国产巨型主配压阀在百龙滩水电站的设计及应用

梅高鑫，初云鹏，朱荣巧

（国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏省南京市 210003）

国产巨型主配压阀在百龙滩水电站的设计及应用

梅高鑫，初云鹏，朱荣巧

（国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏省南京市 210003）

本文主要研究了南瑞自产MDV200主配压阀调速器的控制原理，通过更换主配压阀及新型电气设备，解决了电站打油频繁及一次调频被考核问题，实现了南瑞自产MDV200主配压阀在百龙滩水电站的成功应用，完成发电机组开停机、增减负荷、建模等自动功能试验。

百龙滩水电厂；调速器；伺服比例阀；MDV200主配压阀

0 引言

主配压阀作为水轮发电机组转速、出力的核心控制设备，对调节机组的频率及功率、保障电网的电能质量和安全稳定起着非常关键的作用。而DN200通径以上的巨型主配压阀，制造工艺复杂、精度要求较高，再加上控制机理复杂，安全与可靠性要求高，在国内水电市场上，巨型主配压阀一直长期由少数国外公司如ALSTOM、GE、VOITH等垄断。然而国外产品价格高昂，不能适应我国国情长期有效发展，并且进口主配压阀曾多次因阀套脱落、管路震动、传感器磨损、调速系统电源消失等造成非计划停机，危害电站生产及电网安全稳定。

百龙滩水电厂作为南盘江洪水河水电基地规划中的第七个梯级电站，安装6×32MW灯泡贯流式水轮发电机。水轮机调速器原先采用NARI自产的SAFR-2000型水轮机调速系统，液压系统采用GE公司生产的FC系列主配压阀，该系统自2005年首台机组投产发电以来，经历了十年的运行后，电站运行人员发现进口的主配压阀，由于泄漏量大，主配压阀未配置纯机械手动，造成机组在发电工况下打油频繁，油温升高，对机组长时间安全运行带来隐患。为此，电站于2015年对调速器设备进行了升级改造。除了电柜升级为贝加莱X20控制器外，主配压阀则采用了NARI最新开发的MDV200型巨型主配压阀。

1 调速器液压系统改造

（1）百龙滩水电站调速器液压系统改造见图1，根据电站的要求，采用NARI自产MDV200新型主配压阀，其通径达到200mm，用于替代原先的导叶GE公司生产的FC主配压阀，在导叶的液压控制系统上采用了双BOSCH公司的功放一体式伺服比例阀[1]，同时配置了纯机械手动阀组、自复中切换阀组和紧急停机阀组。NARI主配压阀保留了自复中切换功能，可以让用户自行选择当电气柜失电情况下是关机还是继续保持接力器当前开度状态。在切手动环节，NARI增加了一路切纯机械手动阀组，即当电柜判断严重故障需切纯机械手动后，电站运行人员可以通过主配压阀上的调节纯机械手动阀组来实现接力器的开关，如图2所示。

（2）巨型主配压阀设计原理：主配压阀的部件为阀体、阀芯、阀套等元件组成（见图3）。主阀芯上部为恒压腔活塞，下部为控制腔活塞，控制阀芯位置的两活塞作用面积不同；恒压油作用在恒压腔活塞上，控制油作用在控制腔活塞上，放入压力油或接通回油，从而控制阀芯位置，此功能由比例伺服阀调节。恒压腔活塞上装有开机时间调节螺母、关机时间调节螺母，并分置于定位块两端。用来分别限制主阀芯的极限位置，从而限制油口的开口面积，达到调节主接力器开关时间的目的。主配压阀拒动感应块固定于主配压阀上端，作为主配压阀拒动的感应元件。主配压阀最顶端为主配压阀位移传感器，用于将主阀芯的位移信号转换成模拟量信号提供给电气控制装置。上端盖上部为自复中调节杆，用以实现机械零点的精确调节。

图1 百龙滩水电站调速器液压系统改造Fig.1 Principle of Bailongtan Hydraulic system

图2 主配阀组布置图Fig. 2 Arrangement plan of MDV

图3 百龙滩DN200通径主配压阀结构图Fig. 3 Structure chart of DN200 MDV of Bailongtan

（3）掉电自复中功能：掉电复中阀 EV2带电情况下，主配压阀的操作油依靠伺服比例阀的控制油路来实现；当EV2失电情况下，压力油直通至定中缸DZ，定中缸会顶住主配阀芯，造成阀芯无法往关方向走，此时实现掉电自复中。

