调速器培训2014.3.doc

调速器培训一、水轮机调节原理水轮机调速器的调节对象是水轮机，调节目标是维持机组于额定转速（频率），根据机组的给定负荷，调节有功功率。不断地调节机组的有功功率，维持机组的转速在额定转速的规定范围内是水轮机调节的基本任务。按我国电力部门规定，电网的额定频率为50Hz，大电网允许的频率偏差为0.2Hz。水轮机调速器是水轮发电机组的重要辅助设备，它与电站二次回路或微机监控系统相配合，完成水轮发电机组的开机、停机、增减负荷、紧急停机等任务。 不论哪种类型的水轮机调速器,调节水轮机转速的基本原理是相同的，都是采用反馈控制的原理，工作原理如下图所示。在水轮机转速调节中，被调量是水轮机的转速（或水轮发电机组的频率），调节的目标是转速给值，通常为额定转速（或额定频率50z）。引起转速变化的是机组负荷扰动或进入水轮机的水量的变化。在水轮机调速系统中调整机组转速的调节机构是水轮机的导水叶。改变导水叶的开度、水轮机的水体流量，从而改变机组的转速。水轮机调速器工作基本原理图 调速器能使水轮机的转速保持在额定值，是因为调速系统将水轮机转速反馈到转速测量机构，实时地测量机组转速与给定转速的偏差，并根据该偏差的大小和方向，按照预定的调节规律产生调节指令。该指令通过执行机构（电液随动系统）开启或关闭导水叶，调节进入水轮机的水量，改变水轮机的转速。由于系统是接成负反馈，转差所产生的调节作用总是使这个转差减小，直至偏差为零，保证了机组实际转速与给定值相等。从水轮机调速器工作基本原理图中可以看出，水轮机调速器一般由转速偏差测量机构、调节器和电液随动系统或执行机构三大部分组成。2、 我厂调速器概况 我厂目前有6台调速器（4号机改造中）在运行，生产厂家两个，型号四种。1）1号、2号调速器为长江三峡能事达电气公司生产的型号WBST-150-2.5，结构为可编程计算机控制器PCC+步进电机式调速器，主要由数字式步进电机驱动器步进电机位移转换丝杆电液转换系统、主接位移传感器反馈系统组成，实现对水轮机的控制。其采用直连型块式结构，积木式安装，无杠杆，内置式油管。对油质要求低，滤油精度在100u即可满足调速器要求。步进式电位移伺服系统及实物图如下：步进电机控制原理图可编程控制器驱动器传感器反馈信号步进电机丝杆正向脉冲反向脉冲2）3号、5号、6号、7号为武汉长江控制设备研究所生产，共三种机型。3号、5号型号为DKST-150-2.5型；6号为混流机组单调，型号为DKT-150-2.5型；两者结构均为可编程计算机控制器PCC+交流伺服电机调速器。该型调速器采用交流伺服电机+丝杆螺母副直接控制主配压阀的控制方式；电气部分采用高可靠性的可编程控制器为硬件主体；机械部分采用直联型结构，减少机构传递环节，使得结构紧凑、简单；无杆件，少油管。所有这些，使得该型调速器的工作更可靠，性能更优越，结构更简单，调试、运行和维护更加方便。交流伺服电机外观实物图和内部结构图如下： 1.手动操作机构 2.电机 3.连接轴齿轮 4.滚珠丝杆副 5.机座 6.导向键 7.弹簧定位座 8.纯机械复中腔 9.弹簧 10.移动轴 11.限位板 7号机为双微机调速器，型号为WDT-150-2.5，是九十年代的产品，属微机型调速器的初级产品，虽然技术指标、功能较高较全，但由于其整体结构复杂，机柜内电液转换、开度限制、主配复中、开度反馈等机构卡涩现象时有发生，电柜元器件老化、接触不良等原因使得调速器整体稳定性、安全性下降，表现为故障率高、维护量大、开停机成功率低。今年汛期将对其进行更新改造。 双微机调速器复杂的逻辑图和实物图如下： 三、PCC调速器介绍奥地利贝加莱公司于1994年首先推出了PCC(Programmable Computer Controller,即可编程计算机控制器)是一种新型的模块化控制装置。它融合了传统的PLC和IPC的优点，既具有PLC的高可靠性和易扩展性，又有着IPC的强大运算处理能力和较高的实时性及开放性。