1、长控所用户技术培训讲稿一、水轮机调速器国家标准及行业标准等有关情况介绍(一)三类执行标准目前,水轮机调速器与油压装置有三类执行标准:国标、行标与企标。国家标准:GB/T9652.1-2007水轮机控制系统技术条件;GB/T9652.2-2007水轮机控制系统试验。由国家水轮机调速器技术标准化委员会编写。行业标准:DL/T563-2004 水轮机电液调节系统及装置技术规程;DL/T496-2001 水轮机电液调节系统及装置调整试验导则。现行行标即将出来(2012年),由中国电力行业水电站自动化标准化技术委员会编写。企业标准:QB/T001L-2001 水轮机数字式电液调速器技术条件。本标准由长控
2、所等四家企业共同为“数字式调速器”编写的技术条件。(二)水轮机调速器试验项目介绍1、充水前试验(静态试验)(1)调速器机械液压系统的调整与检查主要包括:低油压时各阀体中位的调整、各部件连接是否牢固;工作油压时各充油部件是否密封完好、开关机时间是否调整正确等。(2)电源回路检查保证强电如AC220V、DC220V电源的正确性;保证开关电源的各等级输出电压的正确性。(3)零位、幅值调整保证接力器全关时调整后输出刚好为0,接力器全开时调整后输出刚好为10V(PLC调速器和PCC调速器)。(4)模拟表计调整保证零值时的零刻度和全值时的满刻度。(5)静态试验(轮叶随动系统不准确度)这是调速器充水前的一个
3、重要试验,本试验的试验结果能反映调速器的静态调节品质好坏。当调速器的机械、电气动作基本正常后,就可做静态特性试验了。具体的试验方法这里不做介绍。国家标准规定:大型调速器转速死区ix0.02%,中型调速器转速死区ix0.06%,小型电液调速器转速死区ix0.10%,小型机械液压调速器转速死区ix0.18%。国家标准规定:轮叶随动系统的不准确度不大于0.8%。(6)协联曲线校验对双调节机组,可以进行协联曲线校验记录,将水头置某一有效值,导叶切手动,轮叶处于自动,将导叶接力器在全行程范围内进行开机或关机试验,进行协联输出和轮叶接力器全行程记录。国家标准规定:电气协联特别是数字协联,实测的协联曲线与理
4、论协联关系曲线的偏差不大于轮叶接力器全行程的1%。对于冲击式机组,应该进行喷针位置偏差的校验。在稳态工况下,对多喷嘴冲击式水轮机的任何两喷针之间的位置偏差,在整个范围内均不大于1%;每个喷针位置对所有喷针位置平均值的偏差不大于0.5%。(7)手自动切换与紧急停机试验将调速器切为自动工况,模拟并网并通过改变功给让接力器开至50%附近,进行手自动互相切换,接力器应无明显冲击。模拟事故发紧急停机信号,动作应正常,机组完成停机后,复归紧停电磁阀,动作应正常。2、充水后试验(动态试验)(1)手动开、停机与手动空载摆动测试国家标准要求大型调速器手动空载摆动值0.2%,中小型和特小型调速器手动空载摆动值0.
