于二特
国电四川发电有限公司南桠河水电分公司 四川成都 625400
摘 要
一直以来，大容量多喷嘴冲击式水轮机研究制造及其控制技术核心，主要掌握在阿尔斯通、GE等少数欧美水电设备制造商手中，限制了我国大型冲击式水轮机应用。本文从冶勒水电站进口六喷六折冲击式水轮机实际运行情况出发，结合现代调速器最新发展技术，从硬件、软件、控制策略等方面实施了冶勒电站大型冲击式水轮机调速器国产化改造，从而提高冶勒电站调速器控制性能指标和可靠性，打破国外在冲击式水轮机调速的垄断局面。
关键词：调速器；冲击式；一次调频；国产化；技术改造
1基本情况
冶勒电站位于四川省西部南桠河上游，四川省凉山州冕宁县和雅安市石棉县境内，为南桠河流域梯级规划“一库六级”的第六级龙头水库电站，电站安装2台法国ALSTOM公司生产的120MW六喷针六折向器冲击式水轮机组，转轮型号为CJT5317－L－260/6*21.8，水斗共21个，为均衡铸造，额定水头580.00m。
每台机组配套采用法国ALSTOM公司生产的NEYRPIC?1500系列可调节数字式调速器，由调速器电气柜、调速器液压装置其油管路系统、喷针接力器组成。调速器液压装置装设在回油箱上。
1.1国产化改造原因
冶勒电站调速器系统自投产以来，初期设备运行基本稳定，但也存在一些突出问题，主要有表现在以下几方面：
1.控制策略不能完全满足安全稳定运行的需要；
2.售后服务不及时，影响电站正常运行；
3.进口设备费用昂贵，备品配件购置困难；
4.由于技术封锁、控制软件内部功能不透明等因素造成设备运行维护存在隐患；
2 冶勒调速器硬件结构
根据冶勒电站六喷六折冲击式调速器实际控制特点及国产化改造要求，本次改造采用了奥地利B&R公司2005系列的PCC模块作为机组调速器的硬件主体，构成A、B双机冗余切换配置系统。PCC2005硬件的模块化设计给调速器的硬件结构配置带来了很大的方便。根据微机调速器的基本结构，设计出如图3.1的调速器系统基本硬件结构。
本次改造硬件部分采用模块化设计的原则，以CPU IP161模块为核心，将采集的外部信号如机频、网频通过高频计数模块计算出频率值送至CPU进行频率计算，外部模拟量如喷针开度、功率变化、功率给定，开关量如外部增减有功经过转化之后送至CPU模块按照改进型PID控制规律进行运算处理，并通过开关量输出和模拟量输出去控制被控制对象，使被控对象达到预期控制目标。
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2.1 油压装置控制系统
本次改造为调速器油压装置配置了一个控制柜，该控制柜采用施耐德 Micro系列PLC作为核心控制器，配置10寸液晶触摸屏。该控制柜完成对油压装置的油位、油压的自动控制功能。两台油泵采用一主一备的间歇运行模式。
电液转换器采用的是美国PARK公司16通径电液比例换向阀，如图3.10，该比例换向阀为二级放大阀，功耗小。功放与阀体采用一体化设计，抗干扰能力强，现场接线简单方便。该比例阀放大级阀芯配置了位置反馈，提高了比例阀的控制速度与精度。
在电液比例阀设置一个旁路手动增减电磁阀，该电磁阀可以实现对各喷针的开环控制功能，在自动控制模式失效的情况下，可以切换到手动控制模式对机组的出力进行调节。该旁路在喷针的初期调试与喷针行程传感器的定位过程中十分方便，可提高调试效率。
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喷针作为主调节系统采用连续控制，折向器则采用开关量控制，喷针与折向器独立控制而不协联。冶勒电站水轮机采用6喷针6折向器冲击式转轮，相应的调速系统需要有12个控制对象和液压执行机构，再综合考虑上述冲击式水轮机的控制特点和要求，设计的冶勒调速系统液压原理如图3.11。从图中可以看出，调速器机械液压部分由7套独立的液压控制单元组成，分别为6套喷针控制单元、1套折向器控制单元。其中，喷针控制系统采用电液比例阀实现闭环连续控制；折向器采用电液阀及液动阀实现开关量控制，仅在系统甩负荷等大波动时快速关闭折向器，起到机组过速保护的作用。
