小湾电站水轮机筒阀电液同步控制策略优化

贺　臻，张会军（华能澜沧江水电股份有限公司小湾水电厂，云南　大理 675702）

小湾电站水轮机筒阀电液同步控制策略优化

贺臻，张会军
（华能澜沧江水电股份有限公司小湾水电厂，云南大理 675702）

小湾电站筒阀同步系统采用电液同步控制，由同步分流器的液压同步和经典PID比例阀调节的电气控制同步，通过对筒阀卡阻现象分析，针对筒阀卡阻发生的主要原因，从合理设置筒阀的初始缓冲阶段与实现自动平压操作的方向优化了筒阀控制系统控制策略，大大提高了筒阀运行的同步性能，彻底解决了筒阀卡阻问题，增加了筒阀运行的可靠性。

筒阀；电液同步控制；卡阻；控制策略；小湾水电站

小湾水电站6台机组均采用筒形阀（以下简称筒阀）作为水轮机主阀，具有结构紧凑、操作灵活、水力损失小、密封性好等特点。筒阀安装在固定导叶与活动导叶之间，主要由阀体、上/下止水密封、直缸接力器、操作机构、同步机构等组成，筒阀下密封安装在底环上，上密封安装在顶盖下环上，筒体圆周均布12个导向区，每个导向区设有铜质抗磨板起导向作用，每台筒阀采用6只直缸接力器操作，以电液同步系统实现6只接力器的同步运行。

1　小湾电站筒阀同步控制系统

筒阀同步机构广泛采用的方式有两种，分别是机械同步（即链条同步）和电液同步控制。小湾电站筒阀同步控制系统采用的是电液同步控制，主要由机械和电气两部分组成，如图1所示。

1.1机械液压部分

小湾电站机械液压部分由1套综合控制阀组、1套同步分流器、6套同步控制阀组组成。机械液压同步主要是同步分流器（径向柱塞式液压同步分流马达，分流精度可达到±0.4%～±0.8%），此种分流器采用灵活、高效的方式，将6个液压泵组合在一起，应用于6个回路液压系统中。每个分流器包括一系列齿轮副，将输入油液等量、成比例地分成六路输出，调校分流器输出的六路压力一致，以达到6只接力器下腔的进油量基本一致，使筒阀6只接力器运行同步，实现筒阀系统的机械液压同步。

图1　筒阀同步控制系统示意

1.2电气控制部分

小湾电站在筒阀电气控制上配置了德国BULLUFF高性能微脉冲线性位移传感器，并在筒阀到达全开位置时，每个筒阀接力器在全开位置有限位开关指示全开位置。同时每个筒阀接力器的开腔由压力传感器测量油压。在每个控制筒阀接力器阀组上的液压控制块也配有位置反馈信号，以指示该控制块位置。PLC采集位移传感器、压力传感器模拟量信号及各位置开关信号，对筒阀进行闭环控制，并在PLC软件中实现筒阀控制运动规律的设定。

PLC控制逻辑中将筒阀的整个系统可视为以接力器位移量偏差为负反馈的闭环电液随动系统。开启筒阀过程中，以6个接力器的平均位移为基准；关闭筒阀过程中，以6个接力器的最大位移为基准。在给定的启、闭规律基础上按经典的PID控制算法，比例阀控制接力器控制油量大小校正发生的不同步的偏差以保证各接力器的同步运行。当接力器的位移与基准位移的偏差超过设定值时，关闭分油器，切断筒阀接力器的主油路，筒阀整体停止上升或下降，仅通过筒阀接力器对应的液压比例阀平衡各接力器的行程。当接力器的位移与基准位移的偏差量减小到设定值时，打开分油器，接通筒阀接力器主油路，筒阀整体继续上升或下降。

为了防止油路系统的油锤效应，在临近全开（筒阀全开开度的95%）、临近全关位置（筒阀全开开度5%开度）时，关闭分油器，切断筒阀接力器的主油路，将液压比例阀开至最大开度，使筒阀达到全开或全关位置。到达全关位置后，延迟10 s后，将比例阀阀芯移到55%开度（中间偏关）位置，为接力器上腔补充压力油，使筒阀保持在全关位置。到达全开位置后，继续将液压比例阀开至最大开度（0），为接力器下腔补充压力油，使筒阀保持在全开位置。

