CCS电站调速器系统简介

2016-04-07高创敖成彦

水电站机电技术 2016年9期

关键词：调速器设定值停机

高创，敖成彦

（中国水利水电第十四工程局有限公司，云南昆明650001）

CCS电站调速器系统简介

高创，敖成彦

（中国水利水电第十四工程局有限公司，云南昆明650001）

介绍CCS电站的调速器功能、特点、控制与调节。了解和认识调速器的调节和控制原理与方式。

调速器；调节；控制；喷针；折向器；开度

1　电站调速器的概述

CCS水电站的总装机容量8×205 MW，是目前世界上单机容量最大的冲击式水轮机组，调速器采用六喷六折的方式。该电站位于厄瓜多尔境内，是厄瓜多尔目前在建的最大水电站。

冲击式水轮机组适用于高水头、小流量的水电站。它将来自压力钢管的水，经喷嘴后转换为高速的射流，切向冲击转轮，推动转轮旋转，从而带动发电机转子转动发电，为保证水轮机组能顺利的并网发电，必须可靠有效的控制水流，因此必须配备调速器。它的主要功能就是在机组运行时，保证其输出的电能频率、电压、电压波形稳定。通常调速器是通过调节进入水轮机的水量来实现这一目的的。对冲击式的机组来说是通过移动喷嘴以改变喷针的开度，从而改变水的流量。由于冲击式水轮机的压力钢管一般比较长，一次喷针不能关闭的太快，否则会产生极大的水压，危害压力钢管的安全，同时，又必须在极短的时间里切除射流，以防止出现飞逸，因此，机组一般采用喷针与折向器双重调节的操作机构

2　电站调速器系统的组成

CCS电站的调速器系统主要包括电气部分和机械部分。所覆盖的范围：调速器电气控制柜、调速器油泵控制柜、油压系统本体、调速器机械控制柜、事故配压阀、油管路、喷针和折向器的本体。

电气控制盘柜内设有PLC控制系统，220/24 V DV电源模块，两套CPU可编程控制器，输入输出模块、模拟量输入模块和组合输入输出综合模块。面板上设有手动、自动控制方式选择开关，功率和转速显示表，喷针开度增/减选择开关，折向器开度增/减选择开关、报警指示灯、紧急停机按钮等。还配置了触摸屏，进行状态监控，操作设定、实时录波、数据存储等功能。

调速器油泵控制柜内设有PLC控制系统，220/24 V DV电源模块，两台软启动，面板上设有手动、自动控制方式选择开关及按钮选择两台油泵的控制方式，补气的方式选择开关及按钮。还有触摸屏，可查看开关量的状态。

油压系统本体包括回油箱、压力油罐、两台油泵、滤油器、组合阀、压力表、压力开关、油位开关、补气阀等自动化元件。该部分主要为调速器提供动力，依靠油的压力开启或关闭调速器。

调速器机械控制柜内设有6个喷针的伺服比例阀和6个折向器的伺服比例阀。可编程控制器的信号直接作用于比例阀，使之按信号的正负、大小成比例的向喷针接力器的开、关腔输入压力油，从而驱动接力器向开机或者关机的方向运动。折向器的控制又有不同，只在开机腔加压力油开机，关机时靠腔内弹簧关机。面板上有6个喷针和6个折向器的开度表、转速表和紧急停机按钮

事故配压阀是为了实现紧急停机，在液压系统回路中设置1台由先导阀和12个执行阀组成的组合阀。事故配压阀的动作有两种控制方式：①先导阀可由机组监控系统自动控制或由现地手动控制。先导阀换向动作后使12个执行阀动作，切断6个来自折向器比例阀的控制油路，将6个折向器接力器开腔接通排油，折向器接力器在弹簧力的作用下关闭。②机械过速保护装置上的行程换向阀动作后，切换先导阀的油路，使12个执行阀动作，关闭所有折向器。

喷嘴和折向器接力器开/关时间调整：喷嘴开启时间通过6个单向节流阀调整；喷嘴关闭时间通过6个单向节流阀调整。折向器关闭时间通过6个单向节流阀调整。上述阀门布置在事故配压阀后的管路上，位于水轮机墩+X和+Y间的孔口外侧。调节开启喷针的时间为50 s左右，关闭喷针的时间为40 s左右，关闭折向器的时间为3 s左右。

3　调速器系统的控制模式

调速器具有多种控制功能及运行方式，各控制方式均能够独立地完成对机组的调节控制，彼此之间既相互独立又相互联系，并能够手动及自动转换。在各控制方式之间实现了信号的有效跟踪，所以各方式切换能够平衡无扰动地完成

该电站的调速器有4种控制模式：转速控制模式，流量控制模式，功率控制模式，水位控制模式。并网前，调速器只按转速控制模式运行。并网后，调速器可以按流量控制模式，功率控制模式，水位控制模式及转速控制模式（用于孤网运行）运行，各控制模式之间均可无扰动互相切换。4种控制模式均在自动操作方式下实现，各控制模式均有各自的传递函数。

