多喷嘴冲击式机组调速器改造及其控制研究

次仁桑珠，索　珍，余纪伟，蔡卫江(．西藏满拉水电厂，西藏江孜857400; ．南京南瑞集团公司，江苏南京06)

多喷嘴冲击式机组调速器改造及其控制研究

次仁桑珠1，索珍1，余纪伟2，蔡卫江2
(1．西藏满拉水电厂，西藏江孜857400; 2．南京南瑞集团公司，江苏南京211106)

摘要:通过对草坡水电站多喷嘴冲击式机组调速系统的改造以及调速系统的研制，讨论了该类型调速器喷针及折向器液压系统的设计，以及机组停机到发电、发电到停机、事故保护等调速器控制流程;特别是对工况转换时喷针的切换规律及折向器控制进行了研究，并提供了现场应用情况。图5幅。

关键词:多喷嘴冲击式水轮机;调速器;控制流程;喷针调节;折向器控制

0　引言

近年来，我国水电建设蓬勃发展，预计2015年末水电装机容量将突破3亿kW。大规模开发需要大量的水电控制设备，而多喷嘴冲击式水轮机则是其中重要组成部分。这一机型适合于高水头小流量电站，与混流式机组相比，其结构简单，检修维护方便，而且空蚀和磨损小，在云南、西藏、四川等高水头地区得到了广泛应用［1］。然而，与其他类型机组比较，它采用了喷针及折向器的多重调节与控制，且大多数冲击式电站采用4喷嘴及以上的设计，所以该类型机组调速系统比较复杂，如四川冶勒电站，单机容量125 MW，采用6喷嘴控制，由法国ALSTOM公司设计制造，调速器配套采用该公司设备;四川田湾河金窝电站，单机容量140 MW，采用美国GE公司设备［2］。近几年来，中国水电制造技术突飞猛进，已经能够制造多喷嘴机组及其调速设备［3］。本文就从四川草坡电站4喷嘴冲击式机组调速器的改造出发，详细讨论了该类型机组调速器的设计和其控制策略。

1　工程概况

草坡电站位于四川省阿坝州汶川县境内，为引水式电站，地面厂房，总装机容量48 MW。1、2号水轮机型号为CJ20—L—215/2×19，3号水轮机型号为CTA237—L—136/4×13.6。设计水头392.7 m，其调速系统于2012年改造，采用了南瑞集团公司最新研制的CJT/4—1冲击式水轮机调速器。该系统微机调节器部分以B＆R公司的PCC2003控制器为核心，机械液压部分则以DIPUMA公司的比例阀作为电液转换单元，配合华德公司的电液阀作为液压放大单元。该系统运用了现代控制理论技术、先进的可编程控制技术和现代液压控制技术，具有较高的集成度和可靠性，运行直观、维护方便、操作简便。

2　多喷嘴机组调速系统设计

冲击式水轮机调速器采用喷针及折向器的多重调节与控制，喷针数越多，控制策略越复杂。喷针作为主调节系统采用连续控制，折向器则采用开关量控制，喷针与折向器独立控制而不协联。其调节控制系统指:喷针调节;折向器控制;启动喷针数及动作方式的选择;机组带负荷时喷针数的选择及切换。喷针对调速系统的调节性能起决定性作用，而折向器仅在大波动时对机组进行过速保护，其性能的优劣直接关系到机组的调节品质和安全稳定，所以该系统控制的可靠性及是否最优尤为关键［4］。

草坡电站水轮机采用4喷针4折向器结构，相应的调速系统需要有8个控制对象和液压执行机构，再综合考虑上述冲击式水轮机的控制特点和要求，设计的草坡调速系统液压原理如下所示(见图1)。从图1中可以看出:调速器机械液压部分由5套独立的液压控制单元组成，分别为4套喷针控制单元、1套折向器控制单元。其中，喷针控制系统采用电液比例阀实现闭环连续控制;折向器采用电液阀及液动阀实现开关量控制，仅在系统甩负荷等大波动时快速关闭折向器，起到机组过速保护的作用。整个液压系统控制回路明确，取消了传统的机械协联、凸轮及复杂的连杆机构，使结构大幅简化，而且有效地克服了机械传递死区，提高了系统的控制精度。

图1　多喷针机组调速系统液压原理示意

每套喷针接力器均配置了高精度位移变送器，通过微机控制器检测到喷针位置，再通过比例伺服阀实现喷针精确定位。4套喷针分别独立可调，每套喷针采用自动及手动2个液压调节通道，自动通道选用比例阀，比例阀的功能是把输入的电气信号按比例地转换成流量信号，通过电气信号电流大小变化及方向变化，从而控制喷针接力器的运动速度和方向;该阀的最大特点是电磁操作力大，耐污染能力及防卡能力强，具有较高可靠性。每个喷针的手动控制回路主要由10通径电磁换向阀和单向节流阀组成，手动控制的速度可以通过预先调节节流阀整定好。折向器接力器的全开和全关位均配置了位置开关，通过微机控制器检测折向器位置，再通过电磁阀实现折向器的开关控制。4套折向器采用同步联动控制模式，由1套16通径大流量电磁换向阀驱动。由于系统不管是喷针自动、手动还是折向器控制，都是采用先导阀直接控制到接力器油缸，整个液压控制系统简洁明快、可靠性较高。

