數字式調速器在燈泡貫流式機組中的應用

五凌電力有限公司株溪口電廠 申潘威 劉 禹 莫建安

株溪口電廠裝由4臺18.5MW、總裝機容量為74MW 的燈泡貫流式水輪發電機組組成，水輪機采用了安德里茨研制的三槳葉轉輪，機組由浙富生產并提供，調速器型號為PSW（S）T 型微機調速器，由武漢三聯生產，并于2008年投入生產。投產后調速器暴露出了導葉主配限位塊頻繁斷裂、調速系統油壓裝置保壓時間短、主配卡澀等諸多問題。針對這些問題電廠在2017年對調速器進行了換型改造，后面陸續完成了4臺機組的改造工作。經過4年的運行觀察，改造后調速器運行效果良好。

株溪口電廠4臺機組調速器由伺服電機+主配壓閥換型改造成數字式插裝閥結構后，解決了原調速器存在的導葉主配限位塊頻繁斷裂、主配調節頻繁、主配卡澀等突出問題，避免了由此問題造成的損失，解決了電廠機組在安全經濟穩定運行過程中的隱患。基于此，根據電廠實際情況，在本文中將改造后數字式插裝閥調速器現場應用情況進行總結，供同行借鑒參考。

1 調速器改造前存在的問題及改造設想

株溪口電廠原調速器型號為PSW（S）T 型微機調速器，采用電液轉換器+主配壓閥的經典結構。但自2008年機組投運以來，調速器運行方式并不穩定，問題主要集中在引導閥卡阻、主配壓閥頻繁抽動、調速器主配壓閥內泄漏油量過大等機械方面的問題，以及采用拉線式電壓型導、槳葉開度傳感器拉線斷裂、調速器控制參數優化等電氣控制系統方面的問題。

近年來由于調速器主配壓閥內泄漏油量增加，導致4臺機組調速器主配頻繁調節情況加重，工作狀態下壓油槽保壓周期出現明顯降低，平均保壓時間約8min，調速器油泵因此頻繁啟動、油溫度不斷爬升，尤其在迎峰度夏時期問題尤其突出。調速器主配壓閥頻繁調節，同時會對調速系統油路不斷形成沖擊，嚴重時會引起受油器、操作油管等設備的損壞，2號機外操作油管出現裂紋的主要誘因也在于此，另外2號機組導葉長臂限位塊變形、開裂也與此有一定關聯。

導、槳葉開度傳感器因采用電壓型，在使用過程中因意外情況導致拉線斷裂后，測量回路任然存在一定的殘壓，導致不能夠及時正確的反饋至調速器，照成調速器的異常開啟或關閉，引發機組的過負荷或逆功率，危及機組的安全運行。調速器的控制參數在電氣及機械設備拆卸檢修安裝后，經常需要根據以往的調試經驗來進行，存在一定安全風險。

通過對同類型電廠的調研、考察、研究，發現使用“標準化PLC 微機調節器+電液隨動系統”結構模式的新微機調速器系統運行情況良好。這種調速器通過邏輯插裝技術，通過對標準的液壓部件、如快速切換閥和邏輯插裝閥，對部件、回路進行多級的組合和最優配置，純粹將機械液壓部分作為功率放大、進行隨動控制的執行機構。根據設備的特性，此類設備可以很好的解決株溪口電廠存在的引導閥卡阻、主配壓閥頻繁抽動、調速器內泄漏量大等機械液壓系統方面的故障，避免了設備拆卸檢修裝復后的參數調整工作。同時也考慮到了機械液壓動作的可靠性、微機的適應性和閥組的簡易化。具有可靠性高、響應快、動作平穩、定位精度高、工作效率高、節省用油量等特點。

單獨對拉線式電壓型的傳感器進行換型，導葉更換為拉桿式電流型傳感器、槳葉更換為旋轉式電流型，避免拉線在帶動內部輪軸時受機組振動的干擾，并在信號中斷后調速器能夠立即測量到并發出報警信號。

