水轮机分段关闭自动化控制系统的应用分析_杨占兴.pdf

水轮机分段关闭自动化控制系统的应用分析杨占兴（山东省聊城市茌平区肖家庄镇人民政府，山东聊城252100）摘要：为了解决水轮机调速器采用换向阀驱动导叶关闭控制所存在的结构复杂、可靠性差、关闭冲击大的问题，提出了一种新的水轮机分段关闭自动化控制系统，其以比例节流阀为核心，以自适应控制逻辑为基础，实现了对水轮机导叶关闭的自动化分段控制。根据实际应用表明，该控制系统能够根据管道内的水流状态，实现对导叶分段关闭，将关闭时的水锤效应降低了 77.4%，将导叶关闭速度提升了 41.6%，对提升水轮机运行稳定性和安全性具有十分重要的意义。关键词：水轮机导叶分段关闭比例节流阀自适应控制中图分类号：TV734.1文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0207-03引言随着经济社会的不断进步，水力发电已经成为世界上最重要的清洁能源之一，水力发电机组在运行过程中需要根据发电需求不断地调整运行工况。为了避免突然改变工况对水轮机组造成伤害，需要合理地选用控制系统，实现对水轮机导叶状态的灵活调整，减少在调整导叶过程中的水锤冲击，提高水轮机组的运行安全性1。目前水轮机控制导叶的关闭主要采用了换向阀驱动控制的模式，在关闭时需要人工调整分段关闭装置并反复调整位置，不仅工作量大，而且对关闭过程难以实现精确调整，导致在关闭过程中水锤冲击大、关闭可靠性差，严重影响了水轮机组的运行安全性。根据水轮机调整控制需求，提出了一种新的水轮机分段关闭自动化控制系统，通过利用自适应控制模式来控制比例节流阀的开度，实现对导叶分段关闭的灵活控制，既能够根据人工预设的关闭曲线控制导叶开度及分段关闭的速度，也能够利用自适应控制逻辑，根据水轮机的运行工况自动调整。根据实际应用表明，该控制系统能够将关闭时的水锤效应降低了77.4%，将导叶关闭速度提升了 41.6%，对于提升水轮机运行稳定性和可靠性具有十分重要的意义。1水轮机分段关闭自动控制系统根据水轮机分段关闭控制需求，提出的分段关闭自动控制系统采用了扁平化的控制逻辑，利用 PLC控制终端实现对比例节流阀的直接调控，利用导叶位置传感器实现对导叶位置的精确监测，提高分段关闭自动调控的精确性，该分段关闭控制系统整体结构如图 1 所示2。由图 1 可知，在该系统中主要包括 PLC 控制模块、人机交互模块及执行模块，其中 PLC 控制模块主要用于实时采集水轮机导叶位置传感器所发出的检查信息，结合水轮机目前的工况确定并输出比例节流阀的调节控信号，该模块是整个分段关闭控制系统的核心。执行模块主要包括比例节流阀及液压系统，比例溢流阀在接收到 PLC 控制模块的信号输出后，按调整控制信号调整比例溢流阀的开度，实现对导叶关闭过程的可控调节。人机交换模块主要用于显示水轮机的运行状态、导叶的关闭状态及导叶关闭调整曲线，便于工作人员及时监控和调整，提高水轮机运行的稳定性和可靠性。2分段关闭电气控制要实现对水轮机导叶关闭状态的灵活调整，其核心是要保证系统在调整过程中调控逻辑和电气控制系统的运行可靠性，结合水轮机分段关闭自动控制系统结构，提出了一种新的电气控制逻辑，如下页图 2所示3。系统在工作时，在人机交互页面设置导叶分段关闭时各个拐点所对应的开度和分段关闭速度参数，然后通过通信线路传递给 PLC 控制模块4。此时 PLC收稿日期：2022-08-15作者简介：杨占兴（1971），男，山东聊城人，中专，毕业于山东省水利学校，科员，助理工程师，主要研究方向为水利水电工程。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.082图 1水轮机分段关闭控制系统整体结构示意图电气回路导叶位置传感器接力环导叶接力器关闭比例节流阀机械管路触摸屏PLC机械回路切换阀组回油箱压油罐自动化系统设计机械管理开发第 38 卷控制模块通过实时对导叶位置的监测获取导叶的位置信息，然后根据人工设定的导叶分段关闭拐点所对应的导叶开度及导叶分段关闭速度参数，实时对比例溢流调节控制信号进行分析并控制比例溢流阀的开度，实现对导叶关闭速度的精细化调整。3导叶分段关闭控制曲线在对导叶关闭进行调控时，核心是要根据流量灵活调整关闭时的速度曲线，实现导叶关闭速度和防水锤冲击的统一性，在对多种导叶关闭控制曲线的运行控制特性进行对比分析的基础上，结合水轮机常态化运行特性，提出了一种新的“反 S”型的导叶关闭调控曲线5，其能够逐步的对导叶开度进行调整，防止在关闭过程中因调整速度过快导致出现严重的水锤冲击现象，该导叶分段平滑关闭控制曲线如图 3 所示6。在进行控制的过程中，导叶关闭的速率和比例节流阀的调控信号属于联动控制关系，把水轮机导叶的关闭速度值作为系统调控的横坐标，把比例节流阀的调节控制信号作为系统的纵坐标，在调控的过程中水轮机导叶的关闭速度和比例节流阀的模拟量驱动信号属于一一对应关系。为了提高控制的精确性能，其对应关系可以通过现场摸底试验的形式进行确定，从而使调节信号更符合实际控制需求。水轮机分段控制导叶关闭流程如图 4 所示7。在运行过程中，对导叶关闭速度的调整信号，是按照人机交互模块上所设定的参数进行的，其实际调整状态和理论值之间存在着一定的偏差，因此为了提高对导叶关闭调控的精确性，在系统中设置了反馈调整控制逻辑8，通过采用自适应控制，能够获取导叶关闭速度和比例溢流阀调节信号的联动曲线，将实际关联曲线和理论调整曲线进行对比，获取偏差量，然后 PLC控制模块计算并输出纠偏控制信号，实现对导叶关闭状态的二次调节9，提高调控的精确性。4应用情况分析目前，该水轮机分段关闭自动控制系统已在水轮机控制上得到了应用，水轮机的进口直径为 7 200mm、出口直径为 7 310 mm，机组的整体安装高度达到了 233 m，额定转速为 93.4 r/min，额定流量为 457.6m3/s，根据对优化前后的控制状态分析，在优化后将导叶关闭过程中的水锤冲击力由最初的 16 592 N 降低到了目前的 3 749.8 N，水锤效应降低了 77.4%。