陳敬明

（湖南省南津渡水電站 永州市 425006）

湖南省南津渡水電站位于湘江水系瀟水末端，電站裝設(shè)3臺(tái)20MW燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型號(hào)K84a/5，發(fā)電機(jī)型號(hào)SV420/180，轉(zhuǎn)速150r/min，飛逸轉(zhuǎn)速385 r/min，1991年11月至1992年5月3臺(tái)機(jī)組相繼投運(yùn)。

南津渡水電站原調(diào)速器為德國(guó)Voith公司生產(chǎn)，由電氣部分和機(jī)械液壓部分組成，電氣部分包括控制盤和SPS-R84型數(shù)字式調(diào)速器?？刂票P上可以讀出所有重要數(shù)值，并可對(duì)必要的參數(shù)進(jìn)行手動(dòng)整定。SPS-R84型數(shù)字調(diào)速器由信息貯存、中央微處理室、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及數(shù)字輸入、輸出系統(tǒng)組成，其中數(shù)字輸入、輸出系統(tǒng)及模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)已做成模塊插件，使用十分方便。

調(diào)速器械液壓部分采用電液轉(zhuǎn)換器與主配壓閥間通過一根杠桿直接連接的機(jī)械液壓系統(tǒng)，由電液轉(zhuǎn)換器、液壓放大器、主配壓閥等組成。速器設(shè)置了快速關(guān)閉液壓系統(tǒng)，是從油壓裝置到電液轉(zhuǎn)換器的快關(guān)下腔的同一油路上，串聯(lián)著防氣體中間閥、快關(guān)電磁閥Ⅰ、快關(guān)電磁閥ⅠⅠ、手動(dòng)快速關(guān)閉閥、最小壓力閥、過速保護(hù)電磁閥等，只要其中一個(gè)保護(hù)裝置動(dòng)作，都會(huì)緊急關(guān)閉導(dǎo)葉。

電站自1992年投運(yùn)以來，調(diào)速器電氣部分元器件日益老化，由于調(diào)速器為進(jìn)口產(chǎn)品，原廠家已經(jīng)對(duì)調(diào)速器進(jìn)行了升級(jí)換代，備品備件的采購(gòu)困難；且由于性能有所下降，導(dǎo)致電氣部分故障時(shí)有發(fā)生，影響電站及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

為徹底解決存在的問題，并考慮原調(diào)速器機(jī)械液壓部分設(shè)計(jì)理念比較合理且運(yùn)行狀況較好，經(jīng)充分論證，決定對(duì)調(diào)速器電氣部分進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化改造，保留主配壓閥以下的機(jī)械液壓部分。

1 改造后的調(diào)速器電氣部分簡(jiǎn)述

為保證改造后的調(diào)速器電液轉(zhuǎn)換部分與原調(diào)速器的主配壓閥良好結(jié)合，并保證調(diào)速器電氣部分性能優(yōu)越，經(jīng)選型，決定選用長(zhǎng)沙星特自控設(shè)備實(shí)業(yè)有限公司的WWST系列“四無”型可編程微機(jī)雙調(diào)節(jié)調(diào)速器。該調(diào)速器是以可編程控制器(PLC)為控制核心，以無油“電液轉(zhuǎn)換器”作為電-液轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，以“塊式”直連型電液隨動(dòng)系統(tǒng)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，組成的一種新型水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器。

無油“電液轉(zhuǎn)換器”由滾珠螺旋自動(dòng)復(fù)中裝置聯(lián)接交流伺服電機(jī)組成，不需用壓力油，可靠性高，不僅提高了調(diào)速器的抗油污能力，而且提高了整機(jī)的可靠性，徹底解決了以往電液轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)抗油污、防卡能力差的問題，可取代常規(guī)的電液伺服閥、電液比例閥及所有依賴油液作轉(zhuǎn)換的閥件。由于采用位置控制環(huán)，該調(diào)速器實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字控制。此外，利用交流伺服電機(jī)自帶的旋轉(zhuǎn)編碼器作為位置反饋信號(hào)構(gòu)成位置環(huán)，不需加裝外部傳感器，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，提高了控制性能及可靠性。

采用真彩觸摸屏作為調(diào)速器與運(yùn)行人員的人機(jī)接口，具有顯示信息量大、清晰、準(zhǔn)確、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

具有故障自診斷及容錯(cuò)功能：如機(jī)頻消失、接力器反饋斷線、A/D模塊等故障診斷及處理功能。調(diào)速器與電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)之間通過硬接線和通信兩種方式連接，實(shí)時(shí)進(jìn)行信息和信號(hào)交換。

