沖擊式水輪機專用調速器的特點與應用

楊坤

(中國水利水電第七工程局有限公司機電安裝分局，四川彭山 620860)

沖擊式水輪機專用調速器的特點與應用

楊坤

(中國水利水電第七工程局有限公司機電安裝分局，四川彭山 620860)

介紹了沖擊式專用調速器的特點和常見故障，敘述了安裝了亞洲單機容量最大的沖擊式機組的冶勒水電站的六噴六折調速系統的結構和試驗情況。重點介紹了其結構新穎，控制先進，功能完備，可靠性高特點，為今后進一步運用大型沖擊式專用調速器提供參考。

沖擊式專用調速器;噴嘴;噴針;折向器;冶勒水電站

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，其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入水輪機的水流量來實現這一目的的。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。近年，調速器廠家研制出了沖擊式水輪機專用調速器，并逐漸在水電站中開始應用。

2 配置沖擊式水輪機專用調速器時的特點

沖擊式水輪機專用調速器實際上是改進過的PLC型電液自動調速器，它以噴針及折向器數目來區分，可分單噴單折、雙噴雙折、四噴四折、六噴六折等類型。沖擊式水輪機專用調速器與普通調速器的主要區別在于其輸出的不是扭矩，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，且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，從而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，需要設置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并反饋到PLC的A/D接口(模數轉換接口)，將該數值與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，從而減緩了接力器的移動速度，減小了過調節，使調節達到平衡，進而保證機組穩定運行。目前，國內不同廠家生產的調速器采用的反饋形式各有特點，使用時可根據不同機組的具體情況，選擇合適的反饋形式。

調速器的另一改進是其軟件系統。大多數廠家的可編程邏輯控制器(PLC)采用面向硬件仿真編程、模塊結構、變參數并聯PID的調節原理，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，從而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)，它是將原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。

例如，當雙噴嘴機組配置調速器后，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，根據所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、折向器何時關閉等均由PLC中的程序通過控制壓力油實現，這樣應用使整個水輪機的結構變得異常簡單，調節的可靠性也大大增強了。

3 沖擊式水輪機專用調速器在應用過程中的主要故障成因

為了便于分析和處理，常將調速器系統的故障按引起原因歸為兩大類。一類是由調速器引起，亦稱為內因引起的故障;另一類是由被控制系統引起的，稱為外因引起的故障。

3.1 由調速器本身原因造成的故障

(1)運行不穩定。

①參數選配不當，如微分系數、比例系數過大都會引起空載的不穩定。

②機械性卡阻，如伺服電機卡阻、引導閥活塞不活，存在過大的運動間隙等。

③主配壓閥及接力器漏油。主配壓閥或接力器漏油往往是不對稱的，致使接力器在沒有信號作用的情況下向開或向關的方向緩慢移動，移過一定距離時引起反饋機構動作，接力器又較快地移回原位置。因此，由漏油引起的擺動往往是不等速的，也可能是不等幅的周期性擺動。

④測頻部分故障。測頻信號受到干擾，測頻插件松動等引起不穩定。

⑤功放部分放大倍數過大等因素引起不穩定。

⑥油路臨時堵塞或油路中存在空氣。

(2)調速器操作控制不靈。

①機組增減功率緩慢。并列運行的機組在轉速調整機構動作之后，接力器滯后一段時間才開大或關小，而且移動緩慢，不能及時動作。原因一般是由于放大倍數過小，主配壓閥遮程過大，控制機構有間隙或傳動桿存在缺陷等。

②溜負荷。機組在穩定運行中接力器自行關小(或開大)，造成出力緩慢變化，這種現象多數是由于引導閥或主配閥漏油或某側油路阻力變化，導葉開啟或關閉時間相差過多等原因引起的。

③機組間拉鋸。并列運行的機組間負載分配關系不穩定。主要是因為機組分工不明確，體現在永態轉差系數bp相差過小以及機組間靈敏度相差過大，表現為參數組合不同，形成兩臺機組速動性相差較多，在調速器轉速死區較大時就容易出現拉鋸現象。

④調速器失控。機組在運行中接力器突開或突關，也可能突然大幅度擺動，或者停在某位置不再動作。這些突然發生的失控現象可能是由下列原因引起:a.機頻信號中斷;b.反饋信號中斷;c.主配卡死;d.油壓下降;e.電液轉換機構失靈等。