（1）转速控制模式

调速器根据机组转速信号自动调整喷嘴开度，使机组在额定转速下运转。

转速控制模式采用并联PID型结构，通过对转速给定值与实际机组转速值的差值进行PID运算，以决定运行喷嘴的开度。永态转差系数决定了频率变化对调节输出的影响。

（2）流量控制模式

调速器根据流量设定值，按水轮机特性参数计算需运行喷嘴的个数及其开度，并使喷嘴在该开度下运行。运行人员可通过监控系统设置流量设定值，或通过增/减指令改变流量设定值。

流量控制模式的流量给定值可以在-5%～105%之间进行调节。流量控制模式在机组并网后才能选用。在其他模式运行期间，流量给定值将跟踪实际流量值，这样可实现任何时候模式间的无扰切换。喷嘴开度是从流量给定值及投入运行的喷嘴数计算出来的。

（3）功率控制模式

调速器根据功率设定值与实际功率反馈值调节运行喷嘴个数及其喷嘴开度，使机组按功率设定值运行。运行人员可通过监控系统设置功率设定值，或通过增/减指令改变功率设定值。

功率控制模式需要机组的功率反馈构成闭环，若反馈故障，则调速器将自动切换至流量模式工作。

功率控制模式的功率给定值可以在-5%～105%之间进行调节。功率控制模式在机组并网后才能选用。在其他模式运行期间，功率给定值将跟踪实际功率值，这样可实现任何时候模式间的无扰切换。

（4）水位控制模式

调速器根据水位设定值与实际库水位反馈信号调节运行喷嘴个数及其喷嘴开度，使机组按水位设定值运行。运行人员可通过监控系统设置水位设定值，或通过增/减指令改变水位设定值。

水位控制模式需要当前水位信号构成闭环，若水位信号故障，则调速器将自动切换至流量模式工作。

水位控制模式的水位设定值，只能在调速器触摸屏或监控系统进行设定。水位控制模式在机组并网后才能选用。当切换至水位控制模式时，水位给定值首先等于实际水位值，然后以一定斜率变化至其设定值，从而最大限度地减少模式转换时的扰动。

4　调速器的操作方式

调速器有3种操作方式：自动操作，手动操作及紧急停机操作。手动操作与自动操作通过调速器电气柜上的“自动/手动”切换开关选择；紧急停机操作通过电气柜上的紧急停机按钮或机械柜上的紧急停机按钮操作，也可由来自监控系统的紧急停机指令操作。

（1）手动操作

手动操作主要在调试期间使用，当“自动/电手动”选择开关处于手动位置时，可在电气柜面板上通过“增加/减少”开关对在触摸屏上选中的需手动操作的喷嘴进行开启/关闭操作。

在各喷嘴手动操作过程中，其相应折向器的开度将根据协联曲线自动操作。

调速器处于手动操作方式，将不接受监控系统除紧急停机指令之外的任何指令（如开机、停机、负荷变化等指令）。

（2）自动操作

“自动/手动”选择开关置于自动位置时，调速器的运行将根据监控系统的指令自动控制。

1）自动开机

调速器接到监控系统的开机指令后，将按5%/s（该值可在现场调试过程中进行调整）的速度将喷嘴开限增加至启动开度，调速器自动进入转速控制模式。当转速升至98%额定转速时，调速器将自动跟踪电网频率，以便于并网；在机组同期时调速器也可接收同期装置的频率增加/减少命令，调整机组频率设定值，以加快并网速度。

调速器采用对称的两个喷嘴开机，如果需要也可采用单喷嘴开机。

2）并网发电

机组并网后，调速器将自动切换成流量控制模式。如果需要，调速器可以在现地手动，或者根据监控系统的指令切换成功率控制模式，水位控制模式以及转速控制（用于孤网运行）模式。

3）自动停机

调速器在接到停机令时，无论当时处于何种控制模式，首先将喷嘴开限减到当前喷嘴位置，然后以适当速率关闭至全关。

（3）紧急停机操作

紧急停机操作具有最高优先级，无论调速器处于手动操作还是自动操作，只要有紧急停机操作指令（来自手动按钮或监控系统），所有折向器均将在紧急停机电磁阀的作用下以最快的速度关闭至全关位置，同时调速器自动关闭喷针。

5　调速器的电气保护

调速器设置有一套完整的实时程序诊断和自诊断系统，对于调速器内、外故障，如CPU故障、内部电源故障、喷针反馈故障、折向器反馈故障、测频故障、功率故障、水头故障等都能做实时反应，并根据故障性质作出处理。具有自诊断和相应的容错功能，并可在触摸屏上指示故障，同时将故障信息通过通讯方式送至监控系统。如：①模/数转换器和输入通道故障；②数/模转换器和输出通道故障；③反馈通道故障；④液压随动系统故障；⑤程序出错和时钟故障等。

6　喷针之间的选择和切换

调速器对开机喷针设置了两种选择方式：当它为自动选择方式时，从1号喷针到6号喷针依次为开机喷针；当处于手动选择方式时，始终将所选择的喷针作为开机喷针.用户可按自身需要选择。

机组并网后，随着负荷、流量的增加，喷针之间会进行相互切换，切换顺序依次为单喷针运行---双喷针运行---3喷针运行---4喷针运行---6喷针运行。相互切换始终要保证对称性，保证机组平稳的运行。例：单喷针为1号喷针运行，随着负荷增加，开启喷针分别为1号---1号、4号---1号、3号、5号---1号、2号、4号、5号---1号、2号、3号、4号、5号、6号。