錦屏14X600MW水電站調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)方案

特大型水輪機(jī)調(diào)速器

技術(shù)方案

1特大型水輪機(jī)調(diào)速器

技術(shù)方案

第一部分：總體結(jié)構(gòu)第二部分：特色控制1、三段等加速度開(kāi)機(jī)2、增強(qiáng)PID3、本機(jī)測(cè)頻算法4、一次調(diào)頻5、功率調(diào)節(jié)第三部分：油壓裝置2第一部分：總體結(jié)構(gòu)調(diào)速器由電氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)和機(jī)械液壓系統(tǒng)兩大部分組成。電氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)以德國(guó)西門(mén)子（Siemens）S7-400系列PLC為控制核心構(gòu)成，采用雙機(jī)冗余結(jié)構(gòu)，主要采集水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)、接收來(lái)自機(jī)組控制系統(tǒng)的命令，并對(duì)各數(shù)據(jù)和命令進(jìn)行分析和運(yùn)算，產(chǎn)生控制信號(hào)控制機(jī)械液壓系統(tǒng)，完成對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的開(kāi)機(jī)、停機(jī)、緊急停機(jī)、增減負(fù)荷、頻率調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)等操作。機(jī)械部分主要包括兩套互為熱備用的比例伺服閥、冗余結(jié)構(gòu)的電液轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、機(jī)械手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)、自動(dòng)復(fù)中裝置、主配壓閥、緊急停機(jī)電磁閥等組成無(wú)明管、無(wú)杠桿、靜態(tài)無(wú)油耗、切換無(wú)擾動(dòng)、直連結(jié)構(gòu)型的機(jī)械液壓隨動(dòng)系統(tǒng)。?？删幊炭刂破?、HMI顯示屏、空開(kāi)指示燈等采用德國(guó)西門(mén)子公司產(chǎn)品。伺服比例閥、緊急停機(jī)電磁閥和液控?fù)Q向閥采用德國(guó)REXROH公司產(chǎn)品。3電氣部分電氣控制柜配備含觸摸屏的面板的柜門(mén)，以便進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)和設(shè)備維護(hù)電纜和管道入口布置在控制柜的底部。儀表和控制設(shè)備布置在控制柜的前面板上，以便監(jiān)控和操作。調(diào)速器控制柜可以容納調(diào)速器的所有電氣部件，包括連接外部系統(tǒng)的端子或接口設(shè)備。調(diào)速器控制柜尺寸：800×600×2260mm調(diào)速器的機(jī)械液壓部分布置在油壓裝置回油箱上。4控制器規(guī)格S7-400PLC是基于PROFINETCPU的帶有全新性能特征的新一代硬件，具有更高的運(yùn)算及通訊速度。

1.3.1CPU技術(shù)特點(diǎn)◆設(shè)計(jì)：S7-400采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合以用于擴(kuò)展?！魯U(kuò)展：如果用戶(hù)的自動(dòng)化任務(wù)需要多個(gè)中央控制器時(shí)，可對(duì)S7-400進(jìn)行擴(kuò)展，最多21個(gè)擴(kuò)展機(jī)架:5人機(jī)界面采用10.4“TFT真彩高清液晶觸措屏用為人機(jī)界面，人機(jī)界面除了常規(guī)的顯示操作外，還具有參數(shù)設(shè)置、故障分析、事件記錄、在線(xiàn)試驗(yàn)、在線(xiàn)幫助等輔助功能。該HMI含有對(duì)發(fā)電機(jī)組控制和調(diào)節(jié)的重要參數(shù)特征，具備動(dòng)態(tài)圖表報(bào)警顯示過(guò)程可變趨勢(shì)變更設(shè)定值及控制狀態(tài)顯示

