某水電廠調(diào)速器改造歷程

汪江峰，劉文峻

（國網(wǎng)新源控股有限公司檢修分公司杭州分部，浙江省杭州市 310000）

某水電廠調(diào)速器改造歷程

汪江峰，劉文峻

（國網(wǎng)新源控股有限公司檢修分公司杭州分部，浙江省杭州市 310000）

簡要介紹了某水電廠50年來調(diào)速器運(yùn)行維護(hù)中發(fā)現(xiàn)的問題及調(diào)速器歷經(jīng)的多輪改造中使用過的各種類型調(diào)速器性能、優(yōu)缺點(diǎn)、易出現(xiàn)的缺陷，為水電廠使用的各類調(diào)速器運(yùn)行維護(hù)提供相關(guān)經(jīng)驗。

調(diào)速器；運(yùn)行維護(hù)；比例伺服閥

0 引言

某水電廠是新中國成立后建設(shè)的第一座“三自”電站，1960年4月22日第一臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，現(xiàn)有裝機(jī)9臺，總?cè)萘?5萬kW。其調(diào)速器的改造歷程完整的涵蓋了整個調(diào)速器發(fā)展的歷史，經(jīng)歷了從T型機(jī)械液壓式調(diào)速器到JDT型電液調(diào)速器，再到WBT和WBDT型步進(jìn)式調(diào)速器，近年來又陸續(xù)將步進(jìn)式調(diào)速器更換為PFWT型比例伺服閥+伺服電機(jī)型微機(jī)調(diào)速器和CVT型數(shù)字式調(diào)速器。

1 機(jī)械式與電液伺服式調(diào)速器

該電廠自1960年第一臺機(jī)組投入運(yùn)行以來，一直采用的是T-100型和DT-100型機(jī)械液壓型調(diào)速器?；诋?dāng)時的技術(shù)水平和加工制造能力，改型調(diào)速器也能基本滿足機(jī)組的運(yùn)行，但整體穩(wěn)定性不夠，經(jīng)常出故障。長期運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，該型調(diào)速器主要有以下幾個缺點(diǎn)：①調(diào)速器靜特性，轉(zhuǎn)速死區(qū)大，速動性和穩(wěn)定性較差。②電氣元件易老化，使用壽命短故障率高。③機(jī)調(diào)柜內(nèi)都是明管路，交錯復(fù)雜，日常維護(hù)和檢修不便，接頭漏點(diǎn)較多，操作不便。④日常維護(hù)工作量非常大。

進(jìn)入90年代初，經(jīng)過廠有關(guān)職能部門和班組調(diào)查研究。1995年1月，電廠在5號機(jī)開始使用KZT-100微機(jī)調(diào)速器，同年8號機(jī)也使用該型號。1995年7月在3號機(jī)使用WT-100微機(jī)調(diào)速器，陸續(xù)在1號機(jī)、6號機(jī)上也使用該型號。

KZT-100、WT-100-STARS微機(jī)調(diào)速器的伺服系統(tǒng)采用的是環(huán)噴式電液轉(zhuǎn)換器。由于電液轉(zhuǎn)換器先導(dǎo)級動圈部分作用力較小，電液轉(zhuǎn)換器在進(jìn)行液壓放大時需要壓力油源，噴環(huán)對油質(zhì)的要求比較高。在實際運(yùn)行中，由于供給環(huán)噴裝置的油質(zhì)不滿足要求，電液轉(zhuǎn)換器容易出現(xiàn)環(huán)噴裝置發(fā)卡、拒動、零漂等故障，手/自動切換電磁配壓閥和增/減電磁配壓閥也經(jīng)常發(fā)卡。這些故障嚴(yán)重影響到機(jī)組的安全運(yùn)行。另外，由于環(huán)噴裝置需要壓油裝置提供壓力油，并且其耗油量也大，這也造成油壓系統(tǒng)的壓油泵頻繁啟停，不利于壓油泵的安全運(yùn)行。此外，該型號調(diào)速器的接力器行程反饋信號是采用鋼絲繩反饋機(jī)構(gòu)，由于反饋時，反饋機(jī)構(gòu)需要較大的拉力，經(jīng)常會出現(xiàn)鋼絲繩斷裂的現(xiàn)象。鋼絲繩頻繁斷裂也一度成為困擾機(jī)組安全運(yùn)行的重大缺陷。KZT-100型調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)見圖1。

