)執(zhí)行調(diào)速系統(tǒng)控制器大幅度動作命令時，動作電磁換向閥3，改變液控?fù)Q向閥6的閥位機能，輸出壓力油經(jīng)疊加式液控單向閥7至接力器進行大開、大關(guān)操作；當(dāng)執(zhí)行調(diào)速系統(tǒng)控制器小幅度動作命令時，動作比例閥9，比例閥輸出壓力油經(jīng)疊加式液控單向閥8至接力器進行小開、小關(guān)操作。兩者相配合，以實現(xiàn)導(dǎo)葉開度的精確控制。緊急停機閥2接受外部控制命令對接力器進行快速關(guān)閉，并將緊急停機閥閥位狀態(tài)通過緊停信號器4上送給監(jiān)控系統(tǒng)。

圖6 高油壓調(diào)速系統(tǒng)圖

5 實訓(xùn)平臺硬件設(shè)計

實訓(xùn)平臺控制器選用瑞士ABB生產(chǎn)的高性能AC500系列PLC，全部為標(biāo)準(zhǔn)化模塊式結(jié)構(gòu)，所有模塊均直接安裝在標(biāo)準(zhǔn)的eCO總線上。各模塊均有自己的微處理器，完成各自特定的功能，CPU模塊僅完成邏輯判斷與PID運算；輸入、輸出、開度采樣等工作由各自單獨模塊完成，各處理器并行工作，速度快，擴展、升級容易。

測頻模塊由高性能CPU構(gòu)成，僅完成頻率的測量任務(wù)，能實現(xiàn)“軟升級”。由導(dǎo)葉位置傳感器測得的導(dǎo)葉位置、由水輪機仿真系統(tǒng)輸出的仿真有功等電信號經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換取得導(dǎo)葉位置信號及有功信號；由開關(guān)量輸入模塊采集二次的開、停機、增、減等命令。AI、DI等輸入信號送至CPU模塊，由CPU按調(diào)節(jié)規(guī)律分析計算出相應(yīng)的導(dǎo)葉控制信號及狀態(tài)信號，送開關(guān)量或模擬量輸出模塊完成控制輸出和狀態(tài)輸出。開關(guān)量或模擬量輸出模塊按計算控制值輸出對應(yīng)寬度脈沖的開關(guān)信號或模擬信號，控制相應(yīng)的機械液壓系統(tǒng)，使導(dǎo)葉按照調(diào)節(jié)規(guī)律的要求動作，并在故障時，動作報警信號。通訊單元負(fù)責(zé)與上位機通訊，接受上位機的命令或發(fā)送系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)給上位機。通過液晶觸摸屏作為人機交互界面，完成調(diào)速器的現(xiàn)場操作命令及狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示、故障記錄、操作記錄、試驗等功能。

6 軟件設(shè)計

調(diào)速系統(tǒng)的軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，軟件按模塊化設(shè)計并允許從規(guī)定的程序接口設(shè)備去改變程序運行方式或控制參數(shù)。軟件使用方便，維護容易，所有軟件均經(jīng)過測試，并能直接投入現(xiàn)場操作。

1)控制程序。PLC控制軟件在ABB公司提供的軟件的基礎(chǔ)上編制，為實時多任務(wù)控制系統(tǒng)，采用變結(jié)構(gòu)變參數(shù)自適應(yīng)并聯(lián)PID控制算法，并內(nèi)嵌基本邏輯型控制器,具備全面容錯控制策略?？刂栖浖ㄖ髁羁刂?、跟蹤、PID調(diào)節(jié)、負(fù)荷調(diào)節(jié)、故障診斷和容錯、故障報警、通訊、一次調(diào)頻、控制輸出、轉(zhuǎn)速測量等程序模塊。

2)人機界面。信息處理軟件是在利用Kinco HMI工業(yè)液晶觸摸屏組態(tài)軟件編制而成，全中文、信息顯示全面，包括有各種數(shù)據(jù)/狀態(tài)/儀表顯示、操作控制、曲線記錄顯示、狀態(tài)記錄、故障記錄、試驗測試、參數(shù)設(shè)置和通訊等程序模塊。

7 系統(tǒng)主要試驗結(jié)果

調(diào)速系統(tǒng)試驗根據(jù)GB/T 9652.1-2019《水輪機控制系統(tǒng)技術(shù)條件》、GB/T9652.2-2019《水輪機控制系統(tǒng)試驗》標(biāo)準(zhǔn)和國網(wǎng)新源水電有限公司關(guān)于調(diào)速器相關(guān)技術(shù)規(guī)范進行。調(diào)速器實訓(xùn)平臺按要求進行了調(diào)速系統(tǒng)全部功能和性能試驗，這里只重點介紹調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性和甩滿負(fù)荷試驗并對照標(biāo)準(zhǔn)進行了分析。圖7和圖8分別為調(diào)速器靜特性和甩負(fù)荷的試驗曲線。

圖7 靜特性試驗圖

1)靜特性測試結(jié)果。實測的系統(tǒng)轉(zhuǎn)速死區(qū)ix(%)為0.001，線性度誤差ε%為0.001。滿足國標(biāo)中規(guī)定的調(diào)速器靜態(tài)特性曲線近似為直線和靜態(tài)特性轉(zhuǎn)速死區(qū)ix%不超過0.02%(大型電調(diào))的調(diào)節(jié)要求[6]。

圖8 甩負(fù)荷試驗圖

8 結(jié) 語

豐培中心調(diào)速器綜合實訓(xùn)平臺滿足國網(wǎng)新源水電有限公司培訓(xùn)需求，機械液壓系統(tǒng)液壓采用伺服電機、數(shù)字閥和比例閥控制。油壓裝置采用6.3 MPa和16 MPa切換運行，模擬不同壓力油源。能夠讓學(xué)員了解和學(xué)習(xí)多種控制及工況的水輪機調(diào)速器，是將來水電站調(diào)速器實訓(xùn)平臺發(fā)展的一個方向。