数字式双反馈调速器在灯泡贯流式机组中的应用

刘 禹，周 乐，潘军林，张宝庆，陈 伽，莫建安，申潘威

（五凌电力有限公司株溪口水电厂，湖南益阳 413500）

0 引言

株溪口水电厂装有4 台18.5 MW 灯泡贯流式水轮发电机组，原有调速器采用比例伺服阀控式电液转换双调节，通过比例伺服阀、数字阀进行电液转换，将电气信号变成接力器行程，其机械手动却用数字球阀进行人为操作，在电气事故、停电、电液转换环节故障、试验、大修后第一次开机等工况，使用率非常低，需要人为干预监护，难以准确定位，操作很不方便，而且数字球阀调节控制精度达不到规程要求，易出现超调、引导阀端盖容易出现卡阻拒动、卡涩等现象，造成开机不成功。

利用液压数字逻辑插装技术，引入导叶/桨叶双反馈实时采样参与控制，以快速开关阀和插装阀等电磁阀分别代替电液转换器和主配压阀，调速器电气控制系统无须进行数/模转换，导叶/桨叶双调节控制无需由比例阀和数字阀的“中间位置”来保证。机组在负载静态方式下达到耗油量小、运行稳定、逻辑控制集成化程度较高，可实现液压系统的全面容错控制，解决了长期困扰水电厂的调速器拒动、主配漏油、引导阀卡涩、先导阀阀芯卡涩等问题。

1 数字式双反馈调速器的应用

数字式双反馈在贯流式水电站的成功应用，实现了导叶/桨叶开度的双冗余，在研究双反馈的控制原理、优先逻辑、PLC 信号输入处理等技术上有新的突破，并通过机组调速器系统改造做了大量的现场试验，验证其可靠性与稳定性。电厂选取了双CPU 的PLC 模块接收两套导叶反馈的信号，如图1 所示，桨叶反馈原理与此类似。导叶开度传感器安装在接力器导叶反馈原来的位置，设计两套反馈共用一个固定支架，并且在制作过程加装分段关闭的硬接点回路，一方面确保反馈信号的线性度与4～20 mA 的模拟量采样信号不失真，另一方面在机组甩负荷导叶快速关闭时分段关闭正常动作，有效防止反水锤抬机，缓解接力器有杆腔活塞与端部的撞击力。当一套导叶传感器故障时，调速器PLC 可自动切换至接收另一套导叶传感器信号的B 机，维持原有导叶开度不变的情况下保持机组负荷平衡运行，同时将导叶传感器故障信号报警给监控系统，通知运维人员及时进行处理。

图1 数字式调速器导叶双反馈设计

数字式双反馈调速器根据机组转速上升的趋势，在控制逻辑中加入适当的延时，当桨叶进入正常的协联，并调整到一定的转角开度，防止机组不会因低转速而导致停机。当机组转速下降一定程度时，打开导叶开度到一定开度，以减少水锤压力的上升，并控制最低转速下降，机组转速到额定转速附近时投入PID控制算法，使机组转速稳定在额定转速。

2 数字式双反馈调速器部分试验内容及要求

2.1 导叶/桨叶双反馈传感器的开关机时间测定

试验条件是灯泡贯流式机组流道内未充水，调速器液压与电气系统已安装验收，调速器压油槽、接力器、管道充油完毕，具备无水调试试验条件。

将导叶/桨叶接力器行程A/B 套反馈信号串入调速器系统综合特性测试仪，电调柜手动操作插装阀以3 级开启速度开启导叶/桨叶接力器，使导叶/桨叶接力器从全关0%至全开100%；电调柜手动操作插装阀以3 级关闭速度关导叶/桨叶接力器，使导叶/桨叶接力器从全开100%至全关0%，记录导叶/桨叶接力器行程变化时间，按导桨叶25%～75%动作时间的两倍计算导桨叶开关机的时间。导叶全关时的慢关时间须躲过机组振动区，取8～9 s 符合实际运行要求。

2.2 紧急停机时间测定试验

试验条件是调速器液压与电气系统已安装验收，调速器压油槽、接力器、管道充油完毕，具备无水调试试验条件，电气部分上电正常。

手动操作紧急停机电磁阀，使接力器从全开100%向全关0%动作，记录导叶接力器行程双反馈信号的变化时间。动作紧急停机电磁阀快关时间，A 套3.5 s，B 套3.4 s；拐点，A 套42.42%，B 套42.36%；第二段关闭时间，A 套8.2 s，B 套8.4 s。导叶/桨叶双反馈动作时间均符合电厂设计值要求。

在调速系统主供油阀全开情况下人为动作重锤关机阀，使接力器从全开100%向全关0%动作，记录导叶接力器行程变化时间。调速系统主供油阀全开，在灯泡体手动动作重锤关机阀和机械过速装置飞摆启动导叶快关时间，A 套5.25 s，B 套5.26 s；拐点，A 套38.4%，B 套37.99%；第二段关闭时间，A 套21.2 s，B套20.8 s。导叶/桨叶双反馈动作时间均符合电厂设计值要求。

调速系统主供油阀全关，无压力油的情况下在灯泡体手动动作重锤关机阀和机械过速装置快关时间，A 套7.22 s，B 套7.24 s；拐点，A 套43.12%，B 套43.08%；第二段关闭时间，A 套23.2 s，B套23.1 s。导叶/桨叶双反馈动作时间均符合电厂设计值要求。