2 改造中關(guān)鍵問題的實(shí)施

原調(diào)速器的某些功能應(yīng)該說比目前已投運(yùn)的國(guó)產(chǎn)調(diào)速器還完善，如浪涌控制、轉(zhuǎn)速故障下的減速曲線等；同時(shí)調(diào)速器還集成了某些其他功能，如轉(zhuǎn)速繼電器開出等，在改造中，都必須充分考慮原調(diào)速器所具有的功能，并結(jié)合改造后的調(diào)速器特點(diǎn)，對(duì)調(diào)速器功能進(jìn)行完善。

（1）調(diào)速器供電電源。

調(diào)速器采用交流220V和直流220V兩路電源，互為熱備用，當(dāng)其中某路電源故障時(shí)，另一路電源自動(dòng)投入工作，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，電源的切換過程為無擾動(dòng)零時(shí)間切換。

（2）調(diào)速器的頻率測(cè)量。

原調(diào)速器的頻率測(cè)量采用的是兩路齒盤測(cè)速，互為熱備用。改造后的調(diào)速器仍保留了原齒盤測(cè)速功能，并增加了殘壓測(cè)頻功能。齒盤測(cè)速的精度與測(cè)速探頭的安裝及機(jī)組運(yùn)行有較大關(guān)系，在機(jī)組運(yùn)行在振動(dòng)區(qū)或甩負(fù)荷時(shí)，有可能出現(xiàn)測(cè)頻故障，因此增加了殘壓測(cè)頻功能。在機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，殘壓測(cè)頻的精度是很高的。殘壓測(cè)頻為了保證其精度，殘壓測(cè)頻能夠測(cè)量到頻率最小值一般在10Hz以上，而機(jī)組的機(jī)械制動(dòng)轉(zhuǎn)速為3%額定轉(zhuǎn)速，因此在開停機(jī)過程中，頻率的測(cè)量還是以齒盤測(cè)速為主。

（3）轉(zhuǎn)速開關(guān)信號(hào)的開出。

原調(diào)速器還承擔(dān)了監(jiān)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)速測(cè)量的功能，監(jiān)控系統(tǒng)所需要的轉(zhuǎn)速開關(guān)量信號(hào)都是由調(diào)速器提供的。改造后的調(diào)速器也必須保留該功能，功能的實(shí)現(xiàn)難度并不大，但要求可編程控制器有足夠的開關(guān)量輸出接口，并保證工作可靠性，因?yàn)檫@些開關(guān)量直接影響到機(jī)組的并網(wǎng)、電氣制動(dòng)、機(jī)械制動(dòng)、過速保護(hù)。

（4）減速曲線的實(shí)現(xiàn)。

由于機(jī)組轉(zhuǎn)速開關(guān)信號(hào)由調(diào)速器提供，有可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)速故障情況，無法向監(jiān)控系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)速開關(guān)信號(hào)，導(dǎo)致停機(jī)過程中電氣制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)無法實(shí)現(xiàn)，原調(diào)速器設(shè)計(jì)了減速曲線，即在轉(zhuǎn)速測(cè)量故障的情況下，由調(diào)速器根據(jù)一定的規(guī)律模擬機(jī)組停機(jī)時(shí)的轉(zhuǎn)速下降趨勢(shì)，并開出轉(zhuǎn)速開關(guān)量信號(hào)。

但調(diào)速器相關(guān)資料沒有給出如何設(shè)置減速曲線的方法，根據(jù)對(duì)改造前停機(jī)試驗(yàn)結(jié)果分析，最終設(shè)定減速曲線為：轉(zhuǎn)速由100%降低到0%的時(shí)間為40s，且轉(zhuǎn)速為直線下降，根據(jù)這一設(shè)定，分別在不同時(shí)間驅(qū)動(dòng)<95%、、<90%、<40%、<3%等轉(zhuǎn)速開關(guān)信號(hào)給監(jiān)控系統(tǒng)。

（5）分段關(guān)閉功能的實(shí)現(xiàn)。

調(diào)速器改造前，機(jī)組甩負(fù)荷過渡過程導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律由調(diào)速器實(shí)現(xiàn)分段關(guān)閉，分段關(guān)閉的拐點(diǎn)以及第二段的關(guān)閉速度由調(diào)速器確定，且拐點(diǎn)位置根據(jù)水頭、甩負(fù)荷前機(jī)組出力、機(jī)組轉(zhuǎn)速上升值等確定，沒有固定值，且相關(guān)資料也沒有給出如何計(jì)算拐點(diǎn)位置和第二段關(guān)閉速度。

