1000MW水轮机调速系统设计原则及建议方案.doc

1000MW水轮机调速系统设计原则及建议方案蔡晓峰蔡卫江李建华陈东民朱祥 朱军陈晓勇 邵宜祥（国网电力科学硏究院/南京南瑞集团公司210003）摘要:本文主要介绍了 1000MW容量水轮机调速系统的设计原则及思路，包括调速器电 气调节装置、智能闭环手操装置、液压调节装置、汕压装置、分段关闭装置、事故配压阀等, 为特大型水轮机组调速系统的设计、制造提供-定的参考，同时也为特人型水轮机组控制系 统国产化、推进我国自主知识产权的特大型水轮机纽•调速器积累一定的经验关键词：调速器PCC控制器智能闭环手操汕压装宜主配压阀事故配压阀分段关闭0前言水电是清洁能源，可再生、无污染、运行费用低，有利于提高资源利用率和经济社会 的综合效益，世界各国普遍优先开发水电，大力利用水能资源我国的水能资源丰富，水能 资源蕴藏量和可能开发的水能资源都居世界第一位但是，与发达国家相比，我国水电开发 率大人低于发达国家50-70%的开发利用水平因此，在一个相当长的吋期内，我国水力资 源开发潜力巨人随着水电开发的进展，三峡右岸电站机组相继顺利投运，标志着步入 特人型水电机组国产化时代，特人容量机组将不断出现，其控制设备的制造将日益成为人们 关注的焦点。

1000MW等级水轮机组对系统的影响是很人的，调速系统作为水轮机的核心控制系统, 不仅仅关系水轮机组的安全稳定运行，且直接关系到电网安全稳定，是电力系统的重要组成 部分随看远跖•离送电和人区域联网，低频振荡等问题显得越来越重要，调速系统在机网协 调方面，将发挥非常重要的作用1000MW等级水轮机组调速系统实现H主化和国产化，意义重大第一，有利于确保 国家电网稳定，将调速系统的核心控制技术掌握在人自己手中，与主机同步实现国产化, 推进我国在1000MW等级水轮机组调速设备研制方面边上新台阶，提升我国特人型机纽和 电力系统运行的安全稳主性；第二，有利于保持和发展国内调速行业科技队伍，提高我国水 轮机调速系统科研及制造水平；第三，有利于帯动国内相关行业，推动国民经济发展；第四, 可以提髙我国在高技术战略产业的主导权；第五,符合中央“国家电网安全和重人装备自主 制造”的精神国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司在试验验证环境方面投入了大量的人力物力， 在国家电网公司的支持下，建设了调速系统动模实验室、电磁兼容实验室、标准3米法暗室、 元器件检测实验室、仿真检测实验室、RTDS实时数字仿真系统、HyperSim实时数字仿真 系统等，能够在试验验证平台上对1000MW水电机组调速系统研制、设计制造给予有力的 支持1南瑞集团公司在水轮机调速器方面的发展随着经济建设的发展，我国电力工业迅猛发展，电力行业空前繁荣，人容量机组成为 电力系统中的主力机组。

南瑞集团公司水利水电分公司（下简称南瑞）作为国家电网公司H 属最人的从事水轮机调速系统研制、生产及服务的专业公司，多年來，始终致力于水轮发电 机组调速系统控制技术的进步与发展1985年南瑞首台微机调速器在富春江水电厂通过鉴定,1988年获水电部科技进步二等 奖；1990年SJ-700双微机水轮机调速器在葛洲坝通过鉴定；1992年SJ-700获能源部科技 进步一等奖；1993年SJ-700被国家科委评为“具有国际先进水平的国家级重点产品”；南瑞 调速器在90年代得到了大力推广和应用，先后在青海龙羊峡、吉林白山电厂、四川龚嘴电 厂、云南漫湾等130台人中型机组上投入使用，装机容量达10000MW以上南瑞首次将伺 服比例技术与液压容错思想应用到水轮机调速器上，解决了调速器液压发卡的顽疝，同时采 用了液压集成、冷冻渗氮、化学镀银等先进的加工工艺和无渗漏设计思想，使国内液压调节 装宜设计与加工达到了一个新水平1997年，南瑞SWT/B型多微机水轮机调速器研制成功, 并先后在天生桥一级电站、安康水电厂投入运行，该系列调速器将工控机的易交互性、易联 网性与工业单板机的可靠性有机地结合起来；1998年，南瑞SWT-6.3MPa调速器通过电力 部水电设备质检中心测试，99年3月通过专家评审，填补了我国人型机组高汕压调速器的 空白；南瑞设计和生产的SAFR-2000三十二位机调速器采用三十二位机和FPGA技术，简 化了系统设计，同时引入热插拔技术、SMT工艺等提高加工质量和可靠性，其电磁兼容满 足GB/T-1515301-1998,3级咸为当时国内唯一通过电磁兼容试验的调速器产品。