HMI訪(fǎng)問(wèn)安全性6機(jī)械部分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)械部分由比例伺服閥＋比例伺服閥＋機(jī)械手動(dòng)組成機(jī)械冗余結(jié)構(gòu)。比例伺服閥為電液轉(zhuǎn)換元件，將電氣信號(hào)變成接力器行程，當(dāng)比例伺服閥轉(zhuǎn)換器1作為主用時(shí)，比例伺服閥轉(zhuǎn)換器2作為備用，若電氣控制部分檢測(cè)到作為主用的電液轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)出現(xiàn)卡阻拒動(dòng)時(shí)，電氣部分將自動(dòng)切換到另一路電液轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)

7閥套與閥芯的熱處理方法時(shí)，都采用高硬度，即硬對(duì)硬組合，靜止件閥套內(nèi)孔硬度為HRC58-62；運(yùn)動(dòng)件閥芯外圓硬度為HRC60-64。由于閥套與閥芯的滑動(dòng)配合面采用硬對(duì)硬組合，在配合面為小間隙高硬度情況下，雜質(zhì)無(wú)法進(jìn)入配合間隙，即使小雜質(zhì)進(jìn)入，也會(huì)逐步被碾碎,不會(huì)嵌入配合表面。89比例伺服閥具有以下主要特點(diǎn)：

(1)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好

(2)驅(qū)動(dòng)功率大

（3）結(jié)構(gòu)合理10主配位置傳感器采用德國(guó)BOSCH產(chǎn)的差動(dòng)變壓器型的位置傳感器，此傳感器精度高，輸出信號(hào)無(wú)漂移，是非接觸的無(wú)磨損壽命元件11三段等加速度開(kāi)機(jī)方式調(diào)速器的自動(dòng)開(kāi)機(jī)同期轉(zhuǎn)速控制采用按預(yù)先設(shè)定的開(kāi)機(jī)曲線(xiàn)和分段PID調(diào)節(jié)的方式進(jìn)行閉環(huán)控制，不需要根據(jù)水頭設(shè)定嚴(yán)格的空載開(kāi)度和開(kāi)機(jī)啟動(dòng)開(kāi)度等值，在任意水頭的情況下有相同的快速開(kāi)機(jī)同期過(guò)程。有多種加速度速率可調(diào)的閉環(huán)自動(dòng)開(kāi)機(jī)過(guò)程

發(fā)出開(kāi)機(jī)令之前，或從開(kāi)機(jī)令發(fā)出到轉(zhuǎn)速信號(hào)有效這段時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速給定值均跟蹤實(shí)際的轉(zhuǎn)速；一旦轉(zhuǎn)速信號(hào)有效，就由空載轉(zhuǎn)速PID算法控制。一進(jìn)入空載轉(zhuǎn)速PID控制，轉(zhuǎn)速給定值就以速率1（2Hz～3Hz）增加，同時(shí)空載轉(zhuǎn)速PID算法控制機(jī)組實(shí)際轉(zhuǎn)速以相同速率上升；到速率2切換點(diǎn)（42.5Hz），轉(zhuǎn)速給定值就以速率2（1Hz)增加，同時(shí)空載轉(zhuǎn)速PID算法控制機(jī)組實(shí)際轉(zhuǎn)速以相同速率繼續(xù)上升；到速率3切換點(diǎn)（47.5Hz)，轉(zhuǎn)速給定值就以速率3（0.5Hz)增加，同時(shí)空載轉(zhuǎn)速PID算法控制機(jī)組實(shí)際轉(zhuǎn)速以相同速率繼續(xù)上升；直到轉(zhuǎn)速給定值增加到50.25Hz，自動(dòng)開(kāi)機(jī)過(guò)程就完成。但這種開(kāi)機(jī)方式對(duì)齒盤(pán)測(cè)頻的精度要求很高，因?yàn)檎麄€(gè)過(guò)程它都要監(jiān)視頻率，并根據(jù)實(shí)測(cè)頻率改變開(kāi)機(jī)速度，而殘壓測(cè)頻在低轉(zhuǎn)速下經(jīng)常測(cè)得不準(zhǔn)或根本測(cè)不到，這時(shí)測(cè)頻主要就是齒盤(pán)測(cè)頻方式。若齒盤(pán)頻率也不穩(wěn)，即長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)測(cè)的頻率偏低，會(huì)使開(kāi)度開(kāi)的很大，實(shí)際頻率升得過(guò)快，過(guò)高。就會(huì)導(dǎo)致開(kāi)機(jī)過(guò)程波動(dòng)很大

