１． 調(diào)相壓水歷史沉淀綜述 電力系統(tǒng)的負載主要是感性負載（異步電動機和變壓器），它們從電網(wǎng)中吸收感性無功功率，使電網(wǎng)的功率因數(shù)降低，線路壓降和損耗增大，發(fā)電設(shè)備的利用率和效率降低。為了提高電力系統(tǒng)的功率因素cosψ和保持電壓水平，常常裝置調(diào)相機（同期補償器）作為無功功率電源，提供感性無功，調(diào)相機通常都是在過勵狀態(tài)下（電流超前電壓90°）運行，忽略定子繞組電阻時功角θ=0[01]。水輪發(fā)電機作調(diào)相機運行時從電力系統(tǒng)中吸取一部分有功功率以補償其銅耗﹑鐵耗和風(fēng)摩損耗，通常采用壓水調(diào)相，一般調(diào)相容量為(0.6～0.75) (KVA)， 為發(fā)電機額定容量。 利用水輪發(fā)電機組作同期調(diào)相機有許多優(yōu)點，比裝置專門的調(diào)相機經(jīng)濟，不需一次投資；運行切換靈活簡便，一般調(diào)相運行轉(zhuǎn)發(fā)電運行只需要十多秒，故承擔(dān)電力系統(tǒng)的事故備用很靈活。缺點是消耗電能比其它靜電容器大，故應(yīng)設(shè)法（如壓水調(diào)相并自動化）減小調(diào)相耗能。 可以承擔(dān)調(diào)相任務(wù)的水電機組有三類情況：①枯水期間不能發(fā)電且距離負荷中心不遠的某些徑流式水電站機組；②電力系統(tǒng)負荷低谷期間不用發(fā)電的調(diào)峰水電機組；③電力系統(tǒng)正常運行期間不用發(fā)電的事故備用水電機組。當(dāng)水輪發(fā)電機組作調(diào)相機運行時可能的方式分析與對比見表1： 表1：水輪機組調(diào)相可能方式之對比 利用壓縮空氣強制排水的方法在工程技術(shù)中早有應(yīng)用，如打撈沉船的浮箱、潛水艇升降器、水下施工沉箱。調(diào)相壓水的目的是減小阻力、減少電能消耗、同時減輕機組振動。壓縮空氣通常是從專用的調(diào)相貯氣罐中引來，強制壓低轉(zhuǎn)輪室中的水位，壓縮空氣的最小壓力需等于要求壓低的水位與下游水位之差，一般將水位壓到尾水管進口邊以下（0.5～1.0）D1，設(shè)置上限水位時應(yīng)躲開轉(zhuǎn)輪室“風(fēng)扇效應(yīng)”[03]浪涌擺幅0.5D1，設(shè)置下限水位時應(yīng)考慮“封水效應(yīng)”[03]防止一次性逸氣；壓水效果最優(yōu)的起始給氣流量(m3/s) 式中 ——轉(zhuǎn)輪出口直徑（m）； ——機組額定轉(zhuǎn)速（rpm)； ——吸出高值（m） ２．調(diào)相給氣壓水系統(tǒng)自動控制要求 如前所述：水輪發(fā)電機組作調(diào)相運行時，導(dǎo)水葉是全關(guān)的，為了減少阻力和電能損耗，必須將水輪機轉(zhuǎn)輪室水位壓低，使轉(zhuǎn)輪在空氣中旋轉(zhuǎn)。對機組調(diào)相壓水系統(tǒng)自動化的要求是[04][05][06]：①當(dāng)機組轉(zhuǎn)為調(diào)相運行時，打開主給氣閥（考慮與治理抬機[07][08][09]用電動調(diào)節(jié)補氣閥合一）將壓縮空氣送入轉(zhuǎn)輪室將水位壓下，下降至“封水效應(yīng)”[03]容許的下限水位時，關(guān)閉主給氣閥；②由于流道逸氣、攜氣，轉(zhuǎn)輪室水位逐漸上升至“風(fēng)扇效應(yīng)”[03]容許的上限水位時，又自動開啟主給氣閥，將水位再次壓低至下限水位；③為避免主給氣閥操作過于頻繁，在主給氣閥處并聯(lián)一只由電磁配壓閥控制的較小的輔助液壓給氣閥（進氣流量略小于逸氣流量+攜氣流量），它在調(diào)相過程中一直開啟。 ３．