大型水輪機調速器液壓系統仿真研究

陳 浩，張 堃，朱 斌

(三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443000)

水輪機調速器控制系統主要是由調節控制系統和液壓控制系統組成，調節控制系統負責調速器電氣部分的控制[1]，液壓控制系統是處于執行指令的環節，為調節控制系統調節水輪機導葉動作提供源動力，進而調節水輪機的導葉開度來調節發電機的轉速、功率及開停機[2]。隨著自動化控制系統技術發展，水電廠調速器控制系統設備出現更新換代，液壓控制系統精度和要求越來越高，新的液壓控制系統技術設計完成后直接應用于現場設備調試應用難度大、風險高、周期長。通過對該大型水電站調速器液壓仿真系統的研究，以常規PLC為平臺，通過模塊化分類的編程算法，仿真現場液壓系統元器件的運行動作情況，開發水輪機調速器液壓系統仿真裝置，通過該仿真裝置進行液壓控制系統功能調試、開發、研究，確保液壓控制系統在投入使用時完全具備投運功能，進而減少現場調試試驗周期以及可能帶來的故障風險，也可為調速器液壓控制系統開發提供試驗數據和理論依據。

1 調速器液壓系統工作原理

液壓系統通常由壓油裝置、油壓裝置、控制調節機構及系統管理者四個部分構成[3]。液壓系統的控制主要是通過對各類閥的動作，使整個液壓系統的油位、油壓在正常范圍內，確保機組在運行時能正常開啟關閉導葉，并在出現故障時能夠快速關閉水輪機導葉，保證機組安全穩定運行。

本液壓仿真系統主要仿真壓油裝置與油壓裝置，包括回油箱、進油閥、壓油泵、過濾器、油冷器、隔離閥、補氣閥、壓油罐及管道，其結構如圖1所示。液壓系統正常運行時，液壓控制系統發令啟動壓油泵，壓油泵將回油箱的油通過壓力管道打入壓油罐，隔離閥開啟，壓油罐的油通過管道將壓力油打入主接力器，控制導葉動作[4]。液壓仿真系統其主要原理為將液壓控制系統DO輸出至液壓仿真裝置的DI，即將液壓系統閥類控制指令輸出至液壓仿真裝置，再通過仿真裝置內部邏輯控制判斷仿真現場閥的動作情況、反饋情況以及故障情況，并且將液壓仿真裝置的DO與AO反饋回液壓控制系統的DI與AI，以此驗證液壓系統程序邏輯的正確性。

圖1 液壓系統結構示意圖

2 硬件結構設計

仿真系統智能控制系統硬件部分由電源模塊、西門子300PLC，TP277觸摸屏構成，通過PROFIBUS總線連接，內部電氣結構及裝置設計如圖2所示，外部信號與控制系統接線采用獨立設計的PCB板連接，其PCB板設計如圖3所示。

圖2 仿真系統裝置模塊電氣圖及外觀設計圖

圖3 PCB板連接線設計圖

3 仿真系統軟件部分設計

在進行仿真系統建模時將分為兩個部分，一部分為閥類控制與故障模擬、一部分為液壓系統壓力/油位動態控制，控制系統原理如圖4所示。

圖4 調速器液壓仿真裝置結構圖

人機交互系統運行在觸摸屏中，實現數據的顯示讀取功能，設置液壓控制系統的運行參數，模擬運行故障；觸摸屏通過PROFIBUS總線與PLC連接，實現人機交互系統與數據處理系統的通信；液壓仿真控制器通過運算后，將相應的控制信號經過處理后送至人機交互系統顯示，同時通過開關量輸出模塊與模擬量輸出模塊將信號送至液壓控制柜。在進行故障模擬時可以通過人機交互系統將控制指令下發至PLC，以此來校驗液壓控制系統功能的正確性，仿真控制器結構編程分為兩部分。

3.1 閥類仿真控制

液壓控制系統通過對液壓設備加卸載閥、隔離閥、壓油罐補氣裝置、回油箱油冷卻器、油過濾器等裝置的控制最終使回油箱液位、壓油罐油壓、壓油罐液位等電氣量運行在正常范圍水平。液壓系統閥類動作情況在仿真時流程基本一致，控制流程圖如圖5所示。

圖5 閥類動作原理圖

在閥無全開反饋故障時，當閥收到開啟令后延時一段時間后開度若大于98%且閥無運行故障，則反饋給液壓控制系統閥全開反饋信號。

現場閥類主要包括：壓油泵加/卸載閥、補氣閥、冷卻水閥、鎖錠、隔離閥等。

3.2 系統動態仿真控制

液壓系統的動態響應為瞬態過程，仿真時將液壓系統分為幾個部分建模：每個部分系統動態表示為流入和流出該封閉容腔流量的瞬態變化[5]。在進行建模時采用經典節點容腔建模法，設∑Q是進出容腔流量總和，則由連續性方程可以得出容腔壓力基本方程為

(1)

其中，E0為體積彈性模量系數，其計算表達式為[6]

(2)

3.2.1 壓油泵仿真建模

在液壓系統中，壓油泵為調速系統生產壓力油，供給調速器執行部件源源不斷的動力。在隔離閥未打開時，壓油泵將壓力油打入管道；在隔離閥打開時，壓油泵將壓力油打入壓油罐中。在壓油泵建模時忽略油的損耗、油的壓縮性等因素，考慮壓油泵從回油箱吸收的油和打入系統的油是相等的，如式(3)所示。

