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丹江电厂调速器改造与选型有关问题的探讨
作者:张厚升    文章来源:本站原创    点击数:2735    更新时间:2006-8-17

丹江电厂调速器改造与选型有关问题的探讨

 

张厚升


  摘 要    本文对丹江口水电厂调速器的运行现状进行了总结分析,针对即将在南水北调期间进行的调速器的改造及扩机工程中调速器的选型的有关问题作了详尽的分析。

  关键词   南水北调  水轮机微机调速器    改造  扩机  选型


 

1 概述

 

南水北调中线大坝加高主体工程正在如火如荼地建设之中,为了确保水能自流到北京,增大库容,增加供水的可靠性,丹江大坝将在原有的162高程基础上,加高14.6,使坝顶高程达到176.6,大坝加高后,水库的正常蓄水位由157升高到170,将增加相应库容116亿立方米,总库容可达到290.5亿立方米。对于丹江电厂来说,同时还有另外两项大工程一是机电设备改造,六台调速器的改造即是十一项改造工程中的一项;二是右岸扩机,单机容量初步设计为72.5MW,存在调速器选型的问题。

丹江电厂装有615万千瓦的水轮发电机组,总装机容量90万千瓦,是我国早期投产的大型水力发电厂之一。因电厂的可调性好,当前在容量已超过40000MW的华中电网中仍承担着调频、调峰、调相和事故备用等重要任务,是电网的主要直调厂之一。从1993年到1995年三年间,先后更换了六台水轮机调节设备,电气部分是南京自动化研究所(现在的南瑞)研制的SJ700系列双微机水轮机调速器,机械部分是武汉市水电控制设备公司(现在的武汉三联水电控制设备公司)生产的KZT150型块式直连型机械液压系统。电液转换器为环喷式。水轮机调速器机械液压系统与电气调节器配套使用,很方便实现水轮机负荷自动调节、机组正常启动、停机和负荷调节以及事故情况下的紧急停机,使机组在调频、调峰、调相和事故备用等方式下运行灵活方便。

 

2 运行故障总结分析

 

丹江电厂调速器运行十年来,各种故障现象日趋增多,其中许多与设备的结构有关,这种调速器已越来越不能满足我厂安全生产的需要。总结起来,存在如下问题:

2.1       节流孔易堵塞

节流孔被堵,油到不了喷射部分,控制套没有力的作用就不会旋转。若下环节流孔被杂子所堵,就会造成电液转换器平压活塞上腔压强升高,活塞上腔压力大于下腔压力,平压活塞下移直致导叶全关,机组突发性甩负荷,溜负荷、发电机变调相机运行等。有时似堵非堵时,调速器灵敏度下降,反应迟缓,造成调速器抽动。我厂的六台机均发生过甩负荷现象,尤其是110kV系统甩负荷的危害是较大的。

节流孔堵塞还直接引起电液转换器控制套不喷油不转,当然振荡线圈烧坏或振荡电源消失也是一个原因,控制套易被卡死,造成调速器工作不稳。这种现象在刚投运或大修后出现的机率较高。这种设计对油质的要求过高,尽管满足运行要求不是很难,但不能避免故障的发生。

2.2       液压平衡调整困难

  这是检修人员和运行人员都比较烦的问题,因为液压平衡调整不太方便,调整也比较困难。运行中导叶漂移是靠微机电调来补偿的,微机是累加补偿,但补偿量达到某一值时,微机电调报导叶漂移故障信号,平衡表上有一较大的补偿电流,影响调速器调节灵敏度,扩大死区。信号需要手动复归,操作比较麻烦,也不安全。造成液压平衡易变与复中装置的结构有关,也与弹簧刚度有关,因为弹簧经常受力,弹簧刚度降低;还与环境温度有关;其它各种因素影响电液转换器和引导阀紧密结合,造成平衡点变,影响调速器正常工作。

2.3       停机自转

这种现象就是机组停机备用状态下没有发出开机命令,机组自行缓慢从低速向高速运转。2001年我厂6号机即发生过一起停机自转现象。当时检查各环节没有发现什么问题,怀疑下腔堵塞,结果人为将下腔堵住试验机组并不能停机自转。在没有做任何处理的情况下运行至今又再也没有发生过这种现象。

2.4       平衡杆高频振动

我厂6号机平衡杆经常随机地发生高频振动现象,因平衡杆振动引起压力表高频摆动,这种情况并不影响机组运行。这种振动只要随便给一个很小的干扰譬如用手轻触平衡杆均可消失,初步分析应该是振荡电源引起共振所致。

2.5       电液转换器线圈旋转

  电液转换器的线圈设计是用来上下移动传递位移的,我厂1号机曾发生过一起线圈旋转将线圈引线拉坏缠住控制套杆使之不能旋转的现象。主要是电液转换器长期反复动作磨损偏心所致,与其结构有直接的关系。