5、3%。(2)自动开机与自动空载摆动测试国家标准要求:大型调速器自动空载摆动值0.15%,中小型调速器自动空载摆动值0.25%,特小型调速器自动空载摆动值0.3%。当然其前提条件是手动空载摆动值满足国家标准的要求。如果机组的手动空载转速摆动值大于国标规定的值,则其自动空载转速摆动值不大于相应的手动空载转速摆动值即可。对于自动开机,国家标准要求:机组启动开始至机组空载转速偏差小于同期带(+1%-0.5%)的时间tSR不得大于从机组起动开始至机组转速达到80%额定转速的时间t0.8的5倍。(3)空扰(8%)试验和自动停机国标对空载扰动试验不作考核要求,此试验目的是参数的选优。综合调节次数、调节时间和
6、超调量比较理想的调节参数即为优选参数,优选参数为机组投运的最后(最佳)参数。做完空扰试验后发停机令自动停机。(4)甩负荷试验机组自动开启,并网带上一定负荷,进行如下甩荷试验:甩25%负荷自动工况并网运行后,负荷量增至25%,断开油开关,测量接力器不动时间Tq。国家标准要求:电调Tq0.2s,机调Tq0.3s;甩75%负荷自动工况运行,并网后负荷量增至75%左右,断开油开关,观察转速、水压的上升情况,若无异常,则做甩满负荷试验;甩100%负荷自动工况运行,并网后负荷量增至100%左右,断开油开关,观察转速上升和调节时间的情况,国家标准要求:甩100%负荷后超过3%额定转速的波峰次数2次;从机组甩
7、负荷时起,到机组转速相对偏差小于1%为止的调节时间tE与从甩负荷开始至转速升至最高转速所经历的时间tM的比值,对中、低水头反击式水轮机不大于8;桨叶关闭时间较长的轴流转桨式水轮机不大于12;对高水头反击式水轮机和冲击式水轮机应不大于15;对从电网解列后给电厂供电的机组,甩负荷后机组的最低相对转速不低于0.9(投入浪涌控制及桨叶关闭时间较长的贯流式机组除外)。需要提醒大家的是:有指标要求的静态和动态试验,其指标要求都是在满足“国家标准要求大型调速器手动空载摆动值0.2%,中小型和特小型调速器手动空载摆动值0.3%;对PID(PI)型调速器,水轮机引水系统的水流惯性时间常数Tw不大于4(2.5)s
8、, 反(冲)击式机组的Ta不小于4(2)s,且水流惯性时间常数Tw与机组惯性时间常数Ta的比值不大于0.4”的条件下提出的。当然,还有海拔高度、温度和湿度等方面的基本条件,这里不细谈,大家注意参考国标就是了。二、与水轮机调速系统相关的机组自动化专题同步发电机励磁装置、机组现地控制单元、机组的保护信号系统、同步(期)装置、制动系统、水电站闸门及机组主阀、调节保证计算、两段关闭装置、机组转速检测装置等是与水轮机调速系统比较紧密相关的机组自动化设备或知识点。下面重点介绍与调速器关系最为密切的几个设备。(一)同步发电机励磁装置同步发电机励磁装置与调速系统的关联关系是明显的:调速的控制对象是水轮机,励磁
9、的控制对象是发电机;调速负责机组转速(频率)和有功功率的调节,励磁负责机组机端电压和无功功率的调节。 在机组进入空载和小网运行工况时,励磁与调速的关联关系尤其显得明显:1、空载时:励磁是投入的,不投励磁的工况是空转状态,按照我们正常的理解,在电压互感器电压作为测频信号源的情况下,励磁投入时PT波形最好最稳定,这时的测频的准确性、稳定性、可靠性比励磁不投入时更好,应该说其空载摆动值也比励磁不投入时好,从测频信号源的稳定性(大小、能量)来看,应该是这样。其实不然,空载的频率摆动值往往比空转的频率摆动值大,因为励磁投入相当于加上一个负载,一个阻力矩,励磁的电压调节与频率有关,频率变化会引起电压调节,
10、同时,励磁这个阻力矩随着转速的改变而改变,同样会引起频率调节,造成空载摆动过大甚至不稳定。这一点在小机组上表现得更为突出。2、小网运行时:时常会有突加大负荷引起机组转速过低,造成励磁过流,从而保护动作,跳机端油开关,跳灭磁开关的现象。这是一个调速励磁综合的问题,应该从调速和励磁两个方面找原因。调速解决低转速问题,主要是考虑控制规律的改变,调节模式的改变等,比如将PI调节规律转成PID调节规律,开度调节模式转成频率调节模式。励磁解决低转速时的强励过电流问题,一方面要对励磁的强励进行适当的限制,从而不易产生过电流,同时保护的过电流动作门槛可配合一下适当加大,一旦低转速点越过,机组和系统就会正常工作