PCC的硬件结构和外形与PLC十分相似，但PCC具有更强大的处理能力和更高的实时性；在软件功能方面，它又与某些PC-Based类似，不过其可靠性和环境适应能力却大大优于后者。可编程计算机控制器是一种全新的控制概念，它集成了PLC的标准控制功能和工业计算机的分时多任务操作系统等功能，除具备PLC的高可靠性外，还具有PC机的高速性和大容量等特点；PCC多数为32位CPU，具有高速的智能处理器TPU，TPU功能可使系统响应时间达到S的范围，而CPU不需作任何加载；将要求实时性比较高的程序置于高速任务中，可以有效地保证系统的实时性，提高调速系统的动态性能指标；相对于PLC，PCC程序中对变量的命名更具有人性化，程序的可读性也更强；PCC具有良好的电磁兼容能力和现场总线全面支持技术，体现着世界工控领域的发展方向，已广泛应用于调速器和励磁装置等电气设备中。四、电液随动系统的电气分析调节器计算出的调节器输出y与接力器反馈y_之间的差值进行电压放大后，一路接至平衡表，另一路进行电流（功率）放大，控制机械液压随动系统，使接力器跟随调节y。这里要注意两个量的一些特征：y是PID计算的结果，只与频差、人工失灵区、永态转差系数、功率给定（并网时）、有效开限有关，它可从D/A输出中测量，为0（对应接力器全关0%）至10V（PLC、PCC）或5V（双微机）（对应接力器全开100%）的模拟信号；y_为接力器反馈值，它通过调零调幅电路来保证y_为0V（0%）时对应接力器全关，10V（100%）（PLC、PCC）或5V（双微机）时对应接力器全开。平衡表是判断调速器工作正常如否的晴雨表（注意是单偏还是不停地动作）。一旦机组运行有问题，首先根据机组运行工况，判断y计算是否有误，y的模拟量与数值量是否相等，再看平衡表是否平衡，反馈y_是否反映正确，反馈传感器的安装、工作电源是否正常，调零调幅是否正确等。单偏常是机械问题，不停地动作常是电气问题。示意图如下：频率给定fGYPKP（）或线性模型(+)YIK电网频率fGD（）机组频率fJDYDKI(+)bp+(+)(-)+前馈PGaKt操作指令YK（调节输出）五、频率调节与频率跟踪当自动或手动开机将机组开起来后，机组将运行于空转或空载状态，空载（空转）对调速器来说有两种调节方式：即频率给定调节方式和跟踪网频调节方式。它们二者的差异就是频率调节目标值不同，前者的目标值为人为设置或上位机给定，抑或通过增减开关量进行修改；后者的目标值则是不能修改的网频实测值，只有当网频测量故障时，计算机自动切入频给调节方式。当跟踪网频功能起作用时，自动准同期装置的频率控制开关是不起作用的。从网频跟踪功能的特点可看出，网频故障不影响调速器的正常运行，因此，作为调速器来说，网频完全可以不测量，更何况有同期装置呢，测量网频仅仅是给你提供一个电网频率值参考。空转和空载的调节对调速器来说是一样的，只是机组PT的电压不同而已。空转是励磁未投入的状态，PT电压较低，信号源不算太好；空载指励磁投入，有理想的信号源，PT电压在100V左右。因此，空载时的信号源对调节会更好一些，空载测试（空摆和空扰）都是在励磁投入的情况下进行的。当然，空载和空转的开度限制值都是空载开限，也就是说这时的最大开度不会超过空载开限值。值得注意的是，千万不要将启动开限和空载开限设为零或小于空载开度的值。如果那样，要么机组开不起来，要么机组开不到额定转速长时间低速运转。六、开限问题机械开限优先，电气开限从属于机械开限。调速器设有三个电气开限：启动（开机）开限、空载开限、发电开限。自动开机前期，调节器受控于启动开限，一般启动开限较大，让机组快速开启，当机组频率接近50HZ（如48HZ）时，空载开限投入（此值较接近于空载开度），让机组快速平稳地稳定于空载开度上，且超调量小。