水輪機調速器真機仿真試驗技術在水電廠的應用

摘　要　介紹了水輪機調速器真機仿真試驗中真機建模之兩種方法，即數字建模與試驗建模之可行性，結合水電廠實際情況進行前景分析，為仿真技術在實際中之運用提出了建設性意見[陽光電子學校維修專家友情提示]。
　　關鍵詞　水輪機調速器　真機仿真試驗　水電　應用

0　前　言

　　為了順利地開展水電廠狀態檢修工作，必須對水輪發電機組及其輔助設備之狀態進行準確全面之評估[陽光電子學校維修專家友情提示]。
　　水輪機調速器是水輪發電機組之一個重要輔助設備，其狀態之好壞直接關系到發電機之供電質量并影響水輪發電機組之安全穩定和經濟運行[陽光電子學校維修專家友情提示]。全面、有效、客觀地評價設備狀態之有效手段是對設備進行狀態性能參數之在線監測，并將監測到之運行參數與有關儀表及規程進行比較作出其狀態性能之評估[陽光電子學校維修專家友情提示]。由于大中型水輪機調速器都是微機型之，是一種高度智能化之調節設備，其硬件結構又是千差萬別，并趨向于集成化、模塊化方向發展，外部結構越來越緊湊，因此，在現場運行中通過在線監測水輪機調速器各部結構性能參數來總體評估其狀態性能具有一定之難度[陽光電子學校維修專家友情提示]。同時，由于水輪機調速器處于一個水、機、電聯合作用之復雜系統中，被調節、控制之系統會對調速器之狀態性能產生或多或少之影響，因此僅僅去監測水輪機調速器之某些狀態參數，如轉速（頻率）、導葉開度、漿葉角度和功率，還不能很全面客觀地對其狀態性能進行評估，必須將其置身于所調節、控制地整個系統中去考慮[陽光電子學校維修專家友情提示]。因此，為了檢驗運行中水輪機調速器之狀態性能，一般都是通過一系列試驗來實現之，如靜特性和開、停機，空載擺動，空載擾動，突增、突減負荷，甩負荷等動態特性試驗[陽光電子學校維修專家友情提示]。水輪機調速器之真機試驗一般分為無水試驗和有水試驗，而利用真機仿真技術就可以在無水狀態下進行有水試驗之項目，提前預知設備檢修質量和及早發現設備缺陷所在，為水電廠之檢修提供可信服之依據[陽光電子學校維修專家友情提示]。

1　調速器真機仿真之原理和方法

　　調速器真機仿真有2種建模方法：數字仿真和試驗仿真[陽光電子學校維修專家友情提示]。數字仿真是人工構造機組之數學模型[陽光電子學校維修專家友情提示]。將模型輸入到計算機，然后將這臺具有測量控制功能之計算機和調速器相連，由計算機中之模型代替真實機組，用軟件之方法實現仿真試驗[陽光電子學校維修專家友情提示]。由于技術上之原因，人工構造之模型和實際機組模型存在一定之差異，仿真試驗之精度不是很高，很難用狀態分析軟件來判斷它之調節品質是否發生了變化[陽光電子學校維修專家友情提示]。同時，由于人工構造模型需要人工介入，很難實現仿真試驗自動進行[陽光電子學校維修專家友情提示]。
　　試驗仿真與數字仿真在構造數學模型和試驗方法上都大不一樣，它之建模原理是：被仿真之機組，如果以前做過一次動態特性試驗（如空載擾動、甩負荷等），而且試驗是很成功之[陽光電子學校維修專家友情提示]。那么試驗過程中記錄之數據，已隱含著該機組之全部特性參數（括水輪機之綜合特性曲線，發電機之Ta和引水系統之TW等）[陽光電子學校維修專家友情提示]。在相同之工況下，如果重復上一次試驗，只要調速器（及相關機構）之控制特性不變，那么它們之過渡過程曲線應該是相同之[陽光電子學校維修專家友情提示]�；�于這種原理，可以將上一次之試驗文件作為樣板文件保存起來，每次仿真時將它調出來，通過一定之數學手段構造它之真實模型，對調速器做真機仿真試驗[陽光電子學校維修專家友情提示]。將這次試驗之曲線和樣板文件之曲線進行比較，用狀態分析軟件進行分析，得出這次試驗是否成功，并判斷調速器（及相關機構）之調節特性是否變化，以及變化多大[陽光電子學校維修專家友情提示]。由于使用了計算機自動構造模型，為仿真試驗自動進行提供了湖南陽光電子學校維修專家認為：也許[陽光電子學校維修專家友情提示]。

