论大型水轮机调速器国产化中的新技术

大型水轮机调速器国产化中的新技术向家安 胡乙进 李红武汉事达电气股份有限公司摘要：能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济发展和提高人民生活质量都极为重要。在高速增长的经济环境下，我国能源工业面临经济增长与环境保护的双重压力。水力发电作为一种清洁能源，有其自身不可替代的优点，随着国家大力发展水电，国内大型机组如：三峡、龙滩、拉西瓦、向家坝、构皮滩等等巨型电站已经在建。相对而言，国内在调速器技术领域，已经取得重大技术突破，在单机500MW的机组上，调速器的改造已经取得成功。由此可见调速器实现大型和巨型机组的国产化完全是可行的。Abstract：As the base of national economy, energy industry is very important to the development of society, economy, and improvement of peoples life quality. In todays highly growing economy environment, the energy industry of our country is under dual pressure of economy growth and environmental protection. Therefore, hydropower 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 governing 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.关键字：调速器、国产化、交叉冗余、PLC、切换、现场总线Key Word：Speed governor、Made home、Hot standby、PLC、Switch、Field Bus 随着中国国内国民经济的不断增长和科学技术的不断进步，我国在水轮机调速器技术领域也得到相应提高。有相关知名专家曾经说过：国内调速器技术水平与国际水平相当甚至超过国际先进水平，但在制造工艺、材料方面还比较欠缺。国家目前大力发展水电事业，以打破电力缺口，大型和巨型水电站不断增加，与其配套的调速器设备能否跟上这个步伐了？本文通过论述二滩电站、公伯峡电站、乐滩电站、洪江水电站的调速器技术特点，来阐述大型水轮机调速器国产化中的新技术。1、 二滩水电站电气部分国产化改造中技术的新突破。二滩水电站位于四川省雅砻江上，装有6台单机容量为550MW的大型水轮发电机组。由于进口调速器的电气部分存在着抗干扰能力较差、工作电源可靠性不高、部分传感器工作不稳定，以及调速器的可维护性不能得到保证等问题，投运以来出现了多次的故障，影响了二滩水电站的正常工作和安全运行。因此，一段时间以来，就二滩水电站是否需对水轮机调速器设备进行改造，以及国内调速器生产技术及工艺能否满足大型水电机组控制的要求等问题一直存在争论。经过考察，确认采用国产化设备改造后得2#机调速器电气柜2003年5月30日投运，5#机调速器电气柜2004年5月投运，4机组调速器已经发往二滩水电站现场，即将投运。就改造的特点如下：(1)、由高性能、高可靠性PLC及部件系统集成的电气柜：控制器A和B采用Quantum系列PLC，具有模块化、可扩展的体系结构，适用于工业过程实时控制，在电力系统中得到广泛的应用；可提供包括CPU、抗干扰电源、I/O等各种丰富的功能模块，同时提供了工业控制网络及冗余热备份解决方案；所有模块均为相互独立可热插拔形式；具有防爆的本质安全型模块和符合美国军标的表面涂敷涂层模板。因此，它具有极高的抗干扰能力，其运行可靠性及稳定性是其它控制设备无法达到的。控制管理机现场总线控制器A 双机高速通讯 控制器B IO总线IO接口A IO接口B 图1 水轮机调速器的结构图控制管理机采用工业控制型计算机，通过以太网与控制器进行信息交互，并完成：水轮机调节系统故障诊断、故障录波、参数设置、静动态试验和电站计算机监控系统通信以及人机联系等功能。(2)、双机交叉冗余技术备份方式采用双机交叉冗余热备方式，该备份方式具有如下特点：l 双机的硬件和软件完全相同，且信息共享；l 双机正常工作时，任何一台机均能被选作为主机或备份机；l 影响调速器基本运行的故障发生时，主备机自动切换；l 主备切换无扰动；l 主备机重复切换闭锁；l 备份机正常工作时，可实现手动切换；l 双机均具有独立的工作电源。双机交叉冗余热备方式的工作逻辑为：正常工作时，备份机通过双机通讯实现主备机的信息共享，实时监视主机的工作状态，并使备机跟踪主机的控制状态。