2　筒阀卡阻原因分析

小湾水电站筒阀投入运行以来，运行稳定可靠，在停机时筒阀全关截断流止水，有效的防止导叶间隙气蚀，减小水能利用损失；机组运行时，筒阀全开后筒体置于座环与顶盖空腔内，对水流流动无干扰，提高了水能发电利用效率。但也出现过数次筒阀的6个接力器动作不同步造成卡阻的异常现象。

小湾电站筒阀卡阻现象多出现在筒阀关闭过程中95%～98%开度下，也有出现过在筒阀开启过程中2%～5%开度下。针对筒阀卡阻现象，原因分析如下：

（1）筒阀长期开启状态下，筒阀接力器下腔压力不平衡。由于筒阀长期处于全开位置，6只接力器有杆腔发生压力不均衡现象，导致筒阀卡阻。分析其压力变化的原因，筒阀全开后，由于6个止动销安装不可能完全水平，个别接力器的筒阀顶端首先接触到止动销，但其他没有到位。加之筒阀长期开启状态下，随着水流的变化以及筒阀本身的挠性，筒阀将以首先接触到止动销位的接力器为支点左右摆动。又由于比例阀在筒阀全开状态一直给下腔供油，在筒阀摆动的过程中，接力器下腔压力低于比例阀补油压力，比例阀将油补入下腔，而液控单向阀的存在，使得筒阀回摆后油压上升，导致6个接力器有杆腔压力不平衡。在长期开启筒阀后，各接力器有杆腔压力逐渐出现不平衡，筒阀在不同接力器下腔压力作用下出现柔性变形，产生结构应力。所以在比例阀由有杆腔供油变为向无杆腔供油的过程中，由于各接力器初始有杆腔压力的不一致，在有杆腔泄压的瞬间，结构应力同时释放，容易导致筒阀在启动时位移就出现较大偏差。

（2）筒阀液压系统进气。筒阀全开后主油路切断，由于存在间隙内泄情况，从分流器至液控换向阀这一段主油路存在内泄，由于流速变化、压力下降、空气分离、管路进气等原因导致主油路进气，导致长时间切断油路后再次启动，分流器及接力器下腔排油不均匀，导致筒阀卡阻。针对液压系统进气的问题，小湾电站通过检修维护，改善了液压系统密封性能，并提高了漏油管的背压（0.2～0.4 MPa）。这样减小了泄漏量保持主油管、漏油管的液流稳定，减少了液压系统进气的可能。

（3）筒阀动作瞬间，各电磁阀切换，各接力器的油流速度存在差异。由于筒阀6个接力器及同步分流器的布置情况，各接力器的与综合控制阀组和同步分流器的油管距离不一致，同时，各电气元器件及电磁阀动作速度也存在差别，导致筒阀动作瞬间，油路切换时，各接力器油流速度存在差异，出现不同步卡阻现象。

综上所述，结合筒阀的动作过程，发现由于机械结构等原因导致筒阀最容易在始端和末端出现卡阻现象，而中间过程同步性是比较好的。同时，筒阀电液同步控制逻辑恰恰是始端和末端关闭同步分流器，只依靠比例阀全开动作，比例阀失去同步调节能力，因此，筒阀的同步控制策略上的不完善也是导致筒阀开启的初始阶段和筒阀在关闭的初始阶段较容易出现卡阻的现象。

3　筒阀电液同步控制策略优化

筒阀卡阻的主要原因为筒阀的机械结构特性及同步控制策略的不完善，由于优化筒阀机械结构的难度和工程量巨大，过程费时费力且收效甚微，只有优化筒阀同步控制策略才能解决卡阻问题。针对筒阀同步控制策略的不完善，对其进行了数次优化。

3.1初始阶段控制策略优化

在考虑始端机械冲击不大的实际情况下，对筒阀动作初始阶段控制逻辑进行了优化，即扩大比例阀的调节范围。

2011年2月，修改了筒阀控制系统运行参数，将筒阀关闭初始段缓冲行程参数由95%改为99%，缩短比例阀不参与调节的行程。优化结果：筒阀卡阻次数减少，优化方向正确并取得了一定的效果，但仍存在卡阻现象。

2011年4月，修改了筒阀控制系统运行参数，将筒阀关闭初始段缓冲行程参数由99%改为100%，即取消筒阀关闭初始段缓冲，直接接通主油路，比例阀投入调节。优化后筒阀系统运行情况良好。

取消开启过程中初始端的缓冲段，使得比例阀一开始就具有调节功能，但结束段的停止缓冲设置是必需的，这种设置可以降低筒阀高速运动到停止给机组的冲击力。优化后筒阀一段时期内均未出现卡阻现象，足以说明筒阀控制系统的控制逻辑优化是有效的。

