沖擊式水輪機專用調(diào)速器的應(yīng)用探討

謝大強

（四川省樂山市沙灣水力發(fā)電廠，四川 樂山 614900）

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(jīng)噴嘴后轉(zhuǎn)換為高速射流，切向沖擊轉(zhuǎn)輪，推動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動發(fā)電。為了保證水輪發(fā)電機組能順利地并網(wǎng)發(fā)電，必須配置調(diào)速器，它的主要功能是在機組運行時，保持其輸出的電能頻率、電壓穩(wěn)定。通常，調(diào)速器是通過調(diào)節(jié)進人水輪機的水的流量來實現(xiàn)這一目的，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。我廠以往生產(chǎn)的沖擊式水輪機，一般是配置電液自動調(diào)速器，近年，調(diào)速器廠家研制出了沖擊式水輪機專用調(diào)速器(以下簡稱沖調(diào))，并逐漸在電站中開始應(yīng)用。

2 配置電液調(diào)速器時的特點

電液自動調(diào)速器主要是指YDT、YWT型，后來發(fā)展為使用步進電機PLC的BWT調(diào)速器，它的測頻放大、回復(fù)及控制部分采用電氣回路來實現(xiàn)，而液壓放大、反饋機構(gòu)、作功機構(gòu)則采用機械液壓裝置，是目前應(yīng)用最廣泛的調(diào)速器。

由于沖擊式水輪機的壓力鋼管一般比較長，因此，噴針不能關(guān)閉太快，否則會產(chǎn)生極大的水壓，危害壓力管的安全，同時，又必須在極短的時間內(nèi)切除射流，以防止出現(xiàn)飛逸，現(xiàn)在的機組一般采用噴針與折向器雙重調(diào)節(jié)的操作機構(gòu)。

電液自動調(diào)速器輸出的是扭矩，通過調(diào)速軸，把調(diào)速器的轉(zhuǎn)臂與水輪機的操作機構(gòu)聯(lián)接在一起，調(diào)速器的指令通過連桿使操作機構(gòu)中的配壓閥活塞左、右移動，壓力油通過配壓閥上的孔口，流人接力器的兩側(cè)，操縱噴針啟閉。在調(diào)速軸的適當位置，另設(shè)1套拐臂、連桿來直接控制折向器，以保證折向器與噴針之間的協(xié)聯(lián)關(guān)系。單噴嘴機組的這種配置已應(yīng)用多年，比較可靠，能保證水輪機穩(wěn)定運行。

而對于雙噴嘴沖擊式水輪機，在運行時要求上、下噴針能同步移動，且與折向器保持協(xié)聯(lián)關(guān)系。以前，國內(nèi)都采用凸輪連桿組合機構(gòu)來完成這一系列動作。由于整個結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，死區(qū)較多，而且凸輪、差動配壓閥等零件的加工、安裝等方面容易產(chǎn)生誤差，經(jīng)常產(chǎn)生動作遲緩，噴針位置控制不夠準確等現(xiàn)象，這是配置YDT普通調(diào)速器的雙噴嘴沖擊式水輪機無法徹底解決的問題。

3 配置沖調(diào)時的特點

沖調(diào)實際上是改進過的PLC型電液自動調(diào)速器，它分單噴嘴用調(diào)速器、雙噴嘴用調(diào)速器，沖調(diào)與普通調(diào)速器的主要區(qū)別在于它輸出的不是扭矩，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，噴針是作直線運動的，因此只要在噴針后設(shè)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，這樣，就可以取消水輪機上的操作機構(gòu)。為了讓調(diào)速器減少過調(diào)節(jié)，使調(diào)節(jié)過程穩(wěn)定，精確控制噴針的行程，要設(shè)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(diào)速器的回復(fù)軸上，再通過調(diào)速器內(nèi)部液壓系統(tǒng)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(wěn)定狀態(tài)；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(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，反饋到PLC的A/D接口(模數(shù)轉(zhuǎn)換接口)，該數(shù)值與PLC內(nèi)部的計算值進行比較，以決定噴針是開還是關(guān)。由于反饋電壓的作用與頻率偏差的作用正好相反，就減緩了接力器的移動速度，減小了過調(diào)節(jié)，使調(diào)節(jié)達到平衡，保證機組穩(wěn)定運行。目前，國內(nèi)不同廠家生產(chǎn)的沖調(diào)采用的反饋形式各有其特點，可根據(jù)不同的機組的具體情況，選擇合適的反饋形式。

沖調(diào)的另一改進是它的軟件系統(tǒng)，大多廠家的可編程邏輯控制器(PLC)，采用面向硬件仿真編程，采用模塊結(jié)構(gòu)，變參數(shù)并聯(lián)PID調(diào)節(jié)原理，改變了以往采用梯形圖、指令表等程序結(jié)構(gòu)，其測頻環(huán)節(jié)由PLC本身完成，無須單獨設(shè)置測頻電路，提高了測頻環(huán)節(jié)的可靠性。也有廠家采用PCC(可編程計算機控制器)，它將原PLC的標準功能和工業(yè)計算機的多任務(wù)操作系統(tǒng)集成在一起，配以數(shù)字閥隨動系統(tǒng)，效果也不錯。

