1 引言
水輪機調(diào)速器是水電機組兩大調(diào)節(jié)設(shè)備之一,它不僅起調(diào)速作用,而且也承擔(dān)了水輪發(fā)電機組的各種工況轉(zhuǎn)換和頻率、功率、相角等各種控制以及保護水輪發(fā)電機組的任務(wù)。水輪機調(diào)速器先后經(jīng)歷了機械液壓型調(diào)速器、電氣液壓型調(diào)速器和微機數(shù)字型液壓調(diào)速器三個發(fā)展階段。近年來,可編程控制器已被引入水輪機調(diào)速系統(tǒng),其抗干擾能力強、可靠性高;編程、操作簡單方便;采用模件式結(jié)構(gòu),通用性好,靈活性大,維修方便;有較強的控制功能和驅(qū)動能力等優(yōu)點;已得到實際驗證。
本文提出了PLC水輪機雙調(diào)節(jié)系統(tǒng)研究,分別利用可編程控制器實現(xiàn)導(dǎo)葉、槳葉雙調(diào)節(jié),提高了導(dǎo)葉、輪葉針對不同水頭情況的協(xié)調(diào)精度。實踐表明,該雙控制系統(tǒng)提高了水能的利用率。
2 水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)
2.1水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖
水輪機調(diào)速系統(tǒng)的基本任務(wù)就是當(dāng)電力系統(tǒng)負荷發(fā)生變化、機組轉(zhuǎn)速出現(xiàn)偏差時,通過調(diào)速器相應(yīng)地改變水輪機導(dǎo)葉開度,使水輪機轉(zhuǎn)速保持在規(guī)定的范圍之內(nèi),從而使發(fā)電機組的輸出功率和頻率滿足用戶要求。水輪機調(diào)節(jié)的基本任務(wù)可分為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、有功功率調(diào)節(jié)和水位調(diào)節(jié)。
2.2 水輪機調(diào)節(jié)原理
水輪發(fā)電機組是由水輪機和發(fā)電機連接而成的機組。水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)動部分是一個圍繞固定軸線作旋轉(zhuǎn)運動的剛體,它的方程可由以下方程來描述:
式中: ——機組轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量(Kg·m2)
——旋轉(zhuǎn)角速度(rad/s)
——水輪機力矩(N/m),其中包括發(fā)電機所有機械和電氣損失。
——發(fā)電機阻力矩,指發(fā)電機定子對轉(zhuǎn)子的作用力矩,它的方向與旋轉(zhuǎn)方向相反,代[2]表發(fā)電機有功功率輸出,即負荷的大小。論文檢測。
當(dāng)負荷變化以后,導(dǎo)葉開度不變,機組轉(zhuǎn)速仍可穩(wěn)定在某一數(shù)值上。因為轉(zhuǎn)速將偏離額定值,所以僅僅依靠自平衡調(diào)節(jié)能力來保持轉(zhuǎn)速是不行的。要使機組轉(zhuǎn)速在負荷變動以后仍維持在原來額定值,從圖1中可以看出,這就需要相應(yīng)改變導(dǎo)葉開度。當(dāng)負荷減少時,阻力矩由變到時,把導(dǎo)葉開度減小到,機組轉(zhuǎn)速將維持在;相反,當(dāng)負荷增加時,將導(dǎo)葉開度至,就能維持機組轉(zhuǎn)速不變。論文檢測。所以隨著負荷的改變,相應(yīng)改變導(dǎo)水機構(gòu)的開度,以使水輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速維持在某一預(yù)定值,或按某一預(yù)定規(guī)律變化,這一過程就是水輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),或稱水輪機調(diào)節(jié)。
圖1 水輪機調(diào)節(jié)示意圖
3 PLC水輪機雙調(diào)節(jié)系統(tǒng)
水輪機調(diào)速器是通過控制導(dǎo)水葉片開度,調(diào)節(jié)進入水輪機轉(zhuǎn)輪的流量,從而改變水輪機的動力矩,達到控制水輪機組頻率的目的。但在軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機的運行過程中,調(diào)速器不僅要調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度,而且還要根據(jù)導(dǎo)葉接力器行程和水頭值,調(diào)整轉(zhuǎn)輪葉片角度,使導(dǎo)葉與輪葉之間保持最佳配合關(guān)系,即協(xié)調(diào)關(guān)系,這樣可以提高水輪機效率,減少葉片汽蝕和機組振動,增強水輪機組運行的平穩(wěn)性。
