CVST调速器的应用.docx
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CVST调速器的应用.docx
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CVST调速器的应用
带调压阀控制的数字式调速器在杨村电站的应用
摘要:
杨村电站调速器原为WT-80-HC微机调速器,2003投运以后,由于泄漏与油耗较大,油泵启动频繁,油泵及阀件磨损的杂质进入动圈式电液伺服阀而导致调速器故障频发,接力器抽动频繁无法稳定。
其工作性能及设备状况根本无法满足电站正常生产要求。
决定对原有调速器进行技术改造,于2010年更换为北京中水科水电开发有限公司生产的CVST-80数字式水轮机调速器。
技改调试运行正常后,至今一直稳定可靠,调节性能优越,能满足各种工控下的运行,从未出现故障,达到和满足电站安全生产的需要,实现了真正意义上的免维护、免检修。
通过我站使用后,觉得此类新型调速器具有一系列优势,具有一定的推广应用和发展前景。
关键词:
数字式调速器、高频数控阀、插装阀、一次调频、孤立运行
一、电站电站概况及主要参数
杨村电站位于峨边县大堡镇和杨村乡镜内,主要由首部枢纽(拦河闸坝、进水口)压力引水隧洞、调压井、变电站等组成,为混合式开发水电站。
有3台22MW的混流式水轮发电机组,分别于2002年8月至2003年3月相继投产,电站配有全套机组自动化系统,微机监控和微机保护装置,实现遥控、遥调、遥信、遥测等功能。
杨村电站机组主要技术参数:
发电机型号:
SF22-12/3480 额定容量:
25.88mvA
额定功率:
22mw 额定电压:
10.5kv
额定转速:
500r/min 飞逸转速:
900r/min
水轮机型号:
HL630-LJ-152 设计水头:
119m
最大水头:
132.85m 最小水头:
115.76m
水流惯性时间常数Tw:
25s 设计流量:
20.515m3/s
机组惯性时间常数Ta:
6s 导叶接力器:
2只
接力器行程Y:
140mm 导叶接力器紧急关闭时间:
39.55s
接力器活塞直径:
80mm 调压阀接力器:
1个
调压阀直径:
400mm 调压阀行程:
148mm
二、调速器存在的问题
杨村电站原有调速器采用WT-80-4.0-HC型调速器,是由电气部分和机械液压随动系统两部分组成,电气部分采用台湾研华HD-2000工业微处理器和按STD标准工业控制总线设计的双微机冗余容错控制系统组成。
电液转换器采用SV9型动圈式伺服阀,将电气信号转换成机械位移信号,通过平衡杆带动特殊配压阀作进一步液压操作功率放大,以驱动导叶接力器和调压阀,从而控制水轮机组。
特殊配压阀采用于导叶接力器液压联动方式。
在机组增、减负荷或甩负荷等工控下运行时使空放阀打开,控制调压阀的开启和关闭,确保压力钢管和水轮发电机组运行安全可靠。
调速器在电站安装投运初期未发现任何异常,随着使用年限的增加,逐步暴露一些问题,严重影响电站的正常发电。
1)、由于特殊配压阀的密封形式为润滑式间隙密封,由于做工精度粗糙,材料热处理不过关,间隙配合上存在很大问题,导致内部漏油量很大,保压能力低,有串油现象,机组调节不稳定,油压装置油泵启动十分频繁。
据现场实测,在空载运行状态下,油泵的启动间隔时间为8-12min,发电运行固定负荷状态下,油泵启动间隔时间为15-17min,在停机状态,油泵的启动间隔在25min。
由于漏油较大,导致油泵损坏和停机更换造成很大的经济损失,投运至今已更换7台油泵。