在處理這類問題之前，首先應當確定故障的屬類，然后再進一步縮小分析和觀察的范圍，盡快找到故障的癥結所在，以便對癥下藥，迅速排除。

在生產實踐中遇到的問題往往很復雜，原因也很多，這就要求我們除認真掌握調速器的基本原理外，對各種故障的表現形式、檢查方法及處理對策等都應有全面地了解。

3.2 由被控制系統原因造成的故障

(1)過水壓力系統水壓不穩定。

水輪機過水壓力系統主要指壓力管道，一旦發生水壓波動，勢必影響機組的運行，表現為接力器開度及機組出力呈周期性擺動。這樣的擺動頻率較低，但幅值可能較大，發生擺動時可觀察到壓力鋼管明顯的周期性擺動。為了判明水壓波動是否是引起不穩定的主要原因，可將機組切換成手動運行，若手動狀態下仍發生擺動，則是水壓波動造成的不穩定運行的特征。

(2)水輪機運行不穩定。

例如，沖擊式水輪機發生嚴重氣蝕、轉輪四周水力不平衡時，水輪機自身工作不穩定，調節系統也就不可能穩定運行。但是，由水輪機原因引起的不穩定現象往往隨機組的工作參數變化，如低水頭、低負荷時發生，或者在某個出力附近發生;水力不平衡引起的擺動則隨出力的增加而加劇。為此，可在不同工況下檢查接力器的擺動情況并加以分析。

(3)發電機運行不正常。

發電機若運行不正常，如三相負載不平衡，勵磁裝置工作不穩定也會造成機組運行不穩定，這種不穩定現象常隨負載增加而加重。在開機過程中，如果達到額定轉速，不勵磁時接力器能穩定，一旦勵磁，升電壓就不穩定則明顯是發電機及勵磁裝置方面的問題。

(4)信號源引起的故障。

目前有不少小型水電站采用發電機PT作頻率信號源，有時會出現因PT本身質量問題或信號線沒用屏蔽線或屏蔽層沒接地等，從而引起調整系統的不穩定。這些故障表現為:空載時接力器大幅度波動且沒有規律，并網時負荷波動。排除這些故障的方法是將調速器切為手動，觀察機組是否波動即可。

4 沖擊式水輪機專用調速器的應用

四川省南椏河上游的冶勒水電站采用法國ALSTOM兩臺CJT5317－L－260/6×21.8型沖擊式水輪機，單機容量120 MW，為亞洲最大。電站采用GEC ALSTOM NEYRPIC公司生產的型號為Neyrpic1500可調節電液數字式調速器，調速器系統的主要技術特性:調速器的容量846 kN·m，操作油壓6 MPa。噴針最大開口直徑為283 mm，噴針總行程為233 mm，噴針開啟時間為40 s，關閉時間為40 s。折向器開啟和關閉時間均為2 s。調速器頻率整定為±10%，永態轉差為0～10%，轉速死區為0.02%，接力器不動時間小于0.2 s。

該電站第一臺機自投運以來，六噴六折沖擊式調速器工作運行非常正常，其相關的各項技術指標均達到水輪機調速器與油壓裝置技術條件《GB9652－87》的規定要求，從而保證了水輪發電機的頻率穩定、維持了電力系統負荷平衡并根據操作控制命令正確有效的完成了各種自動化操作，其具有以下特點。

4.1 結構先進、合理

該沖擊式調速器液壓控制系統由一個電氣柜和裝在一個回油箱上的六套相對獨立的液壓控制系統組成。調速器機械柜主要由總緊急停機電磁閥和六套相對獨立的電磁液動換向閥、比例伺服閥、液控單向閥、雙單向節流閥等液壓元件組成。調速器電氣柜采用可編程控制器，將輸入、輸出模塊組合在一起集成在一個電氣柜中，由CPU實時采集、整理、計算、輸出電氣控制信號，按照預先設定的邏輯關系分別作用于相應的閥組來控制折向器和噴嘴開度，從而實時調節機組的出力，以達到系統所需有功功率和頻率的要求。

該套六噴六折沖擊式調速器有機的將電氣柜和機械液壓系統組成一個完整的閉環控制系統，它們之間統一由電氣柜進行總體協調，六套子液壓系統既相互獨立，又相互關聯。當一組噴嘴和折向器出現故障時，可以單獨退出該組噴嘴和折向器，而不影響機組的正常運行;機組運行過程中，在做好安全措施的情況下可以進行故障噴嘴油管路等的檢修和維護，從而最大限度地提高了機組的綜合經濟效益。六套子液壓系統雖然具有相對的獨立性，但六噴嘴和折向器在運行過程中始終遵循一定的邏輯關系，進行對稱的開啟和關閉，這一特點保證了調速器結構運行方式非常靈活、先進。

