CN101260858B - 大型水轮机导叶同步性调整与控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了大型水轮机导叶同步性调整与控制方法，其步骤为：测量接力器驱动线圈的电阻值，并将其准确定义到单导叶控制器中；单导叶控制器的单导叶指令的零位与满度的调整；单导叶控制器中导叶同步控制指令的零位与满度的调整；导叶开度位移传感器的零位与满度的调整；导叶机械偏置电压的测定与调整；单导叶控制参数的整定；导叶同步控制参数的整定；导叶开启与关闭时间测定与调整；单导叶位移变送器故障报警；单导叶控制回路报警；总导叶控制回路报警。该发明使水电机组的导叶控制精度得到提高，开度指令与反馈的偏差小，导叶动作同步性好，导叶的开启和关闭时间均满足设计要求，开关时间最大偏差优于标准要求。
Description
技术领域：
本发明涉及一种水电机组水轮机导叶的调整和控制方法，具体地说是一种适用于大型抽水蓄能电站多执行机构导叶的同步性调整和控制的方法。
背景技术：
随着经济的快速发展，电力的需求也与日俱增，尤其是火电相对来说投资小见效快，建设周期短，因此发展迅猛，核电机组在沿海地区也掀起建设高潮。但这样的能源结构也带来一些后果，一是电网峰谷差越来越大，调峰压力剧增，二是大多燃煤火电机组和核电机组只带基础负荷，负荷调整能力差、调整速率慢而且负荷变化时机组效率下降，这就需要大量增加运行灵活的调节容量，才能达到较高的经济效益。抽水蓄能机组具有设备启停速度快和负荷调节灵活的特点，能有效应付电网负荷的变化要求，同时无污染，还能防洪灌溉，因此得到大力发展。水电机组的设备中，最重要的负荷调节装置是多个活动导叶，而保持导叶的严格同步动作既有利于形成相对稳定、均衡的水流，提高机组效率，还可以减小机组振动，延长机组使用寿命，提高机组的整体性能指标。
但目前尚无一种完善、成熟、标准的导叶同步性调整和控制方法，首先水电机组的调试一直由各厂家自主完成，没有进行专业化、标准化、系统化的调试，结果自行其是，遗留了许多接口问题，二是调试的内容不完整、逻辑不严谨、方法不得当，调试结果差强人意，主要表现在：各导叶行程不一致，水轮机的调节特性发生变化，不利于负荷控制；导叶开度不同步，水流不均衡，引起机组振动偏大；导叶关闭不严密，可能引起水轮机冲转而损坏设备。
发明内容：
本发明的所要解决的技术问题是针对现有技术不足之处，提供大型水轮机导叶同步性调整与控制方法，解决了导叶动作的同步性问题。
本发明是针对目前普遍设计的单导叶控制逻辑，给出调试过程中导叶调整的步骤和方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：大型水轮机导叶同步性调整与控制方法，其步骤为：
a、测量接力器驱动线圈的电阻值，并将其准确定义到单导叶控制器中；
b、单导叶控制器的单导叶指令的零位与满度的调整，要保证导叶的开度指令完全相同；
c、单导叶控制器中导叶同步控制指令的零位与满度的调整，即将本导叶开度与所有导叶开度平均值的偏差经过增益运算后叠加到该导叶的开度指令上，使该导叶开度与平均值一致；
d、导叶开度位移传感器的零位与满度的调整，其中包含以下四种调整；分别是机械零位的调整；电气零位和满度的调整；单导叶柜上导叶零位和满度的调整；调速器控制软件中导叶零位和满度的调整；
e、导叶机械偏置电压的测定与调整，使所有导叶的机械偏置电压应相同；
f、单导叶控制参数的整定，导叶的开度指令与反馈之差经过增益运算形成接力器的控制指令，找到最佳增益值；
g、导叶同步控制参数的整定，使控制对象迅速跟踪导叶开度平均值；
h、导叶开启与关闭时间测定与调整，使所有导叶的开启与关闭时间一致；
i、单导叶位移变送器故障报警；
j、单导叶控制回路报警；
k、总导叶控制回路报警。