3　多喷针及折向器控制策略研究

3.1机组从停机到发电流程

从目前的研究成果来看，机组从停机到发电的流程图如下所示(见图2)。当机组在停机态接到开机令后，首先打开折向器，然后按用户设定的开机规律启动喷针(单喷针或2个对侧喷针) ;当转速接近额定时(95%)，投入PID空载调节程序，转速稳定后，机组并网，切换到双喷针调节，接受监控系统的增加负荷指令，调节双喷针开度;当负荷大于50%时，切换到4喷针控制，最后逐步调节全部喷针开度，机组负荷带到额定。减负荷时情况类似，当负荷小于50%时，4喷针调节则切换到双喷针控制，直到负荷减到零。喷针切换是多喷嘴机组调节的关键，保持切换时负荷的稳定是控制的难点。为了实现该控制目标，设置了一定切换死区，增负荷过程中，当负荷超过52%时再进行切换;减负荷时，负荷低于48%时再切换，切换时为了保持负荷稳定，两喷针到4喷针时，两喷针按一定速率关闭，另外两喷针按同样速率开启，切换过程中保持总开度不变，直到4喷针开度一致，切换完成。同样，4喷针到两喷针时，两对侧喷针逐步开启，另外两喷针按同样速率关闭，直到两喷针关到零为止，另外两喷针停止动作，维持开度不变。

图2　机组停机—空载—发电流程

图3　机组发电—空载—停机流程

图4　机组甩负荷流程

3.2机组从发电到停机流程

机组从发电到停机的流程如图所示(见图3)。当机组在发电态，接到停机令或减负荷指令后，逐步降低4喷针开度，按减负荷规律再由4喷针过度到两喷针，等两喷针关闭到零，再调整另外两喷针到空载开度，负荷到零，待机组断路器跳开，马上投入折向器控制电磁阀，切断机组水流，并慢慢关闭两喷针，机组转速逐步下降，最终到零，完成停机流程。

3.3机组甩负荷流程

紧急情况下，当机组出现电气或机械事故(如推力瓦温度过高、发电机保护动作)，或者电网出现短路等故障，需要机组马上与系统解列;此时断路器跳开，机组转入甩负荷流程(见图4)。当断路器断开，调速器马上控制折向器关闭电磁阀动作，快速切断喷嘴水流，同时逐渐关闭两喷针接力器到零，调节两外喷针到空载开度，待转速接近50 Hz时，退出折向器，按转速偏差的PID调节规律调整两喷针开度，维持机组转速在额定，等待下次并网。

3.4喷针故障处理流程

极端情况下，由于调速系统油质原因可能造成比例阀卡涩，或由于人为或电源故障导致喷针变送器故障;若控制不当，可能造成喷针失控，全开或全关，机组可能过负荷或进入调相，引起事故扩大，必须采取紧急措施(见图5)。此时若机组处于空载工况，调速器直接输出开环关闭电压，直接关闭所有的喷针到零;若系统处于发电工况，则首先切除到比例阀的电气信号，保持喷针在当前开度，维持机组负荷，同时输出报警信号到监控，提请运行人员注意，切换系统到手动模式运行。

图5　喷针故障处理流程

4　应用情况

草坡电站由于2008年四川地震损毁重建，调速系统由南京南瑞集团公司提供，2012年5月，3套系统全部投产。投产期间，机组进行了详细的开机、空载、并网、停机、甩负荷、故障模拟等试验，机组开机时间、空载摆动、带负荷速度等试验结果均满足国标及电厂相关要求。工况转换过程中，多路喷针切换及调节均符合控制流程设计，折向器动作也满足程序控制要求，调速系统调节灵敏，控制平稳，机组工况转换正常，为电站灾后重建恢复发电提供了可靠的保障。

5　结语

近年来，中国水电建设快速发展，制造技术不断提高，冲击式机组容量越来越大，控制系统也越加复杂。特别是大型的冲击式水电站进入建设高峰期，亟需推动国内配套的水轮机调速器的研究进程，研发具有自主知识产权的水轮机调速器技术，而国内虽然在中小型、4喷4折机组上有一些应用，但大容量复杂的冲击机组(6喷6折100 MW以上)调速器基本还是空白，目前在关键核心技术上还有待研究［5］。本论文通过草坡电站多喷嘴机组调速系统的研制，研究了冲击式机组的液压系统设计和控制流程，特别是对工况转换时喷针的切换规律、折向器控制进行了研究，并提供了现场应用情况，希望能为大型机组控制系统提供一定的经验积累，并逐步实现完全国产化。

参考文献:

［1］潘熙和，等．多喷嘴冲击式水轮机调速器在阿鸠田水电厂的应用［J］．水力发电，2006(2) : 45_48．

［2］王容，等．大型冲击式水轮机微机调速器在田湾河流域梯级水电站中的应用［J］．四川水力发电，2011 (2) : 26_28．

［3］涂振祥．多喷嘴冲击式大型水轮机组的调速器控制与特殊工况运行问题的研究［J］．电力系统保护与控制，2009，37(16) : 16_19．

［4］文斌．冲击式机组微机调速器的设计及应用［J］．科技信息，2011(3) : 132_133．

［5］向家安．特大型冲击式水轮机微机调速器及应用［J］．水电自动化与大坝监测，2010(2) : 17_19．

责任编辑吴昊

作者简介:次仁桑珠(1974－)，男，工程师，主要从事水电站自动化设备维护检修及管理工作。E_ mail: xzmlcrsz@163.com

收稿日期:2015－10－19