2.6       停机时负荷不能降到空载

我厂每台机均发生过停机时负荷在10MW左右时自动减不下来,无法停机,需手动操作才能停机。这种情况一是调速器的回复机构存在一定的死区,使得直线电位器抽头移动的位移不能完全反映导叶接力器的实际行程,导致采样不准确;二是输出放大电路的反馈补偿值整定偏大或者是PID等参数不合适引起的。PID参数不合适还会引起负荷小范围内波动,造成压油装置频繁启动。

 

3 新成果简介

 

当前我国的水轮机调节技术已取得了长足的进步。如果把用于三峡的调速器作为国际先进水平,我国近年来主要生产厂生产的可编程调速器的技术性能、功能和工艺水平已全面达到国际先进水平。与国外进入中国调速器产品相比,我国调速器明显有三大特点:无论电气与机械都比较简单;技术性能指标能全面达到国家标准;抗油污能力强,可靠性高,维护简单。

概括我国水轮机调节领域中近年来的新成果,如下几项可供参考:

3.1  新型电液转换器

环喷式电液转换器和双椎式电液转换器为上世纪微机调速器迅速发展奠定了物资基础。1992年以来,用步进电机、直流伺服电机与交流伺服电机的电/机转换部件的调速器在我国相继投入运行,形成了具有我国自主知识产权的特色产品,十年来,采用这类电/机转换器的调速器产品在我国已有近千台套投入运行,而且普遍反映采用这种调速器的抗油污能力强,可靠性高。概括讲有下列三类新型电液转换器:

⑴采用步进电机的BDY型步进式电液转换器;

⑵采用交流伺服电机的具有自动复中能力的电/机转换器(又称“无油电液转换器”);

⑶采用直流伺服电机,电/机伺服装置。

这类电液转换器还有两个问题需要说明:

⑴速动性问题:人们总习惯地认为电机惯性较大,用它作成的电/机转换器的响应速度一定比传统的电液转换器要慢。经试验证明,这类电液转换器的频率特性与双椎式电液转换器的带宽是相近的,足以满足水轮机调速器的要求。实践也证明,都已成功地用于水轮机微机调速器的控制。

⑵电源消失时电/机转换器复中问题:由于电机在失去电源以后,没有能源供给是不会自动复中的,所以必须为这类电/机转换器设计一个自动复中的机构。

3.2  电液比例阀式调速器

  采用电液比例阀的调速器因无机械杆件和传递机械位移的机构,可将电液比例阀和其它控制阀都集成于主配压阀上,调速器的机械部分十分简单和紧凑,安装维护检修方便,因此受用户欢迎。这类调速器的最大缺点是对油质要求比较高,一般应保证油中杂质小于20μ。为了保证油液的清洁度,有时需要将油箱做成不锈钢的或设计成封闭的油系统。因此这类调速器广泛应用于中小型水轮机调速器,对大型水轮机或老式机组尚有许多配套的问题需要解决。

3.3   新型控制机

  由于微机技术的发展品质优良的工业控制机产品不断涌现,促进了水轮机调节技术的迅速发展。目前我国水轮机微机调速器,采用的工业控制机主要有如下三种:可编程控制器(PLC)、工业控制机(IPC)、可编程计算机(PCC)。其特征参数见下表:

 

   表  PCCPLCIPC的特征及参数

特征及参数

PCC调节器

PLC调节器

IPC调节器

CPU位数

32

小型一般为16位,大、中型一般为32

32

速度和容量

快、大

小型一般,大、中型快、大

快、大

处理器数

单或双

单或双

操作系统

分时多任务

分时多任务

编程语言

高级语言或梯形图

一般用梯形图

高级语言

病毒感染和死机

不存在

不存在

存在

专用测频通道数

多而有备用

可以增设

可以增设

测频精度

能满足要求

满足要求

测频实时性

很强

满足要求

测频可靠性

很高

高或一般

一般

操作界面

很友善

友善

很友善

平均无故障时间

50h

25h

5h

通讯接口

RS232C/RS485

CAN总线接口等

RS232C/RS485

大中型有现场总线

RS232C/RS485

或其它

价格

较高

硬件特征

硬件模块化功能化

硬件模块化功能化

硬件模块化功能化

软件特征

软件功能模式化

软件功能子程序化

软件功能子程序化

硬件工艺水平

一般

硬件资源

较少

十分丰富

一般

  上表是我国的三种工业控制机的情况,与国外相比,我国采用的是通用工业控制机,可以在市面上自由采购,而国外大多是采用该公司自己设计和生产专用计算机,一旦购了它的产品,该机器的备品备件必须由这个公司供应。

3.4   数字式调速器

  为了提高中小型水轮机调速器的可靠性,简化机械液压系统结构,降低生产成本,采用脉冲调宽的数字式调速器将会成为我国中小型水轮机调速器的主流方案。它与常规中小型调速器相比至少有下面的一些优势:

  ⑴系统结构简单,造价低。

  ⑵没有原来电液转换器的常流油,油压装置打油间隔很长,能耗低。

  ⑶操作方便,维护工作量小。

  ⑷备品备件,货源充足,资源丰富。

应该指出这种调速器还在发展阶段,不断有新的设计出现。目前还只能应用于中、小型机组调速器,对于大型机组调速器来说,还不能解决油锤的问题。

 