所述的步骤b其具体的调整措施是从调速器控制软件中分别设置导叶的开度指令0％与100％，然后调整单导叶控制器中修正导叶开度指令的相应参数k1值为20～50，b1值为500～900，使显示的指令与实际值相符；在指令0％与100％两个位置需要反复调整多次，使导叶的开度指令信号精确输入到控制系统中。
所述的步骤c其具体措施是从调速器控制软件中分别设置导叶的平均开度值为0％与100％，然后调整单导叶控制器中修正导叶开度平均值的相应参数，k2值为5～20，b2值为600～1200，使显示的平均开度值与实际相符。
所述的步骤d中的机械零位的调整其具体措施为将单导叶控制器的控制方式切到手动模式，在就地独立操作单个导叶的开关，然后修改单导叶控制器中的相关参数，使导叶开度手动设定值的下限由0％变为-20％～20％，通过增减按钮设定导叶的手动开度指令至下限，检测位移传感器的反馈电流大于2mA，保证导叶完全关闭；松开角度位移传感器的转轴与接力器连杆的连接，调整转轴位置使反馈为3～6mA，并且位移传感器反馈电流增加方向与实际转轴方向一致，然后松开角度位移传感器转轴的定位销，在反馈为3～6mA的情况下，固定转轴与接力器连杆的连接，再拧紧角度位移传感器转轴的定位销，最后恢复导叶控制器中的参数使手动设定值的下限为0％，这样导叶的机械零位调整完毕；机械零位调整的结果是在导叶完全关闭的情况下，导叶开度的位移传感器输出3～6mA的电流信号，即对应导叶全关位置；
所述的步骤d中的电气零位和满度的调整具体措施为保持单导叶控制器的控制方式为手动模式，在就地独立操作单个导叶的开关；首先设定导叶的开度指令为0％，调整导叶位移变送器上的零位调整电位器，使输出的反馈信号为3～6mA，然后通过增减按钮设定导叶的开度指令定为100％，调整导叶位移变送器上的满度电位器，使接力器的行程与额定设计开度一致，同时输出的反馈信号为18～22mA；满度调整后，位移传感器的零位电流值随之发生变化，而调整零位电流值后满度电流值及接力器的行程也随之改变，所以要在导叶的零位及满度位置反复多次进行调整，直至导叶开度指令为0％时位移变送器输出3～6mA信号，开度指令为100％时接力器的实际开度达到额定设计行程，且位移变送器输出电流18～22mA；
所述的步骤d中的单导叶柜上导叶零位和满度的调整具体措施为保持单导叶控制器的控制方式为手动模式，在就地独立操作单个导叶的开和关，同时调整单导叶控制器的相应参数k3值为10～50，b3值为300～900，使面板导叶开度的显示在导叶全关时为0％，在导叶全开时为100％；同理，需要在全关和全开位置反复调整多次；最后将单导叶控制器的控制方式恢复到自动模式；
所述的步骤d中的调速器控制软件中导叶零位和满度的调整具体措施为在调速器控制软件中强制导叶的开度指令分别为0％和100％，然后调整调速器控制软件中修正单导叶反馈的相应参数，使显示的反馈在导叶全关时为0％，在导叶全开时为100％；同理，在全关和全开位置反复调整多次。
所述的步骤e的其具体方法是先远程设定导叶开度为0％～100％，然后通过调整接力器机械偏置弹簧的预紧力来精确测量接力器的机械偏置控制电压，保证所有导叶的机械偏置电压基本相同。
所述的步骤f的其具体方法为进行阶跃响应，远程设定导叶开度指令，先进行1％-5％行程的小幅度阶跃响应，再进行5％-20％行程的大幅度阶跃响应，寻求最佳增益值。
所述的步骤g的其具体措施为导叶开度平均值与导叶实际开度的偏差经过增益运算，输出信号再叠加到该导叶的开度指令上，k4值为10～500。
所述的步骤h的其具体措施为远程设定导叶开度指令为-15％～0％，使导叶处于关闭状态，然后远程设定导叶开度指令100％～120％，导叶开启到满行程，记录导叶开启时间，再远程设定导叶开度指令-15％～0％，导叶关闭，记录导叶关闭时间，使所有导叶的开启与关闭时间一致。
