多泥沙河流长引水隧洞水电站调速器协联调压阀与主进水阀数字化技术探析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 47 多泥沙河流长引水隧洞水电站调速器协联调压阀与主进水阀数字化技术探析 陆文烛 红河广源马堵山水电开发有限公司，云南 红河 661100 摘要：摘要：多泥沙河流长引水隧洞水电站调速器协联调压阀与主进水阀数字化技术主要针对长有压引水隧洞采用调压阀使机组转速及隧洞压力上升满足要求，进水主阀避免机组飞逸带来的事故扩大的设计方式提出三者之间协联关系，并在三者设计关系上结合生产实际存在的问题，进一步提升三者关系在实际生产过程中的新应用和新问题。通过调压阀在停机过程中实现流量调节功能，以此结合长隧洞排水方案来降低隧洞排水情况下出现隧洞末端即机组进水端泥沙大量淤积的新应用。通过主进水阀 20%开度至全关开度控制调节作用，解决调压阀及调速器故障时主进水阀动水关闭速度快引起隧洞压力上升不满足要求的新问题。关键词：关键词：多泥沙；长引水隧洞；调速器；调压阀；主进水阀 中图分类号：中图分类号：U61 1 某多泥沙河流电站工程概况 1.1 挡水建筑物 拦河坝为混凝土重力坝，由左岸非溢流坝段、冲砂闸坝段、河床闸坝段和右岸溢流坝段组成。坝顶总长44.0m，最大坝高22.0m，其中左岸非溢流坝段长9.0m、冲砂闸坝段长 12.0m、泄洪闸坝段长 12.0m、右岸溢流坝段长 10.0m、右岸导墙坝段长 1.0m。1.2 引水隧洞 引水建筑物布置在干流左岸,压力引水隧洞进水口布置在干流拦河坝上游约 10m 的左岸，末端接厂房压力钢管堵头，桩号为 引洞 0+000.000m 引洞6+883.241m，总长 6883.24m；其由进水口、放水塔、隧洞组成。1.3 压力管道 压力钢管总长 400.468m，其中主管长 385.933m,主管直径为 3.9m，渐变段长 6.719m，分管长 7.816m，支管直径为 2.25m。管壁厚为 22mm、24mm、26mm。2 调压阀及进水主阀组成及作用 调压阀在水电站运行中，当水轮发电机组突然甩负荷时，调速器自动控制水轮机快速关闭导叶，压力钢管内产生水压和机组转速上升，对于长压力引水隧洞水电站，改变导叶关闭时间，不能同时使压力和转速上升都控制在允许范围内，为此采用调压阀来解决压力和转速上升的矛盾，保证电站机组安全和长有压隧洞安全。主进水阀作为事故和检修阀门，通常只有全开或全关两种工作状态，不能用来调节流量，主要作用是作为机组过速的后备保护，当机组甩负荷又恰逢调速器故障，主阀可以迅速在动水情况下关闭，切断水流，防止机组飞逸转速时间超过允许值（机组设计飞逸时间按 2 分钟计算）避免事故扩大。3 生产实际问题分析 目前国内调压阀设计标准都是采用快开和慢关技术，动作方式通过调速器主配压阀纯机械液压协联调压阀。设计院调保计算依据是确保长有压引水隧洞安全，在调速器分段关闭导叶第一段快关同时根据纯机械液压联动快速开启调压阀，调速器导叶第二段慢关同时调压阀也同步慢关，以此解决机组甩负荷压力和机组转速矛盾，主进水阀关闭时间建立在大于调速器及调压阀正常关闭时间以及小于机组飞逸时间来确定。基于此设计，调压阀作用全部集中在解决机组甩负荷压力和转速矛盾上，无单独动作调节作用，未能有效的将调压阀作用于长压引水隧洞排水环节，同时主进水阀关闭时间在调压阀关闭后充足裕度范围内，但在实际生产运行中，主进水阀在调压阀及调速器出现故障未关闭情况下，主阀在 20%开度至全关引起隧洞压力上升超过允许范围，对隧洞构成安全风险。中国科技期刊数据库 工业 A 48 为筑牢安全发展基础和加速数字化转型，确保企业在高质量发展过程中提质增效，提出多泥沙河流长引水隧洞水电站调速器协联调压阀与主进水阀数字化技术探析，将调压阀流量控制应用到长有压隧洞排水方案中来降低隧洞末端泥沙淤积堵住压力钢管所耗费大量人工和主进水阀关闭引起隧洞压力过高将危机隧洞安全以及调速器闭环控制调压阀及主进水阀并数字化共享水电站计算机监控系统，提升调速器故障分析及紧急动作情况下逻辑正确性监视和预警功能。