11、。当然,小网运行时也会有突减大负荷引起机组过速的现象。这点与下面的线路跳油开关现象类似,不再重复分析。3、线路跳油开关(机端油开关合上)时:时常会出现机组过速的现象,这是一个纯调速器的问题。因为并网程序是有差调节,bp在起作用,是缓慢的调节过程,一旦线路油开关跳而机端油开关不跳,很容易出现过速现象。调速器解决此问题,主要是考虑机组频率偏离50Hz在0.5Hz以上时控制规律的改变,调节模式的改变等,比如将PI调节规律转成PID调节规律,开度调节模式转成频率调节模式。一旦机组频率偏离50Hz在0.5Hz以下,控制规律和调节模式恢复,即变成PI调节和有差的开度调节模式或功率调节模式。(二)机组现地控
12、制单元现地控制单元为水电厂计算机监控系统的一个重要组成部分,它构成分层结构中的现地级。现地级一般包括机组现地控制单元、开关站现地控制单元、公用设备现地控制单元等。现地级一方面与电厂生产过程联系、采集信息,并实现对生产过程的控制,另一方面与电厂级联系,向它传送信息,并接受它下达的命令。因此,可以说,现地控制单元是水电厂计算机监控系统的基础,而机组现地控制单元则更是机组能否安全运行的关键所在。机组现地控制单元的人机接口十分重要,它对电站是连接整厂与机组的纽带,一般采用联网的方式进行;它对机组的各辅控设备又是联系的执行者,有并行连接方式(开关量的无源接点式)和串口(RS232/RS485)或组网连接
13、方式两类。(三)同步(期)装置同步发电机的同期并列是将发电机组投入电力系统并列运行时完成的操作。同期并列有准同期并列和自同期并列两种方式,均可采用手动或自动完成。准同期并列是先给发电机加上励磁,然后对已励磁发电机的电压和频率进行调整,使之与电力系统同步,即达到电压相等、频率相等、相位相同。一旦达到同步,即刻操作断路器合闸,将发电机并入系统。准同期并列的优点是对发电机和系统的冲击小;缺点是同期过程长。自同期并列是待发电机转速上升到接近系统同步转速时,将未加励磁的发电机投入电力系统,接着加上励磁,发电机自行拉入同步。自同期并列的优点是并列快,不会造成非同期合闸;缺点是冲击电流大,机组振动较大。两种
14、同期方式在水电站均被广泛采用,而在实际运行中经常、大量用的是准同期并列方式。在系统故障情况下,为加速故障处理,对水轮发电机可采用自同期方式。大中型水轮发电机组一般采用自动准同期作为正常的同期并列方式,以手动准同期作为备用的同期并列方式,自动自同期作为系统事故情况下的同期并列方式。同步(期)装置:发电机在并入系统前与其它发电机和电力系统是不同步的,存在频率差、电压差和相位差。采用准同步并列必需满足三个条件:1、发电机频率与系统频率近似相等; 2、发电机电压与系统电压幅值近似相等;3、合闸瞬间发电机电压的相位与系统电压的相位近似相同。合闸瞬间的频率差、电压差和相位差会导致冲击电流和转矩的产生。相差
15、较大时产生的冲击将导致发电机绕组的电气损坏、短路甚至烧毁。过大的振动也会使发电机机械部分遭受损坏,使厂房有较大的振动。此时,系统电压也会下降,对系统产生不利的影响。因此,要尽量避免上述情况的发生。所以机组的同步并列是一项重要的操作。允许误差(频率差、电压差和相位差)的大小与机组容量有关。一般来说,机组容量越大,允许的误差就越小。据统计,一位熟练的工人采用手动将发电机并入系统时,最好的情况下也只能达到5度的相位差,这对大中型机组是不能满足要求的。因此,手动并列不能达到比较严格的技术要求,必需求助于自动装置。目前比较流行且比较成熟的同步手段是采用微机同步装置。微机自动准同期装置有测量(电压差、频率