所述的步骤i中当单个导叶的位移反馈信号大于100～120％或小于0％～-20％时，则发出位移变送器故障信号；
所述的步骤j中当单个导叶的位移反馈信号与所有导叶位移反馈信号均值之差大于0～20％并延时0～40s时，则发出单导叶控制回路报警信号；
所述的步骤k中当导叶开度指令信号与导叶位移反馈信号均值之差大于0～40％并延时0～40s时，则发出总导叶控制回路报警信号。
本发明的大型水轮机导叶同步性调整与控制方法和现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明的大型水轮机导叶同步性调整与控制方法，水电机组的导叶控制精度得到提高，开度指令与反馈的偏差小，导叶动作同步性好，导叶的开启和关闭时间均满足设计要求，开关时间最大偏差优于标准要求。结果是机组的负荷调节特性稳定，控制品质好，设备运行平稳，振动小，提高了机组效率和整体性能指标。综上所述，本发明提高了调试质量，提高了机组效率，节约了调试时间，填补了水电机组导叶专业化、标准化、系统化调试方法的空白，是一种完整、成熟的调整理论，是整个水电机组规范化、标准化调试的重要组成部分，对调试工作和运行检修都有很强的指导和借鉴意义。同时，对其他多执行机构的同步性调整和控制也有一定的参考价值。
附图说明：
附图为单导叶的控制逻辑原理图；
其中：开度指令是单导叶控制的设定值，k1、b1分别为开度指令的增益和偏置系数；
开度均值是所有导叶开度的平均值，k2、b2分别为开度均值的增益和偏置系数；
开度反馈是单导叶控制的过程量，k3、b3分别为开度反馈的增益和偏置系数；
k4是开度均值与开度反馈偏差的增益系数；
k5是单导叶控制的增益系数。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明的大型水轮机导叶同步性调整与控制方法作进一步详细的说明。
1、导叶的同步性调整
1.1、测量接力器驱动线圈的电阻值，并将其准确定义到单导叶控制器中；
目前接力器控制均为电流驱动型，它的动作速率与驱动电流成比例，所以要保证导叶的同步性控制，就必须使每个接力器的动作电流一致。而导叶控制器的输出指令为电压型信号，要得到相同的电流信号，就必须知道接力器的负载电阻，然后将其定义到单导叶控制器的软件中。
1.2单导叶指令的零位与满度的调整(附图中的参数k1、b1)；
要使所有导叶的开度一致，首先要保证导叶的开度指令完全相同。具体的调整措施是从调速器控制软件中分别设置导叶的开度指令0％与100％，然后调整单导叶控制器中修正导叶开度指令的相应参数(附图中的k1、b1)，k1值为20～50，b1值为500～900，使显示的指令与实际值相符。在指令0％与100％两个位置需要反复调整多次，使导叶的开度指令信号精确输入到控制系统中。
1.3、单导叶控制器中导叶同步控制指令的零位与满度的调整(附图中的参数k2、b2)；
为了精确地同步控制所有导叶，在单导叶控制器中设计有同步控制策略，即将本导叶开度与所有导叶开度平均值的偏差经过增益运算后叠加到该导叶的开度指令上，使该导叶开度与平均值一致，所以导叶开度平均值也是导叶开度指令的一部分，对导叶开度平均值的零位及满度也要精确调整。具体措施是从调速器控制软件中分别设置导叶的平均开度值为0％与100％，然后调整单导叶控制器中修正导叶开度平均值的相应参数(附图中的k2、b2)，k2值为5～20，b2值为600～1200，使显示的平均开度值与实际相符。注意反复调整多次。
1.4、导叶开度位移传感器的零位与满度的调整(附图中的参数k3、b3)；
