水電站調速器實訓平臺機械結構和液壓系統設計

王志力，陳智勇，朱廷忠

（中國東方電氣集團自動控制工程有限公司，四川 德陽618000）

水輪機調節系統是由水輪機控制系統和被控系統組成的閉環系統。水輪機調速器則是由實現水輪機調節及相應控制的機構和指示儀表等組成的一個或幾個裝置的總稱。水輪機控制系統就是包含油壓裝置在內的水輪機調速器。被控制系統是由水輪機控制系統所控制的系統，包括水輪機、引水和泄水系統、發電機及其所并入電網及機組所帶的負荷等[1]。

水輪機調速器的作用是通過控制導葉和槳葉接力器（對雙調機組）的操作油流量來控制導葉和槳葉接力器開度大小和快慢，進而控制水輪機過水流量的大小，達到最終精確調整水輪機轉速的目的[2]。工作原理是將機組頻率（機組轉速信號）與電網頻率（給定頻率）進行對比，根據其差值給予電液轉換器一個操作接力器開或關的信號（命令）來控制水輪機過水流量從而調節水輪機轉速，使機組發電頻率穩定在電網允許的偏差范圍。

1 項目研制背景

為加快南方電網公司技術技能人才培養，提高培訓效果，南方電網公司擬建設水輪機調速器系統實訓平臺，要求呈現水輪機調速系統的基本結構、工作原理和各種運行狀態，能夠完全模擬真實機組調速器的運行情況，同時達到對員工進行培訓和考核的目的。我單位于2018年10月與南網公司正式簽署了調速器實訓平臺開發協議。按照協議，將研制一套適合水電站調速器維護人員學習和培訓使用的調速器機械、液壓系統和電氣設備并開發出相應控制的軟件。

2 業主對調速系統的總體設計要求

調速器控制系統采用數字式冗余微機電液調節器，具有PID調節功能。系統額定工作油壓6.3 MPa，導葉接力器的全關和全開時間能在5～40 s范圍內可調并滿足模擬機組調節品質要求。

（1）系統結構功能展示。調速器實訓平臺所有設備的基本結構及主要技術參數應與電廠機組調速器系統的實際情況基本一致。

（2）調速器試驗功能。通過配置電網或科研院所廣泛使用的調速器綜合測試儀，可以模擬調速器各種功能試驗，包括調速器靜特性、空擾、空載擺動和甩負荷、抽水蓄能各工況轉換等試驗。

（3）異常應急處置及分析功能?；谂c生產現場一致的監控系統，可以模擬生產現場環境可能的各類事故，實現對調速系統事故的處理及分析能力的培訓和考核。

（4）調速器實訓平臺要能實現在正常或事故工況下，不論接受培訓和考核人員的操作是正確或錯誤、參數調節過量或不足，所有參數、報警等信號和狀態的變化都應與真實機組的反應一致。

3 調速系統構成

裝置共分為三大主要結構模塊：控制閥組、主配壓閥、流量跟蹤反饋裝置（液壓負反饋）。各模塊通過管路或安裝板連接在一起，該安裝板既是模塊的組合件，又是模塊之間的過油管道。整個液壓隨動系統放置在回油箱面板上，方便對各個元件進行操作、檢修及培訓、考核。調速器液壓系統的控制油路與主操作油路分開設計，主操作用壓力油從蓄能器進入主配壓閥，再進入導葉接力器的開腔或關腔，同時接力器另一腔的回油經主配壓閥回到油箱；控制油是從主壓力油路引出后經高精度濾油器后進入調速器液壓控制系統部分。

3.1 主配壓閥

主配壓閥主要由主閥活塞、輔接活塞（與主活塞連為一體，位于主活塞上部）、主閥襯套、輔接殼體、流量負反饋閥等幾部分組成。圖1是主配壓閥液壓結構簡圖，實物剖面圖見圖2。從液壓原理上講，它是一個三位四通液控換向閥。輔接活塞有上、下兩個壓力油腔，上腔面積小，通恒壓油（與系統壓力油相通）；下腔比上腔面積大，通來自控制閥組的控制油。當集成閥組上比例/電磁閥的動作使輔接活塞的下端控制腔與壓力油或回油相通時，主活塞連同輔接活塞產生相應的向上或下的位移。主閥活塞在主閥襯套中上下移動，從而使接力器開、關腔分別處在接通壓力油、回油或全部封閉等三種不同的工作狀態，相應的控制接力器處于開啟、關閉或保持在某一固定位置，實現對導葉過水流量的調節[3]。

