數字插裝式水輪機調速系統的節能降耗效應分析

蔡 群，周 伍，陳萬波，趙 瓏

（1.北京中水科水電科技開發有限公司，北京100038；2.葛洲壩水力發電廠，湖北 宜昌443002；3.抱子石水電廠，江西 修水332400）

隨著科學技術的飛速發展，我國對設備的“節能、降耗、綠色、環保”的呼聲也愈發的高漲，水電站運行對節能降耗也逐漸重視。對于水電站來說，節能減排、降低能耗不僅迎合當下社會對綠色環保的要求，同時也能在一定程度上減少設備自身的運行成本，從而使得整體經濟效益增加。葛洲壩水力發電廠19F調速器在改型前存在著油泵啟動間隔短、空載擺動偏大、調節頻繁、動態響應收斂過程慢、甩負荷低頻滅磁及不動時間不達標等一系列缺點，改型為北京中水科水電科技開發有限公司生產的CVZT-150-4.0型數字式水輪機調速器，不但解決了這些問題，同時也在節能降耗方面體現出十分顯著的優勢。在之前我們還改造了許多燈泡貫流機組的調速器，如陜西蜀河水電廠、江西抱子石水電廠等，經改型為北京中水科的數字插裝式調速器后，徹底解決了存在的問題。

1 水輪機調速系統的能耗組成

水輪機調速系統能耗主要包括：泄漏與油源消耗、油泵運行的廠用電耗、發電過程水耗及維護檢修的油耗[1]。本文將對這幾方面進行分析論述，并比較設備技改前后的節能降耗效果。

2 泄漏與油源消耗

葛洲壩水電廠19F原采用WBST-150-4.0型步進電機式調速器，該型調速器采用步進電機+引導閥作為先導級的電氣-機械/液壓轉換環節，并帶動傳統滑閥式主配壓閥主級。

傳統滑閥式主配系具有多個臺肩圓柱滑閥閥芯和多條沉割槽鑄造或鍛造閥體的配磨對稱結構，為非標準大通徑滑閥（特殊形式的大流量-機液操縱比例方向流量控制閥）。由于采用間隙密封且配合面結構尺寸大，其泄漏量與保壓能力、換向時間、換向沖擊、動態響應等方面存在諸多不足；此外，其抗油污能力差、易卡死，換向可靠性受到局限。它簡單通用、應用歷史悠久，但難以實現多形式、廣范圍和靈活多變的集成化，顯然難以滿足現代水輪機調速器對液壓技術日益增高的要求。

參見下頁圖1，為減小滑閥式主配的漏油量，一般按正搭疊（負開口）設計制造，由此也將增加水輪機調節系統死區[2]、不動時間、空載轉速擺動、穩態誤差，引起調節性能降低。為了兼顧漏油量與死區等指標都不致過大，對搭疊量大小只能進行折衷的取舍，但無法從根本上解決這一矛盾。

隨著滑閥式主配直徑及工作壓力的增加，泄漏將大幅增加，使這一問題更加突出，由此進一步造成油壓裝置油源的持續消耗，進而導致油泵頻繁啟動、補油，增加了廠用電消耗及油泵磨損。

圖1 滑閥式主配的搭疊量

而CVZT-150-4.0型數字式調速器采用了插裝閥技術，整個隨動系統控制閥均為板式集成塊安裝，取消外部明管路，避免了明管路的泄漏。先導級采用高速開關閥（如圖2所示），響應時間約為0.5～3 ms，主閥采用二通插裝閥（如圖3所示）。從圖中可以看出，高速開關閥為球面線密封、插裝閥的密封形式為錐面線密封結構，可以做到幾乎零泄漏的程度。在流體機械中，閥類元件采用球面密封、錐面密封是公認的最為理想的密封方式。

圖2 高速開關閥工作示意圖

圖3 二通插裝閥工作示意圖

插裝閥與傳統滑閥式主配相比，它采用微型結構的高速開關閥作先導控制，可以不受限制地接受各種形式的開關、模擬和數字信號控制，并進行包括位移、液壓參量的反饋和比較，在同一主級上復合壓力、流量及方向諸多功能，若先導信號是連續或按比例調節，閥座主級就可實現伺服閥/比例閥的控制功能，具有極佳的“可控性”與靈活性。閥座結構上也克服了傳統滑閥工藝性差及徑向間隙泄漏的缺點，其閥座主級系錐面“線密封”和“零搭疊量”，加之軸向結構尺寸短、閥芯質量小，這為提高動態品質、實現多形式、大范圍、靈活多變的集成化提供了可能，從根本上克服了傳統滑閥式主配難以兼顧的漏油量與搭疊死區的矛盾，這些優點對調速器液壓隨動控制的技術進步具有十分重要的意義，對調速器傳統液壓伺服控制技術的變革起了很大推動作用，這種控制優點對中大功率的大型水輪機調速器液壓隨動系統的系統集成與使用十分有利。

插裝閥代替滑閥式主配所具有的一系列技術和經濟優勢，概括如下：

1）適于高壓、大流量；

2）適用于各種工作介質，包括高水基甚至純水液壓系統；

3）適于集成化、組合化。插裝閥系統不僅具有一般液壓集成系統的優點，而且還具有集成塊結構緊湊、內部流道短、彎曲少、阻力損失小、靈活多變、三化程度高，以及安裝維護方便等特點；