机械零位的调整。将单导叶控制器的控制方式切到手动模式，在就地独立操作单个导叶的开关，然后修改单导叶控制器中的相关参数，使导叶开度手动设定值的下限由0％变为-20％～20％，通过增减按钮设定导叶的手动开度指令至下限，检测位移传感器的反馈电流大于2mA，保证导叶完全关闭。松开角度位移传感器的转轴与接力器连杆的连接，调整转轴位置使反馈为3～6mA，并且位移传感器反馈电流增加方向与实际转轴方向一致，然后松开角度位移传感器转轴的定位销，在反馈为3～6mA的情况下，固定转轴与接力器连杆的连接，再拧紧角度位移传感器转轴的定位销，最后恢复导叶控制器中的参数使手动设定值的下限为0％，这样导叶的机械零位调整完毕。机械零位调整的结果是在导叶完全关闭的情况下，导叶开度的位移传感器输出3～6mA的电流信号，即对应导叶全关位置。
电气零位和满度的调整。保持单导叶控制器的控制方式为手动模式，在就地独立操作单个导叶的开关。首先设定导叶的开度指令为0％，调整导叶位移变送器上的零位调整电位器，使输出的反馈信号为3～6mA，然后通过增减按钮设定导叶的开度指令定为100％，调整导叶位移变送器上的满度电位器，使接力器的行程与额定设计开度一致，同时输出的反馈信号为18～22mA。满度调整后，位移传感器的零位电流值随之发生变化，而调整零位电流值后满度电流值及接力器的行程也随之改变，所以要在导叶的零位及满度位置反复多次进行调整，直至导叶开度指令为0％时位移变送器输出3～6mA信号，开度指令为100％时接力器的实际开度达到额定设计行程，且位移变送器输出电流18～22mA。
单导叶柜上导叶零位和满度的调整。保持单导叶控制器的控制方式为手动模式，在就地独立操作单个导叶的开和关，同时调整单导叶控制器的相应参数(附图中的k3、b3)，k3值为10～50，b3值为300～900，使面板导叶开度的显示在导叶全关时为0％，在导叶全开时为100％。同理，需要在全关和全开位置反复调整多次，以达到满意效果。最后将单导叶控制器的控制方式恢复到自动模式。
调速器控制软件中导叶零位和满度的调整。在调速器控制软件中强制导叶的开度指令分别为0％和100％，然后调整调速器控制软件中修正单导叶反馈的相应参数，使显示的反馈在导叶全关时为0％，在导叶全开时为100％。同理，在全关和全开位置反复调整多次，以精确导叶反馈的测量效果。
1.5、导叶机械偏置电压的测定与调整；
为了使导叶同步开启，并且开关的速率一致，所有导叶的机械偏置电压应基本相同，具体方法是先远程设定导叶开度为0％～100％，然后调整接力器机械偏置弹簧的预紧力，精确测量接力器的机械偏置控制电压，保证所有导叶的机械偏置电压基本相同。
1.6、单导叶控制参数的整定(附图中的参数k5)；
单导叶的控制一般采用纯比例调节(附图中的k5)，导叶的开度指令与反馈之差经过增益运算形成接力器的控制指令，增益值大则超调严重，而增益值小则静态偏差大，k5值为10～500。调整增益的目标是控制对象跟踪迅速无超调而且静态偏差小，检查的手段是进行阶跃响应，远程设定导叶开度指令，先进行1％-5％行程的小幅度阶跃响应，再进行5％-20％行程的大幅度阶跃响应，寻求最佳增益值。
2、导叶的同步性控制
2.1、导叶同步控制参数的整定(附图中的参数k4)；
导叶开度平均值与导叶实际开度的偏差经过增益运算(附图中的k4)，输出信号再叠加到该导叶的开度指令上，导叶同步控制参数的整定方法同1.6，k4值为10～500，调整的目标是控制对象迅速跟踪导叶开度平均值，动作过程中无超调而且静态偏差小。
2.2、导叶开启与关闭时间测定与调整；
为了检查调整的结果，对所有导叶的开启与关闭时间进行测试，同时验证导叶动作的同步性。具体方法是远程设定导叶开度指令为-15％～0％，使导叶处于关闭状态，然后远程设定导叶开度指令100％～120％，导叶快速开启到满行程，记录导叶开启时间，再远程设定导叶开度指令-15％～0％，导叶快速关闭，记录导叶关闭时间。要求所有导叶的开启与关闭时间一致且满足设计要求，对偏差大的导叶重新进行调整，直至合格。
