我國近期投運的大型水輪機調速設備的主要特征

席志鵬

【摘 要】水輪機調節(jié)系統(tǒng)是電站重要的基礎控制設備，對電能品質和電站安全經(jīng)濟運行有直接影響。水輪機調節(jié)的研究對水電事業(yè)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。本文在調研的基礎上，介紹了我國近期投運大大型水輪機調速設備的系統(tǒng)特征，包括常見調速器的系統(tǒng)結構和調速器主要環(huán)節(jié)的配置。

【關鍵詞】大型水輪機，調速設備，特征

0 引言

隨著1971年微處理機的問世，世界各國在20世紀80年代都開始研制微機調速器。我國微機調速器行業(yè)迅速發(fā)展的階段就是從20世紀80年代開始的，近期投入的大型國產調速設備全部采用微機控制。調速器大多采用的是電子調節(jié)器加電液隨動系統(tǒng)的系統(tǒng)結構，電子調節(jié)器采用自制單片機和、STD總線工業(yè)機或PLC作為調節(jié)器，多采用冗余配置。在20世紀末，電液轉換部件逐漸淘汰環(huán)噴式和雙錐式電液伺服閥，而大多采用伺服電機或步進電機作電/機轉換器。進入21世紀以來，國產微機調速器的電液轉換部件成功采用比例伺服閥；廣泛采用自動復中的電/機轉換器，采用無接觸式的磁致伸縮型位移傳感器，應用PLC做雙機冗余調節(jié)器；人機界面采用了工業(yè)平板PC和彩色觸摸屏。在激烈的市場競爭中，國產調速設備的硬件配置品質，生產工藝和服務質量受到廣大用戶的好評。

1 水輪機調速器的系統(tǒng)結構

我國大型水輪機調速器常見的系統(tǒng)結構和配置有4種：①雙微機調節(jié)器+雙冗余比例閥的電液隨動系統(tǒng)；②雙微機調節(jié)器+電液隨功系統(tǒng)；③微機調節(jié)器+電液隨動系統(tǒng)；④微機調節(jié)器+位置伺服裝置+機械液壓隨動系統(tǒng)。

調速器都設置了手動操作機構，使得在調整試驗時操作調速器，電氣故障和特殊故障時關閉水輪機導葉。調速器的調整試驗時操作調速器.電氣故障和特殊故障下關閉水輪機導葉。第①②③種結構的調速器可選用機械閉環(huán)、機械開環(huán)、電氣閉環(huán)和電氣開環(huán)幾種手動操作方式。第④種結構已裝有機械位移反饋，通常采用機械開度限制和手動操作機構。

2 調速器主要環(huán)節(jié)的配置

近十年來，我國大型水輪機調速器的重要環(huán)節(jié)硬件配置的品質明顯提高，采用國際知名品牌的優(yōu)質部件，如德國Bosch公司的比例伺服閥和美國MTS公司的Temposonics磁致伸縮直線傳感器。構成微機調節(jié)器的PLC過去為降低成本采用中低檔產品，現(xiàn)在也開始采用中高檔次的產品。在硬件配置上國產調速器已與國際接軌，并不固守所謂的“國產化”，哪個品種的質量好，適合于提高調速器的品種就采用哪種。

2.1 微機調速器的硬件配置

PLC、IPC、PCC均在微機調速器中得到應用，都可以滿足調速器的控制性能和功能要求。PCC融合了PLC和IPC的優(yōu)勢，是后期開發(fā)的工業(yè)控制機產品，目前僅有一家公司生產。IPC和PLC則在全球微機銷售量上占絕對優(yōu)勢。PLC構成的微機調速器在我國現(xiàn)在是，將來也會保持主導地位。

（1）位移傳感器。20世紀80年代，精密線繞電位器作位置傳感器配置在國產調速器上，如今只在中小型低價位的水輪機調速器中使用這種接觸式傳感器。進入21世紀以來，大型調速器配置的位置傳感器多為美國MTS公司的磁致伸縮型直線位移傳感器。其測量范圍為50～1220mm，供電電壓在13.5～26.5V范圍，輸出信號可以是4～20mA（或DC0～10V），也有數(shù)字量輸出的產品。該產品技術性能優(yōu)良，工作可靠性高，早些年已廣泛應用于冶金行業(yè)中的惡劣工作環(huán)境。

（2）人機交互界面。近幾年投入運行的大型水輪機調速器，大多采用了觸摸式液晶顯示屏。隨著彩色觸摸屏的應用，調速器的人機交互界面內容友好、豐富，有最基本的狀態(tài)和參數(shù)指示，還增加了圖形顯示，故障記錄，以及現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)和曲線的記錄顯示等。并且硬件構成十分簡單，進用通訊方式和主機連接，減少了很多硬接線，降低了調速器故障率。

