水輪機(jī)調(diào)速器改造后功能介紹

劉飛林

中電投江西電力有限公司江口水電廠，江西新余 338025

0 引言

用于江西江口水電站的伺服電機(jī)型調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)是由長江三峽能事達(dá)電氣股份有限公司生產(chǎn)制造的。作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，長江三峽能事達(dá)電氣股份有限公司多年來專業(yè)致力于電廠控制設(shè)備的生產(chǎn)，產(chǎn)品包括水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)等，產(chǎn)品已在全國范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用。在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)下，該公司注重科技的創(chuàng)新和產(chǎn)品性能的改進(jìn)。以下是對(duì)江西江口水電廠所采用的伺服電機(jī)型調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)的介紹及改造后的水輪調(diào)速器的功能說明。

1 伺服電機(jī)型調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)

1.1 設(shè)計(jì)原理

此調(diào)速系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行及電手動(dòng)運(yùn)行回路的控制元件為伺服電機(jī)，伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械的直線位移輸出，驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)閥上下運(yùn)動(dòng)，通過主配壓閥液壓放大輸出壓力能，來操縱接力器[1]。

處于優(yōu)先位置的緊急停機(jī)閥，可保證機(jī)組在緊急狀態(tài)下，安全可靠關(guān)機(jī)。

當(dāng)調(diào)速器交、直流電源發(fā)生故障時(shí)，伺服電機(jī)直線位移轉(zhuǎn)換器能保證主配壓閥自復(fù)中，維持水輪機(jī)導(dǎo)葉在故障前的位置，并可純機(jī)械手動(dòng)安全停機(jī)。

1.2 液壓系統(tǒng)組成

調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)由：伺服電機(jī)直線位移轉(zhuǎn)換器、雙精濾油器、主配壓閥、引導(dǎo)閥、緊急停機(jī)電磁閥等元件組成。

1.3 液壓系統(tǒng)工作原理

伺服電機(jī)微機(jī)調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)采用直聯(lián)型塊式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了調(diào)速器柜內(nèi)無明油管，整體結(jié)構(gòu)緊湊、新穎、美觀。

微機(jī)綜合數(shù)字信號(hào)經(jīng)定位模塊轉(zhuǎn)換為頻率固定的定位脈沖信號(hào)給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器控制輸出為3相交流電壓使交流伺服電機(jī)產(chǎn)生額定轉(zhuǎn)矩為22kgf·cm的角位移，此角位移經(jīng)伺服電機(jī)上的編碼器反饋給驅(qū)動(dòng)器，使伺服電機(jī)的角位移與驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)成比例，與此同時(shí)通過滾珠絲桿傳動(dòng)副轉(zhuǎn)換為直線位移，經(jīng)引導(dǎo)閥和主配壓閥，產(chǎn)生足夠的液壓操作力，控制接力器來調(diào)節(jié)水輪機(jī)的導(dǎo)葉開度和輪葉開度。

主接力器的位移經(jīng)電氣反饋裝置轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，它與PID調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)綜合后送至驅(qū)動(dòng)器。

機(jī)械液壓系統(tǒng)分為單調(diào)調(diào)速系統(tǒng)和雙機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。

進(jìn)入主配壓閥活塞恒壓腔的壓力油，始終具有推動(dòng)主活塞向關(guān)閉方向運(yùn)動(dòng)的力。經(jīng)過雙精濾油器的潔凈油，經(jīng)過引導(dǎo)閥、緊急停機(jī)電磁閥到主配壓閥的控制腔。

自動(dòng)與電手動(dòng)運(yùn)行工況為伺服電機(jī)投入運(yùn)行工況。

在伺服電機(jī)失電狀態(tài)下，伺服電機(jī)直線位移轉(zhuǎn)換器自復(fù)中，轉(zhuǎn)入純機(jī)械手動(dòng)操作工況。

1.3.1 伺服電機(jī)控制回路

伺服電機(jī)直線位移轉(zhuǎn)換器作為電/機(jī)轉(zhuǎn)換器，將電氣控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械位移輸出，驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)閥動(dòng)作，轉(zhuǎn)換為液壓流量，改變主配壓閥控制腔的油壓值，主活塞在壓力差的作用下，朝上或朝下運(yùn)動(dòng)，打開工作窗口，接力器開始運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)電機(jī)順時(shí)針（或手柄逆時(shí)針）轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，直線位移轉(zhuǎn)換器的調(diào)零桿上移，高于零位，引導(dǎo)閥閥芯向上移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)主配壓閥活塞向上，接力器向關(guān)方向運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)電機(jī)逆時(shí)針（或手柄順時(shí)針）轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，直線位移轉(zhuǎn)換器的調(diào)零桿下移，低于零位。引導(dǎo)閥針塞向下移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)主配壓閥活塞向下，接力器向開方向運(yùn)動(dòng)。

1.3.2 主閥自復(fù)中及純機(jī)械手動(dòng)功能

伺服電機(jī)失電，由于主配壓閥自復(fù)中，接力器保持在當(dāng)時(shí)開度。因?yàn)槭щ姇r(shí)伺服電機(jī)直線位移轉(zhuǎn)換器失去了驅(qū)動(dòng)力，調(diào)零桿在復(fù)中彈簧的作用下回到中位（機(jī)械零點(diǎn)）引導(dǎo)閥與主配活塞跟隨回到零位，接力器停止運(yùn)動(dòng)，保持當(dāng)時(shí)的開度。

1.3.3 緊急停機(jī)電磁閥的工作原理

緊急停機(jī)電磁閥設(shè)置在最靠近主配壓閥的位置，給緊急停機(jī)電磁閥發(fā)出停機(jī)信號(hào)，閥芯換位，將引導(dǎo)閥的控制油切斷，同時(shí)使主配壓閥的控制腔通回油，接力器迅速關(guān)機(jī)。