2.3、单导叶位移变送器故障报警；
单个导叶的位移反馈信号大于100～120％或小于0％～-20％，则发出位移变送器故障信号。
2.4、单导叶控制回路报警；
单个导叶的位移反馈信号与所有导叶位移反馈信号均值之差大于0～20％并延时0～40s，则发出单导叶控制回路报警信号。
2.5、总导叶控制回路报警；
总的导叶开度指令信号与导叶位移反馈信号均值之差大于0～40％并延时0～40s，则发出总导叶控制回路报警信号。
下面结合工程实例，对本发明实施技术方案做进一步描述。
测量某接力器的负载电阻为130Ω，将其精确定义到单导叶控制器的软件中。导叶开度指令的修正参数k1值为25.68，b1值为786。导叶开度平均值的修正参数，k2值为12.72，b2值为809。在机械零位的调整中，手动设定值的下限改为-5％，调整转轴位置使反馈为3.8～4.1mA，对应导叶全关位置。在电气零位和满度的调整中，导叶开度指令为0％时位移变送器输出3.8～4.1mA信号，开度指令为100％时接力器的实际开度达到额定设计行程330mm，且位移变送器输出电流18～22mA。导叶开度的显示调整参数k3值为25.63，b3值为796，使控制面板上导叶的开度显示在全关时为0％，在全开时为100％。导叶同步控制增益系数k4值为25。单导叶的控制增益系数k5值为270。进行导叶的开启与关闭时间以及同步性测试时，首先设定导叶开度指令为-5％，使导叶处于关闭状态，然后设定导叶开度指令110％，快速开启导叶到满行程，记录导叶开启时间，再设定导叶开度指令-5％，导叶快速关闭，记录导叶关闭时间。当导叶的位移反馈信号大于110％或小于-10％，则发出位移变送器故障信号。当导叶的位移反馈信号与导叶位移均值之差大于3％并延时5s，则发出单导叶控制回路报警信号。当导叶开度指令信号与导叶开度均值之差大于10％并延时20s，则发出总导叶控制回路报警信号。
调整结束后，导叶的开度指令与反馈的偏差小于0.5％，远低于＜2％的偏差要求；导叶动作同步性好，在相同的开度指令下，导叶开度最大偏差小于0.5％，远低于＜3％的偏差要求；导叶的开启和关闭时间均满足设计要求，开关时间最大偏差0.5s，小于标准要求的1.0s。机组的负荷调节特性稳定，控制品质好，设备运行平稳。
Claims (1)
1.大型水轮机导叶同步性调整与控制方法，其步骤为：
a、测量接力器驱动线圈的电阻值，并将其准确定义到单导叶控制器中；
b、单导叶控制器的单导叶指令的零位与满度的调整，要保证导叶的开度指令完全相同；其具体的调整措施是从调速器控制软件中分别设置导叶的开度指令0％与100％，然后调整单导叶控制器中修正导叶开度指令的相应参数k1值为20～50，b1值为500～900，使显示的指令与实际值相符；在指令0％与100％两个位置需要反复调整多次，使导叶的开度指令信号精确输入到控制系统中；
c、单导叶控制器中导叶同步控制指令的零位与满度的调整，即将本导叶开度与所有导叶开度平均值的偏差经过增益运算后叠加到该导叶的开度指令上，使该导叶开度与平均值一致；其具体措施是从调速器控制软件中分别设置导叶的平均开度值为0％与100％，然后调整单导叶控制器中修正导叶开度平均值的相应参数，k2值为5～20，b2值为600～1200，使显示的平均开度值与实际相符；
d、导叶开度位移传感器的零位与满度的调整，其中包含以下四种调整，分别是机械零位的调整；电气零位和满度的调整；单导叶柜上导叶零位和满度的调整；调速器控制软件中导叶零位和满度的调整；