PLC控制水輪機輪葉系統(tǒng)的硬件主要由兩部分組成,即PLC控制器和液壓隨動系統(tǒng)。首先,我們討論一下PLC控制器的硬件結(jié)構(gòu)。
3.1 PLC控制器
PLC控制器,主要由輸入單元、PLC基本單元和輸出單元三大部分組成,其中輸入單元由A/D模塊和開關(guān)量輸入模塊組成,輸出單元由D/A模塊和開關(guān)量輸入模塊組成。論文檢測。PLC控制器配有LED數(shù)字顯示,以便實時觀測系統(tǒng)PID參數(shù)、輪葉接力器位置、導(dǎo)葉接力器位置和水頭值。另外還配有模擬電壓表,以便在微機控制器故障時仍能監(jiān)視輪葉接力器的位置。
3.2 液壓隨動系統(tǒng)
液壓隨動系統(tǒng)是水輪機輪葉控制系統(tǒng)的重要組成部分,控制器輸出信號經(jīng)液壓放大,控制輪葉接力器移動,從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)輪葉片的角度。我們采用了比例閥控制主配壓閥式電液控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的機液控制系統(tǒng)相結(jié)合的方式,構(gòu)成了如圖2所示的電液比例閥、機液閥并聯(lián)式液壓控制系統(tǒng),作為水輪機輪葉的液壓隨動系統(tǒng)。
圖 2 水輪機輪葉液壓隨動系統(tǒng)
當(dāng)PLC控制器、電液比例閥和位置傳感器均正常時,采用PLC電液比例控制方式來調(diào)節(jié)水輪機輪葉系統(tǒng),通過電信號方式傳遞位置反饋值和控制輸出值,通過PLC控制器進行信號綜合、處理和決策,通過比例閥調(diào)節(jié)主配壓閥閥門開度,以控制輪葉接力器的位置,保持導(dǎo)葉、水頭和輪葉三者之間的協(xié)聯(lián)關(guān)系。電液比例閥控制的水輪機輪葉系統(tǒng),它的協(xié)聯(lián)精度較高,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,抗油污能力強,便于與PLC控制器接口,組成微機自動控制系統(tǒng)。
由于保留了機械協(xié)聯(lián)機構(gòu),在電液比例控制方式時,機械協(xié)聯(lián)機構(gòu)也同步工作,跟蹤系統(tǒng)的運行狀況。如果PLC電液比例控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障,那么切換閥立即動作,機械協(xié)聯(lián)機構(gòu)基本上能夠跟蹤電液比例控制系統(tǒng)的運行狀態(tài),當(dāng)切換時,系統(tǒng)沖擊較小,輪葉系統(tǒng)能夠平穩(wěn)地過度到機械協(xié)聯(lián)控制方式,這樣就大大保障了系統(tǒng)運行的可靠性。
我們設(shè)計液壓回路時,以盡少改動己有的調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為準則,重新設(shè)計了機液調(diào)節(jié)閥閥體,閥體與閥套的配合尺寸、閥體與主配壓閥的連接尺寸及機液閥與主配壓閥間的連桿尺寸都與原來相同,安裝時只需要更換機液閥閥體,其他部分均不需做任何改動。整個液壓控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常緊湊,在完全保留機械協(xié)聯(lián)機構(gòu)的基礎(chǔ)上,增加了電液比例控制機構(gòu),以利于與PLC控制器接口,實現(xiàn)數(shù)字協(xié)聯(lián)控制,改善水輪機輪葉系統(tǒng)的協(xié)調(diào)精度;而且該系統(tǒng)的安裝調(diào)試過程非常容易,縮短了水輪機組的停機時間,便于對水輪機液壓控制系統(tǒng)進行改造,具有很好的實用價值。在現(xiàn)場實際運行時,該系統(tǒng)受到電站工程技術(shù)人員的高度評價,認為完全可以在眾多水電站的調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。
3.3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方法