3.2 集成控制閥組

導葉閥塊上裝設了兩個互為冗余的集成式比例方向閥（SV01、SV02）、手 - 自動切換電磁閥 EV05、手動操作電磁閥（EV07）、緊急停機電磁閥（EV04）、比例閥切換電磁閥（EV06）、液控單向閥（CV04）、用于緊急停機用的液控換向閥（HV02）和用于手自動切換的液控換向閥（HV01）、緊急停機信號用壓力繼電器（PS05）和手自動切換信號用壓力繼電器（PS06）等主要控制和信號輸出元件。此外還裝配有壓力表、壓力監測用測壓接頭等現地測量接口。

圖1 主閥液壓系統結構圖

圖2 主閥剖面圖

3.3 流量反饋裝置

流量反饋裝置HV03是調速器手動操作功能的重要組成部分，其作用是在手動操作接力器過程中，實現主配壓閥的自動復中。該裝置通過一個類似三位三通閥的結構設計，在輔接活塞運動過程中在其下端控制腔加入液壓負反饋信號，手動開啟或關閉接力器操作完成后使主配壓閥活塞快速、自動地回到中間位置，接力器便能夠長期保持在任一要求的固定位置[4]。該流量反饋裝置在國內外多個巨型水電站調速器液壓系統中均有應用實例（如廣西龍灘、青海拉西瓦和埃塞吉布Ⅲ等）。在為惠蓄模擬調速系統研制過程中，為使手動控制精度更高，經過對反饋流量的計算，將流量反饋閥反饋開口加大至原來的1.34倍，增大流量反饋效應，防止接力器手動操作過程中運動速度過快，造成定位不精確。

4 調速系統功能

圖3是惠蓄調速器模擬試驗平臺（雙比例方向閥+純機械液壓手動）液壓系統，圖中表示接力器處于某一固定位置，調速系統處在主閥中間位置自動控制狀態。該調速器設計為具有內閉環控制系統（主配壓閥活塞位移信號），它能夠與接力器位移傳感器信號及自動控制系統一起控制機組運行。

圖3 液壓系統圖—自動運行

調速系統也具有對水輪機轉速進行機械手動控制功能。自動控制回路以集成式比例方向閥為控制基礎，機械手動操作回路以手動操作電磁閥及安裝在主配壓閥上部的流量反饋裝置為控制基礎。

4.1 自動控制

在系統處在正常工作狀態時，緊急停機電磁閥右端線圈激磁，手自動切換電磁閥在自動位，手自動切換液控換向閥在兩端控制腔壓力差的作用下處于自動工位。輔接活塞下端控制腔通過比例閥切換電磁閥接通集成式比例閥（SV01或SV02）輸出的控制油，手動操作部分的控制油和流量反饋閥的反饋油路被液控換向閥（HV01）切斷，手動操作不起作用。

自動控制狀態下，壓力油經過過濾后同時進入手自動切換電磁閥、2個集成式比例方向閥、緊急停機電磁閥和流量反饋閥的壓力油口。導葉開啟時，集成式比例方向閥接受電氣調節器送來的開啟電流信號，比例方向閥的右側工位處于工作位置，將控制壓力油通過液控換向閥HV01和HV02送進輔接活塞下端控制腔，在輔接活塞上下兩端壓力差作用下，主閥活塞向上移動，接力器向開方向移動。集成式比例方向閥及內置的位移傳感器、主閥活塞傳感器構成負反饋內環檢測元件。當主閥活塞的位移量通過主閥位移傳感器反饋到控制器后，與其給定信號綜合比較后使主閥活塞快速穩定在給定位置；另外，綜合放大回路及導葉位移傳感器構成負反饋外閉環檢測回路，接力器活塞的位移反饋到電氣調節器的綜合放大回路，與其給定信號綜合放大后，再與主閥活塞位移信號綜合，控制信號通過調節器模擬量輸出口輸出到集成式比例方向閥，對比例閥閥芯位移進行精確控制[5]。由于此前比例方向閥在電氣調節器輸出開啟信號時已形成了一個工作平衡位置，當接力器達到給定開度時，其輸入減為零時，比例方向閥的閥芯向左移動，將輔助接力器控制腔（下腔）與回油連通，主閥活塞在上腔恒壓作用下向下移動，當主閥活塞回到平衡位置時，切斷主配壓閥到接力器的進出油路，此時比例方向閥、主配壓閥均回到平衡位置（輔接活塞上下控制腔達到力平衡），導葉接力器停止移動，完成一次對接力器的控制調節。