（4）纯机械手动阀组：EV3阀组得电，切掉伺服阀1、伺服阀2的控制油，同时EV2失电，主配压阀掉电自复中功能投入，此时油路切换至纯机械手动回路，通过操作MV1和MV2阀组可以操作主配压阀开关。

（5）紧急停机阀组：当紧急停机阀EV4得电后，此时会造成液控换向阀HV换向，主配压阀控制腔失压，主配压阀依靠对侧的压力油关下来。

2 调速器电气系统改造

2.1 电气控制柜的配置

电气控制柜由双重供电模块、测频信号处理模块、冗余配置的 X20 PCC控制器、触摸屏等组成，新型的X20 PCC控制器采用了模块化式的插拔结构，由CPU模件、电源模件、开入模件、开出模件、模入模件、模出模件、测频模件、对时模件、通信模件组成，它具有功耗低、结构紧凑、信号断线报警等优点，两套控制器之间依靠智能切换PLC来实现主从机之间的切换，其系统原理图如下图4所示。

电气控制柜上安装一台B&R触摸屏，依靠网口与控制器通信，监视机组的状态以及控制参数的修改。控制程序采用ST语言进行编程，为了实现实时控制，程序控制关键部分执行10ms的循环周期。在测频部分，采用了残压测频和双齿盘测频的冗余配置，实现了残压与齿盘间的无扰切换。针对水头，采用了自动水头和人工水头双冗余的配置，机组运行在自动水头下，一旦自动水头故障，调速器系统会自动切回人工水头，防止水头信号波动造成调速器系统的抽动。

2.2 机械液压柜

机械液压控制系统包括了MDV200型主配压阀、双伺服比例阀、切换阀、纯机械手动阀、紧急停机阀等组成，系统额定油压为6.3MPa。手动控制回路分为了电手动回路和纯机械手动回路，电手动回路主要依靠伺服比例阀，通过NARI自产的综合控制模块来实现电手动操作，以保证手动状态下接力器不会随着水流冲击的惯性产生漂移；而纯机械手动依靠的是主配压阀的定中缸功能，依靠增加、减少阀组人为的来控制主配压阀，属于开环调节。在主配压阀控制部分，引入了二级闭环的控制方式，第一级依靠伺服比例阀自身的闭环控制、第二级引入主配阀芯的位移量作为反馈以确保主配压阀的控制精度。为了确保机组在出现故障的情况下可靠实现紧急停机，NARI调速器在紧急停机回路配备了紧急停机电磁阀，控制线圈既可以在液压操作柜面板上操作，也可以通过监控系统来操作。

3 调速器一次调频与二次调频的配合

图4 调速器系统原理图Fig. 4 Principle of governor system

百龙滩电站为了满足调度对一次调频考核的要求，增加了电站的二次调频功能，当机组运行于开度模式下的一次调频模式时，将屏蔽电站上位机的数字式或者脉冲式的调节，防止一次调频与电站的二次调频的相互干扰。当电站需要进行电站整体的负荷分配时，应该向调速器发出二次调频介入令，退出一次调频功能，但必须在调速器一次调频动作复归后才可以二次调频。图5为一次调频动作与二次调频介入的控制策略功能图。

机组在发电工况下的二次调频是电站的监控系统通过成组调节电站机组的功率分配来实现系统的调频任务[3]，水轮机调速器则不单独按频率调节负荷。在电站进行二次调频时，调速器则通过退出一次调频功能来避免相互干扰[4]。二次调频的响应速度相对于一次调频慢一些，只能在需要大负荷调整和频率与额定频率偏差较大时，短时间投入[5]。大部分运行时间应该投入调速器的一次调频。在电站实施二次调频改变机组功率分配的时候，为了加速功率调节的速度，装置的功率调节使用具有前馈的功率调节算法[6]。

4 系统性能测试

设备调试结束后，多次调整PID参数，对系统进行静态和动态试验，部分数据如下：

图5 一次调频动作与二次调频介入的控制策略功能图Fig.5 Control strategy function chart of second frequency regulate

4.1 静特性试验

一次调频参数PID分别设为10、10、0，Bp=6%，动作死区设为0Hz，试验结果如下图6所示，转速死区为0.01%，特性曲线近似直线。

4.2 调速系统自稳性试验

空载参数分别为：Kp=2.5，Ki=0.2，Kd=2，根据《水轮机电液调节系统及装置技术规程》要求，大型电液调节装置的系统，在任意3min内机组转速摆动相对值不超过±0.15%[2]（即码值跳变范围为：199700～200300），试验结果如下图7所示，试验结果优于国标要求。