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每套喷针接力器均配置了高精度位移变送器，通过微机控制器检测到喷针位置，再通过比例伺服阀实现喷针精确定位。6套喷针分别独立可调，每套喷针采用自动及手动2个液压调节通道，自动通道选用比例阀，比例阀的功能是把输入的电气信号按比例地转换成流量信号，通过电气信号电流大小变化及方向变化从而控制喷针接力器的运动速度和方向；该阀的最大特点是电磁操作力大，耐污染能力及防卡能力强，具有较高可靠性。每个喷针的手动控制回路主要由10通径电磁换向阀和单向节流阀组成，手动控制的速度可以通过预先调节节流阀整定好。折向器接力器的全开和全关位均配置了位置开关，通过微机控制器检测折向器位置，再通过电磁阀实现折向器的开关控制。6套折向器采用同步联动控制模式，由1套美国PARK公司16通径大流量电液比例换向阀驱动。由于系统不管是喷针自动、手动还是折向器控制，都是采用先导阀直接控制到接力器油缸，整个液压控制系统简洁明快、可靠性较高。
3 冶勒调速器软件控制算法
冶勒电站调速器控制软件所采用的的控制算法是基于经典PID算法改进的改进型双微分通道PID算法，其控制算法的原理框图如图4.7所示。
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如图4.7双微分通道PID控制算法具有两个采样周期不同的微分通道，当机组在空载运行时，采用双微分通道的PID控制算法，将频率的快速变化部分和慢速变化部分分开处理，在快速变化部分采用微分通道1，在慢速变化部分采用微分通道2，使微分环节在较宽的调节范围内一直起作用，这样就能够使机组转速在网频值附近有更小的波动。
3.1.执行机构控制策略
3.1.1 喷针控制
冲击式水轮机调速器采用喷针及折向器的多重调节与控制，喷针数越多，控制策略越复杂。冶勒电站喷针作为主调节系统采用连续控制，折向器则采用开关量控制，喷针与折向器独立控制而不协联。
冶勒电站水轮机六个喷嘴通过“喷针优化程序”分别独立控制，设置一个主喷嘴，主喷嘴可通过“优化程序”切换，为达到最优效率而自动投入或切除喷嘴，在调速器电气柜运行操作界面上，可以人工投入与退出喷针优化状态。当任意一个喷针传感器或功率反馈故障时，自动退出喷针优化状态。喷针优化状态投入时，在4%、 32% 、50%、 80%额定负荷时分别投入2个 4个 5个 6个喷嘴。开机过程中启动开度为每个喷嘴15%的开度，当频率达到在35Hz时，只通过主喷嘴的调节使机组转速达到额定。
3.1.2 折向器控制策略
冶勒电站折向器通过装设的位置开关，采用开关量控制。六个折向器通过一组油压装置操作，投入的喷针前开启折向器，喷针退出后, 喷针接力器关回到零时关闭折向器，在机组发生电气故障时，折向器将首先动作。同时在机组过速且调速器系统故障时，安装在发电机主轴上的机械液压过速保护装置将直接动作折向器电磁液压阀，泄去折向器操作油管内的油压，依靠弹簧关闭折向器，从而实现机组的双重保护。
4 应用情况
通过对冶勒电站两台法国ALSTOM六喷六折机组调速系统的国产化研制，成功实现了大型冲击式水轮机调速器系统的国产化改造，该调速器采用模块化设计、双冗余控制，结构简单，可靠性高，控制灵敏精确，同时，在原ALSTOM进口调速器的基础上优化了喷针切换流程和控制策略，对涉网的一次调频功能进行优化，解决了冲击式机组普遍存在的喷针切换与一次调频的矛盾，出色完成了对六喷针六折向器的优化调度及精确控制。本次国产化改造成功，不仅摆脱了国外的技术封锁，有效的降低了电厂运维成本，更是提高了电站发电量和自动化设备的可靠性。通过经多年运行检验，机组安全稳定运行能力提升明显，具体表现在运行过程中故障及缺陷发生次数明显减少；系统软件、人机交互界面更加友好，使得维护及运行值班人员监视、操作更加容易；后期维护成本更低、售后服务更高效，本次国产化技术改造完全达到预期。
5．展望
通过冶勒电站六喷嘴机组调速系统的国产化改造，系统研究了冲击式机组的调速器系统设计和控制流程，特别是对工况转换时喷针的切换规律、折向器控制进行了研究，并提供了现场应用情况，为大型冲击式机组调速器控制系统提供一定的经验积累。随着我国冲击式水轮机调速器的自主研发和创新能力不断提升。在己有的技术基础上，我们将更进一步提高和完善调速器的先进性、可靠性及可维护性，使其更好地满足水电建设高水头、多系统、高参数发展趋势的要求和水电站远程集中控制的需要，为我国水电事业的发展做出更大贡献。
参 考 文 献
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