論大型水輪機調速器國產(chǎn)化中的新技術

1、大型水輪機調速器國產(chǎn)化中的新技術向家安 胡乙進 李紅武漢事達電氣股份有限公司摘要：能源工業(yè)作為國民經(jīng)濟的基礎，對于社會、經(jīng)濟發(fā)展和提高人民生活質量都極為重要。在高速增長的經(jīng)濟環(huán)境下，我國能源工業(yè)面臨經(jīng)濟增長與環(huán)境保護的雙重壓力。水力發(fā)電作為一種清潔能源，有其自身不可替代的優(yōu)點，隨著國家大力發(fā)展水電，國內大型機組如：三峽、龍灘、拉西瓦、向家壩、構皮灘等等巨型電站已經(jīng)在建。相對而言，國內在調速器技術領域，已經(jīng)取得重大技術突破，在單機500MW的機組上，調速器的改造已經(jīng)取得成功。由此可見調速器實現(xiàn)大型和巨型機組的國產(chǎn)化完全是可行的。Abstract：As the base of national e

2、conomy, energy industry is very important to the development of society, economy, and improvement of people's life quality. In today's highly growing economy environment, the energy industry of our country is under dual pressure of economy growth and environmental protection. Therefore, hydr

3、opower has its irreplaceable advantages being a clean source of energy. With the great development of national hydropower industry, many super hydropower station is under construction such as Three Gorges, Longtan, Laxiwa, Xiangjiaba, Goupitan. Compare to the past, national technical field of govern

4、ing system has made a great breakthrough. The governor retrofit has succeeded on the unit which has a single capacity of 550MW. This shows on large-sized and super unit, his shows on large-sized and super unit, governing system could be totally home made.關鍵字：調速器、國產(chǎn)化、交叉冗余、PLC、切換、現(xiàn)場總線Key Word：Speed go

5、vernor、Made home、Hot standby、PLC、Switch、Field Bus 隨著中國國內國民經(jīng)濟的不斷增長和科學技術的不斷進步，我國在水輪機調速器技術領域也得到相應提高。有相關知名專家曾經(jīng)說過：國內調速器技術水平與國際水平相當甚至超過國際先進水平，但在制造工藝、材料方面還比較欠缺。國家目前大力發(fā)展水電事業(yè)，以打破電力缺口，大型和巨型水電站不斷增加，與其配套的調速器設備能否跟上這個步伐了？本文通過論述二灘電站、公伯峽電站、樂灘電站、洪江水電站的調速器技術特點，來闡述大型水輪機調速器國產(chǎn)化中的新技術。1、 二灘水電站電氣部分國產(chǎn)化改造中技術的新突破。二灘水電站位于四川省雅礱

6、江上，裝有6臺單機容量為550MW的大型水輪發(fā)電機組。由于進口調速器的電氣部分存在著抗干擾能力較差、工作電源可靠性不高、部分傳感器工作不穩(wěn)定，以及調速器的可維護性不能得到保證等問題，投運以來出現(xiàn)了多次的故障，影響了二灘水電站的正常工作和安全運行。因此，一段時間以來，就二灘水電站是否需對水輪機調速器設備進行改造，以及國內調速器生產(chǎn)技術及工藝能否滿足大型水電機組控制的要求等問題一直存在爭論。經(jīng)過考察，確認采用國產(chǎn)化設備改造后得2#機調速器電氣柜2003年5月30日投運，5#機調速器電氣柜2004年5月投運，4機組調速器已經(jīng)發(fā)往二灘水電站現(xiàn)場，即將投運。就改造的特點如下：(1)、由高性能、高可靠性P

7、LC及部件系統(tǒng)集成的電氣柜：控制器A和B采用Quantum系列PLC，具有模塊化、可擴展的體系結構，適用于工業(yè)過程實時控制，在電力系統(tǒng)中得到廣泛的應用；可提供包括CPU、抗干擾電源、I/O等各種豐富的功能模塊，同時提供了工業(yè)控制網(wǎng)絡及冗余熱備份解決方案；所有模塊均為相互獨立可熱插拔形式；具有防爆的本質安全型模塊和符合美國軍標的表面涂敷涂層模板。因此，它具有極高的抗干擾能力，其運行可靠性及穩(wěn)定性是其它控制設備無法達到的?？刂乒芾頇C現(xiàn)場總線控制器A 雙機高速通訊 控制器B IO總線IO接口A IO接口B 圖1 水輪機調速器的結構圖控制管理機采用工業(yè)控制型計算機，通過以太網(wǎng)與控制器進行信息交互，并完