2.2 電液轉換部件

大型調速器中電/液轉換部件多采用的是Bosch公司的比例伺服閥。如巖灘、桐柏、公伯峽、樂灘、桐子壕等水電站。

最新推出的電/機轉換部件采用三菱公司的MTNAS的交流伺服電機和交流伺服驅動器，用它和具有自動浮腫功能滾珠螺旋機構組成電/機轉換器，其功能與傳統(tǒng)的電液轉換裝置相同，將電氣量成比例轉換成機械位移。

用步進電機和具有自動復中功能的滾珠螺旋機構構成的電＼機轉換部件，輸出力巨大，工作可靠性高。在我國尤其是大中型水輪機調速器中廣泛應用，技術成熟，經(jīng)驗豐富，同樣是一種很優(yōu)秀的電/機轉換部件。

2.3 手動操作機械

在水輪機調速器技術標準中要求調速器必須設置手動操作機構，大型和巨型水輪機的用戶都十分重視手動操作的可靠性，調速器中設置手動操作機構是為了方便在調整試驗和電氣故障特殊情況下保證能關閉水輪機導水葉，目前國產調速器均設置了手動操作機構。20世紀80年代以前，我國調速器大多采用了帶機械反饋的機械式手動操作機構，而且一般與機械開度限制合二為一。近些年調速器采用較多的時電氣手動操作方式，國外的調速器也具有這種趨勢。目前國產調速器中手動操作方式有四種：機械開環(huán)手動操作方式、機械閉環(huán)手動操作方式、電氣開環(huán)手動操作方式、電氣閉環(huán)手動操作方式。不論是開環(huán)和閉環(huán)的機械手動操作都能保證故障時導葉關閉，由于目前我國屬于大電網(wǎng)，沒必要在電氣故障時要求機組長期手動運行，因此機械閉環(huán)手動操作的必要性不大。開環(huán)手動操作可以是大型和巨型水輪機調速器的緊急控制方式。

2.4 主配壓閥

根據(jù)控制方式，國產大型調速器的主配壓閥分為兩類：一類是是受機械位置控制，即輸入量為機械位移；另一類是受流量控制，即輸入流量。這兩類主配壓閥均和輔助接力器連成一體。

我國設計和生產的受流量控制的主配壓閥有兩種。一種是東方電機有限公司、武漢三聯(lián)水電控制設備公司、武漢事達電氣公司和國電南瑞科技公司設計的輔助接力器（主配壓閥）帶有位置電氣反饋的主配壓閥，這類主配中為了在電源消失時使主配壓閥自動復中，各家用了不同的技術措施。國外調速器大多也采用這種輔助接力器帶有位置電氣反饋的主配，但他們不作斷電自動復中的處理。另一種是武漢長江控制設備研究所研制的帶有液壓內反饋的主配壓閥。由于采用液壓內反饋，主配壓閥的位移與比例伺服閥輸人流量成比例，當比例閥控制電流消失時，由于采用了液壓內反饋主配壓閥閥芯將自動復中。主配壓閥在調速器中雖然是十分重要的環(huán)節(jié)，不論是設計還是制造方面其難度都不大。我國完全沒有必要從國外購買，我國在設計及生產調速器主配壓閥方面有十分豐富的經(jīng)驗，并有成熟的產品。

3 總結

通過現(xiàn)場調查、函調和考察國內調速器主要生產廠家的產品和資料.可以看出國產大型水輪機調速器的功能十分完善，技術性能優(yōu)良，絕大多數(shù)調速器的技術指標能全面達到國家標準《水輪機調速器及油壓裝置技術條件》的要求。盡管各生產廠家調速器的配置結構不完全相同，但是所能實現(xiàn)的基本功能基本相同。

【參考文獻】

[1]孔昭年，主編.2009年中國水電控制設備論文集[M].武漢：長江出版社，2009.

[2]陳乃祥.水利水電工程的水力瞬變仿真與控制[M].北京：中國水利水電出版社出版社，2005.

[3]魏守平，編.水輪機調節(jié)[M].武漢：華中科技大學出版社，2009.

[4]葉魯卿.水力成控制[M].武漢：華中科技大學出版社，2009.

[5]孔昭年.大型骨干水電站水輪機控制設備實現(xiàn)國產化的建議[M].水電站自動化與大壩檢測，2008（1）.

[責任編輯：楊玉潔]