数字缸在水轮机筒形阀电液同步控制系统中的应用

甘 楠，时天富

（中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072）

1 问题的提出

自1942年法国Neyrpic公司取得水轮机筒形阀专利权，并于1962年用于真机以来，水轮机筒形阀陆续在国外一些大型电站中得到大量应用和推广。我国自1993年在漫湾一期电站安装筒形阀并投入商业运行成功后，先后在小浪底、漫湾二期、石泉、董箐、光照、滩坑、瀑布沟、小湾等大型、巨型水电站中得到成功应用。如何保证水轮机筒形阀多只接力器的同步，是筒形阀控制的关键技术问题。

目前，国内外筒形阀同步机构采用的同步方式主要有机械液压同步 （依靠链条强迫各接力器同步运行）和电液同步 （大多采用同轴油马达式电液同步控制系统），随着国内水电开发进度的加快，机组容量、尺寸、筒体质量越来越大，为满足现代水电开发的需求，满足大尺寸、大容量、大质量的筒形阀同步需求，在同步控制上，从国内已建和待建大型和巨型水电站可以经明显看出电液同步有取代机械同步的趋势。

但是目前已建电站采用的电液同步 （大多采用同轴油马达式电液同步）控制系统还存在一些问题：

（1）控制复杂。控制时必须电气、机械液压系统密切配合，一旦控制环节上出现一点错误，将直接导致开启、关闭筒形阀的失败及卡阻。

（2）液压系统由大量液压元件组合、插装而成，整个系统安装周期长、调试难度大、运行和维护成本高。

（3）系统管路多，连接点和漏油点多，不利于电厂达标。

（4）接力器位移测量传感器必须可靠，一旦测量不准确或损坏，整个系统就会瘫痪。

目前已建电站的圆筒阀的电液同步主要依靠接力器位移测量传感器测量和比较接力器的行程，并将测得的差异反馈给控制系统随时进行纠偏，由于负载阻力的不确定性和工况的复杂性，纠偏控制的响应时间长，液压元件处于频繁动作状态，导致系统元件寿命缩短和可靠性降低。将数字缸应用在筒形阀电液同步控制系统中，较好地解决了以上问题。

2 数字缸在筒形阀电液同步控制系统中的应用

2.1 数字缸

数字缸（或称数字伺服控制装置）是电气元件、机械传动结构和液压元件高度集成化的液压装置。在数字缸内部集成有数字电机、数字伺服液压阀、位置传感器 （角编码器式位移变送器）和液压缸（即接力器）等。

数字缸工作原理：步进电机接收计算机发出的数字脉冲信号而转动，该转动带动数字伺服阀运动，并将旋转运动转变为直线运动，该直线运动打开数字阀的阀口，由液压油源驱动操作油缸活塞杆前进或后退。活塞杆带动反馈机构并与数字阀相连，形成耦合，调节阀口以保证操作油缸活塞杆的当量值。

从数字缸工作原理可以看出数字缸有如下优点：

（1）数字缸将原来复杂的速度控制和位置控制，变成了简单的数字脉冲开环控制，简化了控制系统，提高了响应速度。

（2）由于所有元件均装在油缸内部，大大提高了系统的安全性和可靠性，并且由于没有了复杂的闭环电反馈装置 (只是纯机械式闭环反馈)，也大大提高了系统的抗干扰能力，从而提高了设备的可靠性，并且基本上可以做到零调试和零维护，可长期稳定工作。

（3）数字缸活塞杆移动位移的误差是由设计、装配决定的，在活塞杆移动过程中，没有累积误差，只有一个基础误差。

2.2 数字缸筒形阀电液同步控制系统基本原理

数字缸筒形阀电液同步控制系统由电气控制装置和液压执行系统两部分组成。液压执行部分是数字缸，每只接力器顶部安装有1套步进电机、数字伺服液压阀和位置传感器等。

筒形阀的电液控制是通过数字缸内步进电机控制的。正常工作时，筒形阀电气控制装置向6只接力器端部的步进电机输出编制好相同速度和位置的信号，筒形阀即按给定的运行速率曲线同步升降，脉冲频率代表油缸运行速度，脉冲总数代表行程，一一对应。所有这些功能的实现，是通过数字缸内部的传感器自动检测速度和位移，并与数字缸给定的速度指令和位置指令进行比较并自动调节，在接力器油缸内实现机械速度闭环和位置闭环，只要六只接力器顶部的步进电机接收到的脉冲信号频率和脉冲信号的总数相同，那么6只接力器的开关速度和位置就会相同，就能始终保持高精度的速度同步和位置同步。

每只接力器油缸的实际运行情况，由数字缸内置的位移传感器不间断地发送到筒形阀电气控制装置，由筒形阀电气控制装置检测、监控、显示。

如果需要单只接力器动作时，筒形阀电气控制装置可以单独只给需要动作的接力器端部数字步进电机脉冲指令，也可以用手柄转动步进电机顶部外露的电机轴，控制每个接力器的行程位置，这为筒形阀的初期安装、调试、试验提供了极大的方便。