當雙噴嘴機組配置沖調(diào)后，就可以取消水輪機上的凸輪連桿組合操作機構(gòu)，在每個噴針后設(shè)置1個接力器，由壓力油根據(jù)調(diào)速器指令直接控制噴針的啟閉。由于調(diào)速器中有兩套相同的液壓隨動系統(tǒng)，再根據(jù)選定的調(diào)速器反饋形式，在每個噴針后都設(shè)置相應(yīng)的反饋裝置，分別與一套液壓隨動系統(tǒng)相聯(lián)；而折向器及其接力器由調(diào)速器中單獨的1個電磁閥來控制，它與噴針不再保持協(xié)聯(lián)關(guān)系，在機組正常運行時，折向器始終處于全開狀態(tài)，只有在關(guān)機或緊急停機時，接力器才動作，關(guān)閉折向器；至于上、下噴針如何動作、行程多少、折向器何時關(guān)閉等等，都由PLC中的程序通過控制壓力油來實現(xiàn)，這樣整個水輪機的結(jié)構(gòu)就變得異常簡單，調(diào)節(jié)的可靠性也大大增強了。

單噴嘴水輪機的專用調(diào)速器中，只有1套液壓隨動系統(tǒng)，其他的與雙噴嘴的專用調(diào)速器相同。此時，我們大多選用電反饋裝置，因為它安裝很方便，在水輪機上也不用另加轉(zhuǎn)換裝置，只要1個支架固定好電位計或位置傳感器即可；電反饋方式的調(diào)試也比較容易，另外，它對調(diào)速器的位置沒有要求，可以任意布置

在設(shè)計時，考慮到下噴針在廠房平面以下，工作環(huán)境比較潮濕，還有可能發(fā)生滴水滴油等情況，我們對電位計、位移傳感器等電氣元件能否長期可靠工作存有疑慮，所以選擇了機械反饋方式，并設(shè)計了1個反饋機構(gòu)，將噴針的移動距離轉(zhuǎn)換為扇形輪的旋轉(zhuǎn)弧長，再通過5mm的鋼絲繩經(jīng)滑輪反饋到調(diào)速器中的回復(fù)軸上。當噴針移動時，回復(fù)軸也相應(yīng)轉(zhuǎn)動，通過杠桿使與之相聯(lián)的步進電機發(fā)出位移反饋信號，經(jīng)與PLC的位置信號進行運算后，輸出一個頻率差值，通過步進電機驅(qū)動器去驅(qū)動步進電機，使引導(dǎo)閥針塞離開中間位置；此時，主配壓閥的活塞受壓差作用作相應(yīng)移動，通過液壓系統(tǒng)向噴針接力器配送壓力油，同時，帶動回復(fù)機構(gòu)運動，通過杠桿使引導(dǎo)閥針塞回到中間位置，完成一次調(diào)節(jié)，從而控制噴針穩(wěn)定在某一位置，以保證機組頻率和出力的穩(wěn)定。在這臺機組的試運行時，先進行手動操作，噴針接到指令后，迅速移動，沒有發(fā)生配置普通YDT調(diào)速器時的滯后現(xiàn)象；自動開機起動時，機組自動跟蹤電網(wǎng)頻率，轉(zhuǎn)速迅速上升到同期要求，順利并網(wǎng)；接著作帶負荷試驗，機組起動并網(wǎng)后，在額定功率的25%、50%、75%各運行了30min，在連續(xù)增減負荷的過程中，接力器無擺動，機組無異?，F(xiàn)象，說明預(yù)調(diào)好的緩沖參數(shù)是合適的；再滿負荷運行2h，在這過程中，頻率一直穩(wěn)定在50土0.2Hz之間，出力變化也很小。最后，作甩負荷試驗，即在機組帶負荷運行時，突然跳閘與電網(wǎng)脫開，這會使調(diào)速器的各部件達到極限，是對調(diào)速器整體調(diào)節(jié)質(zhì)量的考驗；分別在額定功率的25%、50%、75%和100%作了甩負荷試驗，并對甩負荷前后的機組參數(shù)作了記錄；在甩滿負荷時，水輪機折向器能在跳閘2s時內(nèi)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(guān)閉時間為20s，這些參數(shù)都在允許范圍內(nèi)，說明調(diào)速器的動態(tài)穩(wěn)定性和速動性能良好。經(jīng)72h的試運行后，機組通過驗收，并一直運行穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

目前，已有多臺此類型的機組成功發(fā)電，從運行情況看，雙噴嘴水輪機的專用調(diào)速器是很成功的一個產(chǎn)品，不僅大大簡化了水輪機的結(jié)構(gòu)，同時改善了調(diào)節(jié)品質(zhì)，提高了調(diào)節(jié)的可靠性?，F(xiàn)在，我廠生產(chǎn)的雙噴嘴沖擊式機組全都配置專用調(diào)速器。我認為，專用調(diào)速器不僅能用于新機組，也可用它對舊機組進行技術(shù)改造。至于單噴嘴沖擊式機組，由于配普通調(diào)速器時，結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜，在運行時也比較可靠，因此兩種調(diào)速器都在使用，可根據(jù)用戶喜好去選擇。

[1]李培深.水輪機調(diào)速器參數(shù)的測試[J].大電機技術(shù)，1990-12-27.