数字插装阀调速器在黄河上游电站大型灯泡贯流式机组上的应用
任红军
（青海省三江水电开发有限责任公司，青海 西宁 810000）
黄河康扬水电站安装有7台单机容量为40.5 MW的灯泡贯流式水轮发电机组，电站多年平均发电量9.92亿kW·h，由两回110 kV线路接入青海电网。电站于2003开工建设，2007年首台机组并网发电，是当时国内建设的最大灯泡贯流式机组，水轮机由日本日立公司制造，发电机由哈电制造。
电站原水轮机调速器由武汉长控所制造供货。型号为GLT-100K-6.3 型灯泡贯流式机组专用型调速器。采用了传统形式的自复中式滑阀结构，单电液比例阀驱动。其电气部分采用可编程序控制器(PLC)，配以比例集成式电液随动装置及相应的油压装置,构成一个完整的电液调速器。比例阀的功能是把调速器控制器输入的电气控制信号转换成相应输出的流量控制，以控制主配压阀继而控制导叶或桨叶接力器。在电磁铁断电时，阀具有“故障保险”位置，保证失电时阀芯回复到中位。
该调整器自2007年投运至今，基本运行正常。但随着青海新能源并网比例的提升，对调速系统的性能提出更高要求，调速器的调节速率和精度难以满足电网“两个细则”考核要求，一次调频功能不满足电网要求，频繁出现电量及辅助服务考核；
随着调节频率的增加和调节速率的加快，调速器系统出现元器件老化加速、机械部分磨损严重、内部漏油或窜油、主配压阀卡涩等问题；
造成油泵启动频繁，组合阀故障率增多，严重影响到机组的安全稳定运行。
微机数字型调速器因可靠性高、使用和编程方便而广泛应用，电液转换部件可以完成电气控制信号至机械液压信号的转换，是调速器系统中的关键设备。微机数字调速技术信号的采集、机组的调节控制均由可靠性高微机处理器完成，调节规律由软件实现，控制功能灵活性大，易于实现与计算机监控系统的通信接口和远方控制。具备双调节器通道、双电液转换通道，具有高性能与高可靠性，为目前绝大多数水电机组采用方式，已经成为业内的共识。电液转换部件目前市场主要有以下3种技术路线：
比例伺服阀电液转换技术：伺服比例阀把调速器控制器输入的电气控制信号转换成相应输出的流量控制，以控制主配压阀继而控制导叶或桨叶接力器。在电磁铁断电时，阀具有“故障保险”位置，保证失电时阀芯回复到中位。
步进电机电液转换技术：由步进电机转换装置控制主配压阀动作，形成主配压阀随动的闭环控制系统。当步进电机偏离中位向下移动时，步进电机将主配压阀控制腔与压力油连通，主活塞向下移动，直至将主配压阀控制腔封闭为止。反之，步进电机偏离中位向上移动，步进电机将主配压阀控制腔与回油连通，主活塞向上移动，直至将主配压阀控制腔封闭为止。当调速器失电时，调速器自动切换到自复中控制状态，步进电机转换装置利用自复中功能，将主配压阀稳定在中间位置，主配压阀保持在中间位置状态，导叶接力器也将保持当前开度位置。
高速开关阀技术：高速开关阀在调速器中起到从电气脉冲量到液压量转换的作用，即“电-液转换”的作用，是微机控制液压系统的理想方案之一。作为微机与液压系统的桥梁，可直接与计算机接口而无需 D/A 转换，从而使流体控制数字化；
系统的调节、控制无需由“中间位置”与机械反馈来保证。同时也是对传统液压技术的有效补充和发展，兼顾了液压系统动作的可靠性、微机的适用性和控制阀的简单化。
电站于2019年12月对原有调速器系统进行了升级改造，经过充分的市场调研，和不同厂家的调速器技术人员进行技术交流，最终决定采用第3种技术路线的调速器。该调速器采用了中水科技生产的CVZT-100-6.3型数字式调速器，由高速开关阀与逻辑插装阀等标准液压件进行元件-组件-回路的多层次组合与优化设计，进而实现调速器调节与控制的所有功能。具有高可靠性、响应快、动作平稳性好、定位精度高、工作效率高、节省油源消耗等独特优点。
康扬水电站自投运至今已有13年之久，随着使用年限的增加调速器出现诸多问题。主配压阀中位偏离、间隙增大、泄油量增加、随动性差；
压油泵启动频繁造成油泵易损坏；
组合阀性能下降等故障，直接影响调速器系统的正常运行。2018年至今，陆续定制更换了各机组调速器主配压阀阀芯和衬套；
更换后效果不明显，虽然这些改造满足当前生产需要，但并未从根本上解决调速器系统工况，只是在疲于应付。
3.1 机械随动性差
机组运行年限较久，调速器导叶、桨叶主配阀芯、引导阀和调速器主配衬套及导杆磨损，随动性和稳定性能降低，并经常出现主配拒动现象，严重影响机组稳定运行。
3.2 组合阀频繁出故障
由于主配压阀间隙增大，泄油量增加，严重加剧调速器压油装置组合阀和油泵运行频次，压油装置频繁报故障。主要问题有：组合阀故障频繁，造成油泵不打压或者报软启动器故障，压油泵壳体开裂等。
3.3 油泵频繁启动
压油泵频繁启动使得软启动器发热甚至损坏，也容易造成控制油泵启停的接触器发热损坏。再次，压油泵频繁启动增加了厂用电量。最后，压油泵频繁启动导致油温升高，加速了油的劣化。
3.4 测频精度不合格
康扬水电站调速器一次调频功能因调节性能不达标，被考核分数较多。2018年康扬水电站并网考核和辅助服务补偿结算汇总情况显示，考核高达2 500分。
