現(xiàn)代中小型水電站水輪機調(diào)速器的調(diào)試和維護

肖　平

摘要：調(diào)速器是水輪發(fā)電機組自動控制、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的核心部件之一，其性能、工況直接關(guān)系水電站輸出的電能質(zhì)量和供電可靠性。本文在介紹小型水電站調(diào)速器的特點與功能的基礎(chǔ)上，探討了調(diào)整試驗及日常維護內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：小型水電站調(diào)速器調(diào)試試驗故障判別

水輪機調(diào)速器是水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的核心，也是小型水電站總體自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。調(diào)速器對水輪機的控制，是自動控制原理在水輪發(fā)電機組控制上的具體應(yīng)用。

1 小型水電站調(diào)速器的特點

它除了具有一般自動控制裝置的特征外，還有以下特點。

操作力大。水輪發(fā)電機組是重型機械設(shè)備，尺寸大、重量重，水輪機運行時通過的水流量大，因而控制進水門需要很大的操作力。通常用油壓操作，往往具有兩級或更多的液壓放大機構(gòu)。

影響因素多，動作過程復雜。調(diào)速器所控制的是由水流、水輪發(fā)電機和電能用戶所組成的能量轉(zhuǎn)換及利用體系。引水管中的水體慣性較大，調(diào)速器控制過程中形成的水錘產(chǎn)生反調(diào)效應(yīng)。使水輪機調(diào)速器系統(tǒng)穩(wěn)定困難，控制復雜化。調(diào)節(jié)過程中各部分工作情況的變化，都會影響調(diào)節(jié)過程。因而水輪機調(diào)節(jié)是一個受多種因素影響的復雜過程。

調(diào)速器具有多種功能。除了在負載變化時自動調(diào)節(jié)水輪機流量外，調(diào)速器還應(yīng)當實現(xiàn)開機、停機、調(diào)整頻率、控制機組出力等操作，在事故情況下應(yīng)能執(zhí)行緊急停機，以保證機組的安全。

2 調(diào)速器的功能

調(diào)速器的設(shè)計，根據(jù)用電用戶小和水電運行環(huán)境的特殊要求，將針對常規(guī)調(diào)速器的不足之處，使得調(diào)速器具有更完善的功能和獨特的性能。

并網(wǎng)功能：調(diào)速器能根據(jù)指令(機旁操作或遙控系統(tǒng)作)自動開機，采用閉環(huán)控制方式啟動，機組轉(zhuǎn)速上升迅速平穩(wěn)，自動達到空載開度。當機組到達空載開度后，自動準同期控制系統(tǒng)即能精確調(diào)控機組頻率跟蹤網(wǎng)頻，并具有相角控制達到每分鐘至少可提供6次以上過周期并網(wǎng)點的機會，使機組并網(wǎng)更迅速、平穩(wěn)。

調(diào)節(jié)有功功率：我國大多數(shù)中小水電機組都是并入電網(wǎng)，長期帶固定負荷運行的。機組并網(wǎng)后，轉(zhuǎn)速已被電網(wǎng)拖入同步狀態(tài)，故不需繼續(xù)調(diào)頻，其主要操作是調(diào)節(jié)有功功率。調(diào)速器具有開環(huán)調(diào)功及閉環(huán)調(diào)功兩種方式，所用的執(zhí)行機構(gòu)又是數(shù)控電液隨動系統(tǒng)，具有定位精度高，帶自鎖裝置不溜負荷等特點，從而使整個調(diào)節(jié)有功功率的過程達到迅速、平穩(wěn)、精確的水平。

自動調(diào)頻功能：中小型水輪發(fā)電機組在農(nóng)村小電網(wǎng)中，經(jīng)常因電網(wǎng)解列而被迫甩負荷停機。調(diào)速器有性能優(yōu)越的自動辨識系統(tǒng)，一旦電網(wǎng)解列，自動辨識系統(tǒng)立即將調(diào)速器由并網(wǎng)帶基荷運行狀態(tài)改為帶小網(wǎng)調(diào)頻運行狀態(tài)。快速的狀態(tài)辨識及調(diào)控，能使裝備有調(diào)速器的地方電網(wǎng)在電網(wǎng)解列后迅速自救，不會造成電網(wǎng)解列后，地方小電網(wǎng)全網(wǎng)崩潰的嚴重后果，保障了發(fā)電、供電、用電的安全。

3 調(diào)速器的調(diào)整試驗與維護

調(diào)速器在組裝和大、小修之后，必須經(jīng)過一系列調(diào)整、試驗和檢查，才能保證今后正常，安全地運行。

3.1 調(diào)速器調(diào)試的基本內(nèi)容

靜態(tài)試驗(充水前試驗)。當調(diào)速器組裝完畢，通過充油及電氣部分的線路檢查無異常后，就可做調(diào)速器靜態(tài)特性試驗。調(diào)速器的靜特性，是指在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下，調(diào)速器轉(zhuǎn)速n（或頻率f）和接力器行程y之間的關(guān)系，即y=f（n）。通過對調(diào)速器靜特性的測定，確定調(diào)速器的轉(zhuǎn)速死區(qū)ix，校驗永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp值，借以綜合鑒別調(diào)速器的制造、安裝或大修質(zhì)量。試驗條件：bp=6％，開環(huán)增益為整定值，切除人工死區(qū)，微分系數(shù)Kd為最小值，積分系數(shù)為Ki為最大值，比例系數(shù)Kp為中間值。頻率給定為額定值。