4）可實現無泄漏控制、保壓能力強；

5）具有大流量、低液阻特性，因而其系統效率高、節省能量，這也是傳統滑閥式主配系統所無法比擬的；

6）既具有快速的開啟與關閉特性，又可容易地對啟閉特性進行控制，包括緩沖與減速；

7）抗油污能力強、性能可靠、工作壽命長。

3 改造前后油泵啟動間隔時間對比

我們調取并查閱了葛州壩19F調速器改造前后的油壓裝置運行信息，改造前穩定狀態下的油壓裝置啟泵平均時間間隔約為1.5 h，而改造后的啟泵平均時間間隔則長達6 h，改造前后油泵啟動時間間隔對比如圖4所示。

圖4 改型前后油泵啟動時間間隔對比圖

考慮到葛洲壩電廠機組數量多、機組連續運行時間長，機組年平均運行小時數6 500 h[3]，最高達7 141.8 h，由此推測估算，油泵的能耗在廠用電能消耗中的占比十分可觀，若延長油泵啟動間隔則能夠直接有效地減少廠用電消耗；另一方面，若減少了油泵的啟動次數，也相應降低了油泵磨損，從而延長了油泵的使用壽命。

我們通過對19F單臺機組測算，得出調速器改造后1年內電量節能的數值、電量消耗對比，如表1所示。

表1 油泵啟動電能損耗的比較

由表1中可以看出，改型后僅僅1臺機組年直接節約電量便可達到3萬余kW·h，若葛洲壩電廠所有機組均改造為該型數字式調速器，則年節約電量將是一個十分可觀的數值。

江西抱子石水電廠2臺水輪機調速器改造后，油泵啟停時間間隔由原來的10 min延長到現在的約21 h，啟停時間間隔延長120倍。據此粗略估算，每臺機每年節電約5萬kW·h。

4 發電水耗

在改造前，原調速器某些響應性能已難以滿足機組運行要求。其中空載擺動值偏大，將導致機組開機-同期并網時間大幅延長，使機組不能及時迅速帶上目標功率、產生發電效益；而甩負荷過程中的不動時間不達標及轉速反超調導致的低頻滅磁，則有可能引發機組的強迫停機，使機組原本可以迅速從甩負荷工況直接轉到空載再并網的過程，多出一個停機再開機-空載的過程。而不論是空載擺動大還是多出一個開停機過程，對水電廠生產的發電水耗都有影響。通過理論計算我們可以得出空載持續時間延長及開停機并網過程中的水耗，并得出相應折合標煤當量：

根據簡化的流量計算公式[4]：

式中：Q-通過流量（m3/s）；μ-流量系數，與流道的形狀有關（0.6～0.65）；A-過流面積（m2）；P-過流面前后的水壓差，單位（Pa）；ρ- 水體密度（kg/m3）。

式中：Q1-實際通過流量（m3/s）；Qmax-額定流量（m3/s）；A1- 空載導葉過流面積（m2）；A2- 導葉全開過流面積（m2）；α- 導葉開度（%）。

水勢能計算公式：E=mgh=ρgVh

其中m為質量，g為重力加速度，h為機組工作水頭；1 kg標煤轉換為29 260 kJ[5]。

通過計算得出的各狀態下的水耗及折合標煤當量如表2所示。

表2 各狀態下的耗水量

改造后的調速器相比原調速器，不但減少了空載并網時間，同時也避免了甩負荷低頻滅磁造成的不必要停機，極大程度地避免了無謂的耗水量，這從發電耗水方面也實現了節能減排作用。

5 維護檢修油耗

由于葛洲壩水電廠機組數量多，共計21臺機組常年運行，且油源體積相當龐大，單臺機組用油量約為100 m3，加上油庫儲備油量，全廠約有2 200 m3用油。從電廠投運以來，全廠調速系統液壓用油都未曾更換過，油液已劣化變質且存有很多雜質污染，對調速器的正常運行是極大的考驗。改造前原調速器曾多次因油質問題造成主配先導閥卡阻，由于先導閥的加工配合較為精密，發生問題后難以處理，拆解困難，對機組的安全穩定運行產生了一定的影響。

而插裝閥抗油污能力強，對油液過濾精度無嚴格要求，可以在過濾精度500 μ甚至更低的油質中正常工作，可以很好地適應葛洲壩水電廠的運行條件，可以為電廠方面節省下檢修維護的液壓油，減少廢油的排放。

6 結語

（1）數字插裝式水輪機調速器從研制到現場應用，無不經歷著安全性、可靠性、“節能、降耗、綠色、環保”方面的考驗，該型調速器采用獨特的集成塊結構，柜內機械液壓組件整體無外露管道，減少了漏油環節，體積小、結構緊湊，可以實現水電廠油液無外泄，減少對環境及河道污染，環保效應顯著。

（2）由于數字插裝式水輪機調速器內泄漏小、靜耗油量小、保壓能力強，極大程度地減少油泵起動次數，降低了廠用電消耗，也使同等時間內設備噪聲降低，符合綠色環保設計理念。

（3）通過對葛洲壩水力發電廠19F調速器改造前后能耗方面的對比分析，再次證明了該類數字式水輪機調速器體現的“節能、降耗、綠色、環保”的技術優勢，解決了水電廠用戶最關心的安全性、可靠性、節能降耗、對電廠與下游河道及周圍環境污染等問題。

（4）在數字插裝式水輪機調速器的推廣和發展歷程中，作為長期處于后進者角色的中國水輪機調速器界，一改過去被動、落后和沉寂的表現，充當了緊跟時代發展前沿并不斷有所創新、積極、進取的角色。該類調速器特別適合與現代先進的電子技術相結合，體現了與時代相適應的先進技術水平，極大地鼓舞和激勵了我國水輪機調速器界在21世紀奮起直追、努力引領世界先進水平的信心。