2 調速器改造的實施

整體思路：將原有調速器電氣柜及機械柜做整體移除，新調速器電氣柜及機械液壓柜仍采用舊柜體，原有的事故配壓閥和分段關閉閥不進行更換。

2.1 電氣控制柜設計

控制部分由兩套一模一樣的系統構成，互相冗余，任意一套系統都能作為主用或備用調節器。兩套調節器能在不同的運行條件和情況下工作，使用變PID 參數和變結構的模式來調整機組，具有轉速和加速度監測、速度調整、有功增減、導葉調整、開度限制（空載和負載隨水頭自動給定限制值）、孤網控制、最大負荷限制、機組的調相與調速自動診斷、一次調頻功能等功能。調速器能滿足在各種工作工況下遠方自動（切至現地后調速器不受監控系統控制）和手動控制。

對比舊調速器系統，能實時接收機組水頭信號，能有效地消除水頭波動的影響，自動按水頭修正啟動開度、空載開度及機組最大負荷限制等；當水頭信號出現問題時，繼續使用信號故障前的數值來進行調節、變更為固定值運行，當水頭信號重新恢復時自動變更運行模式，恢復為自動跟蹤水頭運行。

導葉、槳葉傳感器：導葉開度傳感器改為電流制式（4mA～20mA）輸出的傳感器。驅動部分采用直線拉桿式位移傳感器。選用美國MTS 公司磁致伸縮拉桿型電流制式輸出位移傳感器，測量范圍為0～1200mm（圖1）。槳葉開度信號經操作機構轉換為角位移，轉角范圍為-17°～+17°，故須選用與之匹配角位移變送器，變送器轉軸經聯軸結直接與槳葉轉軸相連（圖2）。

圖1 導葉傳感器安裝示意圖

圖2 槳葉傳感器安裝示意圖

2.2 機械控制設計

機械液壓柜采用數字閥+插裝閥式模塊化設計。

2.2.1 高速開關閥

該快速切換閥由閥套、電磁體、控制閥芯和閥芯末端的回復彈簧等構成。快速切換閥門是利用螺線型鐵推桿在閥門內部做軸向移動，從而切斷與其對應的油通道。該氣缸為一種多節的環槽筒，其上裝有工作錐或鋼球形，而在氣缸（套管）中設有幾條凹槽，各凹槽之間由對應的孔與外界連接。高速開關閥僅有2個操作位置，在切斷電磁體電源時閥被下側的彈簧推動而上，且油孔P 與控制端口K 連通，而返回油T 和控制端口K 處于關閉狀態。

在電磁上加電流時，閥體受到電磁推桿的推進器的推動而運動，在油孔P 和控制孔K 斷開，而返回油T 則與控制端口K 連通。采用脈沖調制方式來調節高速切換閥通斷信號，也就是通過控制脈沖頻率和脈沖寬度，實現對流量或壓力接近連續的控制。

2.2.2 主控插裝閥

主調節閥也就是“邏輯插裝閥門”，是實現調節閥的主要部件，其作用是接受來自高速開關閥或比例閥先導油路的壓力/流量信號，從而引起一個主閥門的相應的操作，進而控制通向導、槳葉接力器工作回路中的油流量，以調整導、槳葉接力器的移動量。該閥門的結構特征在于其動力段為插裝型，該插裝型是由閥芯、閥套及附屬彈簧、密封件等組成，其裝配時僅將閥芯和閥套的彈簧、密封件等連接在一起即可。尺寸按DIN24342標準化，現在的ISO7368、GB/T2877就是原封不動地從DIN24342照搬。

該系統能無限量接收多種形式的開關、模擬、數字信號的先導控制，在一個主單元內完成壓力、流量和方向等多種作用，并兼容開關閥、比例閥和數字閥，當指示訊號持續或比例調整時，閥座主單元就可完成對比例閥的伺服和比例閥的控制，可控性非常好。

2.3 安全保護設計

故障保護：在調速裝置的失效特性允許裝置繼續工作或速度檢測訊號消失時，該裝置須在不干擾裝置和意外情況下繼續工作，并向發電廠監控系統發送錯誤信息，排除故障后自動穩定地繼續工作。當出現系統失效時，除停機回路及導葉開限機構須具有操作能力之外，調節器須維持導葉開度處于出事前的狀態。對于重大故障，機組應停機的信號點，電調柜上的信號燈應指出相應問題，調速器應有報警接點信號輸出（包括調速器失靈接點信號）。