8、成：水輪機調節(jié)系統(tǒng)故障診斷、故障錄波、參數(shù)設置、靜動態(tài)試驗和電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)通信以及人機聯(lián)系等功能。(2)、雙機交叉冗余技術備份方式采用雙機交叉冗余熱備方式，該備份方式具有如下特點：l 雙機的硬件和軟件完全相同，且信息共享；l 雙機正常工作時，任何一臺機均能被選作為主機或備份機；l 影響調速器基本運行的故障發(fā)生時，主備機自動切換；l 主備切換無擾動；l 主備機重復切換閉鎖；l 備份機正常工作時，可實現(xiàn)手動切換；l 雙機均具有獨立的工作電源。雙機交叉冗余熱備方式的工作邏輯為：正常工作時，備份機通過雙機通訊實現(xiàn)主備機的信息共享，實時監(jiān)視主機的工作狀態(tài)，并使備機跟蹤主機的控制狀態(tài)。其中，主機的控制

9、輸出通過切換電路作用于控制對象，而備機的控制輸出則被切換電路封鎖；當影響主機基本運行的故障發(fā)生時，系統(tǒng)自動且無擾動地切換到備機工作，并同時報警；當主機發(fā)生一般性故障，并不影響主機基本運行時，系統(tǒng)予以報警，不作主備切換；切換回路由一套獨立電路組成，通過主備機的工作狀態(tài)實現(xiàn)對主備機的切換，并同步完成對相應外部電路的邏輯切換。切換回路根據(jù)主機的工作狀況，控制切換電路的切換工作，將備份機的輸出切換至對象，使其驅動伺服閥及各指示儀表工作,并同時將主機的輸出與對象脫離。切換回路的輸出驅動是通過繼電器實現(xiàn)，其切換時間小于10ms，因此，在整個切換過程中系統(tǒng)沒有擾動。由于直接驅動繼電器工作，在整個切換回路中其

10、接線簡單、清晰并易于維護。 圖2 機組功率控制規(guī)律 (3)、適應式變參數(shù)功率調節(jié)二灘電站雙可編程微機調速器的機組功率，通過適應式變參數(shù)的調節(jié)規(guī)律進行控制。當功率給定和實際功率的偏差（稱為功率偏差）較大時，以較快的速率增加/減小機組功率，使其盡快逼近功率給定值；當功率偏差值小，進入?yún)^(qū)間工作，減慢機組功率調節(jié)速率；在更小的區(qū)間（區(qū)間）中，使機組功率按指數(shù)曲線規(guī)律趨近于機組給定功率。這樣，使功率的調節(jié)快速而平穩(wěn)，避免超調。機組功率在大功率偏差和小功率偏差(區(qū)間)區(qū)間的調節(jié)速率，能適應機組不同的運行水頭。當機組運行水頭高，機組功率增加/減小的速率小，當機組運行水頭低，機組功率增加/減小的速率大，以實現(xiàn)

11、在不同機組運行水頭下機組功率的單調快速調節(jié)。 2、 水輪機調速器中的現(xiàn)場總線技術。 (1)、施耐德公司ModBus Plus（簡稱MB+）現(xiàn)場總線的應用。MB+網(wǎng)絡的主要性能參數(shù)：對等式、令牌循環(huán)、通訊速率達到1MBPS、采用RS485接口方式、網(wǎng)絡最大節(jié)點數(shù)達到64個、采用雙絞線光纜、最大網(wǎng)絡通信量20K寄存器/秒。所以說：MB+綜合高速、對等通信和易于安裝等等特點以實現(xiàn)簡化應用和減少安裝費用。它使得主機、控制器和其它數(shù)據(jù)源通過使用低成本的雙絞線電纜或可選的光纜作為同位體進行通訊。作為一個判定性令牌傳遞網(wǎng)絡，MB+以1MBPS的速率進行通訊，快速存取過程數(shù)據(jù)。它的實力是他的控制實時控制裝置的

12、能力，不會由于加載或通信量的原因而降低性能。 傳統(tǒng)的伺服電機控制與PLC的接口方式主要有：A、 專用脈沖輸出模塊與伺服電機驅動器相連接，伺服電機編碼器與驅動器自身形成反饋系統(tǒng)。由此可見只有PLC生產(chǎn)廠商提供專用的脈沖輸出模塊才能夠形成該套系統(tǒng)。B、伺服運動模塊與電機驅動器接口，電機編碼器信號反饋至運動模塊。洪江水電站電站共裝機6臺，總裝機容量為270MW。電站年利用小時數(shù)為4311h，多年平均發(fā)電量億kW·h。電站按無人值班設計，所有合同設備均應滿足無人值班的所有要求。水輪機為貫流式，額定轉速為136.4r/min，水輪機在額定水頭20.0 m，額定轉速運轉時，額定出力不少于。洪江水

