大型轉(zhuǎn)槳式機(jī)組調(diào)速器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

大型轉(zhuǎn)槳式機(jī)組調(diào)速器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

0機(jī)械調(diào)速器在變電站的應(yīng)用,為數(shù)控機(jī)床液壓傳動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行提供了重要的管理資隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，主要節(jié)水設(shè)備的可靠性不斷提高。十多年來，以計(jì)算機(jī)監(jiān)控為主導(dǎo)的自動(dòng)引水運(yùn)行成熟，電流運(yùn)行向智能發(fā)展的趨勢已成為現(xiàn)代市政水系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。同時(shí)，要加強(qiáng)調(diào)速器功能的開發(fā)、更新和改造是有效的一步一步。另外、隨著中國水電大流域梯級(jí)開發(fā),適宜中、低水頭的轉(zhuǎn)槳式機(jī)組的裝機(jī)臺(tái)數(shù)已經(jīng)占有很大的份額,以安全為基礎(chǔ)的機(jī)組高效、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行將是電站生產(chǎn)運(yùn)行管理所追求的目標(biāo)。從上世紀(jì)九十年代后期,微機(jī)調(diào)速器在水電站得以廣泛應(yīng)用,微機(jī)調(diào)速器的應(yīng)用有效地提升了水電站電能生產(chǎn)的自動(dòng)化水平,對(duì)維護(hù)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、保證電站機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行,降低運(yùn)行維護(hù)成本起到了十分有效的作用,非常成功。調(diào)速器的電氣液壓轉(zhuǎn)換裝置,液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有一段時(shí)間問題較多,隨著設(shè)計(jì)加工制造水平的快速提高,現(xiàn)在使用已成熟可靠,就調(diào)速器整體而言,調(diào)速器運(yùn)行已經(jīng)基本是免維護(hù)運(yùn)行。按照計(jì)算機(jī)元器件的使用壽命推算,調(diào)速器更新?lián)Q代、升級(jí)改造已經(jīng)開始,現(xiàn)就水輪機(jī)調(diào)速器智能化調(diào)節(jié)與控制進(jìn)行設(shè)想。1在主要運(yùn)營電氣工程中，存在最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益1.1通過相對(duì)效率儀測流設(shè)備,科學(xué)確定運(yùn)對(duì)于轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)(包括軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)和貫流式水輪機(jī))的運(yùn)行優(yōu)勢是協(xié)聯(lián)越好,運(yùn)行工況越好,機(jī)組效率越高?，F(xiàn)場電站運(yùn)行表明,大中型轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī),其模型機(jī)的協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線和真機(jī)協(xié)聯(lián)關(guān)系存在一定偏差,就導(dǎo)葉開度而言,通過相對(duì)效率試驗(yàn)(以最佳工況點(diǎn)為準(zhǔn)),協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線最大偏差在導(dǎo)葉全行程的5%左右;模型機(jī)的效率特性曲線和真機(jī)效率特性曲線也存在一定偏差。對(duì)于大中型轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)進(jìn)行真機(jī)效率試驗(yàn),實(shí)施難度大、投資大、試驗(yàn)干擾因素多,試驗(yàn)成果一直存在可信度低的問題。近幾年,有條件的電站對(duì)機(jī)組進(jìn)行過相對(duì)效率試驗(yàn),在進(jìn)行相對(duì)效率試驗(yàn)時(shí),過機(jī)流量的測量是關(guān)系到試驗(yàn)準(zhǔn)確度的關(guān)鍵問題。由于轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)過機(jī)流量的測量,軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)流量測量時(shí)一般采用機(jī)組蝸殼進(jìn)口斷面45°角對(duì)稱埋設(shè)的測壓管經(jīng)差壓變送器進(jìn)行相對(duì)流量測量,其他方法難于實(shí)施;對(duì)于貫流式水輪機(jī)可采用超聲波測流。