2)、螺杆泵频繁启动导致油泵泵轴和衬套磨损严重,产生大量铜屑,进入调速器后引起动圈式伺服阀发卡,导致调速器振荡,运行中多次发生接力器抽动,有功负荷波动,打开调速器精滤网更换时,在滤网底部有很厚的积存金属沫,不得不进行滤油处理。
3)、由于阀件泄漏增大,油泵启动频繁,大量油液的无效循环产生热量,促使油温上升加剧,改变了油原有的品质,粘度下降,进一步加剧泄漏造成系统工作效率降低,使油流过泵、阀等液压元件时,元件特性发生变化,降低元件使用寿命,其生成的沉淀物易堵塞各种控制小口,极易导致工作不正常。
为避免上述缺陷给电站安全生产带来更大隐患,确保机组安全运行以及电网品质要求规定,我站与2009年对目前国内几家大型研制生成调速器的厂家,进行实地考察,通过广泛的市场调查和比选,决定采用北京中水科院自动化所研制生产的带调压阀控制的CVST-80型调速器。
三、 CVST-80调速器系统构成
技改后的CVST-80调速器采用机电合柜结构,总体由PLC微机电子调节器、液压随动系统两部分组成。
PLC微机电子调节器:
由可编程控制器本体与外围输入/输出子系统模件两大部分构成。
由PLC控制器本体实现频率测量,很好地解决了频率测量的便捷性、快速性、高分辨率、高可靠性的有机统一。
外围子系统主要有以下组件构成:
数字量输入(DI)模板、数字量输出(DO)模板、高速开入模板(该模板用于调节器的数字测频)、模拟量输入(A/D)模板,MB通信口、驱动/放大模板、电源模板、频率信号整形模板、模拟量调理模板、人机界面(HMI)、开关/按钮/表计回路、继电器回路。
机械液压随动系统:
其基本结构特征可归纳为先导控制、阀座主级、嵌入式联接。
各组之间采用模块化结构有机的组合与叠加在一起。
机械液压随动系统主要包括:
高频数控阀先导阀板、由插装阀基本单元组合而成的主级控制阀板、开关机时间与紧急关机时间调整机构、可换滤芯的滤油器、滤油器堵塞发讯器、手动排气阀塞、滤油器堵塞或切断时旁通保护阀、开/停机脉冲控制阀、手动控制阀、紧急停机阀、控制压力调节机构等。
机械液压随动系统采用模块化结构,可根据使用需要进行灵活的组合和布置。
整个液压控制柜具有很高的集成度,无任何杆件、钢丝绳及外露管道。
四、CVST-80系统原理介绍
微机调节器接收LCU命令,根据采集得到的机频/网频、有功、水头、开度等信号,通过软件进行复杂的运算、运行状态的转换、调节规律的综和,进而得出相应的控制量,其控制量通过外围接口驱动液压随动系统的高频数控阀,进而实现主级液压放大;最终实现对主接力器及调压阀的相应调节,满足机组运行需要。
这种调速器的微机调节器输出的是数字量;接收这些数字信号和起电一液转换作用的是高频数控阀(无需D/A转换);而起流量和功率放大作用的主级是主控功率阀组(插装阀组合),该组合阀取代了常规微机调速器的主配压阀;即可由高频数控阀进行液压先导控制,以插装阀作为主级放大控制元件。
图1系统原理图
1)、高频数控阀原理
高频数控阀在CVST系列调速器中起到从电气脉冲量到液压量转换的作用,即“电一液转换”的作用,这是与传统电液转换装置/组件(如电液转换器、比例阀、步进电机一引导阀、伺服电机一引导阀)相辅向争的个新阀种与换代户品。
它属于脉冲式流体控制,只有开关两个状志,响应时间约0.5-3ms,作为计算机与液压系统的桥梁,它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,显然,高频数控阀起到了所谓“数字阀”的作用。
图2高频数控阀结构示意图
参见图2所示的结构示意图,高频数控阀是通过电磁铁推杆控制阀芯在阀体内作轴向运动,使相应的油路沟通或断开。
