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数字阀PCC可编程智能调速器在漾头水电站的应用

　　摘要　　数字阀PCC可编程智能调速器是国家科技部创新基金支持项目，电气部分以PCC可编程计算机控制器为核心，软件采用高级语言；电气液压转换部件采用电磁球阀，机械放大元件采用二通插装阀，采用无杠杆，无明管路结构。实际应用结果表明，该型调速器调试简单，维护方便，具有先进的技术性能和高可靠性。

关键词智能调速器 PCC 数字阀 电磁球阀 插装阀
1．前言 漾头水电站位于贵州省铜仁市附近，装机容量为2 X 8000KW，水轮机为轴流转桨式，设计水头为18M。原调速器为某厂生产的模拟电液调速器，机械控制部分采用电液转换器，二级放大部分采用主配压阀，接力器与主配压阀开环无反馈；在电气上采用模拟电子调节器，抗干扰性能差；自动运行时，常误动作。自投入运行以来，随着长时间的运行，机械的磨损，电气分立元件的老化严重地影响机组的安全运行。原调速器存在的主要问题是：1) 抗卡阻效果差。调速器对油质要求较高，常卡阻，不能保证长期自动运行。2) 运行操作不方便。由于机械磨损主配压阀渗漏造成接力器漂移，且手动运行时无反馈，运行人员总要不断的调整，劳动强度较大。 3) 抗干扰能力差。任何电磁干扰都可能造成调速器误动作。4) 检修维护不方便。调整环节太多，每次检修后，仅调整各个节流阀就需要几天时间。2．改造方案 针对漾头水电站的具体情况，拟定如下改造方案：方案一. 用ZFST－100型数字阀PCC可编程智能调速器整机替换原调速器。采用机电合柜形式。方案二.保留原调速器主配压阀，去掉原调速器中除主配压阀以外的其他部分，采用步进电机替代电液转换器，采用PCC可编程智能调节器替换原模拟电子调节器。采用机电合柜形式。由于主配压阀的结构形式为滑阀，主配压阀活塞与衬套之间的间隙所造成的渗漏就不可避免，为了减少主配压阀活塞与衬套之间的渗漏，就要在主配压阀活塞阀盘与衬套与窗口之间加大搭叠量，而搭叠量加大了调速器机械死区。由于主配压阀活塞与衬套之间的间隙所造成的渗漏不可避免，因此在手动运行时就需要机械反馈来补偿，否则，接力器就要漂移。由于漾头水电站原调速系统没有采用机械反馈。因此，在设备改造时，必须采用无钢丝绳反馈结构，只采用电气反馈。如采用方案二即保留原调速器主配压阀，手动运行时溜负荷。由于溜负荷，增加了运行人员的劳动强度。而采用方案一数字阀调速器则能解决这一难题。综上所述采用方案一最为理想。为了适应机组安全稳定运行要求，实现水电站“无人值班”，铜仁市地方电力公司漾头水电站经过调查研究，选用天津市科音自控设备有限公司研制的新一代调速器ZFST-100型数字阀PCC可编程智能调速器，对原调速器进行了整机更换改造，率先实现了在轴流转浆式水轮发电机组上应用数字阀+可编程计算机控制器的智能调速器。3．数字阀PCC可编程智能调速器结合水轮机调速器的特殊性，ZFST-100型数字阀PCC可编程智能调速器，选用不同于常规PLC的新一代可编程控制产品－PCC，即从贝加莱公司进口的可编程计算机控制器B&R2003。它面向自动化过程，而不是面向继电器逻辑电路仿真，这就是B&R2003的理念。PCC代表着一个全新的控制概念，它集成了可编程逻辑控制器(PLC)的标准控制功能和工业计算机的分时多任务操作系统功能。它能方便地处理开关量，模拟量，进行回路调节。并能用高级语言编程，具备大型机的分析运算能力。其硬件具有独特新颖的插拔式模块结构，可使系统得到灵活多样的扩展和组合。软件也具备模块结构，系统扩展时只需在原有基础上叠加运用软件模块。CPU运行效率高，用户存储器容量大。这些优越性都为智能式水轮机调速器提供了强有力的资源保证。在电气机械转换方面，采用电磁球阀替代电液转换器；在放大级采用二通插装阀替代主配压阀。