图6 静特性试验曲线Fig. 6 Static characteristic test curve

4.3 甩负荷试验

机组甩负荷试验如下图8所示，甩100%负荷过程中机组的转速上升率和水压上升率均在规定的范围内。甩25%的负荷导叶不动时间为：0.15s，国标规定为大型电液调节装置，接力器不动时间不得超过0.2s[2]。

经过广西中试所检验，确定NARI调速器性能满足相关标准规范要求，个别指标优于国标，满足电厂运行要求，可以投入商业运行。

5 结束语

本次百龙滩电厂的调速器改造，通过更换电气控制柜、机械液压柜和主配压阀，取代了原先以GE公司生产的FC主配压阀为控制核心的调速系统，解决了原先打油频繁造成油温过高等问题，推进了进口设备的国产化，经过中试所的检验，系统主要性能指标优于国家标准要求。NARI调速器自2015年4月在百龙滩电站1号机成功投运以来，系统运行稳定、可靠，NARI自产MDV200主配压阀性能超过原先GE公司生产的FC主配压阀，满足水电厂“无人值班，少人值守”的要求。

图7 自稳性试验曲线Fig. 7 Self stability test curve

图8 甩负荷试验曲线Fig. 8 Rejection test curve

[1] 沈祖怡.水轮机调节[M].北京：中国水利水电出版社.2001.

[2] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T563—2004 水轮机电液调节系统及装置技术规程[S].14629-2004.

[3] 刘洪涛，李建设，苏寅生，等. 云广±800kV直流控制系统的特点[J]. 南方电网技术，2010，4（2）：35-38.LIU Hongtao，LI Jianshe，SU Yinsheng，et al. Characteristics of Yun-nan-Guangdong±800 kV DC Transmission Project Control System[J]. Southern Power System Technology，2010，4（2）：35-38.

[4] 中国南方电网有限责任公司. 中国南方电网2011年运行方式[Z].广州：中国南方电网有限责任公司，2011.

[5] 洪潮，李岩，杨煜，等．云广直流系统仅带小湾电厂孤岛运行的调试与分析[J]．南方电网技术，2011，5（5）：1-6．HONG Chao，LI Yan，YANG Yu，et a1．On-site Commissioningand Analysis on the Islanding Operation ofYunnan-Guangdong UHVDC System Supplied Only by Xiaowan Power Plant[J]．Southern Power System Technology，2011，5（5）：1-6.

[6] 郭琦，韩伟强，贾旭东，等．云广直流输电工程安稳装置的RTDS试验方法研究[J]．南方电网技术，2010，4（2）：43-46．GUO Qi，HAN Weiqiang，JIA Xudong，et a1．Study on the RTDS Simulation Test of the System Stability Control of Yunnan-Gu angdong±800kV DC Transmission Project[J]．Southem Power System Technology，2010，4（2）：43-46．

Successfully Application of Domestic Giant Governor in Bailongtan Hydropower Station

MEI Gaoxin，CHU Yunpeng，ZHU Rongqiao
（State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 210003，China）

This paper mainly studies the principle of NARI MDV200 governor，by replacing Main Disturbing Valve and electrical equipment，we solve the power station frequent start pump and primary frequency regulation evaluation，the self-manufactured MDV200 governor was successfully applied in Bailongtan Hydropower station，we complete the test of the auto-start and shutdown the unit，increase and decrease load，modeling and so on.

Bailongtan hydropower station； governor； servoproportional valve；MDV200 main disturbing valve

TV734.4

A

570.30

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.02.014

2016-08-15

2017-01-13

梅高鑫（1986—），男，江苏泰州人，硕士，助理工程师，主要从事水轮机调速器研发、设计及调试工作。E-mail：meigaoxin@sgepri.sgcc.com.cn

初云鹏（1986—），男，辽宁丹东人，本科，项目经理，主要从事水轮机调速器项目管理工作。E-mail：chuyunpeng@sgepri.sgcc.com.cn

朱荣巧（1986—），男，江苏泰州人，本科，项目经理，主要从事水轮机调速器项目管理工作。E-mail：zhurongqiao@sgepri.sgcc.com.cn