当机组处于发电状态（油开关合上）时，发电开限投入，为便于电站运行人员控制机组不会超负荷运行，特别是电站AGC投入的状况，根据电站水头的大小，设定发电开限，从而保护机组不至于受超负荷运行的损害。值得提出的是：（1）、根据机组的运行状态和工况，有且只有一个电气开限起作用；（2）、在没有水头信号引入调速器进行采样的情况下，一般是根据当前水头的实际值人为地在人机界面上经验地给入三个电气开限值，如果水头信号引入了调速器进行采样，并且能够提供出水头与空载开度的协联关系、水头与额定负荷时接力器开度的协联关系，那么三个电气开限可由调节器的计算机自动求出。七、调速器中P、I、D、E、bp、K参数的意义及作用P：对频差起到放大作用；I：消除频率偏差，同时兼有放大作用；D：对频差有超前感知作用，同时兼有放大作用；发电时为0.E：人工失灵区，为保证并网的机组能稳定发电，特设置机组频率在50HZ上下某一规定的范围内机组不因频差变化而调节。此规定范围为人工失灵区。空载时为0，发电时为设定值。bp：永态转差系数，电站中并列运行的机组，根据各自的调速器bp值进行有差调节（参考静态特性曲线），从而在不同机组中分配电站的有功功率。空载时为0，发电时为设定值。 放大倍数K：在综合放大回路上，对调节输出y与反馈y的差值进行电压放大，从而提高随动系统的灵敏度。此系数只有适中才能同时保证调速器的调节精度和稳定性。八、PCC测频测频环节是水轮机调速器最重要的前置环节，是调节器的计算基础，一旦出错或故障，调速器自动通道就会崩溃。我厂调速器直接采用PCC本体测频，无需另设测频硬件，测频的可靠性非常高。例如我们3号机已用的PCC模块CPU晶振频率达到6M（6291667）Hz，其测频精度能够精确到约0.0008%，可见测频精度是极高的。 调速器的机频测量采用两种方式：一种为机端PT残压测频，另一种为齿盘测速，这两种方式测得的速度信号同时输入到PCC,同时调速器还测量系统频率。在PCC中对三路频率进行冗余处理，最大程度上保证测频的高可靠性。九、位移传感器位移传感器是电液随动系统执行情况的重要判据，也是调速器调节结果的最终反映，重要性可想而知。在冗余系统中，我厂调速器（6、7号机除外）配置了两个导叶和两个轮叶位移传感器，两者性能、安装方式、安装位置完全一样的传感器，以保证判据的准确性。十、调速器与LCU之间的关系 与计算机监控有并口和串口两种连接方式并口主要通过开关量触点连接有：开机令、停机令、并网令、增功率、减功率、紧急停机令、调相令、调速器故障、调速器手自动、交直流消失报警、紧停反馈、主配拒动接点、导叶位置接点等。模拟信号有：导叶开度和轮叶开度等 串口通过RS232C或RS485互连。十一、调速器开关量的优先级紧急停机手动停机并网开机无开关量（空载或等待）工况，优先级逐渐降低。十二、调节模式的转换水轮机调速器主要有频率调节、开度调节和功率调节共三种调节模式。频率调节模式适用于机组空载运行、机组并入小电网或孤立电网运行、机组在并入大电网以调频方式运行等情况；开度调节模式适用于机组并网运行、带基本负荷的工况；功率调节模式适用于机组并网运行、受水电站AGC系统控制的工况。三种调节模式的转换关系如下：1、机组开机进入空载工况运行时，调速器在频率调节模式下工作；2、机组油开关合上，并入电网工作时，调速器自动进入开度调节模式工作；3、机组在并入电网工作的工况下，可以人为地使调速器工作于3种调节模式中的任一种模式；4、调速器工作于功率调节模式时，若检测出机组功率传感器有故障，则自动切换至开度调节模式下工作；5、调速器工作于开度调节或功率调节模式时，若电网频差偏离50Hz过大，则调速器自动切换至频率调节模式工作。一般情况下，建议将开度调节模式作为并网工况下的首选工作模式。十三、主配拒动接点的含义是为了反映主配压阀拒绝动作的状态而引出的一状态开关量接点。在水电站的二次控制回路中，通常是当机组转速大于115%且主配压阀拒绝动作时，控制保护回路发关事故配压阀命令。 