治理甩負荷抬機新思路重申與控制要求簡述 文獻[07][08][09]已就此問題較詳述，本文僅作兩點強調(diào)：①傳統(tǒng)治理抬機措施存在原理性缺陷，即強迫式真空破壞閥由調(diào)速環(huán)下斜塊速壓而動作，閥之出氣位置處頂蓋下轉(zhuǎn)輪室四周壓力較高區(qū)，轉(zhuǎn)輪室內(nèi)進氣量很??；自吸式真空破壞閥動作時已形成大真空度，加之水擊波[10]在t＝（2×25～2×50）/1000＝0.05～0.1秒后返回，入氣位置雖佳但進氣量仍極少；兩段關(guān)閉導(dǎo)水葉法調(diào)保兼治抬只能略微減輕不能完全消除轉(zhuǎn)輪室-尾水管段水擊[10]，對解決小Kz值（機組轉(zhuǎn)動部分相對重量）[07]的機組抬機幾乎無效[11]。②注意到轉(zhuǎn)輪室-尾水管段“短粗彎管”也發(fā)生水擊是水輪機組甩負荷抬機的根源，我們應(yīng)在甩負荷發(fā)生瞬間立即不延時自動向轉(zhuǎn)輪室中心壓力較低區(qū)域充入與由于快速關(guān)導(dǎo)葉造成過水流量減小值近似相等的壓縮空氣流量（換算到轉(zhuǎn)輪室壓力狀態(tài)下），以時刻維持轉(zhuǎn)輪室壓強和甩負荷前穩(wěn)定流狀態(tài)一致，希冀狀態(tài)空間[12]（又稱相空間）不變。 ４．調(diào)相給氣壓水系統(tǒng)與治理抬機[07][08][09]相結(jié)合時自動化元器件配置、I/O統(tǒng)計、PLC及擴展模塊選擇、內(nèi)存地址分配 為滿足上述自動控制要求，①轉(zhuǎn)輪室水位由電極式水位信號器DSX反映，信號提供給PLC；②主給氣閥為電動調(diào)節(jié)進氣閥，該閥位于壓縮空氣供氣總管與水輪機頂蓋近中心區(qū)域入氣口之間的供氣支管上，管徑d=max{30[貯氣罐容積m3/(0.5～2)]1/2mm，33[水輪機最大過流量m3/s]1/2mm }，由PLC控制；③輔給氣閥為液壓閥YF，由帶ZT電磁鐵的配壓閥DP控制，DP又受控于PLC；④為防治甩負荷抬機需監(jiān)測監(jiān)控轉(zhuǎn)輪室壓強，在水輪機頂蓋過流面直徑為(D1＋Dz)／2的分布圓周上（D1為轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑；Dz為主軸直徑）沿＋X、＋Y、―X、―Y方向分別布置1號、2號、3號、4號四只壓力傳感器，信號提供給PLC。 這里設(shè)計的PLC控制系統(tǒng)，由導(dǎo)葉主令開關(guān)提供導(dǎo)葉開度全關(guān)信號，需1個開關(guān)量輸入點；由導(dǎo)葉主令開關(guān)提供導(dǎo)葉開度在空載以上，需1個開關(guān)量輸入點；由斷路器輔助觸頭提供DL狀態(tài)，需1個開關(guān)量輸入點；調(diào)相時由電極式水位信號器DSX提供上、下限兩個水位信號，需2個開關(guān)量輸入點；四只壓力傳感器提供轉(zhuǎn)輪室甩負荷時不同方位的壓力信號，需4個模擬量輸入點；進入調(diào)相狀態(tài)后須給電極式水位信號器投入電源，需1個開關(guān)量輸出點；主給氣閥為電動調(diào)節(jié)進氣閥，需1個開關(guān)量輸出點控制其工作電源投入與切除、需1個開關(guān)量輸出點控制立即開閉、還需1個模擬量輸出點用于PID調(diào)節(jié)進氣量；輔給氣閥之ZT電磁鐵不帶電工作，開啟與關(guān)閉需PLC開關(guān)量輸出點各1個（計2）?？傆嬮_關(guān)量輸入點5個；開關(guān)量輸出點5個；模擬量輸入點4個；模擬量輸出點1個。 在微機-PLC-PLC控制系統(tǒng)中設(shè)一臺SIMATIC S7-222型[13]PLC（8輸入／6輸出）并帶一個EM235型[13]（4路模擬量輸入／1路模擬量輸出）模擬量擴展模塊控制水輪機組相壓水系統(tǒng)并與治理抬機相結(jié)合成分層分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)[14]中的一個神經(jīng)元[15]，PLC型號可和網(wǎng)絡(luò)中其它PLC一致，如選S7-224型。