沖擊式水輪機(jī)調(diào)節(jié)控制設(shè)計探討

韓東龍 程宏燕 胡鳴明 曹偉

【摘要】本文主要介紹沖擊式水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成部分，以及在使用過程中采用的幾種調(diào)節(jié)方式和調(diào)節(jié)原理，著重介紹目前比較安全的一種噴嘴裝配結(jié)構(gòu)：內(nèi)拆式水力自關(guān)閉噴嘴。

【關(guān)鍵詞】沖擊式水輪機(jī)；噴針；偏流器；調(diào)速器；自關(guān)閉

概述

沖擊式水輪機(jī)都用于高水頭水電站，沖擊式水輪機(jī)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)需滿足兩個方面的功能：一、通過調(diào)節(jié)機(jī)組過流來調(diào)節(jié)機(jī)組的轉(zhuǎn)速或出力，使機(jī)組能在任何負(fù)荷工況下保持額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行。其中包括零符合工況和機(jī)組空載時的穩(wěn)定運行，這是保證機(jī)組能快速并入電網(wǎng)的必要條件。二、沖擊式水輪機(jī)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計必須具備安全性、穩(wěn)定性和可靠性。滿足電站調(diào)節(jié)保證的要求，保證壓力鋼管和機(jī)組的安全。在機(jī)組甩負(fù)荷時，保證壓力鋼管的水壓上升和機(jī)組轉(zhuǎn)速上升不大于預(yù)定值。沖擊式水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成部分包括：調(diào)速器、噴針、偏流器、節(jié)流器、自動化元件等。噴針調(diào)節(jié)和偏流器調(diào)節(jié)組成沖擊式水輪機(jī)組的雙重調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

雙重調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動作原理

（工況一）當(dāng)機(jī)組在某一穩(wěn)定負(fù)荷下運行時，噴針處于與負(fù)荷相適應(yīng)的位置，保持不動，偏流器位于射流柱外，不干涉射流作功。（工況二）當(dāng)機(jī)組甩100%負(fù)荷時，機(jī)組轉(zhuǎn)速急劇上升，偏流器快速動作，將射流偏離水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，于是，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升被控制在允許范圍；同時，噴針緩慢移動關(guān)閉噴嘴，壓力鋼管的水壓上升也被控制在允許范圍內(nèi) [注：噴針、偏流器的動作速度是根據(jù)調(diào)節(jié)保證計算要求的開啟和關(guān)閉時間，預(yù)先整定設(shè)置，由調(diào)速器控制]。（工況三）當(dāng)機(jī)組緩慢減負(fù)荷時，偏流器不會切入射流。（工況四）當(dāng)機(jī)組增負(fù)荷時，偏流器不能干涉射流作功，也不會切入射流。（工況五）當(dāng)空載并網(wǎng)時，由于噴針移動速度緩慢，單獨依靠噴針調(diào)節(jié)來穩(wěn)定機(jī)組額定轉(zhuǎn)速是困難的，必須由偏流器快速關(guān)閉幫忙，才能迅速穩(wěn)定機(jī)組頻率，并入電網(wǎng)。

雙重調(diào)節(jié)的分類

一、按調(diào)節(jié)過程完成后，偏流器與射流相對位置的不同來區(qū)分，雙重調(diào)節(jié)系統(tǒng)可分為兩種形式：1、噴針-偏流器協(xié)聯(lián)動作式?jīng)_擊式水輪機(jī)雙重調(diào)節(jié)系統(tǒng)?！皡f(xié)聯(lián)動作”就是指偏流器始終跟隨射流（直徑）變化而動作，在調(diào)節(jié)過程完成后，偏流器切水口都位于射流外，并保持很小的距離（一般為6-8mm）；2、噴針-偏流器非協(xié)聯(lián)動作式?jīng)_擊式水輪機(jī)雙重調(diào)節(jié)系統(tǒng)?！胺菂f(xié)聯(lián)動作”就是指偏流器不跟隨射流（直徑）變化而動作，而且，偏流器只有兩個極端位置：全開和全關(guān)。