在PLC控制水輪機輪葉系統(tǒng)中,采用數(shù)字協(xié)聯(lián)方法實現(xiàn)導(dǎo)葉、水頭與輪葉開度之間的協(xié)聯(lián)關(guān)系,與傳統(tǒng)的機械協(xié)聯(lián)方式相比較,數(shù)字協(xié)聯(lián)方法具有參數(shù)修整容易、調(diào)試維護方便、協(xié)聯(lián)精度高的優(yōu)點。輪葉控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),主要由系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能程序、控制算法程序和診斷程序組成,下面我們分別討論上述三部分程序的實現(xiàn)方法。
調(diào)節(jié)功能程序主要包括一協(xié)聯(lián)子程序、輪葉開機子程序、輪葉停機子程序和輪葉甩負荷子程序。當(dāng)系統(tǒng)工作時,首先識別判斷當(dāng)前的運行工況,然后啟動軟件開關(guān),執(zhí)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)功能子程序,計算輪葉接力器的位置給定值。
。1)協(xié)聯(lián)子程序
通過水輪機組模型試驗,可以得到協(xié)聯(lián)曲面上的一批實測點傳統(tǒng)的機械協(xié)聯(lián)凸輪就是根據(jù)這些實測點制成的,數(shù)字協(xié)聯(lián)方法也利用這些實測點,并繪制成一組協(xié)聯(lián)曲線。選取協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線上的己知點作為節(jié)點,采用二元函數(shù)分段線性插值的辦法,可以求出協(xié)聯(lián)此線上非節(jié)點的函數(shù)值。
(2)輪葉開機子程序
研究開機規(guī)律的目的是為了縮短機組啟動時間,減輕推力軸承的負荷,為發(fā)電機組創(chuàng)造最優(yōu)的并網(wǎng)條件。
(3)輪葉停機子程序
輪葉采用的關(guān)閉規(guī)律如下:當(dāng)控制器接到停機指令后,輪葉按照協(xié)聯(lián)關(guān)系與導(dǎo)葉同時關(guān)閉,以確保機組的穩(wěn)定:當(dāng)導(dǎo)葉開度小于空載開度時,輪葉滯后于導(dǎo)葉緩慢關(guān)閉,這時輪葉與導(dǎo)葉之間不再保持協(xié)聯(lián)關(guān)系;當(dāng)機組轉(zhuǎn)速降至80%額定轉(zhuǎn)速以下時,輪葉又重新打開至啟動角度Φ0,為下次開機做好準備。
(4)輪葉甩負荷子程序
甩負荷是指帶負荷的機組突然從電網(wǎng)脫離,使機組和引水系統(tǒng)處于最惡劣的運行狀態(tài),這直接關(guān)系到到電廠及機組的安全。甩負荷時,調(diào)速器相當(dāng)于保護裝置,使導(dǎo)葉、輪葉立即關(guān)閉,直至機組轉(zhuǎn)速降至額定轉(zhuǎn)速附近,其調(diào)節(jié)規(guī)律的性能直接影響到轉(zhuǎn)速上升,水壓上升,抬機量和機組穩(wěn)定性。因此在實際甩負荷時,一般把輪葉開至某一角度,這一開度是通過實際電站的甩負荷試驗獲得,它能夠保證機組在甩負荷時,不僅轉(zhuǎn)速上升較小,而且機組比較穩(wěn)定。
4 結(jié)論
本文針對當(dāng)前我國水輪機調(diào)速器行業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀,參考國內(nèi)外水輪機調(diào)速控制領(lǐng)域的最新資料,將可編程序控制器(PLC)技術(shù)應(yīng)用于水輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速控制中,開發(fā)出以可編程序控制器(PLC)為核心的軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機雙調(diào)節(jié)系統(tǒng)。實際應(yīng)用表明,該方案大大提高了導(dǎo)葉、輪葉之間針對不同水頭情況的協(xié)調(diào)精度,提高了水能的利用率。
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本文標題:基于PLC的水輪機調(diào)速系統(tǒng)的開發(fā)與研究
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