摘要：灯泡贯流式机组具有转动惯量小，过流量大，效率高，适用于低水头等优点。目前灯泡贯流式机组已应用于低水头水力资源的开发，但灯泡贯流式机组是导叶、桨叶双调节，稳定性较差，本文针对于灯泡贯流式机组出现溜负荷现象进行分析，总结处理过程和研究方法。
关键词：水电机组 灯泡贯流式机组 溜负荷调速器 开度模式
1 引言
炳灵水电站位于甘肃省永靖县与积石山县交界处，是黄河上游龙羊峡至青铜峡梯级水电开发的第13个梯级水电站。炳灵水电站装有5台48MW的灯泡贯流式机组，设计水头是16.1米，最高水头25.7米，最低水头11.6米，年平均发电量为9.74亿度。炳灵电站于2008年投，且5台机组均采用武汉三联水电控制设备有限公司的比例数字冗余式调速器，型号为PSW(S)T-100(80)-6.3，其机械控制部分由先导阀、引导阀及主配压阀等部分组成。
2 问题的提出
炳灵电站自投运以来，机组运行较稳定。但从去年炳灵电站的2号、3号机组出现溜负荷现象。在调速器压油泵启动期间溜负荷现象是最为明显的，调速器不断调节负荷，压油泵频繁启动，导致机组不能在最优工况下运行。由于灯泡贯流式机组结构较其他类型机组比较特殊，机组运行工况不是最优时，机组振动较大，对机组本身损害较大。
3 调节思路
微机调速器有频率模式、开度模式和功率模式3 种调节模式。功率调节模式是在被控水轮发电机组并入电网后采用的一种调节模式。功率模式又分直接方式和间接方式[1] 。所谓直接方式的功率调节，是将机组有功功率测量值送入调速器，功率给定与机组实际功率测量值进行比较，经人工功率死区和功率永态差值系数ep 得功率调节差值ΔP ，经人工频率死区Ef的频差Δf 与ΔP 相加得积分输入项ΔI=Δf + ep*ΔP ，利用调速器进入稳的条件ΔI= 0，使调速器完成有功功率的闭环调节。间接方式是指调速器得到机组有功功率给定值，调速器根据反映水头、导叶开度和功率给定三者关系的表格，进行二元线性插值，求出与机组有功功率给定值对应的开度给定，与导叶开度相减得开度偏差值ΔY，经过人工频率死区Ef 的频差Δf 与ΔY 相加得到了积分输入项ΔI = Δf +ep*ΔY，利用调速器进入稳态的条件ΔI = 0，使调速器完成有功功率的闭环调节。炳灵电站灯泡贯流式机组的调速器采用间接式功率调节模式，但是主机厂家无法提供水头、导叶开度和功率给定曲线，因此采用三段式变积分方式来获得与机组有功功率给定值对应的开度给定的间接功率调节模式。
影响灯泡贯流式机组功率调节的因素：
1）水轮发电机组有水锤效应，功率会出现反调现象，即当导叶快速关闭时，作用在水轮机叶片上的水压升高，机组功率会先升后降；导叶快速打开时,机组功率则会先降后升。灯泡贯流式机组和常规混流式机组相比，具有机组转动惯量小、流量大、水流惯性时间常数较大的特性。这种特性就造成了灯泡贯流式机组大幅度功率调整的反调现象更为严重,机组功率会表现得更滞后。
2）水头变化大及水头变化率引起桨叶协联的差异等因素，都对调速器功率闭环产生不利影响。水头低时，根据协联关系得到的桨叶值较小，且变化率也较小；水头高时，根据协联关系得到的桨叶值较大，且变化率也较大。因此在高水头区间，净水头有波动时，桨叶值的变动会引发功率的变化。
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3）导叶与桨叶的协联。由于协联关系，在高开度区间,导叶的微小变化也会导致桨叶有较大变化，从而引起机组功率的变化，即在导叶开度较大区间，桨叶因素对机组功率的影响较大。在功率调节控制中，必须充分考虑桨叶因素。