過速限制裝置：機械過速裝置采用原有裝置。過速限制裝置除通過液壓回路驅動外，還應通過電氣回路驅動，并有信號反饋；當調速器液壓控制閥組拒動后，應將接點開出至監控系統；在機組停機導葉關閉情況下，調速器應能給導葉偏關信號功能，防止導葉開啟。

3 調速器試驗結果及結論

完成調速器系統改造后主要參照DL/T 563-2016《水輪機電液調節系統及裝置技術規程》、DL/T 496-2016《水輪機電液調節系統及裝置調整試驗導則》、DL/T 1245-2013《水輪機調節系統并網運行技術導則》等行業標準進行了一系列的調速器性能試驗，包括導葉接力器靜態漂移試驗、調速器靜態特性試驗、開關機時間測定試驗、緊急停機時間測定試驗、機組頻率信號消失試驗、導葉反饋信號消失試驗、電源消失試驗、水頭消失試驗、運行模式切換、手、自動運行方式切換試驗、自動開機試驗、空載擾動試驗、空載擺動試驗、主/備用機切換試驗、接力器不動時間測量試驗、甩負荷試驗。

調速器整機靜特性試驗結果如表1，試驗結果滿足規程要求，A 套PLC 主用整機靜特性圖見圖3，B套PLC 主用整機靜特性見圖4。

表1 調速器整機靜特性試驗結果

圖3 A 套PLC 主用整機靜特性（橫軸導葉開度、縱軸機組頻率）

圖4 B 套PLC 主用整機靜特性（橫軸導葉開度、縱軸機組頻率）

甩25%負荷過程中測量接力器不動時間Tq 為0.2s，符合規程。甩75%負荷時最大轉速上升率為44.5%，導葉前最大水壓上升至19.16米，調節時間27秒，導葉開度相對平穩，未在穩定工控反復波動，機組頻率經歷一個半周期后轉為穩定狀態。改造后甩負荷曲線如圖5。

圖5 改造后甩75%額定負荷曲線（紅色線機組頻率、藍色線導葉開度、綠色線輪葉開度，深綠色導葉進口水壓、深藍色尾水管進口壓力）

通過改造前后的系統結構對比，采用邏輯插裝技術及電流型傳感器主要優點如下：

機械液壓部分設計上沒有了先導閥、引導閥以及主配壓閥等結構，由組合結構的邏輯插裝控制閥模塊代替。采用高速開關閥，用螺線型鐵控制閥芯在閥門內部做軸向移動，從而開斷對應的油道。抗油污能力強、磨損少，實現多路冗余，不存在類似主配閥引導閥卡澀后須立即進行停機緊急處理的情況，大大減少勞動強度和檢修工作量，節省了勞動成本。從根本上提高了調速器運行可靠性，杜絕了設備卡澀的可能性；系統的調節、控制無需由“中間位置”與機械反饋來確保，因此避免了調速器主配工作時頻繁調節與抽動而造成受油器、操作油管及接力器等重點部位的液壓沖擊，降低了結構疲勞損壞的風險。

調速器液壓系統內部泄漏小，穩定工況下基本無油耗，解決了原來調速器內泄漏量大的問題，油泵啟停間隔時間由20分鐘增加到4小時，操作油管油溫由45℃下降到接近室溫，減少了調速油壓系統的機械磨損，降低了故障概率，節省了油源與廠用電消耗；電壓標準的傳感器都有一個共同的問題，就是當輸入端的信號斷開后、取樣端的電壓都要經過一段很長的一段時期，從而會對反饋的響應速度產生影響。導致信號消失后實際開度變化量大于1%，更換為電流型傳感器后杜絕了因傳感器導致的導葉開度變化量偏大的問題。

本項目實施后極大地提高了調速系統裝置的可靠度，使故障處置所需的工作大大降低，極大地避免了在滿發階段由于啟動不成功而導致的無效棄水量，同時也節約了廠用電。