4.2 控制過程先進、功能完備

由于沖擊式機組具有水頭高、流量小的特點，故其開度很低，當調速器受到開機令后，此時折向器全開，噴針開啟至第一開機開度25%。當轉速上升至85%時，噴針下壓至第二開機開度15%;當轉速上升至95%時，噴針下壓至空載開度進入PID調節。

通過LCU發命令至調速器電氣柜，電氣柜采集到命令后，由CPU根據用戶自己預先設定的噴嘴轉換順序和方式實現并網后的單噴嘴、雙噴嘴、三噴嘴、四噴嘴、六噴嘴運行方式，從而達到充分利用水能和提高水輪機機械效率的目的。

5 相關試驗情況

(1)機組空轉運行下調速器的試驗。

調速器機械測頻信號來自于齒盤測速，電氣測頻信號來自于發電機出口電壓互感器。機組在空轉運行下檢查調速器測頻信號，波形正確，幅值符合要求。

機組在調速器手-自動切換時，噴針接到指令后迅速移動，沒有發生配置普通調速器時的滯后現象，接力器無明顯的擺動;機組在自動運行條件下，記錄轉速的相對擺度值符合機組擺度允許范圍。Neyrpic1500可調節電液數字式調速器空載擾動試驗時給定的頻率擾動量為±8%，要求轉速最大超調量不超過轉速擾動量的30%，超調次數不超過兩次，從擾動開始到不超過機組轉速擺動規定值為止的調節時間符合設計規定值。

(2)機組過速試驗。

空轉條件下調速器系統試驗完成后，進行機組的過速試驗。冶勒水電站的過速裝置為離心飛擺式，安裝在測速齒盤上，整定轉速為420 m/s (112%額定轉速)，機組過速時，離心擺直接動作電磁液壓閥撞塊，使折向器壓力油管直接切至回油管，彈簧控制接力器關閉折向器，直接偏開機組的動力水源，使機組轉速不再升高，然后在37 s內關閉噴嘴噴針，避免了壓力管道內水錘壓力上升過快。

由于折向器的動作時間只有2 s，轉速上升的幅度相對不大，冶勒水電站的過速轉速為額定轉速的112%，即420 m/s。實際上，在帶滿負荷、額定水頭下，折向器動作停機監測到的轉速上升最大僅為106%。

(3)機組負荷試驗。

機組起動并網后，在額定功率的25%、50%、75%各運行了30 min，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2 h，在這一過程中，頻率一直穩定在50土0.2 Hz之間，出力變化也很小。

甩負荷試驗。冶勒水電站沖擊式機組的甩負荷試驗與國內機組甩負荷試驗的操作方式不一樣。按ALSTOM廠家的技術要求，機組甩負荷采用機組緊急停機方式進行，而國內其他類型的機組甩負荷試驗的方法為機組帶上負荷后直接跳開斷路器，機組不停機處于熱備用狀態。

機組甩負荷試驗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。該電站分別在額定功率的25%、50%、75%和100%作甩負荷試驗，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2 s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20 s，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72 h試運行后，機組通過驗收，并一直穩定運行。

冶勒水電站1號機組甩負荷數據顯示(表1)，在額定水頭下，機組帶滿負荷120 MW后進行分階段甩負荷時，折向器動作后機組轉速最高為額定轉速的106%，低于過速試驗轉速112%的額定轉速。

表1 冶勒水電站1號機組甩負荷數據表

6 結語

冶勒水電站已經運行近五年時間，目前Neyrpic1500可調節電液數字式調速器運行情況仍然較好。對其今后的運行情況需要進一步密切關注，以便為今后大型沖擊式水輪機調速器的應用提供寶貴的參考資料。

［1］徐建軍.沖擊式水輪機專用調速器的應用體會［J］.小水電，2004，120(6):29～30;

(責任編輯:李燕輝)

Characteristics and App lications O f Special Governor For Pelton Turbine

YANG Kun
(Mechanical and Electrical Erection Company of Sinohydro Engineering Bureau 7 Corporation，Pengshan，Sichuan，620860，China)

This article presents the characteristics and common failures of special governor for Pelton turbine and describes the structure and testing of the six-nozzle-and-deflection-model governor system in Yele Hydropower Station which houses a vertical impulse turbine generating set with the highest capacity in Asia.Characteristics of the governor，such as novel structure，advanced control functions，high reliability etc.are highlighted，providing some helpful advices for using special governor for large sized Pelton turbine in future.

special governor for Pelton turbine;nozzle;deflection;governor

TV734;TV735

B

1001-2184(2011)06-0047-04

2011-11-02

楊坤(1971-)，女，天津市人，高級經濟師，電氣工程師，全國注冊造價工程師，從事水電商務報價、技術及企業經營管理工作.