它是个具有多段环形槽的圆柱体,阀芯带有工作锥体或钢球,而阀套(衬套)内有若干条沉割槽,每条沉割槽都通过相应的孔道与外部联接。
它只有2个工作位置,当电磁铁断电时,阀芯在下端弹簧推力的作用向上移动,此时油口P与控制口K沟通,而回油T与控制口K之间是截止的。
当电磁铁通电时,阀芯受电磁铁推杆推力的作用向下移动,此时油口P与控制口K之间截至,而回油T与控制口K沟通,通过对高频数控阀的通断信号进行调制,即通过控制脉冲频率和脉冲宽度,就叫以实现对流量或压力接近连续的控制。
由于输出流量不大,在CVST系列调速器中只用作先导液压信号,以驱动起特殊配压阀作用的主控阀(大通径插装阀)主级平稳启闭。
它具有结构简单、抗污能力强、重复性好、工作稳定、节能等优点
应当指出,高频数控阀所实现的“对流量或压力接近连续控制(即输出流量或压力是平稳渐变的)”这概念极其重要,它是高频数控阀区别于一般电磁换向阀的最重要的特征,一般电磁换向阀的输出,实际上实现的是小连续的断续控制,由此驱动的插装阀主级启闭动作是不可能平稳连续的,必然导致主级油路较大的压力冲击。
2)、主控阀原理
主控阀(即插装阀)是实现调速器主级位置随动控制的关键组件,其功能是接收来自高频数控阀或比例阀先导油路的压力/流量信号,使主阀芯产生相应动作,进而控制通向主接力器主控工作腔油路液流的变化,以控制主接力器在任意位置定位。
图3所示的是其原理示意图。
这种阀的结构特点是其功率级采用插装式结构,并因此得名。
所谓插装式结构是指由阀芯、阀套及附属的弹簧、密封件等构成组件,安装时只需插入集成块的标准孔内,并靠盖板与集成块之间的螺栓联接而同定,相关尺寸己按D1N24342标准化。
一般来说,阀芯插件的工作状态由作用在阀芯上的合力大小和方向决定的。
当合力大于零,阀芯关闭;当合力小于零,阀芯开启;当合力等于零,阀芯停留于某平衡位置。
显然,a,b,K三腔的压力关系是起主导作用的,由于工作腔a/b的压力是由工作负载条件决定的,不能任意改变,所以一般只能通过对控制腔K压力的改变来实现对插装阀的控制。
显然,通过改变K腔的控制压力,就可以控制阀芯的开度。
图3主控阀原理示意图
3)、CVST-80系统工作原理
自动状态下,当PLC微机调节器输出调节信号时,此信号经功放驱动板的转换放大后作用于先导控制的高频数控阀;与此同时,高频数控阀的输出经先导油路的流量-压差线性转换后,其液压信号就会立即作用于起主配作用的插装阀控制腔,通过插装阀主级放大后的液流最终进入主接力器,使其跟随调节器控制信号的变化,直至调节过程结束。
由于完整的油路比较为复杂,难以在文中清晰表示,仅以局部油路为例说明,图4所示的为增侧局部油路在自动方式开度增加过程中的油路状态。
大体分析如下:
当调节器的控制信号使高频数控阀WZ通电时,其阀芯下移,此时其控制口K通过高频数控阀与回油口T沟通,而回油口T又通过选择阀与回油箱联通。
这样先导压力控制油依次通过流量调节阀(流量一压差线性转换阀)的A口与B口,高频数控阀wz、选择阀,最后通向回油,液流通过流量调节阀时将产生与流量成线性关系的压力降,故流量调节阀出口B的压力与高频数控阀流量成线性关系而它又与插装阀控制腔K相联,因此,通过控制高频数控阀的流量,即叫控制插装阀控制腔K的压力,进而使插装阀的开启程度与高频数控阀的流量成线性关系。
由上述分析可知,若高频数控阀WZ通电开启,图4所示左右2个插装阀也将开启,这样主供压力油通过左侧插装阀通向接力器左侧工作腔,接力器右侧工作腔油液通过右侧插装阀通排油,接力器向开度增方向运动。
