談專用調速器在沖擊式水輪機上的應用

尤振科

摘要：在中小型沖擊式水輪機中，常規配置YDT等電液調速器；近些年調速器廠家研制出了沖擊式水輪機專用調速器，已在不少高水頭電站中投入使用，運行效果比較理想；通過對比兩類調速器的使用情況，簡要談談使用專用調速器的一些體會。

關鍵詞：水輪機；調速器；應用體會

1 概述

沖擊式水輪機適用于高水頭、小流量的電站，它將來自壓力管道的水，經噴嘴后轉換為高速射流，切向沖擊轉輪，推動轉輪旋轉，從而帶動發電機轉子轉動發電。為了保證水輪發電機組能順利地并網發電，必須配置調速器，它的主要功能是在機組運行時，保持其輸出的電能頻率、電壓穩定。通常，調速器是通過調節進人水輪機的水的流量來實現這一目的，對于沖擊式水輪機來說，就是移動噴針以改變噴嘴的開度，從而改變水的流量。我廠以往生產的沖擊式水輪機，一般是配置電液自動調速器，近年，調速器廠家研制出了沖擊式水輪機專用調速器(以下簡稱沖調)，并逐漸在電站中開始應用。

2配置電液調速器時的特點

電液自動調速器主要是指YDT、YWT型，后來發展為使用步進電機PLC的BWT調速器，它的測頻放大、回復及控制部分采用電氣回路來實現，而液壓放大、反饋機構、作功機構則采用機械液壓裝置，是目前應用最廣泛的調速器。

由于沖擊式水輪機的壓力鋼管一般比較長，因此，噴針不能關閉太快，否則會產生極大的水壓，危害壓力管的安全，同時，又必須在極短的時間內切除射流，以防止出現飛逸，現在的機組一般采用噴針與折向器雙重調節的操作機構。

電液自動調速器輸出的是扭矩，通過調速軸，把調速器的轉臂與水輪機的操作機構聯接在一起，調速器的指令通過連桿使操作機構中的配壓閥活塞左、右移動，壓力油通過配壓閥上的孔口，流人接力器的兩側，操縱噴針啟閉。在調速軸的適當位置，另設1套拐臂、連桿來直接控制折向器，以保證折向器與噴針之間的協聯關系。單噴嘴機組的這種配置已應用多年，比較可靠，能保證水輪機穩定運行。

而對于雙噴嘴沖擊式水輪機，在運行時要求上、下噴針能同步移動，且與折向器保持協聯關系。以前，國內都采用凸輪連桿組合機構來完成這一系列動作。由于整個結構很復雜，死區較多，而且凸輪、差動配壓閥等零件的加工、安裝等方面容易產生誤差，經常產生動作遲緩，噴針位置控制不夠準確等現象，這是配置YDT普通調速器的雙噴嘴沖擊式水輪機無法徹底解決的問題。

3配置沖調時的特點

沖調實際上是改進過的PLC型電液自動調速器，它分單噴嘴用調速器、雙噴嘴用調速器，沖調與普通調速器的主要區別在于它輸出的不是扭矩，而是壓力油；由于沖擊式水輪機是通過改變噴針的開度來改變其流量，噴針是作直線運動的，因此只要在噴針后設置1個接力器，控制壓力油的進出方向，就能直接控制噴針的啟閉，這樣，就可以取消水輪機上的操作機構。為了讓調速器減少過調節，使調節過程穩定，精確控制噴針的行程，要設置1個位移反饋裝置。

位移反饋裝置通常有機械反饋和電氣反饋兩種。機械反饋是用鋼絲或鋼帶將噴針的位移信號送到調速器的回復軸上，再通過調速器內部液壓系統和電氣回路共同作用，使主配壓閥的活塞逐漸回到平衡位置，從而使噴針達到穩定狀態；而電氣反饋則是通過位移傳感器或電位計等電子元件將噴針的位移信號轉變為電壓信號，反饋到PLC的A／D接口(模數轉換接口)，該數值與PLC內部的計算值進行比較，以決定噴針是開還是關。由于反饋電壓的作用與頻率偏差的作用正好相反，就減緩了接力器的移動速度，減小了過調節，使調節達到平衡，保證機組穩定運行。目前，國內不同廠家生產的沖調采用的反饋形式各有其特點，可根據不同的機組的具體情況，選擇合適的反饋形式。