4 实施意义 通过多泥沙河流长引水隧洞水电站调速器协联调压阀与主进水阀数字化技术，从生产实际出发解决实际问题并通过实际检验提出新的技术问题，不断的技术更新为企业高质量发展注入强劲动力。调压阀停机流量调节可以实现流量控制要求，结合隧洞泥沙淤积产生的模型控制调压阀流量控制时间及节点，起到末端泥沙高流量带动清理作用；调速器协联主进水阀，结合导叶及调压阀动作闭环调节作用，协联主阀进水阀动作，将调速器及调压阀故障情况下保证水电站机组转速及隧洞水压上升值满足要求；数字化调速器将汇集调压阀及主进水阀动作情况，实时控制三者之间关联要求，并将关键信息数字化共享水电站计算机监控系统，达到实时监视与预警功能，以及具备故障再现来提高设备故障分析能力。5 实施方式 5.1 调压阀调节技术实施方式 调压阀调节技术研究主要通过调速器主配压阀研究，通过主配压阀组合阀实现调压阀“自动”“手动”切换，并通过调速器控制柜闭环显示调压阀开度及流量。在实现调压阀独立闭环调节后，根据隧洞结构，合理制定排水方案，根据泥沙淤积模型制定调压阀流量控制要求实现长压引水隧洞泥沙分段排除目标，有效降低隧洞末端泥沙淤积堵管现象。因为调速器主配压阀与调压阀采用纯机械液压联动机制，所以调压阀管理设计及现地接力器上只配置管理通道，中间段无相关控制元器件以及与调速器系统油压连接部件。调压阀实现调节控制实施方式通过两种，第一种是在调压阀控制管路上增加旁路控制和旁路控制同时确保主配压阀主控制油路关闭，并在选择旁路部位引入系统油压，通过相应控制逻辑将调压阀独立调节控制与调速器状态进行相应进行逻辑闭锁，确保运行中调压阀动作的可靠性。在检测到调压阀动作不符合逻辑及水压上升初始值要求时，开放闭锁条件，形成调压阀独立控制要求，确保水压符合要求，形成运行中调压阀协联关系。第二种方式是调压阀控制结合目前主配压阀结构进行相应的结构改造，使主配压阀具备以上相同功能，在管路配置上进形成一定的优势。调压阀在长有压隧洞排水方案中来降低隧洞末端泥沙淤积，主要建立在调压阀具备独立控制的基础上，通过调压阀调节流量作用并应用到长隧洞排水中。根据以往设计院要求，长有压隧洞排水流量控制要求比较严格，主要目的是防止隧洞排空过程中，因隧洞山体渗漏水及快速排水后隧洞进水口进气孔进气流量限制，出现洞内负压及山体渗漏水双重作用使隧洞无法承受空腔负压作用出现隧洞塌方等严重安全事故。在确保隧洞排水流量时，设计采用 200mm 的管道进行排水控制，但在排水管道实际运行中，因排水初期隧洞压力在1.1Mpa 范围，隧洞排水阀采用闸阀及出水口与尾水相连，出水口处于无压状态，在前期排水过程中出现管道振动幅度大及管道因泥沙冲击管壁大大降低管道壁厚，对整个排水安全问题造成较大安全隐患。基于隧洞排水管道与调压阀结构对比分析，调压阀在排水过程中对水能的消除上及排水运行稳定上以及阀壁抗磨结构设计上都优于闸阀控制，在实现调压阀独立流量控制后，为满足设计流量控制要求，选择调压阀进行隧洞排水处于明显优势。在根据排水出水情况以及隧洞设计结构合理制定泥沙淤积模型，在相应水位节点控制调压阀流量，形成大流量高速分段带出隧洞末端泥沙方式解决隧洞末端泥沙堵管情况。在隧洞排水过程中要结合水压及隧洞容积，较准确计算隧洞渗漏流量，以此来确保隧洞排空段稳定性，中间可以采用停止排水方式校核渗漏水流量准确性。通过调压阀技术实施，在水电站机组运行过程中，一定程度上确保机组出现甩负荷及其他异常情况下，通过调压阀动作确保隧洞水压满足设计要求以及科学合理的制定隧洞排水方案，进一步化解原有排水存在的安全风险以及形成科学合理的排水方案，为全面推广应用建立实际应用经验和科学数据。中国科技期刊数据库 工业 A 49 5.2 调速器协联调压阀与主进水阀技术实施方式 调速器协联调压阀采用纯机械液压联动一定程度上提高调压阀动作的可靠性，但在与主进水阀协联上无关联作用。