接力器關閉時，集成式比例方向閥接收到調節器送來的關閉電流信號，比例方向閥、主配壓閥、接力器的動作過程與上述開啟動作正好相反，不再贅述。

4.2 手動控制

在電廠的實際運行中，手動只作為調試及短暫的、應急運行之用。下面以導葉手動運行為例介紹系統手動操作過程。圖4為調速器手動運行狀態的液壓系統圖，其中主閥處于復中位置，接力器處于某個固定位置。圖5為手動操作液壓系統調節框圖。

圖4 液壓系統圖—手動運行

圖5 手動操作液壓調節框圖

手自動切換電磁閥在手動位（電磁線圈失磁，彈簧位），這時手自動液控換向閥的右側控制腔通壓力油，在兩端壓差作用下液控閥換向后處于左側工位。將手動操作電磁閥的輸出油口與輔接活塞下端控制腔連通；同時切斷比例閥到該控制腔油路。

4.2.1 手動開啟

手動操作電磁閥，使其處在右側工位，控制壓力油經該閥、液控單向閥和2個液控換向閥后進入輔接活塞的控制腔，主配壓閥活塞向上移動，將主閥襯套上的控制窗口打開，接力器向開啟方向移動，導葉開度增大。主閥活塞向上移動的同時，與之固連的反饋閥襯套也向上移動，使輔接活塞的控制腔通過流量反饋閥與回油相通，手動操作電磁閥輸入的壓力油進入輔接活塞控制腔的同時也與回油口相通，回油的流量就作為手動操作時的液壓負反饋信號，主閥活塞向上的位移越大（開方向），流量反饋閥的小活塞與其襯套之間形成的窗口開口就越大，相應的，通過流量反饋閥回油的流量就越大，液壓負反饋作用就越強。當手動操作電磁閥線圈失磁，該閥在兩端彈簧作用下使其閥芯迅速回到中間位置，由于沒有壓力油進入輔接活塞控制腔，在主閥活塞還沒運動到中間平衡位置時，流量反饋閥窗口仍向開側開啟[6]，此時在輔接活塞上腔恒壓油作用下，下端控制腔的油液經流量反饋閥接通回油，流量反饋襯套與主閥活塞一起下移，直到主閥活塞回到中間平衡位置的同時流量反饋閥窗口、主閥操作窗口均關閉，導葉接力器停止運動。

4.2.2 手動關閉

當手動操作電磁閥左側電磁線圈激磁，使其處在左側工位，壓力油經該閥進入手動操作液控單向閥的控制口，打開液控單向閥，將輔接活塞下端控制腔壓力油與回油連通，主閥活塞在上腔恒壓油作用下與流量反饋閥襯套一起向下移動，導葉接力器向關方向運動，導葉開度減小；同時因流量反饋閥襯套也向下移動，將輔接活塞控制腔與壓力油連通，對主閥控制腔排出的油進行補充，又形成一個流量負反饋作用。當手動操作電磁閥線圈失磁，閥迅速回到中間位置，在主閥未回到平衡位置前，流量反饋閥窗口一直打開，壓力油經流量反饋閥進入控制腔，在壓力油作用下主閥活塞及流量反饋閥襯套向上移動，直到主閥活塞回到平衡位置，流量反饋閥與主閥操作窗口同時關閉，導葉接力器停止運動。