4）调速器控制信号受到干扰源干扰。机组电缆铺设时未注意将动力电缆与控制电缆分布在不同的电缆桥架上，即调速器压油泵启动时，压油泵动力电缆对调速器控制电缆带来干扰信号，导致送入调速器PLC的导叶及桨叶大反馈信号不稳定，负荷随之而变化。
根据以上几点分析，结合灯泡贯流式机组调速器的特性以及长期运行的经验从调速器水头调整、功率模式下适应式变参数调节规律研究、桨叶跟踪协联模式优化[2]、功率死区增加施密特触发器自环闭锁[3] 等多个方面着手，按照主次分阶段推进。
4 处理实施办法
1）从水头因素对功率调节的影响入手。为避免调速器水头的瞬时波动导致机组负荷控制不稳，根据上下游水位的变化情况及时调整调速器水头，运行发现负荷波动情况依然存在，且负荷波动与水头刷新时间未发现有明显的规律。
2）从调速器内部功率闭环实现方式考虑。分析机组调速器采用功率适应式变参数调节规律，采用三段式负荷调节，第1 段为快速带负荷，即快积分阶段；第2 段为缓冲带负荷，即慢积分阶段;第3 段为实际负荷逐渐逼近外部功率给定阶段，即变积分阶段。处理时，修改调速器参数，扩大第2 段区间范围，使调速器提前进入慢积分，调整变积分区域，改进逼近效果，对比试验发现优化调整后，情况有很大好转，但运行一段时间后发现负荷波动、超调现象仍有发生。
3）从影响协联关系的导叶、桨叶开度展开。分析认为动态过程中桨叶按照比例积分微分( PID) 设定动作，大范围调节时，先于三段积分控制的导叶，导致负荷超调，经研究将调速器控制程序进行了部分修改，在机组实际负荷与监控系统设定负荷值相差较大时，桨叶不按照导叶的PID 计算值的协联表换算，而是根据导叶的实际开度值跟随动作，当调节至负荷偏差较小时，桨叶再切换为根据PID 计算结果动作。按此法改进后，效果较好，机组稳定运行了较长时间，但随后仍然发生了负荷波动现象。
4）检查调试机械液压系统。现场检查发现运行状态桨叶主配频繁往关方向微调，机调柜内调节和过油声音频繁，分析认为桨叶开关腔窜油，因此调速器不停调整，在功率死区附近难以稳定。常规的处理是对桨叶操作机构的密封进行检查，以及受油器的油管路进行检查，查看油管路是否有漏油或窜油的现象。
5）检查调速器控制信号是否有干扰源。检查调速器电控柜的控制信号线频蔽线接地是否可靠、牢固，将控制信号线与调速器压油泵动力电缆分开分布或者将导叶、桨叶大反馈信号进行隔离后再送入调速器PLC。、
5 结束语
经过上述综合处理，炳灵水电站机组运行稳定，对机组出现溜负荷的问题得到了控制和改变。处理方案从调速器水头调整时间的控制、功率模式下适应式变参数调节规律研究、桨叶跟踪协联模式优化等多个方面着手，对国产调速器灯泡贯流式机组程序设计，特别是对调速器内部闭环的功率控制模式优化起到一定的作用。
参考文献
[1] 魏守平. 水轮机调节. 武汉: 华中科技大学出版社，2009.
[2] 蔡卫江，陈登山，黄嘉飞. 贯流机组调速器的控制策略.水电自动化与大坝监测，2008，32( 3).
[3] 肖启志，李建勇，邓亚.大型灯泡贯流式机组负荷波动问题的分析与处理.水电厂自动化，2011，32（2）.
论文作者:管勇,高层
论文发表刊物:《基层建设》2019年第27期
论文发表时间:2020/1/2
标签：调速器论文; 机组论文; 桨叶论文; 功率论文; 水头论文; 负荷论文; 灯泡论文; 《基层建设》2019年第27期论文;