调速器协联调压阀与主进水阀在调速器电气控制柜上建立调压阀及主阀动作执行反馈环节，并由调速器统一控制。关键创新在于主阀 20%开度至全关过程加入调节阀，形成调压阀与主进水阀之间协联关系，并在调速器故障及机组紧急停机等非正常停机过程中动水关闭主阀策略统一由调速器进行控制，以面对各种故障情况下三者之间协联关系，全过程保证机组转速及隧道压力上升值以及机组飞逸时间要求。调速器协联调压阀与主进水阀，在调速器上已具备协联调压阀作用下，怎样协联主进水阀，可以通过三种方式实现，一是在关联调压阀全关开关量信号上采用开关量闭锁调压阀 20%开度正常动水关闭过程，采用主进水阀旁路慢关控制，确保主进水阀关闭时间大于调压阀全行程关闭时间，协联关系只保持在主进水阀与调压阀之间开关量信号的单向传输。主进水阀慢关技术根据现场液压系统原理图进行相应的旁路控制闭锁逻辑控制。二是建立调压阀行程、主阀行程、调速器行程三者之间协联控制技术，三者协联控制集中在调速器电气调节柜中，利用调速器高速数据处理能力建立各种策略逻辑，构建水电站核心设备及引水工程的安全屏障。在三者协联关系上模拟量主要采用三者位移传感器实时监视动作位移情况，开关量与模拟量形成冗余关系，通过原则建立基本控制要求，在通过原则基础上进行各种故障分析形成有效的控制策略，通过调速器采集处理执行，在整个控制过程以闭环调节为核心。主进水阀也同样采用旁路液压系统控制原理，采用调节电磁阀进行接力器位移速度控制方式，以此来适应更加复杂调节环境。三是将第一、二种形成冗余控制，在以上两种控制上进行系统建立协联关系，第二种控制作为主要控制方式，第一种控制方式作为补充方式进行实施。5.3 调速器数字化技术研究 目前主流调速器都是采用 PLC 控制技术，在借助PLC 毫秒级数据处理能力可以实现 PID 技术，以此来应对各种复杂工况下的无扰动切换。调速器具备快速工况切换及高速数据处理能力同时对生产人员在调速器故障分析准确定位故障信息也提出更高要求，目前采用的数据交互已不能满足发展趋势，在调速器协联调压阀与主进水阀情况下，对信息的监视及自动预警要求更加及时、准确，通过调速器数字化将直接打破现有调速器与监控系统技术壁垒，实现调速器与监控系统数据共享，借助监控系统强大存储能力，实现调速器故障在线及故障告警监视环节，提高运维人员故障排除及高效监视作用。目前调速器监视存储数据全部集中在触摸屏自带的存储能力上，在故障分析过程中实现故障录波功能需要人工现场进行启动录波，以及采用相关节点信号启动功能，但在因触摸屏本身存储量制约，在建立连续故障录波功能此存储功能不足以及对于参数的监视不够系统以及选择性上存在弊端，调速器实现数字化需要建立计算机监控系统数字化来实现调速器数字化能力，在信息交互上采用数字化技术进行交互，以此通过计算机监控系统来完成数据的采集及存储分析能力，实现调速器数字化功能。根据目前主流品牌 PLC 数据处理能力上来看，CPU处理数据都在毫秒级，并能同步处理通讯，在硬件上具备通讯能力，但在软件上需要根据数字化需求建立详细的通讯列表，把握主要矛盾点，并具备调速器实时监视及动作偏差预警功能，以此来提高设备监视的能力和水平，对设备运行管理提供可靠的数据分析诊断能力。把握主要矛盾主要是关注故障下，调速器协联调压阀与主进水阀的执行情况，并及时进行人工参与方式来缩小故障范围目的。6 结论 通过多泥沙河流长引水隧洞水电站调速器协联调压阀与主进水阀数字化技术实施一些列全方位的科学技术研究，通过科技进步提升防范化解重大安全的风险的能力，同时促进员工科技创新的热情，为企业高质量发展目标踔厉奋发。本次技术研究可以全面推广。参考文献 1胡寿松.自动控制原理(第 7 版)M.北京:科学出版社,2019.2国家能源局.立式水轮发电机检修技术规程:DL/T 817-2017S.北京:中国标准化出版社,2011.3 徐文宝,李志.C 语言程序设计M.北京:机械工业出版社,2019.