2003年， 南瑞在将目光转向特人型机纽•调速器对长距离、人容最输电系统的对靠稳定性的研究，首次 将非线性鲁棒控制规律引入调速器控制策略，研制出工业样机，通过国家鉴定2005年推 出基于双PCC兀余控制器的高性能调速器，随后，在云南小湾电站700MW机组上一举中 标，首次实现了 700MW等级机组调速器的国产化，并且完成一•批人型混流、特人型贯流式 机组调速器工程项目，产品运行情况良好，受到用户好评根据1000MW等级水轮机组的参数（估算）及技术要求，结合小湾电站700MW等级 白主知识产权调速系统的设计制造及实践经验，本文提供了 SWT-1000型1000MW等级水 轮机组调速系统方案我们有信心，也有能力研制出具有国际先进水平的水轮机调速系统, 并衷心希望为用户提供最优质的服务2 SWT-1000型调速系统设计原则与思路调速系统是水轮机核心控制系统，对电网稳定和提高电网输送能力起着至关重要的作 用，主要包括水轮机调速系统电气调节装宜、液压调节装直、汕压装直、事故配压阀、分段 关闭装宜等针对特大容量机组，由于其对电网安全稳定作用更加突出，并且其电气可靠性 要求更高，机械液压部分的上配压阀通径、汕压装置压力罐、冋汕箱更人，调速系统调节技 术难度更大，因此，对特大容量机组调速系统的设计需综合各个方面的因索。

2.1调速器电气调节装置建议的设计原则调速器电气调节装置设计建议采用三套控制器方案，三套调节器配置完全相同，采用 三选二原则输出（如美国GE公司的MicroNetTM系统），也对考虑采川两套相同丄控控制 器加一套第三方仲裁系统，这种方案国内采用的较多，且在人型机组上已有人量应用，效果 较好其他方面如电源、传感器筹共用部件一定要双兀余配置其至三兀余配宜我们建议的方案为双自动通道加智能手操通道结构（见图一），系统从输入到输出，三 个电气通道完全独立采用两套完全相同的32位PCC可编程计算机控制系统，其电源模件、采样模件、开入开出模件、模入模出 模件都相互独立，两套系统直为热备 用兀余控制系统通过现场总线 (CANBUS)实现高速通信，通过“心跳 检测”及故障自诊断进行双机切换， 仲裁模件采用独立的第三方可编程逻 辑器件CPLD來实现，以保证一套调 节器发生任意故障时不会影响另一套 调节器的正常工作机组频率转速测 量采丿IJ双齿盘探头测速加残乐测频形 式，行程测量采用三冗余总线式传感 器，功率及水头测量元件亦互为冗余,从而保证频率、行程、功率、水头测量的可靠性上述配宜符合可靠髙效适用原则，各控制器分工明确，切换无扰动。

图一：双自动通道加智能手操通道结构示意图2. 2调速器液压调节装置建议的设计原则图一一液床原理图调速器液压调节装置建议采用先进的流量控制原理进行设计，电液转换器采用双伺服比 例阀加电/纯手动控制阀的三兀余形式，对应电气调节柜的三个控制通道，并确保实现黑启 动功能伺服比例阀电气冋路上 采用与伺服比例阀相配套的进口功放模件，对伺服比例阀 的阀芯反馈进行监测，能够及吋有效地判断其工作状况，同吋检测主配压阀阀芯的位置，形 成负反馈闭环控制，充分提髙報个调节系统的稳定性、精确性、速动性等指标见图二)主配压阀采用国际知•名品牌，考虑到掉电自复中的需要，另设计一套掉电自复中装置, 保证在失电情况卜维持接力器位置不变所有液压件采用无渗漏设计，安装在液压集成块上，液压件之间的联接由集成块内部的 汕道完成全部取消明管，大人提高了操作汕压力，杜绝了液压汕的跑冒滴漏简明系统结 构，取消了调节杠杆、明管、引导阀、机械开限机构、辅助接力器及反馈传动机构紧急停机阀件建议采用兀余配置，采用不同的电源等级，双紧急停机操作既可与监控系 统配合，实行远方控制，也可以现地控制另外，紧急停机阀采川双电磁铁线圈控制，自带 定位功能，动作时线圈短时间通电，即延长了线圈的寿命，乂保证了阀芯动作的可靠性。