二、按噴針-偏流器不同控制方式來區(qū)分，雙重調(diào)節(jié)系統(tǒng)又可分為兩種形式：1、偏流器-噴針相繼動作式?jīng)_擊式水輪機(jī)雙重調(diào)節(jié)系統(tǒng)，“相繼動作式”指由自動調(diào)速器的接力器直接操縱偏流器動作，同時由偏流器接力器通過協(xié)聯(lián)機(jī)構(gòu)的協(xié)聯(lián)凸輪、噴針配壓閥和噴針接力器來操縱噴針動作。2、偏流器-噴針并列動作式?jīng)_擊式水輪機(jī)雙重調(diào)節(jié)系統(tǒng)，“并列動作式”指由自動調(diào)速器控制的兩個配壓閥同時動作，然后控制偏流器和噴針的接力器操縱偏流器和噴針同時動作。

沖擊式調(diào)速器簡介

自動調(diào)速器開始為電液自動調(diào)速器。主要型式為YDT、YWT，后來發(fā)展為使用步進(jìn)電機(jī)PLC的BWT調(diào)速器。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)臂和水輪機(jī)的操作機(jī)構(gòu)連接在一起，調(diào)速器的指令通過連桿操作機(jī)構(gòu)中的配壓閥活塞左、右移動，壓力油通過配壓閥的孔口流入接力器的兩側(cè)，操作噴針啟閉，在調(diào)速軸的適當(dāng)位置，另設(shè)一套拐臂、連桿來直接控制偏流器，以保證偏流器和噴針的協(xié)連關(guān)系，此種設(shè)計，單噴嘴沖擊式水輪機(jī)可靠、穩(wěn)定。如果是雙噴嘴沖擊式水輪機(jī)或多噴嘴水輪機(jī)要保證多個噴針和偏流器協(xié)聯(lián)動作難度較大，存在噴針位移控制不穩(wěn)等問題。

目前，沖擊式水輪機(jī)普遍采用噴針-偏流器非協(xié)聯(lián)動作式?jīng)_擊式水輪機(jī)雙重調(diào)節(jié)系統(tǒng)。沖擊式調(diào)速器都采用沖擊式專用調(diào)速器，沖擊式專用調(diào)速器是改進(jìn)過的PLC型電液自動調(diào)速器，沖擊式專用調(diào)速器與一般調(diào)速器的主要區(qū)別在于輸出不再是扭矩，而是壓力油。由于沖擊式調(diào)速器是通過改變噴針的開度來改變流量，噴針作直線運動，因此只在噴針后設(shè)置一個接力器，控制壓力油的進(jìn)出方向就直接控制噴針的啟閉。這樣，就可以取消水輪機(jī)上的操作機(jī)構(gòu)，為了讓調(diào)速器減少調(diào)節(jié)，使調(diào)節(jié)過程穩(wěn)定，須精確控制噴針的行程，因此需要設(shè)置一個直線位移傳感器[精度為微米級]，對于偏流器只需再全開和全關(guān)位置各設(shè)置一個行程開關(guān)。沖擊式專用調(diào)速器大多數(shù)廠家采用可編程邏輯控制器（PLC），采用面向硬件的仿真編程，采用模塊結(jié)構(gòu)，變參數(shù)并聯(lián)PID調(diào)節(jié)原理，測頻環(huán)節(jié)由PLC完成，無需單獨設(shè)置測頻回路，提高了測頻環(huán)節(jié)的可靠性。有的廠家采用PCC（可編程計算機(jī)控制器），它將原PLC的標(biāo)準(zhǔn)功能與工業(yè)計算機(jī)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)，用戶反映良好。