用差壓法測流量,流道進(jìn)口斷面大,進(jìn)水口直管段短、流量大,水流流態(tài)不穩(wěn)定,較難獲得穩(wěn)定的差壓值,現(xiàn)場嘗試給差壓變送器加阻尼裝置,效果也不明顯,相對(duì)效率試驗(yàn)中相對(duì)流量的準(zhǔn)確測量是試驗(yàn)工作的難點(diǎn)。用超聲波測流時(shí),流道直管段短,面積大,難以獲得理想的測量位置。無論用差壓法和超聲波法測流,所測相對(duì)流量或絕對(duì)流量均存在較大偏差,相對(duì)效率或絕對(duì)效率的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)指導(dǎo)機(jī)組的運(yùn)行意義不大。大中型轉(zhuǎn)槳式機(jī)組運(yùn)行時(shí)是否處于最佳協(xié)聯(lián)狀態(tài)現(xiàn)場難以定量說明,是否長期處于最佳高效運(yùn)行目標(biāo)不清晰。其次,試驗(yàn)過程中水頭波動(dòng)也難以控制。1.2雙員重水運(yùn)行時(shí)機(jī)組運(yùn)行能力轉(zhuǎn)槳式機(jī)組的電站其特點(diǎn)主要是:電站水庫庫容量較小,水庫調(diào)節(jié)能力較弱,運(yùn)行水頭較低,機(jī)組運(yùn)行水頭的保持對(duì)機(jī)組的出力非常敏感,保持庫水位就可以實(shí)現(xiàn)電站水能利用最大化。電站上游如果沒有高壩大庫進(jìn)行調(diào)控,電站斷面流量也不穩(wěn)定,獲得穩(wěn)定高效的出力,是電站運(yùn)行必須面對(duì)的問題。2解決問題的概念和方法2.1變槳恒頻、轉(zhuǎn)速、實(shí)際導(dǎo)葉開度時(shí)機(jī)組通過加速器控制過機(jī)流量是一種趨勢,這也是機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的一個(gè)重要主機(jī)制造廠商一般提供5~6條典型水頭的協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線。2000年初,調(diào)速器研發(fā)廠商對(duì)于協(xié)聯(lián)曲線的調(diào)整一般在輸入模型協(xié)聯(lián)曲線后,根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn),用直線插補(bǔ)法進(jìn)行調(diào)整,這種調(diào)整收效還是比較明顯的。但主要不足是:受電站運(yùn)行條件的限制,難于在全水頭下進(jìn)行插補(bǔ),新的協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線是在當(dāng)前試驗(yàn)水頭下的直線平移推導(dǎo)值,分析機(jī)組效率特性曲線,就會(huì)知道,平移后所得的每條協(xié)聯(lián)曲線不一定都是最佳;機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的協(xié)聯(lián)都是按臨近典型水頭的協(xié)聯(lián)曲線進(jìn)行運(yùn)行,并不是理想情況下的全過程協(xié)聯(lián)或者說是“面”協(xié)聯(lián)。同一時(shí)期,對(duì)于機(jī)組的最優(yōu)協(xié)聯(lián)運(yùn)行問題,奧地利伊林公司根據(jù)水頭、轉(zhuǎn)速和實(shí)際導(dǎo)葉開度來計(jì)算即時(shí)機(jī)組過機(jī)流量。實(shí)際調(diào)節(jié)時(shí),機(jī)組出力調(diào)整完成,機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定,在保證機(jī)組過機(jī)流量不變的情況下,調(diào)速器實(shí)施調(diào)節(jié),驅(qū)動(dòng)導(dǎo)葉和槳葉小幅運(yùn)動(dòng),并給予適當(dāng)?shù)难訒r(shí),通過適時(shí)微調(diào),實(shí)施調(diào)節(jié)比選,以獲取最高功率。最高功率所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉和槳葉開度就是最佳協(xié)點(diǎn)。從理論上分析,這種計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)是一種理想的調(diào)節(jié),實(shí)際應(yīng)用要受以下環(huán)節(jié)制約:過機(jī)流量函數(shù)方程只能由廠家擁有,實(shí)際實(shí)施要求調(diào)速廠商、電站方、主機(jī)制造廠三方在技術(shù)上要有一個(gè)緊密的配合;不同的機(jī)組有著不同的運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線,要計(jì)算出機(jī)組在不同運(yùn)轉(zhuǎn)工況較為準(zhǔn)確的過機(jī)流量,還要根據(jù)機(jī)組的尺寸、模型綜合特性曲線對(duì)真機(jī)綜合特性曲線校準(zhǔn),同時(shí)修正蝸殼流量系數(shù)(k值)。這樣流量計(jì)算中的流量校正系數(shù)、轉(zhuǎn)速和水頭綜合系數(shù)及方程設(shè)計(jì)全部由廠商設(shè)定,技術(shù)壁壘很高,國內(nèi)幾個(gè)電站應(yīng)用都沒有取得實(shí)際成功,比較之下,直線插補(bǔ)法應(yīng)用較為廣泛。