长控所的主配拒动接点是在反映主配压阀关机状态的位置上加一常闭接点，当主配向关机侧方向动作时接点断开，当主配向开机侧方向动作或不动时接点合上，这样，在一般机组的控制回路上就能实现其目标。十四、一次调频1、一次调频的概念 各机组并网运行时,受外界负荷变动影响,电网频率发生变化,这时,各机组的调节系统参与调节作用,改变各机组所带的负荷,使之与外界负荷相平衡.同时,还尽力减少电网频率的变化,这一过程即为一次调频。 2、关于机组一次调频试验近年来，为了保障电网的安全、稳定和优质运行，国家电力调度中心要求提高发电机组参与一次调频的积极性，电网管理部门还建立了发电机组投入一次调频的考核制度，并对发电机组一次调频的响应速度、调节幅度和永态转差系数等技术参数作出了具体规定。目前进行一次调频的试验方法和要求如下：a、技术指标：（1）机组一次调频的频率死区控制在0.05Hz（0.1%）；（2）机组的永态转差率bp不大于4%；（3）最大调整负荷限幅：为确保一次调频投入后机组的安全运行，暂定一次调频的最大调整负荷限制幅度为机组额定负荷的10%；（4）机组调速器转速死区小于0.04%。b、响应行为：（1）额定水头在50米及以上的水电机组，其一次调频负荷响应滞后时间应小于4秒；额定水头在50米以下的水电机组，其一次调频负荷响应滞后时间应小于8秒；（2）当电网频率变化超过机组一次调频的频率死区时，机组一次调频的负荷调整幅度应在15秒内达到该工况下的一次调频最大负荷调整幅度的90%；（3）在电网频率变化超过机组一次调频死区时开始的45秒内，机组实际出力与机组响应目标偏差的平均值应在机组额定有功出力的5%以内。 我国水轮机电液调速器，在并入电网以后自动运行工况时，不论是在开度调节模式还是在功率调节模式下，只要对参数按电网对一次调频的要求进行调整，大多具有一次调频能力。调速器切至手动时退出一次调频。目前我国大中型水电站都积极响应电网的要求参与一次调频，按电网一次调频的要求调整频率人工失灵区E、永态转差系数bp等参数。为了协调一次调频与AGC控制的关系，还可适当修改调速器的程序,并设置一次调频的标志和软开关，设置一次调频的运行模式。十五、水轮机的三级保护 水轮机的三级保护是指紧急停机电磁阀、过速限制器、快速闸门。 紧急停机电磁阀安装在调速器机械柜内，无论调速器导叶在手动或自动，其动作条件有两个:一是人为按紧停按钮;二是机组的一般事故（保护、温度、低油压等）动作紧急停机电磁阀，十分及时有效紧急停机电磁阀动作后直接向主配辅助接力器关机侧通油动作紧急停机电磁阀，实现紧急停机。机组长时间停机，会有一些刚性颗粒沉淀在油管口附近，当主配动作开机位置之后不能返回，使主配发卡,调速器调节失去控制，为防止因调速器主配发卡机组过速，机组一般设置过速限制器保护,其动作条件是机组转速达到115%，主配不向关侧动作。过速限制器动作油管接在主配下方，不经调速器，动作迅速及时，动作时间与事故停机电磁阀时间大约为7秒。 三级保护中的最后一级保护是快速闸门，动作条件是正常事故停机时剪断销剪断或机组转速达140%额定，它既是机组前两级保护的补充，同时又可以理解为前两级的后备，是最终保护环节。十六、调速器常见故障分析与处理1、电源故障:对于调速器的工作不正常，首先要确定是否为开关电源故障引起。开关电源故障有两种可能：第一，是否为开关电源输出的负载短路引起，开关电源保护动作而无输出；第二，开关电源本身损坏而无输出。对于开关电源故障判断，可将开关电源的输出负载解除，如开关电源仍然无输出，则开关电源本身损坏，若有输出，则为负载短路引起。2、反馈故障：反馈断线：当反馈断线时，进入调速器的反馈电压为最大或为最小，此时，调速器显示屏显示导叶开度为99.99或0.00。此时，处理好反馈电位器后，还需进行零位、幅位的校准。反馈跳动：当手动缓慢操作接力器时，导叶开度反馈应随着接力器动作而慢慢变化，不应有突跳的现象。