4 改造及选型中几个问题的探讨

  

目前我国水轮机微机调速器的发展,已出现了“百花齐放,百家争鸣”的局面,为用户扩大了选择产品的范围和视野,同时也为用户比较、选择适合自己的产品增加了难度。下面就我厂150MW机组调速器的改造及72.5MW机组调速器的选型中应注意的几个问题进行探讨。

4.1 微机调速器的系统结构

当前我国生产的微机调速器大多属于如下两种系统结构:一是电子调节器+电液随动系统的一级随动系统结构;二是电子调节器+电机伺服装置+机械液压随动系统的二级随动系统结构。前者转速死区小,可以不设置机械反馈,在电站布置灵活方便,对我厂比较适用。后者由于机械液压随动系统的不准确度很难达到电液随动系统的水平,转速死区不可能做得很小,其最大的弊病是导叶位置必须采用机械反馈,在我厂的反馈链较长,不宜采用。近期出现的“四无”型微机调速器即属于前者,它在电液随动系统中采用了滚珠螺旋丝杆自动复中装置和工作在位控方式的交流伺服电机构成的“无油电液转换器”,其动态和静态特性比环喷式电液转换器更好。

4.2 转速死区的确定

  转速死区是调速器一个很重要的静态参数,它表征了调速系统对电网频率波动的敏感度。鉴于电力工业的飞速发展,电网的容量越来越大,单台机组对电网频率的影响越来越小,国家标准0.04%的指标是适宜的,再提高对转速死区的要求是不合理的。那样商家将从调速器的质量上作手脚反而是不利的。

4.3 电机控制的微机调速器的速动性

上面对这个问题已作了说明。这里还可以从另外一种试验加以证明。即对电液转换器输一阶跃扰动,其输出达到稳定值的时间比较,电机伺服装置输出的运动速度较电液转换器要快。可见参考文献2

4.4 电液比例阀和伺服比例阀的使用条件

电液比例阀不能直接应用于调速器系统,经过改进后的产品即伺服比例阀在性能上能达到电液伺服阀的各项指标。上面已经提到,这种阀的抗油污能力还不如环喷式电液伺服阀,后者允许油中机械杂质≤80μm100μm,对于我厂老电站的调速器技术改造,油质清洁度是无法满足伺服比例阀的要求的。对于我厂新扩机的机组,考虑数字式调速器比采用伺服比例阀的要好。

4.5 微机调速器的硬件

目前,我国采用可编程控制器的调速器占了相当大的比例,这是由于现代可编程控制器的运算速度、CPU的位数、数据存储容量和通讯接口特性都能很好的满足调速器的要求,见参考文献1,而性价比较其它工业控制机要高。

4.6 单微机与双微机

双微机调速器有一套设备处于热备用,对于技术力量薄弱的用户、偏远山区的用户比较受欢迎。实际上,用任何计算机组成双微机系统都要增加一些配套的硬件和软件,同时存在着一些双机共用的设备,这些设备都会出现故障,其故障率可能比主机更高。由于微机在调速器的成本中所占比例并不大,单微机与双微机的调速器性能和可靠性没有太大区别,它不能作为微机调速器选型主要依据。

4.7 微机调速器的人机界面

就当前的发展来看,采用触摸屏作人机交互界面应是首选,它界面友好,内容丰富,便于对调速器的状态监视,参数修改,试验曲线显示等,还有助于微机调速器辅助功能的扩展。

4.8 微机调速器的辅助功能

  微机调速器选型时,都十分关注调速器应设置哪些辅助功能,目前已经开发并动用过的辅助功能有:人工失灵区,频率跟踪,相角控制或快速并网,按水头改变空载开度,无条件无扰动手自动切换,计算机辅助试验,非最小相角补偿(水锤效应补偿),故障检测及处理,各种容错及保护功能等。在众多辅助功能中,应该从机组实际需要出发合理地设置。目前认为比较成熟有实用价值的有:人工失灵区,频率跟踪,快速并网,按水头改变空载开度,无条件无扰动手自动切换,计算机辅助试验,故障检测及处理,部分容错功能等。辅助功能太多,控制和转换这些功能的开关繁多,操作使用反而复杂化,以致影响主要职能正确的发挥。

 

5        结语

 

  水轮机调速器目前已属于机电一体化的高科技产品,它将随着微机技术、液压技术和自动控制理论发展而不断前进,推陈出新。由于我厂与调速器有关的各项改造必须在南水北调施工期间实施,因此将会是一项长期的工作,本文所讨论的一些问题有可能逐渐失去其实用价值,希望对丹江电厂的机电设备改造及同行们掌握其发展动态有一定的帮助。

 

 

参考文献

 

1         魏守平,现代水轮机调节技术,华中科技大学出版社,2001

2         吴应文、郭建业,新型水轮机电液转换器的研究与试验,水力发电,1982

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