在关闭导叶时的转速由 2.4 r/min 降低到了目前的 1.4r/min，关闭速度提升了 41.6%，对提高水轮机的运行稳定性和可靠性具有十分重要的意义。5结论针对水轮机调速器采用换向阀驱动导叶关闭控制所存在的可靠性差、关闭冲击大的不足，提出了一种新的水轮机分段关闭自动化控制系统。通过利用自适应控制模式来控制比例节流阀的开度，实现对导叶分段关闭的灵活控制，根据实际应用表明：1）分段关闭自动控制系统利用 PLC 控制终端实现对比例节流阀的直接调控，利用导叶位置传感器实现对导叶位置的精确监测，提高了分段关闭自动调控的精确性；2）“反 S”型的导叶关闭调控曲线，能够逐步的对导叶开度进行调整，防止在关闭过程中因调整速度过快导致出现严重的水锤冲击现象；3）控制系统能够将关闭时的水锤效应降低了77.4%，将导叶关闭速度提升了 41.6%，对提高水轮机的运行稳定性和可靠性具有十分重要的意义。参考文献1佘建军，姜明利，谢敏萍.三佳电站导叶分段关闭调节保证计算J.水电站机电技术，2021，44（5）：31-332时维国，雷何芬.基于 PSOBP 神经网络的网络时延预测算法J.自动化与仪表，2020，35（7）：1-5.图 2导叶关闭电气控制逻辑示意图图 3导叶分段关闭控制曲线图 4导叶关闭控制流程示意图导叶分段关闭拐点所对应的导叶开度导叶分段关闭速度导叶开度模拟量信号触摸屏比例节流阀模拟量驱动信号PLC180160140120100806040200-200.04.59.113.618.222.727.331.836.440.945.5时间/s曲线斜率即导叶分段关闭第 2 段导叶关闭速度曲线斜率即导叶分段关闭第 1 段导叶关闭速度导叶分段关闭拐点导叶分段关闭拐点所对应的导叶开度导叶开度/%输出比例节流阀驱动信号初始化读取触摸屏人工设定的分段关闭拐点和导叶分段关闭速度等参数，采集导叶开度导叶开度大于分段关闭拐点YN查导叶关闭速度与比例节流阀模拟量驱动信号协联曲线表，计算第 1段关闭速度对应的比例节流阀驱动信号大小查导叶关闭速度与比例节流阀模拟量驱动信号协联曲线表，计算第 2段关闭速度对应的比例节流阀驱动信号大小2082023 年第 2 期3昌垚晖，陈建，鲍明，等.基于正交试验的非对称垂直轴水轮机数值模拟J.热能动力工程，2020，35（6）：61-68.4中国长江电力股份有限公司.一种调速器接力器分段关闭自适应控制装置及方法：CN109139351AP.2019-01-045长江三峡能事达电气股份有限公司.一种水轮机调速器分段关闭阀：CN211038900UP.2020-07-176占小涛，张晓宏，张俊发.水轮机导叶开启和关闭规律探讨J.人民长江，2017，48（9）：89-93.7徐利君，杨桀彬，王康生，等.水轮机导叶关闭规律对蜗壳末端压力的影响J.水电能源科学，2017，35（9）：131-134.8朱利民.ZYWL-4500D低开孔全方位定向钻机设计J.煤矿机械，2020，41（8）：22-24.9芦月，屈波，何中伟.抽水蓄能电站不同水头下导叶关闭规律研究J.水力发电，2016，42（12）：85-89.（编辑：王慧芳）Application of Hydraulic Turbine Segment Shutdown Automatic Control SystemYang Zhanxing（Peoples Government of Xiaojiazhuang Town,Chiping District,Liaocheng Shandong 252100）Abstract:In order to solve the shortcomings of complex structure,poor reliability and large closing impact of hydraulic turbine governorusing reversing valve-driven guide vane closing control,a new hydraulic turbine sectional closing automatic control system is proposed torealize the automatic sectional control of hydraulic turbine guide vane closing based on proportional throttle valve as the core and adaptivecontrol logic.According to the practical application,the control system can realize the sectional closure of the guide vane according to thewater flow in the pipe,reduce the water hammer effect during closure by 77.4%,and increase the closing speed of the guide vane by41.6%,which is of great significance to improve the stability and safety of hydraulic turbine operation.Key words:hydraulic turbine;guide vane segmental closure;proportional throttle valve;adaptive control5谭林.基于 PLC矿井带式输送机的集控系统设计应用J.