通过对电站一次调频考核曲线进行技术分析，发现测频精度不能满足电网要求。康扬水电站调速器原电调柜使用施耐德PLC型号为TM258,其中高速计数器模块计数频率为200 kHz，经计算：
机组工作频率?=50 Hz，测量频率?0=200 kHz，则其码值为：
测频精度为：测频精度±0.012 5 Hz不能满足电网一次调频考核要求。
通过对3种技术路线、产品选型比较和大量市场调研后，决定将原有调速器更换为北京中水科技研制生产的CVZT-100-6.3型数字高速开关阀式调速器，该调速器在技改后具有以下优点:
4.1 数字插装阀性能
采用数字开关阀+插装阀，取代了传统的电液转换器+主配压阀控制，无需“中间位置”，从而实现直接数字控制。数字插装阀（高速开关阀组）大量采用了标准的液压元件，从元件到系统高度标准化、模块化、集成化，通用化，互换性好；
因此整个随动系统在可靠性、速动性、可控性、可维护性、灵活性等方面具有优势。
4.2 动态相应速率
高速开关阀与控制系统的接口更简单，数字信号直接动作于液压部分，无D/A转换，不需要中间环节就能构成直接数字控制系统，实现整个系统的数字化，构成全数字式调速器。此结构形式，使调速器系统响应速率快、调节精度高、减少了中间环节，设备故障率低，对于流量变化大，调节频繁的机组可以满足一次调频调节性能要求，同时可以做到免维护。
4.3 维护成本方面
由于整个系统高度集成、采用大量标准化液压元器件、结构相当简单，工作可靠，使用、调整和维护方便。
4.4 冗余配置
高速开关阀采用多通道冗余结构，一旦某一个通道失灵，可自行切换，由正常通道来维持系统的稳定工作，可以实现容错控制。容错控制功能与滤油工作回路的独特可靠设计从根本上保证了真正意义上的免维护。即使电气部分彻底失灵，也能使主接力器保持当前开度不变，并自动地切为手动运行，从而避免了故障的扩大以及由此造成的不良后果。
4.5 油耗方面
由于阀体采用锥阀线密封结构，不存在发卡的机理元件，同时系统耐油污强。稳态耗油量小；
油泵电机动作次数少（6～8 h），稳定工况下基本无油耗，极大地提高了系统的稳定性，延长了油泵—电机的使用寿命，大幅减少调速器系统的厂用电消耗。
2019年12月至2022年6月电站结合机组大修相继完成了1号、2号、4号、5号、6号、7号机组的调速器系统技改工作，通过涉网试验其各项指标均满足国家和行业标准。调速器调节速率和调节精度得到大幅提高。
5.1 逻辑插装控制阀
新的调速器系统采用逻辑插装技术，由组合结构的逻辑插装控制阀单元取代主配压阀，由于逻辑插装控制阀单元的工作位置是直接由6.3 MPa的液压作用力驱动，动作可靠性有了很大的提高，同时又避免了传统的主配压阀存在的标准化程度低、性能一致性难以保证、互换性不好等不足。从此技术特点来看，明显改变原调速器系统性能、设计及实际运行中所存在的比例阀组件卡阻导致机组过速、主配压阀卡阻、调速器拒动无法调节、组合阀卡阻、油泵组合阀工作中发出刺耳噪声以及调速器压油装置启动频繁等缺陷。
5.2 测频精度提升
使用信号发生器向调速器发送稳定的频率信号，检查调速器机频测量回路工作状态，记录触摸屏上显示的测频结果，记录如表1。
表1 测频精度表
检测结果频率测量分辨率小于0.001 Hz，符合设计要求。
转速死区：A机：ix=0.004 8%；
B机：ix=0.006 0 %；
（试验结果合格，国标要求：频率/转速死区ix不大于0.02%）
表2 转速死区计算表
图1 A机静特性试验
图2 B机静特性试验
5.3 实用性增加
技改后调速器液压系统采用液压插装控制阀实现开、关两种功能，无零位位置。调速器系统设计上配装了多个测压接口，可方便压力检测和提高故障排查的实用性。
5.4 元件耐油污性能强
对工作介质污染不敏感，高速开关阀的阀芯操作力大，耐油污能力强和工作可靠性有很好的保证。
5.5 经济效益增加
压油泵运行间隔大幅增加，由原来的平均10 min启动一次变为8 h启动一次，减少了压油泵年运行时间，减少了泵的磨损及损耗，有效降低厂用电，每年每台机组可节约2.24万kW·h，全厂全年节约厂用电15.68万kW·h，节约电费4万元（电费0.23元/kW·h），上网收益3.33万元（电费0.212 6元/kW·h）。表中数值为稳定状态下的平均计算值，未考虑机组停机、临时检修及负荷频繁调节等复杂状态。
表3 油泵启停消耗电能统计表
自机组陆续技改投入运行至今，技改后的调速器系统未出现过主配压阀卡阻、调速器拒动无法调节、油泵组合阀卡阻以及调速器压油装置启动频繁等故障，不仅有效提高了各机电设备的经济效益和运行质量，同时也明显降低了厂用电的损耗，较大程度提升了机组安全稳定运行水平。
通过康扬水电站调速器技改应用和一年多的试运行情况，CVZT-100-6.3型调速器在可靠性、速动性、可控性、维护性、灵活多变等方面性能指标优良，能够满足各种工况和各种控制方式的要求。此次技改达到预期的改造目标，可向同类型贯流式机组推广应用。
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