從缺陷統(tǒng)計表1可以看出，使用環(huán)噴式電液轉(zhuǎn)換器的KZT-100、WT-100型微機(jī)調(diào)缺陷率高達(dá)66.7%（1999年），最高時達(dá)到92.9%（2000年）。

圖1 KZT-100型調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)Fig.1 Mechanical hydraulic system of KZT-100

表1 調(diào)速器缺陷統(tǒng)計表（1999～2002年）Tab.1 Defect statistics of the governor

2 調(diào)速器改造過程及分析

隨著工業(yè)技術(shù)水平和加工制造精度的提高，調(diào)速器的種類和控制方式也不斷豐富，為提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性及性能指標(biāo)，進(jìn)一步提高電站的綜合自動化水平，電廠對調(diào)速器進(jìn)行了多個階段的更新改造。

第一輪改造：1995年開始，將原有的機(jī)械液壓型調(diào)速器更新為電液伺服系統(tǒng)的微機(jī)調(diào)速器?；诃h(huán)噴式電液伺服系統(tǒng)存在的諸多問題，電廠在經(jīng)過統(tǒng)計分析各類缺陷發(fā)生頻率及產(chǎn)生缺陷的原因后，又對調(diào)速器廠家、同類水電廠等單位充分調(diào)研，為進(jìn)一步提高調(diào)速器調(diào)節(jié)的可靠性，該廠對調(diào)速器進(jìn)行了第二階段的改造。

第二輪改造：1999年7月該電廠開始實施增容改造工程，單機(jī)容量由72.5MW增加到95MW，調(diào)速器也同步進(jìn)行了新的一輪改造。

該次改造調(diào)速器更換為WBDT-100型步進(jìn)微機(jī)調(diào)速器（見圖2）。此調(diào)速器由伺服系統(tǒng)采用的是步進(jìn)電機(jī)組成的電機(jī)伺服裝置，取消了抗油污能力差的電液轉(zhuǎn)換器，提高了可靠性。電氣回路取消了電位器和繼電器，減少了接觸不良、抗干擾性差的不足。易于實現(xiàn)無條件、無擾動的自動至手動的切換。機(jī)械柜內(nèi)取消了電液轉(zhuǎn)換器、手/自動切換閥、增/減電磁閥等相應(yīng)管路，簡化了開度限制機(jī)構(gòu)、簡化了杠桿，減少了漏油量，極大地減少了日常維護(hù)工作量。步進(jìn)式調(diào)速器缺陷率低，可靠性高。從1999年7月9號機(jī)開始使用WBDT-100型步進(jìn)式微機(jī)調(diào)速器，后來其他機(jī)組逐步更新。從近6年的運(yùn)行狀況來看，缺陷發(fā)生率極低，全年只有l(wèi)、2次缺陷。該調(diào)速器的性能完全能夠滿足電廠運(yùn)行需要，機(jī)組的各種運(yùn)行模式的切換和正常運(yùn)行能夠得到保證，大大地提高了機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定和可靠性，確保電廠供電的電能質(zhì)量。

圖2 WBDT-100型步進(jìn)微機(jī)調(diào)速器Fig.2 WBDT-100 type step microcomputer governor

第三輪改造：隨著使用年限的增加，WBDT-100型步進(jìn)式微機(jī)調(diào)速器在機(jī)組的日常運(yùn)行中也有逐步出現(xiàn)引導(dǎo)閥發(fā)卡、步進(jìn)電機(jī)有異音等現(xiàn)象。2008年該廠1號機(jī)曾發(fā)生3次引導(dǎo)閥發(fā)卡，7號機(jī)發(fā)生2次引導(dǎo)閥發(fā)卡。2008年7月還曾發(fā)生負(fù)荷從20MW增加到90MW的過程中，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)全開時，步進(jìn)電機(jī)絲桿與平衡桿全部脫開，引導(dǎo)閥因發(fā)卡，不能動作。后經(jīng)運(yùn)行人員將調(diào)速器運(yùn)行方式由自動改手動，操作手輪將步進(jìn)電機(jī)關(guān)回。當(dāng)手輪壓到平衡桿后，繼續(xù)往下壓，引導(dǎo)閥活塞向下動作，再操作手輪控制步進(jìn)電機(jī)使引導(dǎo)閥活塞往上關(guān)機(jī)。通過幾次手動操作后，引導(dǎo)閥活塞才逐步消除了發(fā)卡的現(xiàn)象。2008年曾發(fā)生引導(dǎo)閥背帽松動，引起引導(dǎo)閥活塞偏移中間，當(dāng)引導(dǎo)閥活塞下移，引起調(diào)速機(jī)零位改變，壓力油進(jìn)入接力器的開機(jī)腔，從而導(dǎo)致導(dǎo)葉打開，造成機(jī)組自開機(jī)的情況。2009年6號機(jī)組大修甩負(fù)荷的過程中，也發(fā)生引導(dǎo)閥發(fā)卡事故，后通過引導(dǎo)閥重新安裝調(diào)正，方消除了引導(dǎo)閥發(fā)卡。