沖調的另一改進是它的軟件系統，大多廠家的可編程邏輯控制器(PLC)，采用面向硬件仿真編程，采用模塊結構，變參數并聯PID調節原理，改變了以往采用梯形圖、指令表等程序結構，其測頻環節由PLC本身完成，無須單獨設置測頻電路，提高了測頻環節的可靠性。也有廠家采用PCC(可編程計算機控制器)，它將原PLC的標準功能和工業計算機的多任務操作系統集成在一起，配以數字閥隨動系統，效果也不錯。

當雙噴嘴機組配置沖調后，就可以取消水輪機上的凸輪連桿組合操作機構，在每個噴針后設置1個接力器，由壓力油根據調速器指令直接控制噴針的啟閉。由于調速器中有兩套相同的液壓隨動系統，再根據選定的調速器反饋形式，在每個噴針后都設置相應的反饋裝置，分別與一套液壓隨動系統相聯；而折向器及其接力器由調速器中單獨的1個電磁閥來控制，它與噴針不再保持協聯關系，在機組正常運行時，折向器始終處于全開狀態，只有在關機或緊急停機時，接力器才動作，關閉折向器；至于上、下噴針如何動作、行程多少、折向器何時關閉等等，都由PLC中的程序通過控制壓力油來實現，這樣整個水輪機的結構就變得異常簡單，調節的可靠性也大大增強了。

單噴嘴水輪機的專用調速器中，只有1套液壓隨動系統，其他的與雙噴嘴的專用調速器相同。此時，我們大多選用電反饋裝置，因為它安裝很方便，在水輪機上也不用另加轉換裝置，只要1個支架固定好電位計或位置傳感器即可；電反饋方式的調試也比較容易，另外，它對調速器的位置沒有要求，可以任意布置

在設計時，考慮到下噴針在廠房平面以下，工作環境比較潮濕，還有可能發生滴水滴油等情況，我們對電位計、位移傳感器等電氣元件能否長期可靠工作存有疑慮，所以選擇了機械反饋方式，并設計了1個反饋機構，將噴針的移動距離轉換為扇形輪的旋轉弧長，再通過5mm的鋼絲繩經滑輪反饋到調速器中的回復軸上。當噴針移動時，回復軸也相應轉動，通過杠桿使與之相聯的步進電機發出位移反饋信號，經與PLC的位置信號進行運算后，輸出一個頻率差值，通過步進電機驅動器去驅動步進電機，使引導閥針塞離開中間位置；此時，主配壓閥的活塞受壓差作用作相應移動，通過液壓系統向噴針接力器配送壓力油，同時，帶動回復機構運動，通過杠桿使引導閥針塞回到中間位置，完成一次調節，從而控制噴針穩定在某一位置，以保證機組頻率和出力的穩定。在這臺機組的試運行時，先進行手動操作，噴針接到指令后，迅速移動，沒有發生配置普通YDT調速器時的滯后現象；自動開機起動時，機組自動跟蹤電網頻率，轉速迅速上升到同期要求，順利并網；接著作帶負荷試驗，機組起動并網后，在額定功率的25％、50％、75％各運行了30min，在連續增減負荷的過程中，接力器無擺動，機組無異常現象，說明預調好的緩沖參數是合適的；再滿負荷運行2h，在這過程中，頻率一直穩定在50土0．2Hz之間，出力變化也很小。最后，作甩負荷試驗，即在機組帶負荷運行時，突然跳閘與電網脫開，這會使調速器的各部件達到極限，是對調速器整體調節質量的考驗；分別在額定功率的25％、50％、75％和100％作了甩負荷試驗，并對甩負荷前后的機組參數作了記錄；在甩滿負荷時，水輪機折向器能在跳閘2s時內迅速倒下，切斷射流，機組速率相對上升了34％，壓力水管的壓力上升了14％左右，噴針接力器關閉時間為20s，這些參數都在允許范圍內，說明調速器的動態穩定性和速動性能良好。經72h的試運行后，機組通過驗收，并一直運行穩定。

４結束語

目前，已有多臺此類型的機組成功發電，從運行情況看，雙噴嘴水輪機的專用調速器是很成功的一個產品，不僅大大簡化了水輪機的結構，同時改善了調節品質，提高了調節的可靠性。現在，我廠生產的雙噴嘴沖擊式機組全都配置專用調速器。我認為，專用調速器不僅能用于新機組，也可用它對舊機組進行技術改造。至于單噴嘴沖擊式機組，由于配普通調速器時，結構不是很復雜，在運行時也比較可靠，因此兩種調速器都在使用，可根據用戶喜好去選擇。