筒形阀电气控制装置由PLC（可编程逻辑控制器）、触摸屏、信号灯、切换开关、控制按钮、继电器、电源转换装置、接线座等组成。所有电气元件组装在1个800 mm×600 mm×2 260 mm标准盘柜内。

电气装置最核心部分为PLC，通过它控制数字缸-筒形阀电液同步控制系统，操作筒形阀开启、关闭；触摸屏、信号灯、切换开关、控制按钮组装在筒形阀控制盘正面；所有显示、现地操作命令都在触摸屏界面上实现。

整个筒形阀电气控制盘由220VAC和220VDC双路供电，盘内PLC与触摸屏由24VDC供电，24VDC电源来自1个电源转换装置。正常状态下，电源转换装置由220VAC供电，当220VAC电源消失时，自动切换由220VDC供电；当220VAC电源恢复时，又自动恢复由220VAC供电，以保证筒形阀电气控制盘的可靠性。为保证在厂用电失电情况下电气控制柜能正常工作，在电气控制柜内还设置有一套备用UPS电源，在筒形阀电气控制盘的两路220VAC和220VDC都失去的情况下，备用UPS电源自动投入，可大大增加筒形阀电气控制装置的可靠性。

2.3 数字缸筒形阀电液同步控制系统的优点

数字缸筒形阀电液同步控制系统与同轴油马达式电液同步控制系统相比具有如下优点：

（1）系统简单 （只有两条主环形油管和一条小控制油管），安装方便 （每个油缸都可单独手动，便于安装找平），调试容易 （几乎可以做到零调试），维护工作量小。

（2）只要系统压力油源正常，可全机械手动操作开启、关闭筒形阀。

（3）功能全面。正常操控时具有任意曲线启闭筒形阀的功能，充分发挥筒形阀的优越性。

（4）具有多种操作功能和保护功能。无论何种开启、关闭操作，都是高精度同步 ，运行可靠。

（5）可手动调整并精确控制每个圆筒阀接力器的行程位置，这样有利于接力器活塞杆和圆筒阀的安装连接及初期调试。

（6）外观结构简洁，布置更加美观。

2.4 将数字缸应用在水轮机筒型阀的过程

东方电机股份有限公司早在漫湾一期电站投入商业运行后，就已经开始了电液同步研发工作，在筒形阀控制领域开展了大量工作。通过漫湾二期电液同步控制系统设计、系统集成、安装、调试，发现其系统复杂、调试困难、运行维护工作量大，设备昂贵，且因技术专利属于国外而受制于欧美国家。为了开发更加先进的圆筒阀控制技术，在经过大量原创性的开发和研究工作后，提出采用数字缸筒形阀电液同步控制系统。

作为一种电液同步控制装置，数字缸已经被广泛成功地应用在航空航天及其他领域，在这些领域数字缸作为液压同步控制装置具有大量的实际运行经验。作为水轮机筒型阀的同步电液控制装置第一次被引入是在锦屏一级水电站。考虑到锦屏一级电站装机规模大 （6×600 MW），数字缸又是第一次在水电站上应用，作为数字缸电液同步控制系统的供货方——东方电机股份有限公司 （以下简称 “东电公司”）决定在已投入运行的滩坑水电站 （3×200 MW）的一台真机上进行试运行。据东电公司统计，自2009年7月将滩坑3号机圆筒阀机械液压同步改为数字缸电液同步，到2010年5月，已顺利开启筒形阀270余次，无一次卡阻故障，运行可靠性较高，且运行维护非常方便。

数字缸在滩坑水电站成功应用，为数字缸应用于水电站水轮机筒型阀电液同步控制系统打下了良好的基础，随着数字缸应用于锦屏一级水电站 （6×600 MW）及溪洛渡水电站 （9×770 MW）中可以预见，在不久的将来数字缸将推广使用在越来越多的大型、巨型水电站上。

3 结语

尽管数字缸在滩坑水电站取得初步的成功，但该系统仍然存在如下问题：

（1）在筒形阀电气控制装置故障及失灵的状况下，筒形阀的开启和关闭操作只能通过多人协调一致的手动操作，才能同步控制所有数字缸 （圆筒阀接力器）的开启和关闭。

（2）筒形阀的开启和关闭控制只能接收电气信号控制和转动手柄控制两种控制方式，而不能接收液压控制信号。从安全的角度出发，不允许将纯机械液压过速保护装置的过速液压信号直接引入圆筒阀的液压关闭回路。

（3）和其他圆筒阀电液控制系统一样，在系统压力油源完全消失的情况下，不能有效控制筒形阀的开启和关闭。

目前国内电液同步尚在初步应用阶段，随着数字缸在锦屏一级及溪洛渡电站中的运用，会逐步积累更多的运行经验，数字缸筒形阀电液同步控制系统也会在实践中得到进一步完善。