第四輪改造：隨著電網(wǎng)對電廠的一次調(diào)頻和黑啟動等調(diào)節(jié)能力的要求不斷提高，就需要對調(diào)速器的性能提出更高的要求。該電廠為了滿足黑啟動和AGC調(diào)節(jié)的需求對調(diào)速器開展了第四輪改造。

該廠職能部門通過對電網(wǎng)對機(jī)組調(diào)節(jié)能力的分析，認(rèn)真總結(jié)了調(diào)速器所需滿足的技術(shù)要求，并與專家溝通，確定了當(dāng)前一輪調(diào)速器改造，調(diào)速器需達(dá)到的各類技術(shù)指標(biāo)。在2010年9號機(jī)大修過程中，調(diào)速器更換PFWT-100-2.5型比例閥、伺服電機(jī)冗余調(diào)速器（見圖3）。

圖3 PFWT-100-2.5型調(diào)速器Fig.3 PFWT-100-2.5 type governor

隨著水輪機(jī)調(diào)速器性能不斷發(fā)展，為比較不同型號調(diào)速器的調(diào)節(jié)性能，該廠于2012年3月2號機(jī)大修時引進(jìn)了CVT-100數(shù)字式水輪機(jī)調(diào)速器（見圖4）。

圖4 CVT-100數(shù)字式水輪機(jī)調(diào)速器Fig.4 CVT-100 digital hydraulic turbine governor

3 最新調(diào)速器的特點(diǎn)比較

3.1 PFWT-100-2.5型調(diào)速器

此類調(diào)速器有兩套伺服系統(tǒng)，兩個自動運(yùn)行通道。第一種為比例伺服閥：由微機(jī)系統(tǒng)計算分析后輸出的信號送到比例閥，再由比例閥輸出壓力油信號控制主配壓閥操作接力器動作。第二種為伺服電機(jī)：伺服電機(jī)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為機(jī)械的直線位移輸出，驅(qū)動引導(dǎo)閥上下動作，再通過主配壓閥液壓放大系統(tǒng)控制接力器動作。

該調(diào)速器緊急停機(jī)閥組處于優(yōu)先位置，可保證機(jī)組在緊急狀態(tài)下安全關(guān)機(jī)。而當(dāng)調(diào)速器交、直流電源發(fā)生故障時，伺服電機(jī)直線位移轉(zhuǎn)換器能保證主配壓閥自動恢復(fù)至中間位置，維持導(dǎo)葉在故障當(dāng)前位置，并可實現(xiàn)純手動開關(guān)導(dǎo)葉。通過兩年機(jī)組運(yùn)行情況來看，調(diào)速器能優(yōu)質(zhì)地完成各項調(diào)節(jié)任務(wù)。比例閥調(diào)速器結(jié)構(gòu)簡單，取消了機(jī)械反饋，極大地減少了維護(hù)量。但比例閥對油質(zhì)的要求較高，需定期檢查油質(zhì)情況和清洗油過濾器。目前該廠已有1、3、4、5、6、8、9號機(jī)調(diào)速器更換為PFWT-100-2.5型調(diào)速器。

3.2 CVT-100數(shù)字式調(diào)速器

CVT-100數(shù)字式調(diào)速器采用邏輯插裝技術(shù)，由高速開關(guān)閥與邏輯插裝閥等標(biāo)準(zhǔn)液壓件進(jìn)行元件—組件—回路的多層次組合和優(yōu)化，進(jìn)而實現(xiàn)了調(diào)速器調(diào)節(jié)和控制。