2.2強(qiáng)化智能化控制理念以機(jī)組有功功率相對(duì)較高為前提的最優(yōu)協(xié)聯(lián),在實(shí)施過程中,流量函數(shù)方程的設(shè)定是“模糊”的經(jīng)驗(yàn)函數(shù);轉(zhuǎn)速和水頭綜合系數(shù)的取得是“模糊”的經(jīng)驗(yàn)的,蝸殼流量系數(shù)的修正是“模糊”的經(jīng)驗(yàn)的,流量校正系數(shù)的取得也是“模糊”的經(jīng)驗(yàn)的。鑒于以上情況,最優(yōu)協(xié)聯(lián)問題實(shí)行智能化“模糊”控制理念。實(shí)現(xiàn)方法是:(1)機(jī)組現(xiàn)場調(diào)試時(shí),將主機(jī)廠提供的協(xié)聯(lián)曲線正常輸入調(diào)速器,使機(jī)組滿足正常安全穩(wěn)定的要求;(2)調(diào)速器加裝高精度功率變送器,將變送器電氣模擬量接入CPU,CPU單設(shè)優(yōu)化協(xié)聯(lián)控制程序和流程;(3)當(dāng)機(jī)組初次在某一開度,某一水頭下運(yùn)行時(shí),調(diào)速器完成正常穩(wěn)定運(yùn)行調(diào)節(jié)后進(jìn)行協(xié)聯(lián)優(yōu)化“模糊”調(diào)整。即在導(dǎo)葉不動(dòng)的情況下使槳葉小幅運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)時(shí)間周期應(yīng)參考機(jī)組的貫性時(shí)間常數(shù)。槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),機(jī)組的功率會(huì)做相應(yīng)的變化。功率最大點(diǎn)就是最優(yōu)協(xié)聯(lián)點(diǎn)。該協(xié)聯(lián)點(diǎn)將作為新的協(xié)聯(lián)點(diǎn)自動(dòng)寫入?yún)f(xié)聯(lián)曲線。(4)最佳協(xié)聯(lián)點(diǎn)的選擇不參與機(jī)組開、停機(jī)流程控制,也不參與機(jī)組事故停機(jī)和甩負(fù)荷流程。2.3調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)的負(fù)荷小型水電站在枯水期且上游來水不夠穩(wěn)定時(shí),調(diào)速器增設(shè)水位調(diào)節(jié)模式,這種模式就是水位調(diào)差控制,調(diào)差時(shí)間按照電站水庫的庫容和調(diào)節(jié)能力來確定,庫容越大、調(diào)節(jié)能力越強(qiáng),調(diào)差時(shí)間則越長,反之則較短。當(dāng)庫水位呈上升趨勢時(shí),機(jī)組導(dǎo)葉向打開方操作,反之向關(guān)機(jī)方操作。非常有利于電站穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)方法是:(1)將電站的水位信號(hào)接入調(diào)速器;(2)調(diào)速器在(頻率、開度、功率)任一操作模式下運(yùn)行,電站運(yùn)行根據(jù)來水通過監(jiān)控給定機(jī)組運(yùn)行功率值,機(jī)組正常運(yùn)行;(3)給調(diào)速器設(shè)定預(yù)期水位值;(4)調(diào)速器增設(shè)水位調(diào)節(jié)控制模式,且水位調(diào)節(jié)控制模式為輔助調(diào)節(jié),該模式電站運(yùn)行可以自行選擇。3需要考慮的問題是如何在實(shí)踐中改變3.1人工測水頭方法大部分機(jī)組水頭信號(hào)都由機(jī)組蝸殼(或流道)進(jìn)口和尾水管出口加裝差壓變送器的方式所獲取,對(duì)于大中型機(jī)組,或多泥沙的季節(jié)性河流,這種測水頭的方法主要存在水頭信號(hào)不穩(wěn)定,測壓孔經(jīng)常堵塞等問題,反而使機(jī)組調(diào)節(jié)不穩(wěn)定,水頭信號(hào)大都由人工設(shè)定。建議水位信號(hào)改由壩前水位和尾水水位核減攔污柵取差多支路輸出獲取,簡單、清晰、穩(wěn)定、準(zhǔn)確。3.2發(fā)電機(jī)功率檢測在調(diào)速器上加裝高精度功率變送器,用高精度(0.2級(jí))功率變送器采用雙瓦特表法測量發(fā)電機(jī)輸出功率,將測得的功率值輸入到CPU中。3.3支持控制程序的設(shè)計(jì)將水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線、水庫流量-水位曲線以及水文資料有效利用。3.4小峽機(jī)組試驗(yàn)以黃河小峽水電站機(jī)組調(diào)速器升級(jí)改造為例。小峽位于甘肅蘭州市下游35km的黃河干流上,是劉家峽電站下游第五級(jí)水電站,劉家峽水庫是高壩大庫,調(diào)節(jié)能力很強(qiáng),出庫流量比較穩(wěn)定,但下游有湟水河匯入黃河,這樣小峽斷面流量受湟水的影響也有不穩(wěn)定的問題,選擇小峽機(jī)組調(diào)速器進(jìn)行試驗(yàn)性升級(jí)較為適合。小峽電站裝有4臺(tái)57.5MW的軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組,總裝機(jī)230MW,最大庫容0.47億m3,為日調(diào)節(jié)水庫。水輪機(jī)型號(hào):ZZ(K305711)-LH-830;最大水頭:18.6m;額定水頭:13.8m;最小水頭:18.6m;轉(zhuǎn)輪直徑:8.3m;額定過機(jī)流量:473.5m3/s。選擇小峽電站的1臺(tái)機(jī)組