调速器从总体上降低了对油质的要求，从根本上避免了电液转换器发卡的弊病。由于数字阀技术是采用高速电磁球阀为先导阀，以二通插装阀为主阀，而且插装阀的密封形式为锥阀，因此数字阀又具有液压锁的功能，有效地避免了接力器的漂移，因此主接力器无需机械反馈。所以数字阀调速器在漾头水电站的应用，可以以最小的改动，达到整机改造的目的。由于该系统的先导电磁球阀又具有手动阀及事故阀的功能，减化了调速器内部结构，从结构上减化了整个调速系统。所以该型调速器实现了真正意义上的无杠杆，无管路；在结构上采用集成块的形式，外形简洁明快，可靠性极高，性能优良。由于无需机械反馈，该型调速器在机组的布置上可不受任何限制，厂房整齐，美观。 主要特点1) 全新的控制理念。采用不同于常规PLC的新一代可编程计算机控制器--PCC，面向控制过程，能采用高级语言，分析运算能力强，在同一CPU中能同时运行不同程序。程序运行时仅扫描部分程序，效率很高。2) 全PCC化，具有极高的可靠性。从输入到输出,从测频到控制脉冲等各环节均实现了PCC化。PCC的平均无故障时间MTBF高达50万小时，即57年。常规PLC的平均无故障时间MTBF为30万小时。3）多任务的优点。在传统PLC中，并行处理是靠程序扫描来完成的。但事实上多任务才是并行处理的逻辑表达式，更简单直接的方法就是采用多任务技术。PCC恰恰可以满足这种需求，当某一任务在等待时，其他任务仍可继续执行，非其他常规PLC可以比拟。 4）智能型调速器。采用自适应式变结构，变参数并联PID调节。自动识别电网的性质，并自动适应电站的各种特殊运行方式，如孤网运行，及由大电网解列为小电网运行的突变负荷等特殊情况，均可保证机组稳定运行。人性化设计，具有很强的自诊断、防错、及容错功能。5）采用PCC高速计数模块(HSC)测频。PCC高达的计数频率，具有很高的测频精度和可靠性，从而使调速器的输入通道－测频环节的可靠性有了根本的保证。6）由PCC实现信号综合及控制脉冲的输出。调节器的电气开度，和转换为数字信号的接力器实际位移由PCC内部进行综合比较，输出控制脉冲信号，经功率放大后，直接驱动先导电磁阀。充分发挥了PCC多任务的功能。7）联网方便。具有RS232或RS485通讯接口，可以方便地实现人机对话，及与上位机通讯，提高电站的自动化水平。8）调节模式灵活。可实现频率调节，开度调节，功率调节，并可实现调节模式间的无扰动切换。9）PCC的大内存，为智能型调速器提供了资源保证。用户内存： MB FLASH PROM，远大于常规 PLC 10KB左右的内存。10) 采用电磁球阀做为电液转换元件。彻底解决了常规调速器电液转换元件油污发卡的问题使电站可以实现完全可靠的自动运行。11) 可以适应电站的各种特殊运行方式。如孤网运行，及由大电网解列为小电网运行的突变负荷等特殊情况，均可保证机组稳定运行。12) 具有故障锁锭的功能。由于数字阀只有通/断两个状态，且数字阀采用锥阀密封可以保证在下无泄漏，所以，数字阀又具有液压锁的功能，因此该系列调速器在测频信号消失及断电等情况下，具有故障锁锭的功能。13) 无杠杆结构。该系列调速器采用了数字阀液压随动系统，自动时有电气返馈，手动无需反馈，因此取消了杠杆，消除了因为杠杆造成的死区，提高了调速系统的精度，而且无管路，结构简单，美观。14) 友好的人机界面。采用触摸屏做为人机界面，画面美观逼真，全中文显示，操作方便，可以同时显示很多信息。15) 维护简单调试方便。由于PCC的高度集成化和高可靠性，对于运行维护人员没有太高的特殊要求，调试只需设定有关数字，没有太多的电位器等可调元件。16) 采用数字协联方式。 桨叶随动系统准确度高。17) 零扰动手/自动 切换。由于自动运行时，电磁球阀每次动作后都处于失电状态；而切断电源即为手动运行。手动运行时，电子调节器跟踪接力器的实际开度。因此数字阀调速器实现了零扰动手/自动切换