16、差和相位差)、调整控制、发合短路器脉冲三种功能。测量电压差、频率差和相位差后,要检验它们是否在允许范围内。如超出允许范围,就要对机组电压、转速进行调整控制。关于允许范围,目前无明确规定。总的来说,机组容量越大,要求越严。同步并列对电压差要求不像对频率差和相位差那么严,当不能满足时,一般采用PI调节励磁即可。电压差的控制即机组电压的调整是将励磁PI调节的结果转换成增减电压给定的脉冲。频率差的控制即机组频率的调整一般采用PID调节,相位差的调整采用PI调节。频率差的控制是将频率差PID调节的结果转换成增减频率给定的脉冲。为了加快同步并列的过程,在频率差小于某个定值时切换到按相位差进行PI调节,它的
17、输出仍然去控制调速器的整定值。机组的同步速度,一般要求机组从启动到并入系统控制在一分钟以内。至于允许同步装置并列的时间则没有明确规定。随着机组容量的增大,计算机价格的下降,越来越多的大中型机组采用单独的同步装置,今后发展的趋势是,各台机组均设各自的同步装置。(四)调节保证计算在电站运行中,常会遇到由于各种事故、机组突然与系统解列,把负荷甩掉的情况。此时机组转速上升,调速器关闭导叶。经过一定时间后,机组回复到空载转速。在此调节过程中,除调节系统稳定性是个重要问题外,在调节过程中的最大转速上升值亦是重要的。它可能影响到机组的强度、寿命及引起机组振动。在甩负荷时,由于导叶迅速关闭,水轮机的流量会急剧
18、变化,因此在水轮机压力过水系统内会产生水击,此时产生的最大压力上升和最大压力下降对压力过水系统的强度是有影响的。工程实践中曾发现因甩负荷压力上升太高而导致压力钢管爆破的灾难性事故。为此,在设计阶段(主机厂或设计院)就应计算出上述过渡过程中最大转速上升值及最大压力上升值。工程中把这种计算称为调节保证计算。甩负荷过渡过程中影响转速升高的因素很多,主要有导叶的关闭规律、关闭时间、机组惯性时间常数Ta,水流惯性时间常数Tw,水轮机的特性和液流的惯性等。限制水击压力升高与限制机组转速升高的要求是互相制约的,矛盾的焦点是导叶关闭时间Ts,调保计算就是为了调和解决这一矛盾。在某些情况下可以找出能使两方面的要
19、求同时得到满足的Ts,在另一些情况下则必须采取一些措施才能满足要求:1、增加机组的转动惯量2、设置调压室(调压井)特别是有长引水管的水电站,Tw值往往较大,当改变关闭时间仍然不能满足水击压力升高和转速升高允许值的要求时,就必须采用减少Tw值的办法来解决,为此可设调压室。一般情况下,设不设调压室的近似标准可由Tw值来判断,当Tw3s时,可以不设调压室,大于此值要设调压室。3、装设调压阀(现在有很多新建水电站采用此方案)设置调压室的投资成本大,工期长,特别地受地质、地形条件限制。所以对于兴建调压室有困难的Tw12s的中小型电站可考虑以调压阀代替调压室。调压阀的作用在于:当机组甩负荷后,水轮机流量迅
20、速减小时,调压阀自动开启,使来自上游管道的流量有相当一部分从调压阀泄掉,随后在一定时间内(2030s)缓慢地关闭。4、改变导叶关闭规律最常用的是采用两段关闭规律。采用两段关闭规律除了改善大波动过渡过程外,还可作为轴流式水轮机的防抬机措之一。为了获得最佳的减轻或消除抬机现象的效果,应在压力上升和速率上升均在设计保证范围内,去寻求拐点的位置和第二段关闭时间(节流时间)。采用合理的两段关闭规律可以防止异常的压力和转速上升,降低尾水管的真空度,同时也可减小水泵升力。总之,随着电力系统容量的不断增加和机组制造水平的提高,提高速率上升允许值是有可能的,至于提高的幅度应根据电站及电力系统的情况与制造厂协商解
21、决。(五)两段关闭装置的应用总结以往的经验,一般以下三种情况需要考虑装设两段关闭装置:1、低水头电站的轴流转桨和贯流式机组,关闭太快可能会发生抬机现象,这时需要考虑装设两段关闭装置;2、混流式机组,特别是长引水管的水电站,Tw值往往较大,用常规改变关闭时间的方法仍然不能满足调保计算的要求时,就必须采用减少Tw值的办法来解决,一般会考虑调压室或装设调压阀。如果还不方便,这时常会考虑装设两段关闭装置。3、增容的机组,特别是增容改造的电站,由于增容改造前的调保计算满负荷接力器开度不是很大(如85%),增容改造后,满负荷接力器开度可能会很大(如95%),显然用原来调保计算的关机时间结果来调整关机时间会