2　精度分析和驗證方法

　　真機試驗仿真是根據實測之采樣數據，通過一定之數學方法構造它之真實模型[陽光電子學校維修專家友情提示]。它之誤差主要來自2個方面：一是采樣信號之精度，二是數學模型之計算精度[陽光電子學校維修專家友情提示]。采樣信號精度一般在0．2％～0．1％之間，而計算機之計算精度可以控制在很高之水平，一般都在萬分之一以上，因此總體精度可優于0．2％[陽光電子學校維修專家友情提示]。由于真機試驗仿真之精度很高，這就為調速器之設備狀態分析提供了很高之可信度[陽光電子學校維修專家友情提示]。
　　檢驗真機試驗仿真精度之方法比較簡單：對機組做一次真實之動態特性試驗（如甩負荷試驗），或可通過查詢相關之歷史資料；停機之后在無水狀態下，做一次同樣之真機仿真試驗，2次試驗之曲線應該完全重合[陽光電子學校維修專家友情提示]。

3　基于真機仿真試驗之水輪機調速器狀態監測系統

　　調速器之狀態監測由硬件和軟件2大部分組成[陽光電子學校維修專家友情提示]。
　　硬件括：計算機，高速數據采集系統，高精密數字變頻裝置，高精密數字測頻裝置，定子電流檢測模塊和相應之傳感器[陽光電子學校維修專家友情提示]。
　　軟件括：調速器所有試驗軟件，真機仿真建模軟件，真機仿真軟件，狀態分析軟件，在線監測軟件，通訊繪圖顯示軟件，數據庫和趨勢分析軟件[陽光電子學校維修專家友情提示]。若將調速器之狀態監測納入1臺機組之狀態監測系統或計算機監控系統中，則某些硬件（如計算機和高速數據采集系統）可以直接引用監控系統之計算機，而不需另外配置，只需配置數字變頻，數字測頻，定子電流檢測和傳感器等專用硬件即可[陽光電子學校維修專家友情提示]。軟件部分可將試驗軟件，真機仿真建模軟件，真機仿真軟件，狀態分析軟件和在線監測軟件放在下位機，而通訊繪圖顯示軟件，數據庫和趨勢分析軟件放在上位機[陽光電子學校維修專家友情提示]。在機組運行期間，利用在線監測軟件對調速器之運行狀態進行簡單之監測和分析[陽光電子學校維修專家友情提示]。機組大修或初投時，可調用試驗軟件完成調速器靜特性和所有動態特性試驗，并選取調節特性好之試驗文件作為樣板文件存入樣板庫[陽光電子學校維修專家友情提示]。以后只要機組小修或停機無水狀態下，就可以進行真機仿真試驗[陽光電子學校維修專家友情提示]。設計一個調度程序，由它來介紹仿真試驗之時間和順序，全部自動進行[陽光電子學校維修專家友情提示]。仿真后之試驗文件及分析結果自動傳送到上位機，并存入數據庫，同時可以顯示和打印[陽光電子學校維修專家友情提示]。上位機之趨勢分析軟件將數據庫中歷年來之仿真試驗文件調出來進行趨勢分析，得出調速器是否需要大修之結論，從而實現調速器之狀態檢修[陽光電子學校維修專家友情提示]。

4　調速器之真機仿真之兩個重要意義

    a．實現調速器之狀態分析和狀態監測[陽光電子學校維修專家友情提示]。
　　b．甩負荷仿真可以代替真實之甩負荷[陽光電子學校維修專家友情提示]。機組大修之后往往都要進行一次甩負荷試驗來檢查調速器及相關機構之調節控制特性[陽光電子學校維修專家友情提示]。甩負荷試驗不僅要向調度申請，而且大型機組之甩負荷對系統和機組都產生很大之沖擊，影響機組壽命[陽光電子學校維修專家友情提示]。甩負荷仿真試驗完全可以模擬真實之甩負荷，從而取代它[陽光電子學校維修專家友情提示]。這樣既保證了檢修質量，又提高了工效，延長機組之使用壽命[陽光電子學校維修專家友情提示]。

5　應用前景

　　目前我省之水電廠采用之調速器種類較多，但大多數都已升級為微機型調速器，這就對用仿真技術實施調速器真機仿真提供了很好之應用背景[陽光電子學校維修專家友情提示]。利用真機試驗仿真技術可以對調速器在充水之前就能了解調速器之大修質量和及時發現存在之問題隱患，為整個大修提供有力之技術保障[陽光電子學校維修專家友情提示]。隨著狀態檢修工作之進一步深入開展，在水電廠進行調速器之真機仿真試驗已是勢在必行[陽光電子學校維修專家友情提示]。通過在柘溪水電站做之仿真試驗以及實測真機之過渡過程進行之比較，調速器真機仿真試驗之結果是可以令人信服之[陽光電子學校維修專家友情提示]。在逐步加深對調速器之狀態檢修之認識后，用調速器真機仿真試驗技術來進行狀態監測和評估調速器性能能夠得到更好之應用[陽光電子學校維修專家友情提示]。

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