3.2增加平压控制策略

初始阶段控制策略优化后，解决了筒阀卡阻的现象，但是，在筒阀动作瞬间，油路切换时油流速度的差异并未彻底解决。结合筒阀系统实际运行方式，增加筒阀系统的有杆腔和无杆腔平压过程，有效的防止了筒阀动作时，各接力器油流的差异，彻底解决筒阀运行过程中的卡阻现象。

3.2.1开启过程

筒阀控制系统接到开启筒阀命令后，对筒阀系统进行延时4 s的平压操作：开启液控阀，平衡6个接力器上、下腔压力；保持比例阀电磁阀25%开度（筒阀开启方向），平衡将下腔压力与系统压力；开启同步分流器关筒阀（筒阀关闭方向）及液控单向阀，平衡上腔与系统压力；延时4 s关闭液控阀。平压后筒阀开始初段（开度为0～0.5%）采用比例阀25%开度（筒阀开启方向）开启，主油路关闭。筒阀中间过程（开度为0.5%～99%）筒阀同步分流器开启（筒阀开启方向），比例阀进行同步调节。筒阀开启末端（开度为99%～100%）关闭同步分流器，主油路关闭，比例阀25%开度开启，直至全开并保持开度给接力器有杆腔供油，将筒阀保持在全开位置。

3.2.2关闭过程

筒阀控制系统接到关闭筒阀命令后，对筒阀系统进行延时3 s平压操作：开启液控单向阀及液控阀，平衡6个接力器上、下腔压力；保持比例阀电磁阀25%开度（筒阀开启方向），平衡将下腔压力与系统压力。平压后，筒阀初始阶段和中间过程（开度为100%～1%）启动同步分流器（筒阀关闭方向），比例阀进行同步调节。筒阀关闭末端（开度为1%～0），关闭同步分流器，主油路关闭，比例阀75%开度（筒阀关闭方向）关闭，直至全关并保持给接力器上腔供油，将筒阀保持在全关位置。

此种优化结合现场实际将筒阀初始阶段控制策略优化和平压操作融合，从调试及长期运行过程中发现优化后的控制策略取得了很好的同步效果：筒阀开启关闭过程中，接力器位移偏差在3 mm以内，接力器下腔压力基本上一致，运行过程6个接力器各参数都非常平衡，筒阀整体运行平稳。优化后的近两年时间内，小湾电站未发生过筒阀卡阻现象。

4　结语

小湾水电站筒阀同步系统由同步分流器的液压同步和经典PID比例阀调节的电气控制同步，通过对筒阀卡阻现象分析，针对筒阀卡阻发生的主要原因，从合理设置筒阀的初始缓冲阶段与实现自动平压操作的方向优化了筒阀控制系统控制策略，大大提高了筒阀运行的同步性能，彻底解决了筒阀卡阻问题，增加了筒阀运行的可靠性。

［1］马新红，李涛，钟光华.小浪底电厂筒阀液压控制系统［J］.大电机技术，2006（2）：67-70.

［2］权君宗，谢俊.水轮机筒形阀控制方案的比较［J］.东方电机，2005（4）：77-82.

［3］郑丕宗，李定力，杨永忠.两种筒阀同步装置在漫湾水电站的应用［J］，水电站机电技术，2008（4）：31-32.

（责任编辑高瑜）

Optimization of Electro-hydraulic Synchronous Control Strategy of Ring Gate for Hydraulic Turbines in Xiaowan Hydropower Station

HE Zhen，ZHANG Huijun
（Huaneng Hydro Lancang Xiaowan Hydropower Plant，Dali 675702，Yunnan，China）

The synchronous control system of ring gates in Xiaowan Hydropower Station adopts electro-hydraulic synchronous control.By analyzing the jamming problem of ring gates and the main reasons of jamming，the control strategy of ring gate is optimized from two aspects of setting reasonable initial buffer stroke and achieving automatic pressure balance operation.The optimizations greatly improve the operation synchronization performance of ring gate，and completely eliminate the jamming of ring gate and increase operation reliability of ring gate，

ring gate；electro-hydraulic synchronous control；jamming；control strategy；Xiaowan Hydropower Station

TM312（274）

A

0559-9342（2015）10-0038-03

2015-07-22

贺臻（1985—），男，湖南郴州人，工程师，主要从事水电厂机电设备运行维护管理工作.