新型调速器在石泉水电厂的应用

苟先智（大唐陕西发电有限公司石泉水力发电厂，陕西 石泉 725200）

新型调速器在石泉水电厂的应用

苟先智
（大唐陕西发电有限公司石泉水力发电厂，陕西 石泉 725200）

摘要：以石泉水电厂3号机组调速器改造为例，论述CVT-100数字式水轮机调速器在3号机组的应用。对CVT-100数字式水轮机调速器系统的硬件、工作原理进行了说明，并且重点介绍其技术创新点及具体应用。

关键词：技术创新；冗余配置；高速开关阀

0　引言

石泉水电厂5台水轮发电机组原调速器为双微机比例伺服阀电液调速器，该型调速器采用“工控机（IPC）+液压随动系统”结构模式，随着使用年限的增加，原调速器关键电气元件老化严重，各性能参数明显下降，机械元件/组件也磨损严重，多次发生机组偷开误开、开机过程机组过速及运行中溜负荷异常事件，其工作性能危及机组的安全运行，无法满足电厂正常生产要求，需要采用一种各项功能及性能满足国标及相关规程要求、运行稳定可靠的新型水轮机调速器，以取代原调速器系统。

通过广泛的市场调研、反复甄别与比较，决定在3号机调速器改造中采用北京中水科工程总公司生产的基于现代液压数字逻辑插装技术的新一代水轮机调速器CVT-100，对原有调速器进行技术改造。

1　系统构成

3号机CVT-100调速器采用的是机、电柜分体式结构，由电气调节器、液压随动系统两大部分构成。

（1）电气调节器：其核心部件为可编程控制器、输入/输出信号调理模块、智能功放/驱动回路；具有高可靠性和直观、方便的人机接口，提供了全方位、最直接的监测、调试和维护手段。

（2）液压随动系统：其基本结构特征可归纳为先导控制（高速数字开关阀）、阀座主级（逻辑插装阀）、嵌入式联接。各组件之间采用模块化结构有机地组合在一起。液压随动系统采用模块化结构，可根据使用需要进行灵活的组合和布置。整个液压控制系统具有很高的集成度，无任何杆件、钢丝绳及内部外露管道。

2　工作原理

调节规律的综合及控制量的计算由电气调节器部分实现，而纯粹将CVT型液压随动系统作为功率放大部件，跟随电气控制量并同时实现D/A转换，以驱动导叶接力器。

2.1电气调节器的工作原理

CVT型微机调节器接收LCU命令，根据采集得到的机频/网频、有功、水头、开度等信号，通过软件进行调节规律的综合，进而得出相应的控制量，其控制量通过高速开关量接口与智能功放板驱动液压随动系统的高速开关阀；最终实现对机组导叶接力器的相应调节与控制。

2.2高速开关阀（数字阀）原理

高速开关阀在 CVT系列调速器中起到从电气脉冲量到液压量转换的作用，即“电－液转换”的作用。它属于脉冲式流体控制，只有开/关两个状态，响应时间约0.5～3ms，作为计算机与液压系统的桥梁，它可直接与计算机接口而无需D/A转换，从而使流体控制数字化，起到了“数字阀”的作用。而且高速开关阀的重复精度可达0.05ms，充分保证随动系统的控制精度。其功能是接收电气柜的数字脉冲序列信号，使其直动式阀芯产生通/断动作，进而控制先导油口压力油的通断，以控制主控阀或主配产生相应的动作。它具有结构简单、抗污能力强、重复性好、工作稳定可靠、节能等优点。

2.3系统工作原理

自动状态下导叶反馈信号通过位移传感器经A/D转换反馈至微机调节器，调节器根据不同的控制要求，将控制量与反馈量比较后输出控制信号，此信号经转换放大后作用于先导控制高速开关阀；与此同时，经高速开关阀转换后的液流信号就会立即作用于由逻辑插装单元组合而成的液压功率驱动阀板（接力器控制阀），通过功率驱动阀板转换放大后的液流最终进入主接力器，使其跟随调节柜控制信号的变化，直至调节过程结束。

3　技术创新

CVT-100调速器由电子调节器、液压随动系统两大部分构成。该调速器采用逻辑插装技术，由高速开关阀与逻辑插装阀等标准液压件进行元件-组件-回路的多层次组合与优化设计，进而实现调速器调节与控制的所有功能。它突破了近一个世纪以来一成不变的电气-机械/液压转换元件（比例伺服阀等电液转换器）+滑阀式主配压阀的经典形式、以及制造工艺与结构布置等方面的种种制约，系统的调节、控制无需由“中间位置”与机械反馈来保证，使调速器的设计、制作与生产发生了根本性的变化；它兼顾了机械液压动作的可靠性、微机的适用性和阀的简单化。具有高可靠性、响应快、动作平稳性能好、定位精度高、工作效率高、节省油源消耗等独特优点，在调速器领域独树一帜。

（1）调速器控制核心部件采用高可靠PCC控制器，并采用双微机通道冗余控制结构，且按独立双通道主从（或并联）方式工作，任一通道退出时，不会导致频率或有功波动，且另一套立即投入自动运行。废弃了原来的一路输入，两路输出的控制方式。双套调节器的工作（稳压）电源各自独立，并分别由双路交/直流电源供电。从而提高了设备的可靠性、安全性、稳定性。