　　3．2 主要功能ZFST-100型数字阀PCC可编程智能调速器具有自动、电手动、手动三种操作方式，且可无条件无扰动切换。具有很多功能，实用性智能性很强，除常规功能外具有如下主要功能。1）空载运行时，能自动跟踪系统频率,实现快速并网。2）具有频率调节、开度调节、功率调节三种模式，并可实现调节模式间的无扰动切换。功率调节模式下，可接受上位机控制指令，实现发电自动控制功能(AGC)。3）具有很强的自诊断、防错、及容错功能，并可将有关故障信息显示在屏幕上，或发出报警信号。4）与上位机通讯的功能，接受上位机的控制命令，给上位机传送有关信息。 5）开停机智能控制。6）具有参数记忆功能。当电源失电时，PCC可保存数据存储器的内容，使运行人员可以方便地修改有关参数并被记忆。7）具有水位调节功能。8）多级密码保护功能。持有密码级别的高低，决定了对系统行使权利的大小。运行人员只能观察到常规显示画面并进行常规操作，检修人员或管理人员可对调节参数等进行修改。9) 采用交直流双重供电，当交流电源故障时，直流电源自动投入，直流电源故障时，保持当前开度不变。10) 空载运行，当机频信号消失时，自动将开度保持在空载开度以下，以防过速。并网运行，当机频信号消失时，自动切换为网频测量回路，保持正常发电运行，同时发出机频故障信号。 调速器工作过程数字阀PCC智能调速器的结构框图如图1所示。调速器自动运行时，接收到开机令后，按照预先设定好的开机规律开机。当网频测量正常时，调速器自动选择频率调节模式， PCC按照机频与网频的差值进行PID运算，为实现快速并网作好准备；当网频测量故障时，自动切换为开度调节模式，PCC按照机频与频率给定的差值进行PID运算。PCC根据电气开度和实际开度的差值输出脉宽调制信号，经功率放大后驱动电磁球阀，调节导叶开度，使机组自动运行于空载工况。并网后，如为并大电网运行，自动切换为开度调节模式。如为孤网运行，自动选择频率调节模式。通过上位机或触摸屏改变功率给定值，调节器经PI运算后，实现负荷调节。接到停机令后，调速器自动将机组关机，完成停机过程。 4．现场试验结果现场进行了静态，动态试验，第一台调速器现场试验结果1） 转速死区 ：　%2) 空载扰动试验调速器自动运行，选择多组PID调节参数，选取频率摆动值和超调量较小，稳定快、调节次数少的一组调节参数作为空载运行参数,即:bt=45，Td=20，Tn= 上扰： 至 ，下扰：　至 PID调节参数上扰/下扰最高(低)值调节次数调节时间bt=45Td=20Tn=上扰18下扰173) 空载频率摆动值将调速器切至自动位置，PID调节参数为上步试验优选出的空载运行参数，机组开至额定转速。机组运行稳定后观察机组频率摆动值，每次三分钟，共三次，取平均摆动值。最大值最小值FjFjFj自动空载频率摆动值：±% 4）甩25%额定负荷，接力器不动时间为。5）甩100%额定负荷，转速最大上升为额定转速的%，超过3%额定转速的波峰次数为1次，从接力器第一次向开启方向移动起，到机组转速摆动值不超过±%为止所经历的时间为27 S。6）突变负荷试验突增，突减25%额定负荷，非常迅速地稳定在新的工况，完全符合电站实际运行的要求。 5．结束语试验结果表明，天津市科音自控设备有限公司生产的ZFST-100型数字阀PCC可编程智能调速器的各项性能指标均优于国家标准“水轮机调速器与油压装置技术条件”。第一台投入运行已有两年，第二台投入运行已有一年，实践表明，调速器未出现任何故障，运行人员操作简单，维护工作量很少，大大减轻了劳动强度，并减少了运行人员。该型调速器完全满足电站“无人值班”的要求。调速器的成功改造，给漾头水电站带来了非常可观的经济效益。参考文献[1] 米建国．对常规数字PID调节器算法的改进．大电机技术，1998 齐蓉．可编程计算机控制器原理及应用．西安：西北工业大学出版社，2002。