表2給出輸入輸出地址及內(nèi)存變量分配。 表2：PLC輸入、輸出信號內(nèi)存變量地址分配表 ５．　程序設(shè)計[16][17] ５．１　總體思路 控制程序采用分塊結(jié)構(gòu)。設(shè)子程序SBR0控制機組調(diào)相壓水系統(tǒng)；子程序SBR1控制機組甩負荷時立即不延時向轉(zhuǎn)輪室補入恰當(dāng)量氣體[08]。主程序OB1分別調(diào)用SBR0、SBR1子程序塊，對兩個不同時事件分別控制。 ５．２　主程序中的具體控制流程 采用子程序調(diào)用和甩負荷治抬PID算法中斷程序，構(gòu)建分塊結(jié)構(gòu)，在水輪發(fā)電機組運行過程中，本小系統(tǒng)主程序只要不間斷查詢兩個子程序的起動條件，并根據(jù)起動條件決定是否調(diào)用調(diào)相壓水子程序或治理甩負荷抬機子程序。 ５．３　控制算法 應(yīng)用算法控制甩負荷后向轉(zhuǎn)輪室的進氣量，從而控制轉(zhuǎn)輪室狀態(tài)空間量水位或者壓強，調(diào)相壓水時用的是乒乓策略，甩負荷治抬機時則是PID算法，PID的輸出值用來控制主給氣閥（電動調(diào)節(jié)閥）的開通大小。 ５．４　控制程序 •OB1•（主程序） LD SM0.0 A I0.0 //導(dǎo)水葉處于全關(guān)位置 A I0.2 //發(fā)電機出口斷路器處于合閘狀態(tài) S M0.0，1 //機組調(diào)相運行狀態(tài)標(biāo)志置位 S Q0.0，3 //給主給氣閥、電極式水位信號器加工作電源；開啟主給氣閥。 = Q0.3 //開啟輔給氣閥 CALL SBR_0 LD SM0.0 A I0.1 //導(dǎo)水葉開度位置在空載以上 AN I0.2 //斷路器已跳閘 S M0.1，1 //機組甩負荷已發(fā)生標(biāo)志置位 S Q0.0，2 //立即不延時給主給氣閥加工作電源并開啟主給氣閥 = V5000.0 //發(fā)送上位機啟動機組事故停機指令 CALL SBR_1 LD V5000.1 O V5000.2 R M0.0，1 //機組調(diào)相運行狀態(tài)標(biāo)志復(fù)位 R Q0.1，2 //關(guān)閉主給氣閥、DSX切除電源 = Q0.4 //關(guān)閉輔給氣閥 LD Q0.1 TON T37，50 //延時5S LD T37 R Q0.0，1 //切除主給氣閥電源。 LD SM0.0 A V5000.2 R Q0.1，1 //關(guān)閉主給氣閥。 LD Q0.1 TON T37，50 //延時5S LD T37 R Q0.0，1 //切除主給氣閥電源 R M0.1，1 //機組甩負荷發(fā)生標(biāo)志在停機完成后復(fù)位 END •SBR0•（調(diào)相時供氣壓水子程序） LDN I0.4 //轉(zhuǎn)輪室水位低于下限值 R Q0.1，1 //關(guān)閉主給氣閥 LD I0.3 //轉(zhuǎn)輪室水位高于上限值 S Q0.1，1 //開啟主給氣閥 LD V5000.1 //機組進入發(fā)電運行狀態(tài) O V5000.2 //機組停機復(fù)歸 CRET //供氣壓水子程序有條件返回 •SBR1•（甩負荷時輸氣治抬機子程序） LD M0.1 LPS S Q0.0，1 //電動進氣調(diào)節(jié)閥加上工作電源 LRD A SM0.1 //首次掃描置1 S Q0.1，1 //主給氣閥立即開至全開 LPP XORD AC0，AC0 //清空累加器AC0 XORD AC1，AC1 //清空累加器AC1 XORD AC2，AC2 //清空累加器AC2 XORD AC3，AC3 //清空累加器AC3 MOVW AIW6，AC3