见 图二）从图二中还可以看出，除了在主接力器上安装了位置变送器外，在伺服比例阀、主配压 阀的阀芯都加装了位移传感器，这样和控制电路部分组成多级闭坏控制，使得整个系统的控 制精度很高、响应速度更快2.3调速器电/纯手动控制建议的设计原则调速器液压调节装置崖议配备带远方操作接口的智能闭环手动操作机构，并能在0%到 100%导叶开度范围内操作水轮机导叶于任意开度，还具有手动操作电气开限功能智能手 操机构具有独立的开度给定、放人器、导叶反馈及电源系统等，当调速器电气调节装宜退出 时，调速器无扰动地自动切换至电手动操作在电手动控制方式下，一旦机组甩负荷，智能 手操机构能使机纽关机到空载运行智能手操机构还对实现手动闭环控制，当手动调柴导叶 开度到位厉，尽管导叶接力器漂移客观存在，智能手操机构仍可维持导叶开度在当前开度的 1.0%以内采用智能闭环手动操作机构，可人人简化调速器的布置和结构，不需要引入机械反馈, 可丰富手动操作的功能，如过速保护、液压元件卡涩检测、主配、导叶反馈监视等，是调速 器机械部分逐步向电子化发展的一个方向2.4调速器主配压阀建议的设计原则导叶主配压阀直径DFG可以按下血公式估算:ControlSignal4-20 mAFeedback Amplifier10VDCFiltered Pressure OH上式中，分子VG为导叶接力器总容积，分母V为汕流速，-般取4・5米/秒，TGS为 导叶接力器最快关闭速度，一般小于5米/秒，一-般同等容量机组，水头越高，水轮机转轮 较小，接力器容积较小，主配直径较小。

但针对1000MW等级的水轮机组，主配压阀直径 估计需要200Mm以上，口前国产的设备在700MW等级机纽.上还没有成功的应川经验，所 以推苕采用美国GE公司的FC20000主配压阀该阀采用直接流量控制，主配阀芯配置了 位宜传感器，两端设有开关时间调整机构，阀芯直径达到250mm,输出流量达23000L/Min,♦/. 10 VDCFC20000上配圧阀的输出流最可以按下式计算：Q = Cdwl^2\P! p\式中：Q：是主配压阀的流量、单位是M3 / Sec ；Cd：P-W：L：△ P：是阀的流量系数；压力汕密度，单位是Kg/M3； 阀口宽度；阀口的开口长度；主配压阀口前后的压降；采用6.3Mpa压力，FC20000主配压阀流量可达到300L/Sec,完全满足1000MW等级 水轮机组调节要求2. 5油压装置建议的设计原则调速器汕压装置主要由压力罐、冋汕箱、电机、汕泵、组合阀组及相关白动化元件组成 目前国内水电站压力罐单体最人已达20M3以上，制造技术非常成熟根据接力器容积， 1000MW水轮机组压力罐容积从16-40 M3不等，超过20M，,建议按2个压力罐配置按IEC61362（98）水轮机控制系统技术规范导则和IEEE125（1988）推荐制订的水轮机调速 器技术条件的规范，在正常工作汕压下限，汕泵不工作，压力罐供接力器完成3个全行程动 作后的汕压，应比最低操作汕压高。

一•般取汕压裕度（Pmin—Pr）约为0.15MPa；按波义耳定律PV-Const, n=1.3,计算，压力罐中汕的容积，除够供接力器完成3个 全行程动作的汕量外，剩余汕量不致使空气进人压力罐的压力出汕管见下图）PlV!n =。