試驗方法。用穩(wěn)定的頻率信號源輸入額定頻率信號，以開度給定將導葉接力器調(diào)整到50％行程附近。然后升高或降低頻率使接力器全關(guān)或全開，調(diào)整頻率信號值，使之按1個方向逐次升高或降低，在導葉接力器每次變化穩(wěn)定后，記錄該次信號頻率值及相應(yīng)的接力器行程值，分別繪制頻率升高和降低的調(diào)速器靜態(tài)特性曲線。2條曲線間的最大區(qū)間即轉(zhuǎn)速死區(qū)ix，ix=△f/fn。靜態(tài)特性曲線斜率的負數(shù)即永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp。國標（GB/T9652o21997)規(guī)定中型調(diào)速器ix＜0.08％，小型調(diào)速器ix＜0.10％。

動態(tài)試驗(充水后試驗)。為了檢查調(diào)速器的質(zhì)量，保證機組在突變負荷時能滿足調(diào)節(jié)保證計算的要求和所規(guī)定的動態(tài)指標，掌握機組在過渡過程中的狀態(tài)和各調(diào)節(jié)參數(shù)變化的范圍以及參數(shù)變化時對機組過渡過程規(guī)律的影響，從而找出最佳參數(shù)，提高機組運行的穩(wěn)定性及可靠性，檢查機組設(shè)計及檢修質(zhì)量，保證機組安全運行等。

單機空載穩(wěn)定性觀測

①手動空載擺動值測試。檢查機組各部分均已具備啟動條件后，手動操作調(diào)速器使導葉慢慢開啟至空載開度附近。當機組轉(zhuǎn)速升至80％后，慢慢調(diào)整導葉開度使機組頻率穩(wěn)定在50Hz附近；停止操作導葉接力器，待穩(wěn)定一段時間后用頻率計測量機組頻率，并記錄連續(xù)3min機組頻率擺動值的最大值fmax和最小值fmin則頻率擺動范圍為△f=fmax-fmin。如以相對量表示，則為△x=2（fmax-fmin）％。此時的頻率波動，一般均系水力不平衡或機組本身問題所致，與調(diào)速器無關(guān)。

②自動空載擺動測試。將調(diào)速器切為自動運行，測量機組轉(zhuǎn)速擺動值。測試方法與手動運行時測試方法基本相同，只不過需進行參數(shù)的選優(yōu)工作。最優(yōu)參數(shù)應(yīng)是空載擾動試驗的優(yōu)化參數(shù)。

國標（CB/T9625.1-1997）中規(guī)定對于中小型調(diào)速器若水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)速相對值不大于±0.3％，則自動空載擺動值不得大于±0.25％。否則只需小于手動空載擺動值就算達標。

空載擾動試驗。機組需在各種工況下運行，欲使水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)獲得良好的性能，必須合理選擇系統(tǒng)中的有關(guān)參數(shù)。空載擾動試驗方法如下：通過突變頻率給定值來進行頻率擾動試驗。擾動量一般為±（8-10％）fn，擾動試驗需記錄頻率擾動的超調(diào)量和過渡過程時間、調(diào)節(jié)次數(shù)等有關(guān)數(shù)據(jù)。通過若干組有關(guān)數(shù)據(jù)的比較，就可確定系統(tǒng)的最佳參數(shù)。國標對該試驗無考核要求。

甩負荷試驗。通過甩負荷試驗可進一步考驗機組在已選定的調(diào)速器空載參數(shù)下調(diào)節(jié)過程的速動性和穩(wěn)定性，更主要是檢驗調(diào)保計算參數(shù)，保證機組安全。甩負荷試驗一般分4次：甩25％、50％、75％、100％額定負荷，由小到大順序進行。甩25％額定負荷，主要是檢查接力器的不動時間是否符合要求，同時也檢查轉(zhuǎn)速上升率和蝸殼水壓上升率以及調(diào)節(jié)時間，分析下次所甩負荷增長后可能的變化趨勢，從而進一步驗證所選定的調(diào)節(jié)參數(shù)是否為最佳。甩50％和75％額定負荷的目的主要是分析其變化趨勢。最后甩100％額定負荷時，機組轉(zhuǎn)速上升率、蝸殼水壓上升率、尾水管真空度、關(guān)機時間和過渡過程調(diào)節(jié)時間等均應(yīng)滿足調(diào)節(jié)保證計算值和國標要求。國標（GB/T9652.1-997）規(guī)定甩25％額定負荷時，接力器不動時間Tq≤0.2s，甩100％額定負荷時，超過3％額定轉(zhuǎn)速的波峰次數(shù)不超過2次，穩(wěn)定時間不大于40s。

３.2 調(diào)速器的維護

調(diào)速器日常維護的主要內(nèi)容：監(jiān)視油位、油溫和油壓，保證調(diào)速器及油壓裝置正常運行；調(diào)速器及油壓裝置用油適時處理、更換；及時清洗濾油器；注意各運行零件的潤滑；定期檢查緊固件及電氣插件，防止松脫現(xiàn)象；調(diào)速器正常運行中不允許改變調(diào)節(jié)參數(shù)，定期檢查各工作電源電壓及信號源電壓；防止灰塵、飛蟲等進入。

近些年來，有不少小型水電站的水輪機調(diào)速器進行了更新改造，老型號的機械或電氣液壓調(diào)速器，逐步被微機或可編程控制調(diào)速器所取代。現(xiàn)不少水庫電站的水輪發(fā)電機組原使用CT型或YT型調(diào)速器，前幾年陸續(xù)更新改造為DJT-K系列電動集成式全可編程調(diào)速器（武漢長控所生產(chǎn)）。經(jīng)過安裝、調(diào)試、運行和維護、檢修，證明可編程調(diào)速器結(jié)構(gòu)簡單、性能先進、操作方便，運行故障率小，維護、檢修工作量明顯減少，提高了水電站供電的安全可靠性和經(jīng)濟效益。