通過對(duì)改造前3臺(tái)機(jī)組調(diào)速器試驗(yàn)曲線的分析，確定分段關(guān)閉拐點(diǎn)設(shè)定為24%，第一段關(guān)閉速度為導(dǎo)葉最大關(guān)閉速度，第二段關(guān)閉速度為6.25%/s。采用調(diào)速器實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉分段關(guān)閉，就是控制主配壓閥的動(dòng)作行程，即控制主配壓閥的開口值，這樣就可以控制導(dǎo)葉關(guān)閉速度。在調(diào)速器中進(jìn)行兩段關(guān)閉選擇，在導(dǎo)葉開度大于拐點(diǎn)設(shè)定值（初步設(shè)定為24%），選擇為第一段關(guān)閉速度，在導(dǎo)葉開度小于拐點(diǎn)設(shè)定值，選擇為第二段關(guān)閉速度。

經(jīng)過研究調(diào)速器的電氣和機(jī)械的結(jié)構(gòu)，確定改變導(dǎo)葉關(guān)閉速度通過改變伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度實(shí)現(xiàn)。為了確定伺服電機(jī)不同旋轉(zhuǎn)角度時(shí)導(dǎo)葉關(guān)閉速度，分別將伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度設(shè)定為14.4°、21.6°、28.8°、36°、43.2°、50.4°、57.6°、64.8°、72°、79.2°等角度 （對(duì)應(yīng)于調(diào)速器程序的計(jì)算值分別為200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100），設(shè)定調(diào)速器開度給定，使導(dǎo)葉從全開向全關(guān)和從全關(guān)向全開動(dòng)作，用調(diào)節(jié)系統(tǒng)綜合測(cè)試儀記錄導(dǎo)葉接力器行程的變化情況。

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于第一段速度的確定，將伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度設(shè)定為最大值79.2°(對(duì)應(yīng)于調(diào)速器程序的計(jì)算值為1100)；對(duì)于第二段速度的確定，將伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度設(shè)定為21.6°（對(duì)應(yīng)于調(diào)速器程序的計(jì)算值為300）。

（6）浪涌控制功能的實(shí)現(xiàn)。

為避免涌浪或尾水位下沉，機(jī)組上設(shè)有涌浪控制保護(hù)，該控制可通過機(jī)組控制屏上的按鈕預(yù)先選擇。如果涌浪控制預(yù)先投入，在甩負(fù)荷時(shí)，快關(guān)不投入并且輪葉位置在原運(yùn)行位置上增加3°（涌浪控制最大輪葉開度為18°），輪葉在此位置保持一段時(shí)間（原程序設(shè)定為60s），然后慢慢關(guān)閉直到重新達(dá)到協(xié)聯(lián)關(guān)系。

改造后的調(diào)速器根據(jù)原設(shè)計(jì)要求，在調(diào)速器觸摸屏上設(shè)置了涌浪控制投入和退出按鈕，可根據(jù)需要投入和退出涌浪控制。輪葉保持時(shí)間和涌浪控制下輪葉關(guān)閉時(shí)間可通過參數(shù)輸入單元調(diào)節(jié)。

（7）調(diào)速器的故障保護(hù)。

根據(jù)調(diào)速器的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在調(diào)速器出現(xiàn)頻率測(cè)量故障、導(dǎo)葉接力器位移信號(hào)故障、電源故障時(shí)，對(duì)調(diào)速器的性能影響較大。改造后的調(diào)速器，最初的設(shè)計(jì)是在上述故障時(shí)，切斷交流伺服電機(jī)的電源，這樣，就可以保持調(diào)速器的導(dǎo)葉開度保持在當(dāng)前位置不變。在機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，這種處理方法是可行的，如果此時(shí)遇到機(jī)組甩負(fù)荷，由于導(dǎo)葉無法通過調(diào)速器關(guān)閉，就會(huì)導(dǎo)致過速，對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行不利。為了解決這一問題，在調(diào)速器上述故障且機(jī)組處于非并網(wǎng)狀態(tài)（開停機(jī)過程、空載運(yùn)行），調(diào)速器向監(jiān)控系統(tǒng)開出嚴(yán)重故障信號(hào)，由監(jiān)控系統(tǒng)動(dòng)作緊急停機(jī)，通過快關(guān)電磁閥關(guān)閉導(dǎo)葉，保證機(jī)組的安全，而在機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，則只進(jìn)行報(bào)警。

3 結(jié)語(yǔ)

南津渡水電站3臺(tái)調(diào)速器電氣部分國(guó)產(chǎn)化改造后的試驗(yàn)和運(yùn)行實(shí)踐表明，改造后的調(diào)速器電氣部分運(yùn)行是可靠的，滿足機(jī)組運(yùn)行的要求，其控制調(diào)節(jié)功能與改造前基本一致，為同類型進(jìn)口調(diào)速器的國(guó)產(chǎn)化改造提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。