調(diào)速器恢復(fù)運(yùn)行時(shí)，必須使緊急停機(jī)電磁閥復(fù)歸。

緊急停機(jī)閥復(fù)歸后，接力器應(yīng)保持在全關(guān)位。

1.4 主要部件

1.4.1 伺服電機(jī)直線位移轉(zhuǎn)換器

伺服電機(jī)直線位移轉(zhuǎn)換器，主要由交流伺服電機(jī)，精密滾珠絲杠傳動(dòng)副、復(fù)中彈簧等組成。

在伺服電機(jī)控制運(yùn)行時(shí)，伺服電機(jī)接受電氣控制信號(hào)，正傳或反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母就上或下運(yùn)動(dòng)，與螺母連接的調(diào)零桿隨著上下運(yùn)動(dòng)，引導(dǎo)閥與主配壓閥活塞隨動(dòng)與調(diào)零桿，打開工作窗口，操作接力器。

朝上運(yùn)動(dòng)為關(guān)機(jī)，朝下運(yùn)動(dòng)為開機(jī)。

1.4.2 主配壓閥

它由閥體、主配壓閥主活塞、主襯套等組成。 這是一種帶有輔助接力器的、液壓控制式的主配壓閥，與其接口的是液壓反饋閥（引導(dǎo)閥）。

1.4.3 緊急停機(jī)電磁閥

此閥是一個(gè)兩位三通的電磁換向閥，一位為停機(jī)，一位為正常（復(fù)歸），線圈短時(shí)通電，即可換位，閥芯帶有定位機(jī)構(gòu)，斷電后自保持在當(dāng)前的位置，閥芯上有按鈕，可人工操作停機(jī)和復(fù)歸。電源為DC220V。閥芯還配備有微動(dòng)開關(guān)，閥芯換位時(shí)發(fā)出電節(jié)點(diǎn)信號(hào)，給電氣回路用于判斷閥芯的位置。

1.4.4 精雙濾油器

該濾油器安裝主配壓閥上方的壓力油管路中，用以保護(hù)緊急停機(jī)電磁閥、引導(dǎo)閥等控制元件及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的，可有效地防止污染避免故障.延長元件使用壽命。

它由二芯組合，由手動(dòng)換向閥切換，一個(gè)工作另一個(gè)備用。兩組間切換時(shí)，可確保油路不中斷，調(diào)速器繼續(xù)工作，并且切換時(shí)接力器無擾動(dòng)。

2 調(diào)速器（改造后）

調(diào)速器設(shè)備內(nèi)部含有精密儀器，對(duì)存放、運(yùn)輸?shù)臈l件要求比較高。在運(yùn)輸過程中不得倒置，以免損害內(nèi)部器件；儲(chǔ)存必須放置在貨臺(tái)上或木制的底架上，保持干燥。不得在室外露天存放或被雨淋濕，被水淹沒。改造后的調(diào)速器運(yùn)行操作功能更加完善，主要表現(xiàn)在：

1）調(diào)速器的工作方式

調(diào)速器的工作方式有機(jī)械手動(dòng)、電手動(dòng)和自動(dòng)三種工作方式。機(jī)械手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，調(diào)速器不受電氣系統(tǒng)頻率控制。電手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可操作面板增加/減少把手控制接力器的開度。自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，調(diào)速器根據(jù)不同工況控制導(dǎo)葉開度。在正常并入大電網(wǎng)狀態(tài)，調(diào)速器在三種方式下切換無擾動(dòng)。

2）調(diào)速器的調(diào)節(jié)模式

調(diào)速器具有頻率、開度和公路三種調(diào)節(jié)模式。自動(dòng)工作方式下空載運(yùn)行時(shí)為頻率調(diào)節(jié)模式；負(fù)載運(yùn)行時(shí)自動(dòng)切換為開度（或功率）調(diào)節(jié)模式，并可在三種模式下無擾動(dòng)切換；負(fù)載運(yùn)行時(shí)若頻率超差（>50.5Hz或<49.5Hz）自動(dòng)切換為頻率調(diào)節(jié)模式。

3）調(diào)速器的運(yùn)營狀況

調(diào)速器的運(yùn)營狀況分六種：停機(jī)待機(jī)、開機(jī)過程、空載運(yùn)行、負(fù)載運(yùn)行、甩負(fù)荷運(yùn)行和停機(jī)過程。如圖為調(diào)速器控制流程圖。

4）適應(yīng)水頭變化的自適應(yīng)功能

5）調(diào)速器的控制方式

調(diào)速器的控制方式有遠(yuǎn)方和現(xiàn)地兩種。遠(yuǎn)方控制是從中控室直接控制或通過監(jiān)控系統(tǒng)操作控制，是正常運(yùn)行中的主要控制方式；現(xiàn)地控制是通過現(xiàn)地把手開關(guān)和人機(jī)界面操作控制。

6）適應(yīng)水頭變化的自適應(yīng)功能

改造后的調(diào)速器，水頭數(shù)據(jù)可以通過智能漢化界面人工輸入。調(diào)速器在開機(jī)過程中的接力器開度根據(jù)當(dāng)前水頭值自適應(yīng)調(diào)整，使其快速并網(wǎng)。

3 結(jié)論

江口水電廠在對(duì)水輪機(jī)調(diào)速器改造后，其工作方式和運(yùn)營模式都得到改進(jìn)，自適應(yīng)功能大大提高了效率，面板及維修故障處理操作更加方便快捷，為水電站水輪機(jī)效率的提高提供了良好的基礎(chǔ)。

[1]長江三峽能事達(dá)電氣股份有限公司.http://www.nengshida.com/cn/，2012.