以上手動增大或減小接力器開度的操作也可以在電磁閥不通電的情況下，通過手動操作電磁閥的應急按鈕實現。

4.3 手動 /自動運行狀態切換

調速器手動或自動運行狀態的切換是通過改變手自動切換電磁閥的工作位置，從而切換手自動液控換向閥實現的。

4.3.1 手動切自動

調速器電氣調節器能夠通過軟件檢測自身的工作狀態，電氣調節器工作正常時，將實時跟蹤手動運行，可以隨時無擾切換到自動運行狀態，手自動切換換向閥切斷手動操作控制油與輔接活塞下端控制腔的聯系，將控制腔與比例閥控制口相通。系統點亮自動運行指示，工作在自動位，控制機組自動運行。若電氣調節器檢測到的自動通道狀態量不正常，手動切自動的操作將被拒絕執行。

4.3.2 自動切手動

手動操作的開度跟蹤與流量反饋系統，能精確對主配壓閥活塞進行回中控制，因此能夠準確跟蹤自動運行時導葉接力器的實際運行位置[5]。當電氣調節器或邏輯控制環故障不能正常進行自動調節時，液壓系統接受到電氣柜發出的切換信號后能瞬間、無擾動地切換到手動運行狀態；在電氣調節器能正常工作的自動運行狀態下也可人為無擾動地切換到手動運行狀態，此時比例方向閥雖然仍接收電氣信號輸入，但因其控制油路已被切斷，不起控制作用，調速器完全處于手動運行狀態[6]。

4.4 停機操作

4.4.1 正常停機

自動正常停機是比例方向閥在接到來自調速器電氣調節器的關機信號后，以程序預定的速度將導葉開度關至零。手動正常停機是在手動運行狀態下，通過現地手動或遠方電動操作手動操作電磁閥來實現機組停機。

4.4.2 緊急停機

當機組出現故障，監控系統發出故障停機指令，緊急停機電磁閥處在左側工位，使輔助活塞下端控制腔的油通過緊急停機液控換向閥回油，在輔助接力器上端恒壓腔壓力油作用下，主閥活塞快速向下移動，操作導葉接力器快速關閉，完成機組緊急停機控制。同時因緊急停機電磁閥輸出口連通著壓力繼電器的控制口，使之發出緊急停機動作信號用于電氣二次回路。

5 主閥流量控制窗口及漏油量計算

主配壓閥活塞與襯套之間配合開口的大小，直接影響到調速系統的控制指標，窗口開的大會造成機組調節超調，頻率波動范圍大，機組并網后不易穩定，同時還會造成主閥漏油量增加，油泵頻繁打油，效率降低，調速系統油溫升高[7]。窗口開的小有可能造成機組快速調節指標無法滿足要求，因流量較小，甚至無法滿足機組緊急關閉的時間要求。

5.1 控制窗口計算

主閥襯套與主閥活塞之間窗口流量，可用薄壁孔口流量公式近似計算。根據機組調保計算要求和接力器容積，在要求的機組最快關閉時間下，接力器開腔油液要全部經過主配壓閥流回油箱，因此主閥襯套與主閥活塞之間所形成的最大過流窗口只要滿足這個流量需求即可。根據主配壓閥調節規律，為滿足機組不同工況、不同流量需要，窗口形狀定為梯形?？紤]適當余量，即要求主閥活塞從中間位置向下移動全行程80%時，主閥活塞與主閥襯套的相對位移所形成的窗口應能在可接受的壓差下通過系統最大的流量，即緊急關閉流量。

接力器及主要參數：接力器容積10 L，合同要求的最快關閉時間5 s，窗口個數為2個，結合L-TSA46號汽輪機機油特性參數計算過程如下：

接力器按最短時間關閉時最大流量P1為：

按照薄壁孔口的流量公式，反求出所需要的過流面積AT為：

單個窗口的過流面積AT1為：

其中Cq為流量系數取0.61，主閥前后壓差ΔP取 1 MPa[7]，流體密度：850 kg/m3。

窗口長短邊比例（即梯形上下邊長度比例）選為0.45，主閥活塞軸向行程為8 mm（全行程為10 mm），梯形窗口高度選為7 mm[9]。根據梯形面積公式計算結果如下：