若此时反馈有突跳现象，应该检查是否为拉紧机构处理不当或反馈电位器本身质量问题。3、频率故障：对于频率测量故障，最为直接的方法是外加频率计，调速器是否能正常测量到频率。对于该故障点，可用示波器分别观察调速器接口板是否有频率的中断和时钟信号，来确定频率测量的故障点。 网频故障时，空载时不能跟踪网频调节，并网后不能进行频率容错处理，网频故障不影响调速器的正常运行。4、驱动器故障 驱动器为松下伺服驱动器，其电气保护功能很多，相应的故障报警有故障代码，故障代码及处理方法参见相应的伺服驱动器文档。5、电液转换机构故障 电液转换机构故障主要为电液转换机构发卡，操作阻力较大；电液转换机构松脱，及机手动不能可靠复中。电液转换机构故障要进行相应的机械处理。6、开机不成功原因一般有如下几种（1）开机信号是否到调速器，观察开机令是否到调速器，开关量输入模块相应指示灯是否被点亮（2）开机令是否保持（3）平衡表是否向开机侧动作（4)PID参数、开限设置是否正常(6)紧停阀是否复归7、空载不稳定一般有如下几种（1）PID参数、开限设置是否正常（2）频率测量是否稳定，导叶反馈是否跳动（3）机械随动系统是否工作正常（油压、开关机时间的整定等）8、并网后负荷不稳定一般有如下几种（1）是否有上微机误发的增功、减功信号。（2）机组频率测量是否有干扰，监测频率测量的是否被干扰。（3）反馈电位器是否跳动。（4）机械系统是否工作正常。十七、日常维护时调速器传动试验方法1）目的通过模拟机组自动开机、并网、增减负荷、停机试验，检查二次回路是否正常，以便既早发现问题。2）工具频率信号发生器、数字式万用表、“一”字小螺丝刀、尖嘴钳3）安全措施机组停机状态；坝顶工作门落下，并做好防提措施；导叶接力器锁锭抬起，水车室无人工作。4）步骤做模拟试验时，根据每台机的实际情况，对照图纸接入相应的模拟频率信号，在给模拟开机令的同时，利用多功能工频计逐级加大至50HZ，然后根据实际需要依次加入并网、增减负荷、停机等开关量信号，完成整个模拟传动试验过程。5）注意事项1.对电柜画面进行检查，各参数是否正确，所有画面显示是否和实际设备状态一致。2.对照协联表检查协联关系曲线。3.做模拟试验时，仔细观察试验状态是否正常，各回路模拟是否准确，各表计显示是否准确,动作是否迅速、可靠。4.断开、接入二次接线时必须做好记号，防止误接。5.导叶、轮叶切手动，分别将两者手动开至50%左右，观察开度是否有偏移现象，以判断机械静平衡调整是否合适。十八、水轮机调速器试验项目1、充水前试验（静态试验）（1）调速器机械液压系统的调整与检查主要包括：低油压时各阀体中位的调整、各部件连接是否牢固；工作油压时各充油部件是否密封完好、开关机时间是否调整正确等。（2）电源回路检查保证强电如AC220V、DC220V电源的正确性；保证开关电源的各等级输出电压的正确性。（3）零位、幅值调整保证接力器全关时调整后输出刚好为0，接力器全开时调整后输出刚好为10V（PCC调速器）。（4）模拟表计调整保证零值时的零刻度和全值时的满刻度。（5）静态试验（轮叶随动系统不准确度）这是调速器充水前的一个重要试验，本试验的试验结果能反映调速器的静态调节品质好坏,可以确定最大不灵敏区，综合鉴定调速器电气、机械系统的大修质量。国家标准规定：大型调速器转速死区ix0.02%，中型调速器转速死区ix0.06%，小型电液调速器转速死区ix0.10%，小型机械液压调速器转速死区ix0.18%。轮叶随动系统的不准确度不大于0.8%。（6）协联曲线校验对双调节机组，可以进行协联曲线校验记录，将水头置某一有效值，导叶切手动，轮叶处于自动，将导叶接力器在全行程范围内进行开机或关机试验，进行协联输出和轮叶接力器全行程记录。国家标准规定：电气协联特别是数字协联，实测的协联曲线与理论协联关系曲线的偏差不大于轮叶接力器全行程的1%。（7）手自动切换与紧急停机试验将调速器切为自动工况，模拟并网并通过改变功