灯泡贯流式机组调速器的特点及应用

陈 艳，李学礼

（天津电气科学研究院有限公司，天津 300180）

灯泡贯流式机组调速器的特点及应用

陈 艳，李学礼

（天津电气科学研究院有限公司，天津 300180）

以泰国NARESUANA电站灯泡贯流式水轮发电机组及其调速器为例证，着重说明了灯泡贯流机组的特点，阐述了调速器的步进电机系统研制和应用：①采用适应式、变结构、变参数、并联PID调节模式，使机组在不同状态下均能稳定运行；② 采用变参数导叶分段关闭装置，根据水头、负荷、频率等机组工况自动改变导叶分段关闭投入点，减少了快速关闭时造成水击压力的升高，并防止涌浪、低频及水锤的发生；③桨叶根据机组频率自动改变关闭速度，防止涌浪、低频及水锤的发生。

灯泡贯流式机组；调速器；步进电机；变参数分段关闭；

0 前言

近年来在低水头水力资源的开发中，灯泡贯流机组以其优良的水力特性和显著的经济效益，得到普遍重视和广泛采用，由于灯泡贯流的特殊性，对其调速器的性能及控制方式也提出了越来越高的要求。

l 灯泡贯流机组介绍

1.1 灯泡贯流机组的结构

灯泡贯流机组为水平布置，发电机布置在水轮机上游或下游河道里与水密封的灯泡形金属壳体内，由上游流人的压力水绕过灯泡外壳，通过导叶直接作用于轮叶，带动发电机旋转，其全部重量支撑在混凝土基础上。

1.2 灯泡贯流机组的优点

（1）灯泡贯流式机组是开发低水头资源最优良、最经济的机型，对水头变化较大的低落差迳流电站。有较好的适应性。

（2）灯泡贯流机组的效率比立式机组高3%～5%。

（3）灯泡贯流式机组结构紧凑，占用位置少、土建工程量小，有利于工程布置。

1.3 灯泡贯流机组的特殊性

灯泡贯流机组发电机置于水下的灯泡内。由于水流条件的影响，灯泡比受到一定的限制，发电机尺寸较小，重量轻、转动惯量及GD2相应较小。因此其调节过程和常规机组相比，有一定的独特性，具体表现为：灯泡贯流机组水头低、流量大、因此水流惯性时间常数Tw较大，而机组转动惯量GD2较小，只有同容量立式机组的15%～30%，因此其机组惯性时间Ta较小，使得Tw/Ta值很大，调速器国标规定：调速器控制条件要求Tw/Ta比值不大于0.4，灯泡贯流机组由于其结构的特殊性，这一数值一般都比较大，无法满足国标的要求，因此采用常规的控制方式往往无法满足机组的正常运行。

灯泡贯流机组由于低水头、大流量，小转动惯量，运行中容易出现以下现象：

（1）由于转动惯量较小，甩负荷时速率上升较高。

（2）由于桨叶关机速度较慢，甩负荷后易出现低频现象。

（3）灯泡贯流机组的过流量大，甩负荷、紧急停机时，上游水位抬高，下游流量减少，产生很大波动，易产生浪涌及负水锤。

2 灯泡贯流机组调速器的特点

灯泡贯流式机组调节有着上节所述的特殊性，因此相应的控制设备调速器需要进行特殊的设计。

（1）灯泡贯流电站由于水头变化较大，不同水头下的水力状况差异较大，同一组调节参数很难适应所有工况，因此需设计变参数并联PID调节模式，即调速器根据水头自动改变PID参数以适应不同水力状况，保证机组在不同工况下稳定运行。

（2）灯泡贯流机组由于重量轻、转动惯量及GD2较小，另外由于桨叶开关速度较慢，甩负荷时导叶及桨叶的正常协联关系被破坏，因此甩负荷时易发生以下现象：

1）转速上升较快，为限制机组的上升率，需快速关闭导叶，但由于灯泡贯流机组的过流量大，水头低，导叶快速关闭过程中容易产生水锤，因此需设置导叶两段关闭装置以克服水锤；