它突破了傳統(tǒng)的電氣—機(jī)械/液壓轉(zhuǎn)換元件＋主配壓閥的形式，完全取消了主配壓閥，調(diào)節(jié)、控制無需“中間位置”與機(jī)械反饋來保證。它由電氣調(diào)節(jié)柜和機(jī)械調(diào)節(jié)柜兩部分組成，電氣柜接收來自監(jiān)控、保護(hù)系統(tǒng)及機(jī)組多種傳感器信號；如導(dǎo)葉反饋信號、電網(wǎng)頻率、水頭有功等信號，經(jīng)過計算下達(dá)導(dǎo)葉調(diào)節(jié)信號到機(jī)械柜，通過機(jī)械調(diào)節(jié)柜液壓放大實現(xiàn)開停機(jī)。

機(jī)械液壓隨動系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，可根據(jù)使用需要進(jìn)行靈活的組合和布置。整個液壓控制柜具有很高的集成度，無任何的杠桿、鋼絲繩及外露管路。

它還利用高速開關(guān)閥與插裝閥的優(yōu)化組合，取消了傳統(tǒng)的主配壓閥、電液轉(zhuǎn)換器等問題較多部件，從根本上消除了調(diào)速器閥件工作不可靠的機(jī)理，如拒動、發(fā)卡、零位漂移等。電氣部分無需電氣D/A轉(zhuǎn)換，把微機(jī)直接與液壓部分結(jié)合起來，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，電液轉(zhuǎn)換過程快捷無時滯、信號失真小。將數(shù)字技術(shù)所具有的穩(wěn)定、可靠、高精度及可附加外部運(yùn)算單元等優(yōu)點(diǎn)帶到調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)中來，控制方式的實現(xiàn)靈活易行，從而降低了出現(xiàn)故障的概率。即使電氣部分徹底失靈，也能使接力器保持當(dāng)前開度始終不變并自動切為手動運(yùn)行，避免故障的擴(kuò)大以及由此造成的不良后果。

對于CVT-100數(shù)字式調(diào)速器，電廠實際安裝過程中，由于調(diào)速器設(shè)計人員未充分考慮到油壓變化問題，該型調(diào)速器設(shè)計油壓為4.0MPa，而電廠額定工作油壓為2.2MPa，因壓力偏低，接力器關(guān)閉時間過長，機(jī)組甩負(fù)荷時導(dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率偏高。因無法加大調(diào)速器插裝塊孔徑和主控閥活塞的直徑，也無法提高全廠液壓系統(tǒng)壓力，現(xiàn)場安裝時最終采取了縮短主控閥活塞長度，增大工作油口流量的方法才解決了關(guān)機(jī)時間過長問題。

4 結(jié)束語

以上所述為該電廠水輪機(jī)調(diào)速器50余年來改造的一個大致過程。每個階段都不同程度地解決了存在的問題和缺陷，可靠性不斷提高，運(yùn)行指標(biāo)不斷優(yōu)化。由于調(diào)速器各項性能及系統(tǒng)工作效率的不斷提高，諸如油泵啟停頻率、缺陷發(fā)生率等都得到了改善，目前使用的調(diào)速器有顯著的節(jié)能、環(huán)保、增壽的效果，并且該兩類調(diào)速器整體結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、維護(hù)工作量極小。

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Transformation Course of Governor in a Hydropower Plant

WANG Jiangfeng，LIU Wenjun
（Hangzhou Branch of Maintenance Company State Grid Xinyuan Company LTD，Hangzhou，310000，China）

For the last 50 years，the problems found in the operation and maintenance of the governor and the various types of governor performance，advantages and disadvantages，easy to appear defects used in the transformation of the governor after many times were introduced in the paper.These content can provide relevant experience for the operation and maintenance of all types of governor used in hydropower plant.

governor；operation and maintenance；proportional servo valve

TK733+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 學(xué)科代碼：470.3030 DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2016.06.010

2016-06-11

汪江峰（1970—），男，水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器機(jī)械檢修技師，長期從事水電站機(jī)組檢修。E-mail：wjfht@sohu.com

劉文峻（1989—），男，助理工程師，長期從事水電站機(jī)組運(yùn)維檢修管理。E-mail：liuwenjun_89@sina.com