数字阀PCC可编程智能调速器在漾头水电站的应用

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发布时间:2017年6月17日

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


    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(或杠杆反馈)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”(少人值守),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(B&R)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。                           

 3.1 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、纠错及容错功能。

5)采用PCC高速计数模块(HSC)测频。PCC高达6.3MHz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(数字信号),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:1.5 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31.5MPa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、纠错及容错功能,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。

3.3 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(PWM)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如下:

1)               转速死区 : 0.015 %

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=0.5

上扰:48.00Hz 至 52.00Hz,下扰: 52.00Hz 至 48.00Hz

PID调节参数
 上扰/下扰
 最高(低)值(Hz)
 调节次数(次)
 调节时间(s)
 
bt=45

Td=20

Tn=0.5
 上扰
 52.03
 1
 8
 
下扰
 47.46
 1
 7
 

3) 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
 
Fj(Hz)
 50.03
 49.98
 
Fj(Hz)
 50.02
 49.96
 
Fj(Hz)
 50.04
 49.99
 

自动空载频率摆动值:±0.06%

4)甩25%额定负荷,接力器不动时间为0.18s。

5)甩100%额定负荷,转速最大上升为额定转速的133.6%,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±0.5%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GB9652.1-1997”。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”(少人值守)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(4)

[2]  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。

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刘忠良  男,天津市科音自控设备有限公司工程师,从事水轮机调速器研究及开发工作。

米建国  男,硕士,天津市科音自控设备有限公司高级工程师,从事水轮机调速器研究及开发工作。

王仲 江  男,贵州省铜仁市地方电力公司工程师,从事公司管理工作及电厂电气设计工作。