2）甩负荷后机组转速迅速上升至最高值后便迅速下降，大部分可降至90%额定转速以下，即出现低频现象，为克服机组低频的发生，可根据不同的水头及甩负荷，改变导叶两段关闭装置的动作值，同时对桨叶实行两段关闭控制以优化机组的稳定性。

3 工程概况

以泰国NARESUAN电站为例，详细介绍灯泡贯流机组调速器的控制方式。NARESUAN水电站位于泰国北方城市Phitsanulok，电站装机1台8500KW灯泡贯流机组，电站基本参数见表1。

表1 机组参数

3.1 调速系统

调速器采用某研究所生产的TDBWST-80-6.3型PLC步进电机微机调速器，该产品以PLC为控制核心、步进电机为电液转换元件、触摸屏为人-机对话工具，硬件配置先进稳定，软件技术成熟可靠。

3.2 硬件配置

调速器硬件配置如图1所示。

图1 调速器硬件配置

3.3 软件设计

由于机组甩负荷后转速迅速升高，导叶快速关闭，导叶快速关闭后浆叶由于关机时间较慢而开度仍然较大，此时机组容易出现低频及反水锤现象，为了克服这一现象，可根据负荷及水头改变导叶两段关闭投入值，即根据不同负荷及水头适当提高导叶两段关闭投入点，这样可以保证机组甩负荷后迅速关闭而又不至于关闭太小，从而保证机组不过速且克服低频问题。表2为试验后的导叶两段关闭投入数据。

表2 试验后导叶两段关闭投入数据

另外机组甩负荷后转速升高到最高点后快速下降，调速器控制机组导叶快速打开，此时浆叶关闭至较小值，机组频率会再次快速升高从而造成振荡，为了克服上述问题，可在机组转速上升至最高点时减缓桨叶关闭速度，从而减缓机组转速变化的速率，使机组转速变化平滑、稳定。

机组甩负荷控制流程图如图2所示。

图2 机组甩负荷控制流程图

4 试验数据及波形

50%甩负荷记录如图3所示。

图3 机组50%甩负荷记录

100%甩负荷记录如图4所示。

图4 机组100%甩负荷记录

从上述波形及表3数据可以看出，机组在100%甩负荷后转速上升率为43.51%，而设计值为50%，另外机组甩负荷后最低转速接近额定转速，未出现低频现象，且机组在调节过程中转速变化平稳，在30s内即可稳定在额定转速。

表3 甩负荷试验数据及分析

另外机组蜗壳水压上升率为61.4%，调节过程中亦未监测到水锤产生。

5 结论

由于灯泡贯流机组水头低、流量大、机组转动惯量较小，从而造成水流惯性时间常数Tw与机组惯性时间常数Ta的比值过大，使得常规的控制方式很难满足机组的调节品质要求，本文所介绍的变参数、并联PID调节模式及根据水头及负荷改变导叶分段关闭投入点、根据频率改变桨叶关闭速度的方法不仅完全满足灯泡贯流机组的调节要求，而且可以很好地解决机组在甩负荷过程中可能出现的低频及水锤问题，泰国NARESUANA电站的试验及2年的安全运行充分证明了上述方法的可靠性和稳定性。

审稿人：朴秀日

Characteristic of Bulb Hydraulic Turbine Governor

CHEN Yan, LI Xueli
(Tianjin Research Institute of Electric Science Co., Ltd, Tianjing 300180, China)

Bulb hydraulic generating units are development very quickly in recent years in low water-head power station for its smaller volume, compact construction and high efficiency. Turbine governor as important control equipment in hydraulic power station provide high-quality, reliable power protection for the industrial production and people's daily lives, the regulation performance will affect the power quality and power plant safety and economic operation. A Special regulation model for bulb generating units has been introduced in this paper through the Thailand NARESUANA station on-site testing.

bulb hydraulic generating units; governor; step-motor; changeable two step closure

TK730.4+1

A

1000-3983(2016)02-0061-04

2015-01-20

陈艳（1976-），1997年7月毕业于合肥工业大学电气系电力系统及其自动化专业，1997-2012在天津电气科学研究院有限公司从事水轮机调速器的研究与设计，2012年开始至今从事水电站电气设计工作，高级工程师。