所述机械零位的调整其具体措施为将单导叶控制器的控制方式切到手动模式，在就地独立操作单个导叶的开关，然后修改单导叶控制器中的相关参数，使导叶开度手动设定值的下限由0％变为-20％～20％，通过增减按钮设定导叶的手动开度指令至下限，检测位移传感器的反馈电流大于2mA，保证导叶完全关闭；松开角度位移传感器的转轴与接力器连杆的连接，调整转轴位置使反馈为3～6mA，并且位移传感器反馈电流增加方向与实际转轴方向一致，然后松开角度位移传感器转轴的定位销，在反馈为3～6mA的情况下，固定转轴与接力器连杆的连接，再拧紧角度位移传感器转轴的定位销，最后恢复导叶控制器中的参数使手动设定值的下限为0％，这样导叶的机械零位调整完毕；机械零位调整的结果是在导叶完全关闭的情况下，导叶开度的位移传感器输出3～6mA的电流信号，即对应导叶全关位置；
所述电气零位和满度的调整具体措施为保持单导叶控制器的控制方式为手动模式，在就地独立操作单个导叶的开关；首先设定导叶的开度指令为0％，调整导叶位移变送器上的零位调整电位器，使输出的反馈信号为3～6mA，然后通过增减按钮设定导叶的开度指令定为100％，调整导叶位移变送器上的满度电位器，使接力器的行程与额定设计开度一致，同时输出的反馈信号为18～22mA；满度调整后，位移传感器的零位电流值随之发生变化，而调整零位电流值后满度电流值及接力器的行程也随之改变，所以要在导叶的零位及满度位置反复多次进行调整，直至导叶开度指令为0％时位移变送器输出3～6mA信号，开度指令为100％时接力器的实际开度达到额定设计行程，且位移变送器输出电流18～22mA；
所述单导叶柜上导叶零位和满度的调整具体措施为保持单导叶控制器的控制方式为手动模式，在就地独立操作单个导叶的开和关，同时调整单导叶控制器的相应参数k3值为10～50，b3值为300～900，使面板导叶开度的显示在导叶全关时为0％，在导叶全开时为100％；同理，需要在全关和全开位置反复调整多次；最后将单导叶控制器的控制方式恢复到自动模式；
所述调速器控制软件中导叶零位和满度的调整具体措施为在调速器控制软件中强制导叶的开度指令分别为0％和100％，然后调整调速器控制软件中修正单导叶反馈的相应参数，使显示的反馈在导叶全关时为0％，在导叶全开时为100％；同理，在全关和全开位置反复调整多次；
e、导叶机械偏置电压的测定与调整，使所有导叶的机械偏置电压应相同；其具体方法是先远程设定导叶开度为0％～100％，然后通过调整接力器机械偏置弹簧的预紧力来精确测量接力器的机械偏置控制电压，保证所有导叶的机械偏置电压基本相同；
f、单导叶控制参数的整定，导叶的开度指令与反馈之差经过增益运算形成接力器的控制指令，找到最佳增益值；其具体方法为进行阶跃响应，远程设定导叶开度指令，先进行1％-5％行程的小幅度阶跃响应，再进行5％-20％行程的大幅度阶跃响应，寻求最佳增益值；
g、导叶同步控制参数的整定，使控制对象迅速跟踪导叶开度平均值；其具体措施为导叶开度平均值与导叶实际开度的偏差经过增益运算，输出信号再叠加到该导叶的开度指令上，k4值为10～500；
h、导叶开启与关闭时间测定与调整，使所有导叶的开启与关闭时间一致；其具体措施为远程设定导叶开度指令为-15％～0％，使导叶处于关闭状态，然后远程设定导叶开度指令100％～120％，导叶开启到满行程，记录导叶开启时间，再远程设定导叶开度指令-15％～0％，导叶关闭，记录导叶关闭时间，使所有导叶的开启与关闭时间一致；
i、单导叶位移变送器故障报警，当单个导叶的位移反馈信号大于100～120％或小于0％～-20％时，则发出位移变送器故障信号；
j、单导叶控制回路报警，当单个导叶的位移反馈信号与所有导叶位移反馈信号均值之差大于0～20％并延时0～40s时，则发出单导叶控制回路报警信号；
k、总导叶控制回路报警，当导叶开度指令信号与导叶位移反馈信号均值之差大于0～40％并延时0～40s时，则发出总导叶控制回路报警信号。
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