12增強(qiáng)PID算法

上式中i<10,當(dāng)輸入偏差變化比較快時(shí)，比例和微分作用正常投入調(diào)節(jié)控制，隨著調(diào)節(jié)的進(jìn)行，輸入偏差的變化比較緩慢時(shí)，在相鄰的兩個(gè)采樣周期下被調(diào)節(jié)量的偏差之差在數(shù)值上幾乎等于零，此時(shí)比例和微分幾乎不參入調(diào)節(jié)了，而僅靠積分環(huán)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)就降低了動(dòng)態(tài)性能。13增強(qiáng)PID算法

增強(qiáng)PID算法的精髓主要是在PID上增加了連續(xù)調(diào)節(jié)的PD環(huán)節(jié)。將連續(xù)十個(gè)周期采樣的被調(diào)節(jié)偏差放入一個(gè)數(shù)組，得到十個(gè)被控制偏差值⊿F，即⊿F(K),⊿F(K-1),⊿F(K-2)…⊿F(K-9)。在數(shù)組中同時(shí)記錄了偏差的正負(fù)標(biāo)志和偏差的周期數(shù)，當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前偏差值與上周期偏差值相等時(shí)，選擇數(shù)組中與當(dāng)前偏差符號(hào)相同的最大偏差值（數(shù)組中的最大偏差值被限制在某一范圍之內(nèi)），并根據(jù)最大偏差的周期數(shù)相應(yīng)改變微分時(shí)間常數(shù)T1v和偏差的測(cè)量周期進(jìn)行PD調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)完成后在數(shù)組剔除此偏差值。這樣就避免了在被調(diào)節(jié)量偏離目標(biāo)值，但偏差變化緩慢時(shí)，比例和微分通道幾乎不起作用的現(xiàn)象。14調(diào)速器頻率（轉(zhuǎn)速）測(cè)量

頻率測(cè)量方式為PT殘壓＋齒盤(pán)冗余式調(diào)速器具有3路頻率測(cè)量回路，每路測(cè)頻范圍0.5Hz—120.000Hz，測(cè)頻采用的時(shí)基125ns，測(cè)頻精度達(dá)到0.0003125Hz

PT測(cè)頻由機(jī)組電壓互感器PT送來(lái)的機(jī)頻經(jīng)調(diào)速器測(cè)頻回路隔離、限幅、整形后的方波信號(hào)送到調(diào)速器高速輸入端，根據(jù)PLC或者PCC本機(jī)測(cè)頻原理進(jìn)行PT頻率測(cè)量齒盤(pán)測(cè)頻雙電磁式接近開(kāi)關(guān)方式：為提高齒盤(pán)精度，齒盤(pán)測(cè)速設(shè)計(jì)為雙電磁式接近開(kāi)關(guān)，用于消除由于大軸擺度和震動(dòng)、以及齒盤(pán)加工精度的誤差造成測(cè)頻信號(hào)的精度下降。雙傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)整形隔離后，同時(shí)送到調(diào)速器供測(cè)頻使用。兩個(gè)傳感器經(jīng)過(guò)齒盤(pán)同一個(gè)邊的時(shí)間差，只與齒盤(pán)旋轉(zhuǎn)的線(xiàn)速度有關(guān)，而與齒盤(pán)的加工精度、擺動(dòng)、振動(dòng)無(wú)關(guān)，齒盤(pán)測(cè)頻通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)傳感器的上升沿的時(shí)間，計(jì)算出頻率，提高了齒盤(pán)測(cè)頻的精度?；閭溆脝坞姶攀浇咏_(kāi)關(guān)方式：如果雙接近開(kāi)關(guān)方式工作時(shí)其中一個(gè)接近開(kāi)關(guān)故障它自動(dòng)切換到單接近開(kāi)關(guān)齒盤(pán)測(cè)頻方式。單接近開(kāi)關(guān)方式我們?cè)谡{(diào)速器內(nèi)部采用了對(duì)單接近開(kāi)關(guān)所測(cè)量的機(jī)組轉(zhuǎn)速用一個(gè)拋物線(xiàn)函數(shù)進(jìn)行描述，將函數(shù)帶入調(diào)速器PID運(yùn)算效果良好。15調(diào)速器內(nèi)部計(jì)算值的高精度算法