Qipi(t)(輸入流量)=Qipo(t)(輸出流量)=
Qc(t)(實際輸出流量)

(3)

可得出單油泵加載時油泵建模模型：

Qipi(t)(輸入流量)=(0.15q0/3 600)+Q0

(4)

其中：q0為掃描周期150 ms的單泵流量；Q0為前一時刻地油泵輸入流量。

當油泵卸載時：

Qipi(t)(輸入流量)=Qipo(t)(輸出流量)=0

(5)

3.2.2 管道仿真建模

管道壓力仿真建模時可分為兩種情況，第一種為隔離閥未開啟時，根據節點容腔建模法可以對管道進行建模[7]：

Pg(t)=E0(∑Qgi(t)-∑Qgo(t))/
(Vg+Pg(t-1))

(6)

其中：Pg(t)表示當前管道壓力；∑Qgi(t)表示當前進入管道的流量；∑Qgo(t)表示當前流出管道的流量；Vg表示管道體積；Vg+Pg(t-1)表示上一周期管道壓力。

另一種情況為隔離閥處于開啟狀態，此時管道壓力和壓油罐壓力相等，即：

Pg(t)=Py(t)

(7)

3.2.3 壓油罐仿真建模

壓油罐是液壓系統中的一種能量儲存裝置，主要供給接力器與調速器恒定的壓力油源，能自動補充耗油、耗氣及泄漏，以便維持油壓與油位在允許范圍內[8]。本文主要對氣體加載非隔離式蓄能器進行系統建模，氣體加載非隔離式蓄能器利用氣體的壓縮和膨脹來儲存、釋放壓力能。通常，氣體的壓力與體積的關系PVm=const，在進行壓油罐建模的時候，考慮氣體是等溫過程，取m=1進行建模。

其建模算法為

Vy(t)=Vy(t-1)+∑Qyi(t)-∑Qy0(t-1)
Py(t)=(PV)/Vy(t)
Hy(t)=(Vy(t)-V0)/Sy

(8)

其中：Vy(t)為當前壓油罐氣體體積；Vy(t-1)為前一周期壓油罐氣體體積；∑Qyi(t)當前流入壓油罐油體積；∑Qy0(t-1)當前流出壓油罐流油體積；Hy(t)為當前壓油罐液位；Sy為壓油罐截面積。壓油罐的油位和油壓初始值由觸摸屏畫面設置。

3.2.4 回油箱仿真建模

回油箱是回油存儲器，為重新打入壓力油提供油源，并在回油箱內對油進行過濾、加熱等?；赜拖湓谟臀坏蜁r油泵將不能為液壓系統提供油源，此時液壓油泵不能運行，在進行回油箱建模時，回油箱仿真建模算法如下：

Vh(t)=Vh(t-1)+∑Qhi(t)-∑hy0(t-1)
Hh(t)=Vh(t)/Sh

(9)

其中：Vh(t)表示當前回油箱體積；Vh(t-1)表示上一時刻回油箱體積；∑Qhi(t)表示當前流入回油箱油量；∑hy0(t-1)表示當前流出回油箱油量；Sh表示回油箱截面積；Hh(t)表示回油箱液位。

4 人機界面設計

通過人機界面可以實現液壓泵，壓油罐、管道、回油箱及閥組狀態顯示、故障模擬、參數設置等功能，部分設計如圖6所示。

圖6 液壓系統仿真裝置畫面設計圖

5 仿真效果應用

在缺少油泵控制柜、油泵電機、壓油罐、回油箱及管路等設備的情況下，完成了液壓系統控制柜的系統回路、功能、故障調試。具體包括：

1)驗證液壓控制柜各狀態指示、故障報警、事件、參數設置、數據等功能的正確性；

2)驗證液壓控制柜啟泵時油泵延時啟泵信號、反饋信號動作功能正常；

3)驗證液壓系統運行時加/卸載閥、隔離閥動作及復歸等開關量信號反饋正常；

4)驗證仿真系統對系統壓力、壓油罐壓力、壓油罐油位、回油箱油位、油溫、泵流量等模擬量數據自動計算后，液壓控制柜數據同步顯示并應用；

5)仿真系統配合液壓控制系統完成啟停過程、運行態、故障態、壓油泵啟停邏輯、壓油泵倒換邏輯、液壓系統開停機過程流轉等控制邏輯功能的驗收調試。

6 結 語

新開發的水輪機調速器液壓仿真裝置主要仿真現場液壓系統元器件工作狀態反饋以及回油箱液位及油溫、管道系統壓力、壓油罐油氣壓力及油位等高精度的全方位自動模擬功能。液壓仿真裝置擁有良好的人機界面可以展示被模擬系統的實時狀態，也可以進行參數設置和故障模擬，具備調試方便、簡潔、數據直觀、周期短、功能齊全、安全性高等特點。該裝置經過多次試驗，功能完善，邏輯性強，可以仿真現場液壓系統的運行情況，操作方便。每個部分采用相應的數據塊對應編程，程序邏輯性強、安全可靠，并且留有繼續開發的功能接口，可根據實際工況再進行優化。