13、電站15#機組調速器為進口產(chǎn)品，6#機采用國產(chǎn)化產(chǎn)品。由于洪江電站采用機電分柜，且為雙機系統(tǒng)，無法對編碼器信號進行冗余處理。并且機械柜與電調柜相距70多米，對于微弱的控制信號會產(chǎn)生很大的衰減。 針對上述，采用MB+現(xiàn)場總線直接對驅動器進行控制。圖3 洪江水電站調速器微機調節(jié)器原理框圖 由上圖可以看出：微機調節(jié)器A機、B機和導葉伺服電機驅動器、槳葉伺服電機驅動器全部連接在MB+現(xiàn)場網(wǎng)絡上，安裝與電調柜上的A、B機僅需用一根MB+網(wǎng)線就可以對遠在70米外的機械柜進行控制(最遠可以達到1400m)。由于采用了現(xiàn)場總線技術，接線簡單?？梢圆捎脤Ｓ弥噶钭x取驅動器內部的全部狀態(tài)和相關數(shù)據(jù)，對于控制命令全部

14、采用通訊的辦法傳入驅動器。(2)、三菱公司CC-Link現(xiàn)場總線的應用。 CC-Link現(xiàn)場總線擁有在同行業(yè)中最快的通信速度，所以當需要高速應答時它可以支持傳感器輸入及容許智能化設備進行大容量數(shù)據(jù)的傳送。此外，還可以選擇系統(tǒng)支持適用的最佳的通信速度和總距離。CC-Link擁有以太網(wǎng)（Ethernet)的通訊速度（10Mbps）和可靠的現(xiàn)場總線功能，所以可以這么說：CC-Link是同行業(yè)中速度最快的現(xiàn)場總線?？梢栽谥骺豍LC與本地PLC之間進行n:n的循環(huán)傳送，簡易地構成分散地PC系統(tǒng)。具備自動在線恢復功能、待機主控功能、切斷從站功能、確認鏈接狀態(tài)功能及測試和診斷功能，可以構成具有高度可靠性地網(wǎng)

15、絡。具體實際應用如下：調速器的硬件配置主要由兩套配置完全相同的PLC組成：主基板、電源模塊、CPU模塊、I/O輸入模塊、I/O輸出模塊、A/D模塊、D/A模塊、高速計數(shù)模塊、CC-Link通訊模塊。監(jiān)控畫面采用平板液晶電腦（帶觸摸屏），與CC-Link總線通訊采用安裝PCI CC-link接口卡A80BDE-J61BT13構成。平板液晶電腦PCI CC-Link接口卡（本地站）CC-Link開放式現(xiàn)場網(wǎng)絡(10Mbps) A#PLC調節(jié)器(主站) B#PLC調節(jié)器（本地站）圖4 CC-Link總線網(wǎng)絡結構圖可以定義任一PLC系統(tǒng)為主站或備用站，PLC間通訊速率為10Mbps，僅需在CC-Lin

16、k模塊上設置站號，0號站為主站。通信方法如下所示： 由于采用的系統(tǒng)為雙機交叉冗余系統(tǒng)，實現(xiàn)的目的為： 當A機為工作機時，其本機的導葉傳感器（或機組頻率、功率等信號）發(fā)生故障時，但A機PLC本機常，則A機通過CC-LINK讀取B機采樣的數(shù)據(jù)作為主用，以保證水輪機調速器仍處于正常運行的狀態(tài)。以下介紹的樂灘和公伯峽水電站就是采用該種數(shù)據(jù)交換方式。3、 公伯峽、樂灘水電站調速系統(tǒng)的特點。(1)、公伯峽水電站調速器的特點。公伯峽水電站內設五臺單機容量300MW的水輪發(fā)電機組。水輪機數(shù)字式電液（微機）調速器在電站安裝完成后，進行了嚴格的充水前和充水后的試驗，水輪機調節(jié)系統(tǒng)具有很好的靜態(tài)、動態(tài)性能指標，達到