（2）人机界面：液晶彩色显示器作为人机交互显示接口，具有良好的全中文图形人机界面和在线帮助系统，操作简单方便。它可以实时显示调节器双微机控制器各种运行参数与曲线，并可对各种控制参数进行修改，且软件具备修后试验功能，能完整的记录修后试验数据和曲线。

（3）残压测频加齿盘测速：测频装置是决定水轮发电机组及调速器安全、稳定运行极为关键的部件，而齿盘测频检测机组频率，具有信号稳定，不易受现场干扰的优点，是可靠的测频信号源。改造中采用了齿盘测频和残压测频（PT测频）的双重测频方式，双重测频互为热备用，一旦PT测频故障，立即无扰动切换到齿盘测频，并发故障信号。

（4）调速器信号测量与反馈的核心元件-导叶位移传感器分别采用独立两路输入接入A机（PCC），B机（PCC）。若一套故障退出运行时，另一套立即投入自动运行。避免了自动状态下发生因导叶位移传感器的损坏而甩负荷及负荷波动，提高了设备的利用率、可靠性与稳定性。

（5）诊断与容错子程序：完成对系统主要状态、外部输入信号的故障诊断。对某些特定的故障现象采取容错控制策略，例如在并网发电状态，若检测到网频信号故障或机频信号故障或接力器位移反馈故障，此时仍维持接力器开度在当前开度不变，以保证机组在当前负荷仍然正常运行，同时向LCU报故障信号；当机组处于空载时，若检测到机频信号故障或接力器位移反馈故障，则调速器将实行关机保护，以避免故障面的进一步扩大及机组可能面临的事故威胁。

（6）液压随动系统采用模块化结构，可根据使用需要进行灵活的组合和布置。整个液压控制系统具有很高的集成度，无任何杆件、钢丝绳及内部外露管道。液压随动系统采用逻辑插装技术：由组合结构的逻辑插装控制阀单元取代主配压阀，由于逻辑插装控制阀单元的工作位置是直接由数百公斤以上的液压作用力驱动，动作可靠性有了很大的提高，亦避免了传统的主配压阀存在的标准化程度低、性能一致性难以保证、互换性不好等不足。

（7）采用高速开关阀作为电液转换组件，可以实现容错控制。高速开关阀采用多通道冗余结构，一旦某一个通道失灵，可自行切换，由正常通道来维持系统的稳定工作。即使电气部分彻底失灵，也能使主接力器保持当前开度不变，并自动地切为手动运行,从而避免了故障的扩大以及由此造成的不良后果。该调速器液压部分除了能实现传统机械液压系统的所有功能外，还能实现容错降级运行，以及自动/机手动/电手动之间无条件、无扰动的平滑切换。容错控制功能与滤油工作回路的独特可靠设计从根本上保证了真正意义上的免维护。

（8）系统结构简单明了，内部液流阻力小，从元件到系统密封性能好，泄漏小，稳定工况下基本无油耗，调速器更换前漏油系统平均1h启动1次，现漏油系统平均3h启动1次。更换前压油系统平均10min启动1次，现压油系统平均48min启动1次。延长了油泵以及电机的使用寿命，节省了厂用电消耗。

4　性能试验

3号机调速器改造完成后，按国家标准GB/T9652. 1-2007、GB/T9652.2-2007、行业标准DL/T563-2004、DL/T496-2001的要求进行了性能验收试验，包括调速器测频单元、整机静特性、空载试验、一次调频、甩负荷、不动时间等试验，所有指标优于国家标准和行业标准的要求。

4.1调速器静特性试验（图1）

图1静特性曲线

4.2并网状态下故障模拟试验

机组处于满负荷自动运行状态下，模拟调速器双电源消失、频率反馈和导叶反馈故障，观察调速器动作状态，记录故障前后导叶开度（表1）。

表1

4.3甩负荷试验

调速器处于自动发电方式，负荷平衡状态。依次分别甩掉25%、50%、75%、100%的额定负荷，观测并记录机组转速、导叶接力器行程的变化及有关特征参数（表2）。

表2

4.4试验结果汇总（表3）

表3

5　结论

3号机调速器改造后，彻底解决了原调速器存在的问题，大大提高了3号机运行的安全性、可靠性，确保了机组稳定快速的开/停机及负荷增减控制，保障了机组的安全、经济、稳定运行。鉴于改造后调速器优异的性能表现，在后续几台机调速器改造中继续采用CVT-100型调速器产品，现已完成2号机、4号机调速器改造工作，5号机调速器改造计划在2015年机组A修中实施。改造后的3、2、4号机调速器运行稳定，零故障、零缺陷！CVT-100调速器达到真正意义的免检修、免维护，为电厂实现无人值班、少人值守电站打下了良好的基础。

中图分类号：TK730.4+1

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）03-0041-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.012

收稿日期：2014-12-09

作者简介：苟先智（1963-），男，助理工程师，从事水电厂电气二次技术工作。