為了方便觸摸屏編程，一般調(diào)速器內(nèi)部計(jì)算值的算法為：50HZ對(duì)應(yīng)頻率計(jì)算值10000的算法，相當(dāng)于測(cè)頻精度為0.005Hz。50HZ對(duì)頻率計(jì)算值50000的算法；相當(dāng)于測(cè)頻精度為：0.001Hz；一般算法中，當(dāng)頻差變化0.005Hz時(shí)，頻差計(jì)算值有1個(gè)數(shù)值的變化，才能對(duì)控制輸出產(chǎn)生改變，在頻差變化小于0.005Hz時(shí)，機(jī)內(nèi)計(jì)算值沒(méi)有變化，故不會(huì)引起控制輸出的改變。而采用高精度算法后，頻差改變0.001Hz時(shí)，PID計(jì)算值就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的改變。由此可以得出在高精度的算法中，被控機(jī)組頻率或電網(wǎng)頻率的微小變化（如0.001Hz），通過(guò)調(diào)速器PID運(yùn)算便能使輸出值產(chǎn)生相應(yīng)的變化。提高了控制精度和頻率小偏差變化的調(diào)節(jié)能力。更有利于改善動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)品質(zhì)和負(fù)載一次調(diào)頻和小網(wǎng)運(yùn)行能力。16一次調(diào)頻一次調(diào)頻和二次調(diào)頻的基本概念