机械研究与应用，2019，32（6）：153-155.6张汉昌.多级带式输送机远程集中控制系统设计J.煤矿机电，2019，40（4）：28-31.7马天兵，张申宇，陶新民.基于 PLC 和组态的多条带式输送机集控系统J.煤矿安全，2018，49（11）：99-102.8刘彦廷.带式输送机集控系统的实践应用研究J.山东煤炭科技，2018（10）：145-146；149.（编辑：贾娟）Study on the Centralized Control System of Multiple Lap Transport Belt ConveyorsXie Hui（Lingbei Coal Mine,Fenxi Mining Group,Lingshi Shanxi 031302）Abstract:In order to improve the efficiency of underground raw coal transportation system and reduce equipment wear and energyconsumption,the centralized control system of belt conveyor is studied.It is proposed that the centralized control system integratesone-touch start of downstream coal flow and automatic adjustment of running speed,which can improve the starting efficiency of multiplelap belt conveyors and reduce energy consumption during starting and running.The field industrial practice also shows that the proposedcentralized control system operates smoothly and can meet the needs of underground raw coal transportation.Key words:belt conveyor;centralized control;downstream coal start;speed regulation;multiple lap（上接第 206 页）J.机械管理开发，2018，33（12）：223-224；2422王书满，边志鑫.基于 LabVIEW的带式输送机远程监测诊断系统J.重庆科技学院学报（自然科学版），2016，18（5）：78-81；853周杰.基于 CAN 总线煤矿带式输送机运行状态监控系统设计J.新型工业化，2017，7（6）：57-614徐超.基于 EPA标准的多现场总线矿用综采监控系统设计D.合肥：合肥工业大学，2017（编辑：王慧芳）Research on Automatic Diagnosis and Alarm System of Belt Conveyor Operation StatusXue Xin（Raw Coal Preparation Team,Wajinwan Coal Company,Datong Shanxi 037003）Abstract:In view of the lack of automatic monitoring and diagnostic functions for the running status of the current conveyor system and theshortcomings of high operating failure rate and poor stability,a new belt conveyor running status automatic diagnosis and alarm system isproposed,which adopts multi-sensor monitoring and intelligent fuzzy judgment logic to achieve real-time diagnosis and fault warning forthe running status of the conveyor,and at the same time the system can output the running status detection of the conveyor The system canalso output a report on the operating status of the conveyor to provide a basis for system maintenance.According to the practicalapplication,the automatic diagnosis and alarm system can realize the timely identification,automatic positioning and fault analysis ofconveyor operation faults,reduce the failure rate of conveyor downtime by 97.4%,and reduce the average time of fault processing by76.3%.Key words:belt conveyor;fault diagnosis;automatic alarm（上接第 204 页）杨占兴：水轮机分段关闭自动化控制系统的应用分析209