22、引起过速,这是可以考虑装设两段关闭装置。(六)转速测控装置的应用水轮发电机组转速是反应机组运行情况的一个主要标志,根据机组不同的转速值,发出不同的命令和信号,对机组进行监视、控制和操作。当机组的转速达到或超过额定转速的140%(145%)时,即发出过速信号,并命令机组采取事故紧急停机措施,严重时甚至要关闭进水闸门;当机组的转速达到或超过额定转速的115%时,如果这时主配拒动,利用事故配压阀在调速器拒动的情况下迅速切换油路,即封闭来自调速器主配压阀的油路,而将压力油直接导致接力器的关闭侧,迅速关机;在开机过程中,如采用自同期并列方式,则当机组转速上升到额定转速的95%时,发出同期并列信号,使发电
23、机并列断路器投入;在开机过程中,当转速达到90%时,励磁开始起励,当然,90%的转速点在微机励磁中,是励磁调节器自动测量并作处理的;在停机过程中,当转速下降至额定转速的35%以下时,送出机组制动信号,对机组进行制动操作;在停机过程中,当转速下降至额定转速的5%(最好是1%)以下时,机组则被看作是停机状态。目前的电气转速测控装置主要有模拟式、微机式和可编程式三类。信号源有PT残压、永磁机、旋转编码器以及齿盘与探头等几种。为了防止机组的电气转速测控装置的某一环节出现问题,可同时在机组上采用机械型转速信号器,作为机组过速保护的双重保护。三、水轮机调速器调节原理与软件解析专题(一)水轮机调节水轮机调速
24、器的调节对象是水轮机,调节目标是维持机组于额定转速(频率),根据机组的给定负荷,调节有功功率。不断地调节机组的有功功率,维持机组的转速在额定转速的规定范围内是水轮机调节的基本任务。按我国电力部门规定,电网的额定频率为50Hz,大电网允许的频率偏差为0.2Hz。水轮机调速器是水电站水轮发电机的重要辅助设备,它与电站二次回路或微机监控系统相配合,完成水轮发电机组的开机、停机、增减负荷、紧急停机等任务。水轮机调速器还可以与其它装置一起完成自动发电控制、成组控制、按水位调节等任务。(二)水轮发电机组的运动方程J = Mt Mg 惯性矩 角速度的速率 动力矩 阻力矩Mt与流量(接力器开度)、水头成正比,
25、Mg与负载等阻力成正比。水轮发电机组的运动方程是从能量守恒的角度帮助我们理解水轮机调速器的工作过程。(三)水流惯性时间常数 Tw=Tw的物理概念:在额定水头Hr作用下,过水管道内的流量Q由0加大至额定流量Qr所需要的时间。调速器的动态调节品质与Tw有关。从自动控制理论的观点来看,过水管道水流惯性使得水轮机控制系统成为一个非最小相位系统,对系统的动态稳定和响应特性会带来十分不利的影响。Tw越大,机组越不容易稳定。(四)机组惯性时间常数Ta= Ta的物理概念:在额定水头Hr和额定力矩Mr作用下,机组转速n由0上升至额定转速nr所需要的时间。水轮发电机组存在着机械惯性,可用机组惯性时间常数Ta来表述
26、,其表达式如上。Ta越大,机组越容易稳定。应用示例:水轮发电机组的Ta范围一般是在410s之间,按最坏情况,每秒频率上升最大可能为50Hz/5s,即等于10Hz/s,由于采样周期一般取10ms,所以在采样相邻的两个周期中所测得频率上升或下降值一般不会超过0.1Hz,否则就认为机频测量错误。PLC调速器程序的频率检错就是以此为依据的。调速器的调节质量与Ta有关。Ta越大,机组的惯性越大,调节品质越好。(五)水轮机调速器工作基本原理不论哪种类型的水轮机调速器,调节水轮机转速的基本原理是相同的,都是采用反馈控制的原理,工作原理如图3-1所示。在水轮机转速调节中,被调量是水轮机的转速(或水轮发电机组的
27、频率),调节的目标是转速给值,通常为额定转速(或额定频率50z)。引起转速变化的是机组负荷扰动或进入水轮机的水量的变化。在水轮机调速系统中调整机组转速的调节机构是水轮机的导水叶。改变导水叶的开度、水轮机的水体流量,从而改变机组的转速。图3-1 水轮机调速器工作基本原理图调速器能使水轮机的转速保持在额定值,是因为调速系统将水轮机转速反馈到转速测量机构,实时地测量机组转速与给定转速的偏差,并根据该偏差的大小和方向,按照预定的调节规律产生调节指令。该指令通过执行机构(电液随动系统)开启或关闭导水叶,调节进入水轮机的水量,改变水轮机的转速。由于系统是接成负反馈,转差所产生的调节作用总是使这个转差减小,