一次調(diào)頻就是由發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的自身頻率/功率特性對(duì)電網(wǎng)的控制，它主要是由發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)規(guī)律來(lái)實(shí)現(xiàn)的；二次調(diào)頻就是由發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)以外的設(shè)備向機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)下達(dá)相應(yīng)機(jī)組的目標(biāo)功率值，從而產(chǎn)生電網(wǎng)范圍內(nèi)的功率/頻率控制。它主要是由電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)AGC來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻靜態(tài)特性機(jī)組原始工況：靜特性曲線(xiàn)1(Pc1)上A點(diǎn)：機(jī)組目標(biāo)功率Pc1；機(jī)組實(shí)際功率P1；機(jī)組頻率f1；調(diào)速系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)ep（速度變動(dòng)率）。電網(wǎng)發(fā)生功率缺額，折算到機(jī)組的功率缺額：P3－P1；1）.一次調(diào)頻作用：電網(wǎng)功率缺額，引起電網(wǎng)頻率降低，如果不進(jìn)行調(diào)節(jié)，發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)則按靜特性曲線(xiàn)1（Pc1），頻率應(yīng)降至f3，各機(jī)組根據(jù)頻率偏差進(jìn)行一次調(diào)頻，使機(jī)組增發(fā)了功率ΔPf=P2－P1，電網(wǎng)頻率為B點(diǎn)f2。雖然該機(jī)組與電網(wǎng)上其它機(jī)組一起進(jìn)行了一次調(diào)頻，但電網(wǎng)頻率為f2，不可能恢復(fù)到擾動(dòng)前的f1。2).二次調(diào)頻作用：若電網(wǎng)二次調(diào)頻將該機(jī)組的目標(biāo)功率由Pc1修正為Pc2，則機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)靜特性由特性曲線(xiàn)1（Pc1）變?yōu)樘匦郧€(xiàn)2（Pc2）。最后的調(diào)節(jié)結(jié)果為特性曲線(xiàn)2（Pc2）上C點(diǎn)：調(diào)速系統(tǒng)調(diào)差系數(shù)（速度變動(dòng)率）ep、機(jī)組目標(biāo)功率Pc2、機(jī)組實(shí)際功率P3、機(jī)組頻率f1；電網(wǎng)的功率缺額得以補(bǔ)償，系統(tǒng)頻率也恢復(fù)到擾動(dòng)前的數(shù)值f1。電網(wǎng)在負(fù)荷擾動(dòng)后，電網(wǎng)頻率產(chǎn)生偏差，各機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)頻率偏差Δf和功率調(diào)差系數(shù)ep進(jìn)行一次調(diào)頻，在15″以?xún)?nèi)的時(shí)間彌補(bǔ)了系統(tǒng)部分功率差值；在一次調(diào)頻的基礎(chǔ)上，電網(wǎng)AGC再經(jīng)過(guò)二次調(diào)頻重新修正相關(guān)機(jī)組的目標(biāo)功率值。因此，調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)兩個(gè)信號(hào)輸入端：頻率（轉(zhuǎn)速）輸入端(一次調(diào)頻)和機(jī)組目標(biāo)功率輸入端（二次調(diào)頻）對(duì)電網(wǎng)的頻率進(jìn)行的調(diào)節(jié)，最終達(dá)到電網(wǎng)功率平衡和頻率恢復(fù)規(guī)定的范圍之內(nèi)17水電機(jī)組調(diào)速器的一次調(diào)頻功能的實(shí)現(xiàn)在調(diào)速器程序中設(shè)定了一次調(diào)頻專(zhuān)用的調(diào)差系數(shù)（速度變動(dòng)率）、頻率人工失靈區(qū)（頻率死區(qū)）和PID參數(shù)，并且具有一次調(diào)頻投入后調(diào)節(jié)范圍的限制功能，能有效的抑制一次調(diào)頻過(guò)程中機(jī)組有功功率的變化幅度，轉(zhuǎn)速死區(qū)設(shè)定和PID參數(shù)的選擇能確定當(dāng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)機(jī)組由正常發(fā)電運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換為一次調(diào)頻工況運(yùn)行的響應(yīng)時(shí)間及調(diào)節(jié)能力。調(diào)速器中仍能保留了頻率調(diào)節(jié)模式和頻率調(diào)節(jié)模式所對(duì)應(yīng)的有關(guān)參數(shù)，不影響負(fù)載小電網(wǎng)和孤立電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)能力。一次調(diào)頻的投入、切除可以在調(diào)速器觸摸屏上密碼人為操作設(shè)定。并且，當(dāng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)機(jī)組由正常功率或開(kāi)度模式轉(zhuǎn)換為一次調(diào)頻工況時(shí)，調(diào)速器輸出無(wú)源接點(diǎn)信號(hào)到機(jī)組現(xiàn)地控制系統(tǒng)LCU。

18油壓裝置系統(tǒng)說(shuō)明概述油壓裝置是向水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、機(jī)組自動(dòng)化系統(tǒng)及元件提供安全、可靠和穩(wěn)定的工作油液的液壓能源裝置，是整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的有機(jī)組成部分，其安全性、可靠性與調(diào)速器同等重要。因此其系統(tǒng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及元件的選用，都應(yīng)特別重視。19油壓裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用已有成熟使用經(jīng)驗(yàn)的插裝閥技術(shù)，將液壓插裝與集成技術(shù)應(yīng)用到油壓裝置中，