其中，主机的控制输出通过切换电路作用于控制对象，而备机的控制输出则被切换电路封锁；当影响主机基本运行的故障发生时，系统自动且无扰动地切换到备机工作，并同时报警；当主机发生一般性故障，并不影响主机基本运行时，系统予以报警，不作主备切换；切换回路由一套独立电路组成，通过主备机的工作状态实现对主备机的切换，并同步完成对相应外部电路的逻辑切换。切换回路根据主机的工作状况，控制切换电路的切换工作，将备份机的输出切换至对象，使其驱动伺服阀及各指示仪表工作,并同时将主机的输出与对象脱离。切换回路的输出驱动是通过继电器实现，其切换时间小于10ms，因此，在整个切换过程中系统没有扰动。由于直接驱动继电器工作，在整个切换回路中其接线简单、清晰并易于维护。 图2 机组功率控制规律 (3)、适应式变参数功率调节二滩电站双可编程微机调速器的机组功率，通过适应式变参数的调节规律进行控制。当功率给定和实际功率的偏差（称为功率偏差）较大时，以较快的速率增加/减小机组功率，使其尽快逼近功率给定值；当功率偏差值小，进入区间工作，减慢机组功率调节速率；在更小的区间（区间）中，使机组功率按指数曲线规律趋近于机组给定功率。这样，使功率的调节快速而平稳，避免超调。机组功率在大功率偏差和小功率偏差(区间)区间的调节速率，能适应机组不同的运行水头。当机组运行水头高，机组功率增加/减小的速率小，当机组运行水头低，机组功率增加/减小的速率大，以实现在不同机组运行水头下机组功率的单调快速调节。 2、 水轮机调速器中的现场总线技术。 (1)、施耐德公司ModBus Plus（简称MB+）现场总线的应用。MB+网络的主要性能参数：对等式、令牌循环、通讯速率达到1MBPS、采用RS485接口方式、网络最大节点数达到64个、采用双绞线光缆、最大网络通信量20K寄存器/秒。所以说：MB+综合高速、对等通信和易于安装等等特点以实现简化应用和减少安装费用。它使得主机、控制器和其它数据源通过使用低成本的双绞线电缆或可选的光缆作为同位体进行通讯。作为一个判定性令牌传递网络，MB+以1MBPS的速率进行通讯，快速存取过程数据。它的实力是他的控制实时控制装置的能力，不会由于加载或通信量的原因而降低性能。 传统的伺服电机控制与PLC的接口方式主要有：A、 专用脉冲输出模块与伺服电机驱动器相连接，伺服电机编码器与驱动器自身形成反馈系统。由此可见只有PLC生产厂商提供专用的脉冲输出模块才能够形成该套系统。B、伺服运动模块与电机驱动器接口，电机编码器信号反馈至运动模块。洪江水电站电站共装机6台，总装机容量为270MW。电站年利用小时数为4311h，多年平均发电量9.70亿kWh。电站按无人值班设计，所有合同设备均应满足无人值班的所有要求。水轮机为贯流式，额定转速为136.4r/min，水轮机在额定水头20.0 m，额定转速运转时，额定出力不少于46.4MW。洪江水电站15#机组调速器为进口产品，6#机采用国产化产品。由于洪江电站采用机电分柜，且为双机系统，无法对编码器信号进行冗余处理。并且机械柜与电调柜相距70多米，对于微弱的控制信号会产生很大的衰减。 针对上述，采用MB+现场总线直接对驱动器进行控制。图3 洪江水电站调速器微机调节器原理框图 由上图可以看出：微机调节器A机、B机和导叶伺服电机驱动器、桨叶伺服电机驱动器全部连接在MB+现场网络上，安装与电调柜上的A、B机仅需用一根MB+网线就可以对远在70米外的机械柜进行控制(最远可以达到1400m)。由于采用了现场总线技术，接线简单。可以采用专用指令读取驱动器内部的全部状态和相关数据，对于控制命令全部采用通讯的办法传入驱动器。(2)、三菱公司CC-Link现场总线的应用。 CC-Link现场总线拥有在同行业中最快的通信速度，所以当需要高速应答时它可以支持传感器输入及容许智能化设备进行大容量数据的传送。此外，还可以选择系统支持适用的最佳的通信速度和总距离。CC-Link拥有以太网（Ethernet)的通讯速度（10Mbps）和可靠的现场总线功能，所以可以这么说：CC-Link是同行业中速度最快的现场总线。可以在主控PLC与本地PLC之间进行n:n的循环传送，简易地构成分散地PC系统。具备自动在线恢复功能、待机主控功能、切断从站功能、确认链接状态功能及测试和诊断功能，可以构成具有高度可靠性地网络。具体实际应用如下：调速器的硬件配置主要由两套配置完全相同的PLC组成：主基板、电源模块、CPU模块、I/O输入模块、I/O输出模块、A/D模块、D/A模块、高速计数模块、CC-Link通讯模块。监控画面采用平板液晶电脑（带触摸屏），与CC-Link总线通讯采用安装PCI CC-link接口卡A80BDE-J61BT13构成。平板液晶电脑PCI CC-Link接口卡（本地站）CC-Link开放式现场网络(10Mbps) A#PLC调节器(主站) B#PLC调节器（本地站）图4 CC-Link总线网络结构图可以定义任一PLC系统为主站或备用站，PLC间通讯速率为10Mbps，仅需在CC-Link模块上设置站号，0号站为主站。