2.3 导叶/桨叶双反馈信号消失试验

试验条件是灯泡贯流式机组流道内未充水，调速器系统按要求调整参数且试验完毕，调速器处于自动运行方式。导叶/桨叶接力器行程信号接入调速器系统综合特性测试仪，给调速器提供机频信号。

（1）模拟调速器系统导叶/桨叶反馈信号丢失，发调速器开机指令，记录导叶/桨叶接力器行程变化情况。单套反馈丢失调速器报小故障可正常开机，双套反馈丢失报大故障，禁止开机。

（2）模拟开机过程中导叶/桨叶反馈信号消失。输入短接调速器开机指令，由调速器系统综合特性测试仪改变频率，模拟机组开机过程，在开机过程中分别断开调速器的导叶/桨叶接力器A 套/B 套反馈信号，记录导叶/桨叶接力器行程变化情况。单套丢失调速器报小故障正常运行，双套反馈丢失报大故障停机。

（3）模拟空载工况导叶/桨叶反馈信号短时消失。由调速器系统综合特性测试仪给调速器提供机组额定频率，导叶接力器行程处于小于空载开度限制位置，模拟机组空载运行工况，分别中断调速器的导叶/桨叶接力器A 套/B 套反馈信号并恢复，记录导叶/桨叶接力器行程变化情况。

（4）模拟负载工况导叶/桨叶反馈信号短时中断。短接发电机出口断路器位置信号，由调速器系统综合特性测试仪给调速器提供机组额定频率信号，导叶接力器处于50%行程附近，模拟机组负载运行工况，人为分别断开调速器的导叶/桨叶接力器A 套/B套反馈信号并恢复，记录导叶/桨叶接力器行程变化情况。

（5）模拟负载工况导叶/桨叶反馈信号消失同时甩负荷。模拟机组负载工况，拆除断路器短接的位置信号模拟机组甩负荷，并人为断开调速器的导叶/桨叶接力器A 套/B 套反馈信号，记录导叶/桨叶接力器行程变化情况。

2.4 空载扰动试验

试验条件是机组流道充水，机组处于空载运行方式，调速器处于自动运行方式。

在自动空载稳定工况下，调速器频率给定置于额定频率50 Hz，将调节装置切至手动，通过手动增减导叶开度的方法，改变机组当前的实际转速，当转速变化幅度超过4%额定转速时，再切至自动。记录频率扰动过程的机组频率、导叶接力器行程的变化情况。根据机组过渡过程变化情况，选取超调量小、波动次数少、稳定快的一组调速器参数，供空载运行使用。A 机优化空载参数分别为KP=1.25，KI=0.12，KD=0.35。

手动扰动52.1 Hz 至50 Hz 衰减度ψ=0，波动次数0，调节时间TP=23.9 s；手动扰动47.7 Hz 至50 Hz 衰减度ψ=0，波动次数0，调节时间TP=24.4 s。

2.5 空载摆动试验

试验条件是机组处于空载运行方式，励磁调节器处于自动运行方式，设置调速器空载参数为试验选定的参数。

记录机组在空载稳定运行时的机组频率、导叶接力器行程的变化情况，记录时间3 min。根据试验结果计算调速器空载转速摆动值。试验在A 套控制器2 次、B 套控制器1 次，试验结果取其平均值。如试验测量得到的调速器自动空载转速摆动值超过标准规定的要求，应进行手动运行工况的下空载摆动试验，测量其空载转速摆动值。调速器处于自动运行方式，A 机空载控制参数分别为KP=1.25，KI=0.12，KD=0.35。

空载摆动试验结果：A 机主用空载摆动1 转速摆动相对平均值±0.18%。

2.6 甩负荷试验

试验条件是调速器处于自动运行方式，机组并网带负荷运行稳定，已做好防止机组过速措施。机组频率信号、导叶接力器行程信号、流道进口水压信号、尾水管水压信号接入调速器系统综合特性测试仪。

甩负荷试验结论：在试验水头8.85 m 时分别甩25%、50%、75%负荷至空载态，最大转速上升率为33.82%，未超过最小水头下甩额定负荷时转速上升率最大值。导叶前水压上升率和尾水管进口水压下降率均不大，尾水管水压进口未出现负压。

3 结束语

该数字式双反馈调速器既采用逻辑插装技术，又增加了反馈装置的双冗余技术，以A/B 机分别接收两套导叶/桨叶信号的运行模式，经历了线路跳闸机组甩负荷及各种运行工况的验证，数字式双反馈调速器将有一定的发展前景。自2017—2020 年电厂完成了4 台机组调速器的整体换型改造，且4 年期间无故障、无漏油、不卡涩、不拒动，运行期间的基础数据与试验结论综合判断，该款调速器具有较高的可靠性、频率负荷响应速度快、动作灵活平稳性好、阀组加工精度高、节省压油槽油源消耗等优点。在株溪口电厂的成功应用，解决了电厂原有调速器存在的保压时间短、主配引导阀卡涩、主配反馈信号跳变等问题，维持了电厂的安全生产稳定局面，可供国内同类型发电机组借鉴。