17、并優(yōu)于水輪機控制系統(tǒng)技術條件和設計的要求。1機調速器于2004年9月20日投入運行，2機調速器于2004年10月21日投入運行。機械液壓系統(tǒng)通道為：比例伺服閥、切換閥、開度限制閥、電動緊急停機閥、手動緊急停機閥、主配壓閥（GE公司FC5000閥）、事故配壓閥和分段關閉閥。1). 自動調節(jié)通道（切換閥處于“自動”位置）比例伺服閥作為電液轉換器，其輸出的控制油經(jīng)切換閥、開度限制閥、電動緊急停機閥、手動緊急停機閥控制FC主配壓閥； FC主配壓閥輸出操作油通過事故配壓閥和分段關閉閥操作接力器。機械液壓開度限制機構對運行中的導葉開度起限制作用。2). 手動調節(jié)通道（切換閥處于“手動”位置）比例伺服閥的控

18、制油被切斷，壓力油供給開度限制閥，開度限制缸調整開度，由開度限制閥輸出控制油，經(jīng)過電動緊急停機閥、手動緊急停機閥控制FC主配壓閥， FC主配壓閥輸出操作油通過事故配壓閥和分段關閉閥控制接力器。圖5 公伯峽水電站調速器機械液壓系統(tǒng)原理圖 圖5 公伯峽水電站調速器微機調節(jié)器系統(tǒng)框圖 3）、 電氣系統(tǒng) 電氣系統(tǒng)采用雙機交叉冗余配置，雙機(主站和從站)擁有完全一樣的硬件結構，即：獨立的CPU、電源模塊、I/O、A/D、D/A、測頻模塊、通訊模塊。總線采用CC-link，參見第二部分所介紹的。三菱公司的Q系列PLC為控制核心，該款PLC為三菱公司新推出的性能更加強大的PLC，指令豐富、運算速度快、體積小

19、，投運后的程序掃描時間僅為3ms。4)、試驗結果 以下為公伯峽水電站1、2機組調速器的試驗結果：圖6 公伯峽水電站調速器空載頻率擺動示波圖空載頻率擺動：連續(xù)3min測量機組的擺動值，三分鐘調速器自動空載頻率值為：最高頻率z；最低頻率z；頻率差z，該頻率擺動值大小遠遠低于國標要求的z。圖7 公伯峽水電站調速器不動時間試驗示波圖不動時間測量：試驗結果：接力器不動時間：3秒。圖8 公伯峽水電站調速器甩100額定負荷試驗示波圖甩100負荷數(shù)據(jù)：最大轉速上升：%；轉速波動次數(shù)：0.5次；轉速調節(jié)時間：9.8秒。注：以上曲線：F為機組頻率（Hz），Y為接力器行程（%），S為當前水壓。(2)、樂灘水電站調速

20、系統(tǒng)特點。樂灘電站電液調速器的油壓裝置是目前國內額定工作油壓為a的、壓力油箱和空氣箱容積（40 m³）最大的水輪機調速器油壓裝置。油壓裝置主要技術參數(shù)如下：油壓裝置額定油壓a；壓力油箱與壓力空氣箱：總容積 40 m³ (20×2 m³)；回油箱：容積 40 m³；油泵：型號 3G90X6G ；數(shù)量 3臺；輸油量n；額定工作壓力a；油泵電機：型號 Y315M-4；功率 132 KW；電壓 AC 380V，50HZ；額定轉速 1485 r/min；調速器主要技術參數(shù)如下：主配壓閥直徑：200mm；額定油壓：a控制規(guī)律：并聯(lián)PID調節(jié)主控方式：Q系列

21、PLC，雙機交叉冗余。4、 交流伺服電機自復中調速器的應用。自復中機械原理及其特點無油自復中電/機轉換器其結構原理如圖2所示，采用了軸向單復中彈簧。由下面主要部分組成：伺服電機、聯(lián)軸套、滾珠絲桿、絲桿螺母、復中彈簧、輸出桿。 圖9 電/機復中轉換器原理圖機械系統(tǒng)采用了較大螺距的滾珠絲杠螺母副作傳動機構，將伺服電機的角位移轉換為輸出桿的直線位移。傳動精度、效率高，不會自鎖。電機與滾珠絲杠通過聯(lián)軸器套相連，絲杠螺母與輸出桿相連， 當調速器系統(tǒng)因事故或故障切換至手動運行時，伺服電機驅動停止工作，此時轉動力矩消失，在復位彈簧的作用下，驅使輸出桿自動回復到中間位置，相應地主配壓閥的活塞回復到中位，同時接力器也就能停止并保持在當時的開度位置。機械手動操作是通過轉動手柄來實現(xiàn)的。在自動狀態(tài)時手柄處于垂直狀態(tài)，需要手動操作時，輕輕地按下手柄，使之呈水平狀態(tài)，然后順時針或逆時針轉動手柄，從而實現(xiàn)接力器開啟和關閉。由于電/