当接力器的位移量与所需的调节控制量一致时,WZ断电,此时其控制口K与回油口T截至,这样先导压力控制油经过流量调节阀直接作用于插装阀控制腔K使图4所示左右2个插装阀关闭,通向接力器开/关侧控制腔的油路被截止,接力器停动并静止不在与调节控制量相对应的位置上。
从中可以看出,接力器的动作控制与稳定调节,并不是建立在控制阀的“中间位置”基础上的。
至于手动操作方式,它与自动方式没有本质的差别,实际上仅仅是自动方式的降级使用,是通过人工操作先导油路实现的。
手自动切换操作非常简便,仅仅需要拨换下开关,切除电气调节器的控制输出就行,并且是无条件、平滑、无扰动的切换。
值得指出的是,常规主配压阀在所谓“复中”时,是处在一种相对的平衡状态。
要保证不溜负荷(接力器不漂移、不摆动),就要保持严格的平衡,这对反馈系统提出了比较高的要求,安装调整都有一定的难度。
而插装阀在关闭时处在一种完全确定的稳定平衡状态,可以得到几乎零泄漏的严格关闭,故这种调速器具有较高的稳定性,且工作简单、调整及维护也方便。
五、CVST-80数字式水轮机调速器的应用介绍
2010年11月26日将1号发电机组调速器更换为CVST-80数字式水轮机调速器,结合机组的检修,次年3月17日安装调试完毕正式投入运行。
技术性能全面满足最新国标要求,主要性能指标达到国际lEC先进水平。
该型调速器能在多种调节模式下运行,可以方便地进行频率调节、开度调节及功率调节模式之间的自动平滑切换。
CVST-80的调节、控制无需由“中间位置”与机械反馈来保证,系统节能、降耗效果显著,在我厂该调速器系统处于恒功率运行方式下油泵启动次数极少,查阅我厂运行记录,启泵间隔在7h以上。
为了提高调速器运行的可靠性,CVST-80具有容错控制功能。
即当某些故障发生后,调速器仍可维持机组的稳定运行,在不同的故障情况下具有不同的运行方式(包括降级运行)除了具有所有模块均正常时的全自动运行方式,还具有测频通道故障或位移反馈消失或个别液压阀失效的降级自动运行方式及空载保护方式,其中包括手动运行方式,从而最大限度的提高调速器的可靠性和可用性。
六、CVST-80数字式水轮机调速器在杨村电站使用的总结
从CVST-80数字式水轮机调速器试验数据看,直接与性能有关的高频数控阀可靠性高,工作频率允分满足调速器性能要求。
自2011年3月17日在杨村电站投入运行以来,末发生过高频数控阀或插装阀的故障,证明其工作寿命和动作次数是有保障的。
自从更换为CVST-80调速器后,末发生油泵损坏现象,液压油也未过滤过,从末发生因油质差而引起的故障,高频数控阀对油质的要求相当低,在油液被严重乳化、混入大量带有煤渣的脏水情况下,依然能可靠工作。
CVST-80数字式水轮机调速器以高频数控阀取代电液转换器,具有较高的可靠性和频率响应,抗干扰能力强,彻底解决了电液转换器抗油污能力差、易卡阻之弊病;由插装阀组件代替辅助接力器和主配压阀,具有密封性能好、静态耗油量小、无零位漂移、无搭叠.元件互换性好等优点。
该调速器液压系统对传统调速器的机械液压部分在设计理念上实现了根本性的变革,在可靠性、速动性、可控性、维护性、灵活多变的集成化等方而实现了突破性进展,实现真止意义上的全数字化调速器。
从我站技改一年多来的使用情况表明,CVST-80的性能及长期运行的稳定性与可靠性己能够得到根本的保证,工作效率高、节能效果明显,且具备免检修、免维护的特点,为实现无人值班、少人值守电站打下了基础,调速器技术改造达到了预定目标、我站将在今年结合年度检修对2#、3#机组进行技改。
撰撰写人:
胡秋林
2011年11月8日
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