噴針和偏流器結(jié)構(gòu)分類

現(xiàn)在的噴針和偏流器都是靠接力器控制，接力器是通過調(diào)速器壓力油控制。根據(jù)接力器的通油腔數(shù)計算，分單腔操作結(jié)構(gòu)和雙腔操作結(jié)構(gòu)。雙腔操作結(jié)構(gòu)開啟和關(guān)閉（噴針或偏流器）都通過調(diào)速器油壓來完成，調(diào)速器采用的電磁閥為二位四通，此種方式存在一個風(fēng)險就是當(dāng)調(diào)速器失壓或壓力不足，就不能正常關(guān)閉（噴針或偏流器），此種控制方式為目前各大廠家普遍采用。單腔操作結(jié)構(gòu)就是開啟（噴針或偏流器）采用調(diào)速器油壓，而調(diào)速器采用的電磁閥為二位三通。關(guān)閉（噴針或偏流器）采用彈簧或壓力水。這就是筆者著重推薦的自關(guān)閉結(jié)構(gòu)。就是在調(diào)速器失壓或壓力不足，也能關(guān)閉（噴針或偏流器）。目前我廠的沖擊式水輪機(jī)均采用內(nèi)拆式水力自關(guān)閉噴嘴，噴嘴關(guān)閉靠水力自關(guān)，偏流器關(guān)閉靠彈簧自關(guān)。此種結(jié)構(gòu)方式在2008年汶川大地震得到檢驗。四川省阿壩州茂縣色如溝電站（水輪機(jī)：CJA237-W-105/1×9、發(fā)電機(jī)：SFW1600-8/1430）地震時，滾石打壞調(diào)速器，但由于該機(jī)組采用我廠專利噴嘴：自關(guān)閉結(jié)構(gòu)，在地震后檢查，噴嘴、偏流器在地震時自關(guān)閉，沒造成機(jī)組飛車，壓力鋼管還保持壓力水。

“內(nèi)拆式水力自關(guān)閉噴嘴”全面改善了噴嘴的調(diào)節(jié)性能，主要體現(xiàn)在：

1）噴針?biāo)ψ躁P(guān)閉技術(shù)-----在油壓裝置事故低壓和失壓的情況下，機(jī)組都能安全停機(jī)，不會飛逸。2）噴嘴裝配的內(nèi)部零件內(nèi)拆---可縮短大修時間，維修、更換零件方便，大大減小勞動強(qiáng)度。3）油水隔離和防砂裝置-----防止油水混合，環(huán)保，保證機(jī)組安全運行，便于觀察密封圈是否損壞。4）新型噴針軸、活塞的密封和導(dǎo)向裝置---摩阻力小，能提高噴針調(diào)節(jié)靈敏度，并能自動補(bǔ)償磨損，經(jīng)久耐用。5）噴針?biāo)ζ胶庋b置-----能改善噴針開關(guān)力特性，使噴針開關(guān)力對稱、全程均勻，開關(guān)靈敏，不發(fā)生卡阻。6）采用單腔控制式油缸----能簡化控制系統(tǒng)的油管路，每個組合式噴嘴裝配的控制部分，只有2根油管與自動調(diào)速器軟連接（傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要4根油管），安裝維護(hù)方便。7）采用高精密μm級電子位移傳感器，只需一根電纜向“沖擊式專用電子自動調(diào)速器”反饋，提高了噴針調(diào)節(jié)靈敏度；方便安裝。8）采用具有自關(guān)閉功能的偏流器的組合式噴嘴和多噴一折機(jī)構(gòu)，使噴針?biāo)ψ躁P(guān)閉和偏流器自關(guān)閉，雙重保險，保證了機(jī)組停機(jī)的絕對可靠。9）采用噴針、偏流器非協(xié)聯(lián)雙重調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。

結(jié)語

沖擊式水輪機(jī)調(diào)節(jié)控制設(shè)計在水輪發(fā)電機(jī)組中是非常重要的一個環(huán)節(jié)，隨著時間推移，技術(shù)進(jìn)步，其結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)也會不斷發(fā)展和進(jìn)步，須廣大同行共同努力，為我國水電發(fā)展多作貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]周文桐，周曉泉著.《水斗式水輪機(jī)基礎(chǔ)理論與設(shè)計》.中國水利水電出版社

[2]《水輪機(jī)設(shè)計手冊》.哈爾濱大電機(jī)研究所

[3]文宏澤.《水電站機(jī)電技術(shù)》第116期.大中型沖擊式水輪機(jī)雙重調(diào)節(jié)方式的探討.