窗口長邊（底邊）為5.71 mm，短邊（上邊）為2.6 mm。實際開窗口尺寸取梯形底邊長為6 mm，上邊為3 mm。圖6左側為主閥襯套外形圖，右側為窗口加工尺寸放大圖。

5.2 主閥最大漏油量計算

主閥漏油量最大時發生在主閥活塞處在中間位置，接力器固定不動時。此時主閥活塞的2個大外圓盤與主閥襯套2個流量控制窗口相重合，因活塞圓盤的厚度大于襯套窗口的長度，因此會密封住襯套上的流量控制窗口（見圖6）。壓力油會從活塞與襯套形成的圓柱形配合間隙中流出，成為主閥漏油量的主要來源。主配壓閥漏油量是主閥一個重要的性能參數，漏油量過大，會造成系統壓力損失巨大，油泵頻繁啟動向系統中注入壓力油。

圖6 主閥襯套外形及窗口加工尺寸圖

下面結合所設計的DN50的主配壓閥尺寸參數，計算該閥的漏油量，并根據試驗，來驗證計算方法的正確性。主閥活塞與襯套之間的配合為φ50 H6/g6。查閱手冊，并結合液壓油參數（常溫25°），根據流體力學中平行平板縫隙流量（壓差流量）計算公式，主配壓閥活塞與襯套在開、關腔兩個縫隙總的泄漏量計算如下（參數帶入按活塞和襯套加工尺寸為允許的最大偏差考慮）：

其中b為縫隙寬度，h為縫隙高度，l為縫隙長度，μ為20℃時46號汽輪機油的動力粘度，ΔP為縫隙兩端的壓力差取為6.3 MPa。

根據計算結果并考慮計算、試驗條件和所選參數誤差，設計圖紙中要求最大泄漏量不超過1 L/min（按照10%余量取值），實測值為0.352 L/min（測試溫度19.2℃）。

6 系統主要試驗結果

調速系統試驗過程和檢驗標準根據GB/T 9652.1-2007《水輪機調速器與油壓裝置技術條件》、GB/T9652.2-2007《水輪機調速器與油壓裝置試驗驗收規程》和南網公司關于調速器相關技術規范進行。調速器實訓平臺按要求進行了調速系統全部功能和性能試驗，為突出系統重點，這里只介紹了調速系統靜態特性和甩滿負荷試驗并對照標準進行了分析。圖7和圖8分別為調速器靜特性和甩負荷的試驗曲線。

圖7 靜態特性測試

圖8 甩滿負荷測試

6.1 靜特性測試結果

實測的系統轉速死區ix%為0.001，線性度誤差ε%為0.003。滿足國標中規定的調速器靜態特性曲線近似為直線和靜態特性轉速死區ix%不超過0.02%（大型電調）的調節要求[10]。

6.2 甩100%時的測試結果

圖8中，紅色曲線為機組仿真頻率，藍色為導葉接力器開度曲線。實測的調節時間Te近似為Te=49.2-4.5=44.7 s（定義為從機組甩負荷時起到進入空載轉速的相對偏差小于±1%為止的時間），峰值時間Tm近似為Tm=18.2-4.5=13.7 s（定義為從調速器甩負荷開始至機組轉速升至最高轉速所經歷的時間），（國標和 IEC 要求）。波峰個數A（定義為機組超過穩態轉速3%額定轉速以上的波峰次數）為1＜2（國標和IEC要求）。

7 結論

水電站調速系統安全性和穩定性對機組運行十分重要，因此對員工培訓和考核的要求也就非常高。分析調速系統實訓平臺的各功能試驗結果并根據業主的實際使用效果，這套調速系統實訓平臺與真實水電機組的運行情況基本一致，符合國家標準對調速系統調節品質的要求，可方便地模擬各種水電站調速系統機械、液壓和電氣系統故障，對員工進行調速系統各層次理論和應用技能的培訓、考核。未來，可在該套系統中加入事故關閉、接力器多段關閉、多速度開啟（重點針對抽水蓄能機組開發）和機組過速保護等功能，各功能擬采用模塊化設計方法，根據不同機組情況，方便的實現調速器功能組合，更好的達到針對性的培訓、考核目的。