28、直至偏差为零,保证了机组实际转速与给定值相等。从水轮机调速器工作基本原理图中可以看出,水轮机调速器一般由转速偏差测量机构、调节器和电液随动系统或执行机构三大部分组成。(六)电子调节器加电液随动系统的调速器结构框图水轮机调速器必须有相适应的调节规律和适当的调节参数才能保证该调节系统的稳定性和较好的调节品质。调节器输出与转速偏差成比例加积分关系(P-I)和调节器输出与转速偏差成比例加积分加微分的调节规律(P-I-D)都能满足水轮机调速系统稳定性的要求。适当调整比例、积分和微分整定参数,能使调速系统得到较好的调节品质。将转速偏差经过运算产生调节指令是调速器中的关键机构调节器。PID调节器的输出表达式
29、为:Uy=p+I+D式中:为转速偏差; p、I和D为比例项、积分项和微分项增益;Uy为调节器的输出控制信号。现代水轮机调速器大都采用工业微机控制器作电子调节器单元,一般将转速及转速偏差测量、调节规律形成、开停机操作等功能都交由工业微机控制器实现。电子调节器的输出控制信号控制电液随动系统,实现调速器全部功能。所以称这类系统结构为电子调节器加电液随动系统系统结构。图3-2是电子调节器加电液随动系统调速器的结构框图。图3-2 电子调节器及电液随动系统的调速器结构框图从上述的介绍可以看出,水轮机调速器工作过程中,电液随动系统起着执行机构的作用,它接受调节器的控制指令,驱动导水叶开启和关闭。由于需要十分
30、强大的驱动力,电液随动系统一般是一个多级放大器功率伺服系统,也是个闭环控制系统。尽管由于所用的控制部件、电液转换部件、系统结构等的不相同,便构成了不同类型的水轮机调速器,但是在水轮机调节器中的作用却是相同的。(七)调速器系统结构框图分析对于不同方案的调速器有不同的变种:(1)电机控制类:伺服电机(交流与直流)和步进电机;电机类调速器又分中间接力器方案和自复中方案。中小调大多采用中间接力器方案。因为该方案调整调试方便,又能满足中小调的技术指标要求(中小调的机械反馈链不长)。现在的大型电机类调速器大多采用自复中方案。特别是机械反馈链长的机组建议采用此方案。(2)比例阀控制类:静态和动态调节品质优良
31、,但对油质要求比较高。比例阀控制常用于大型贯流式调速器、高油压中小型调速器和冲击式调速器。(3)数字阀控制类:主要适用于中小型调速器。调速器的电气部分完成测频、PID运算(一般由计算机来实现)和电液随动系统中的综合放大环节(如电机方案的驱动器、比例阀和数字阀方案的驱动板)。(八)测频环节测频环节完成机组PT(或永磁机、齿盘信号)、电网PT等信号源的机、网频测量,最终的结果是提供调节器的频差信号ff给(网频)f机。对于普通可编程调速器,此环节一般由单片机(如89C51)、PLC的输入模块和PLC的CPU模块来完成;对于全可编程调速器,此环节由PLC本体(CPU和高速计数器)来完成,有一定技术难度;对于PCC调速器来说,此环节由PCC本体来完成(技术上较易实现,并且有很好的实时性、测量精度)。值得提出的是,全可编程调速器和PCC调速器有很高的测频可靠性。从调速器的系统结构来看,测频是三个串联环节的前置环节,一旦测频出错或不可靠,整个调速器自动通道的可靠性就无从谈起。因此,测频的重要性和可靠性值得引起每一位从事调速器工作者的高度重视,这也是在这里特地就测频环节进行详述的原因。(九)调节输出YPID运算是调节器的核心,它将频差信号进行PID运算形成调节y1,当机组并网发电时,功给信号通过bp、积分项形成调节y2,继而形成调节器输出y= y1+ y2,y通过D/A模块(或模板)形成0
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