通信方法如下所示： 由于采用的系统为双机交叉冗余系统，实现的目的为： 当A机为工作机时，其本机的导叶传感器（或机组频率、功率等信号）发生故障时，但A机PLC本机常，则A机通过CC-LINK读取B机采样的数据作为主用，以保证水轮机调速器仍处于正常运行的状态。以下介绍的乐滩和公伯峡水电站就是采用该种数据交换方式。3、 公伯峡、乐滩水电站调速系统的特点。(1)、公伯峡水电站调速器的特点。公伯峡水电站内设五台单机容量300MW的水轮发电机组。水轮机数字式电液（微机）调速器在电站安装完成后，进行了严格的充水前和充水后的试验，水轮机调节系统具有很好的静态、动态性能指标，达到并优于水轮机控制系统技术条件和设计的要求。1机调速器于2004年9月20日投入运行，2机调速器于2004年10月21日投入运行。机械液压系统通道为：比例伺服阀、切换阀、开度限制阀、电动紧急停机阀、手动紧急停机阀、主配压阀（GE公司FC5000阀）、事故配压阀和分段关闭阀。1). 自动调节通道（切换阀处于“自动”位置）比例伺服阀作为电液转换器，其输出的控制油经切换阀、开度限制阀、电动紧急停机阀、手动紧急停机阀控制FC主配压阀； FC主配压阀输出操作油通过事故配压阀和分段关闭阀操作接力器。机械液压开度限制机构对运行中的导叶开度起限制作用。2). 手动调节通道（切换阀处于“手动”位置）比例伺服阀的控制油被切断，压力油供给开度限制阀，开度限制缸调整开度，由开度限制阀输出控制油，经过电动紧急停机阀、手动紧急停机阀控制FC主配压阀， FC主配压阀输出操作油通过事故配压阀和分段关闭阀控制接力器。图5 公伯峡水电站调速器机械液压系统原理图 图5 公伯峡水电站调速器微机调节器系统框图 3）、 电气系统 电气系统采用双机交叉冗余配置，双机(主站和从站)拥有完全一样的硬件结构，即：独立的CPU、电源模块、I/O、A/D、D/A、测频模块、通讯模块。总线采用CC-link，参见第二部分所介绍的。三菱公司的Q系列PLC为控制核心，该款PLC为三菱公司新推出的性能更加强大的PLC，指令丰富、运算速度快、体积小，投运后的程序扫描时间仅为3ms。4)、试验结果 以下为公伯峡水电站1、2机组调速器的试验结果：图6 公伯峡水电站调速器空载频率摆动示波图空载频率摆动：连续3min测量机组的摆动值，三分钟调速器自动空载频率值为：最高频率50.01Hz；最低频率49.97Hz；频率差0.046Hz，该频率摆动值大小远远低于国标要求的0.15Hz。图7 公伯峡水电站调速器不动时间试验示波图不动时间测量：试验结果：接力器不动时间：0.13秒。图8 公伯峡水电站调速器甩100额定负荷试验示波图甩100负荷数据：最大转速上升：41.0%；转速波动次数：0.5次；转速调节时间：9.8秒。注：以上曲线：F为机组频率（Hz），Y为接力器行程（%），S为当前水压。(2)、乐滩水电站调速系统特点。乐滩电站电液调速器的油压装置是目前国内额定工作油压为6.3MPa的、压力油箱和空气箱容积（40 m）最大的水轮机调速器油压装置。油压装置主要技术参数如下：油压装置额定油压:6.3MPa；压力油箱与压力空气箱：总容积 40 m (202 m)；回油箱：容积 40 m；油泵：型号 3G90X6G ；数量 3台；输油量15.5L/min；额定工作压力6.3MPa；油泵电机：型号 Y315M-4；功率 132 KW；电压 AC 380V，50HZ；额定转速 1485 r/min；调速器主要技术参数如下：主配压阀直径：200mm；额定油压：6.3MPa控制规律：并联PID调节主控方式：Q系列PLC，双机交叉冗余。4、 交流伺服电机自复中调速器的应用。自复中机械原理及其特点无油自复中电/机转换器其结构原理如图2所示，采用了轴向单复中弹簧。由下面主要部分组成：伺服电机、联轴套、滚珠丝杆、丝杆螺母、复中弹簧、输出杆。 图9 电/机复中转换器原理图机械系统采用了较大螺距的滚珠丝杠螺母副作传动机构，将伺服电机的角位移转换为输出杆的直线位移。传动精度、效率高，不会自锁。电机与滚珠丝杠通过联轴器套相连，丝杠螺母与输出杆相连， 当调速器系统因事故或故障切换至手动运行时，伺服电机驱动停止工作，此时转动力矩消失，在复位弹簧的作用下，驱使输出杆自动回复到中间位置，相应地主配压阀的活塞回复到中位，同时接力器也就能停止并保持在当时的开度位置。机械手动操作是通过转动手柄来实现的。在自动状态时手柄处于垂直状态，需要手动操作时，轻轻地按下手柄，使之呈水平状态，然后顺时针或逆时针转动手柄，从而实现接力器开启和关闭。由于电/机转换器不需要用油，其静态耗油量等于零。在空载稳定运行时（无起励），其油泵启动间隔时间达到58分钟（平均测量结果）。发电工况时（无负荷调整），油泵启动间隔时间达到8个小时（平均测量结果）。有效的延长压油泵的启动间隔时间，使油泵