柴河電站水輪機(jī)調(diào)速器技術(shù)改造

魏聞天　薛海波　紀(jì)慶周

(遼寧省柴河水庫(kù)管理局，遼寧 鐵嶺　112000)

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柴河電站水輪機(jī)調(diào)速器技術(shù)改造

魏聞天薛海波紀(jì)慶周

(遼寧省柴河水庫(kù)管理局，遼寧 鐵嶺112000)

【摘要】調(diào)速器作為自動(dòng)控制最重要的設(shè)備之一, 直接關(guān)系著電站的綜合自動(dòng)化程度。柴河電站運(yùn)行30年來一直使用機(jī)械液壓調(diào)速器，而機(jī)械調(diào)速器在運(yùn)行中的弊端日益凸顯，故障不斷增多。本文根據(jù)柴河電站實(shí)際情況，分析了原機(jī)械調(diào)速器存在的缺陷和不足，并對(duì)水輪機(jī)調(diào)速器的改造情況作了介紹。

【關(guān)鍵詞】水輪機(jī)；調(diào)速器；缺陷不足；改造

1概述

柴河電站位于遼寧省鐵嶺市鐵嶺縣熊官屯鎮(zhèn)，為壩后式電站。電站設(shè)有3臺(tái)機(jī)組：裝機(jī)3200kW的立式機(jī)組2臺(tái)，水輪機(jī)型號(hào)為HL240-LJ-140，采用YT-600型調(diào)速器；裝機(jī)630kW臥式機(jī)組1臺(tái)，水輪機(jī)型號(hào)為HL240-WJ-71，采用CT-40型調(diào)速器。兩種水輪機(jī)調(diào)速器均為機(jī)械液壓型調(diào)速器，已在柴河電站運(yùn)行使用30年。我國(guó)很多中、小型電站，依然沿用機(jī)械液壓調(diào)速器，這種調(diào)速器的優(yōu)點(diǎn)是故障率低。缺點(diǎn)是:?由于機(jī)械杠桿間的配合、轉(zhuǎn)動(dòng)套和針塞之間搭接量的存在等因素影響,死區(qū)大,靈敏度低；?離心飛擺感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)需配套一臺(tái)永磁發(fā)電機(jī)提供電源，增加了造價(jià)，也增加了測(cè)速系統(tǒng)的故障點(diǎn)；?由于機(jī)械液壓元件損壞或機(jī)械故障、配壓閥卡塞、調(diào)速器設(shè)計(jì)選配不當(dāng)?shù)纫蛩氐挠绊?，機(jī)械調(diào)速器卡阻現(xiàn)象普遍存在，嚴(yán)重時(shí)將不能啟閉導(dǎo)葉。以上缺陷在柴河電站的3臺(tái)水輪機(jī)調(diào)速器中普遍存在。因此，對(duì)調(diào)速器進(jìn)行技術(shù)改造已是勢(shì)在必行。

2原調(diào)速器特點(diǎn)及存在的缺陷

柴河電站采用兩種不同型號(hào)的水輪機(jī)調(diào)速器：YT-600型調(diào)速器及CT-40型調(diào)速器。兩種調(diào)速器各具特點(diǎn)，但經(jīng)多年運(yùn)行，已經(jīng)逐漸不能滿足電站機(jī)組自動(dòng)化水平的要求，調(diào)速器存在的缺陷也日益增多。

2.1YT-600型調(diào)速器的特點(diǎn)

YT型調(diào)速器是用于混流式、軸流式或斜流定槳式水輪機(jī)的小型帶油壓裝置的機(jī)械液壓調(diào)速器。其接力器容量為600kgf·m。其主要技術(shù)數(shù)據(jù)為：?永態(tài)調(diào)差率0～8%；?轉(zhuǎn)速調(diào)整機(jī)構(gòu)工作范圍-15%～+10%；?接力器關(guān)閉時(shí)間的調(diào)整范圍1.5～5s；?緩沖時(shí)間常數(shù)0～20s；?暫態(tài)調(diào)差率0～100%。該調(diào)速器由離心擺與引導(dǎo)閥、配壓閥、緩沖器、主接力器、控制機(jī)構(gòu)、傳遞杠桿及油路系統(tǒng)等部件組成，采用了調(diào)速器與油壓裝置及接力器組成一體的合成式結(jié)構(gòu)，具有PI調(diào)節(jié)規(guī)律。該調(diào)速器不僅可以滿足自動(dòng)調(diào)節(jié)及遠(yuǎn)距離控制的要求，還可以在機(jī)旁操作開度限制機(jī)構(gòu)手輪，進(jìn)行油壓手動(dòng)控制，以滿足調(diào)速器自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)失靈情況下繼續(xù)供電的需求。

2.2YT-600型調(diào)速器存在的缺陷

a.離心擺、引導(dǎo)閥存在的缺陷。離心擺與引導(dǎo)閥是調(diào)速器中的重要部件，經(jīng)過多年的運(yùn)行，YT-600調(diào)速器在實(shí)際運(yùn)行中存在離心擺因轉(zhuǎn)動(dòng)不良發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)套卡澀、跳動(dòng)等現(xiàn)象。多年運(yùn)行導(dǎo)致引導(dǎo)閥轉(zhuǎn)動(dòng)套磨損嚴(yán)重，轉(zhuǎn)動(dòng)套最大擺度超標(biāo)，飛擺運(yùn)動(dòng)阻力不斷增大，轉(zhuǎn)速測(cè)量出現(xiàn)誤差。在檢修飛擺的過程中，檢修人員難免忽略對(duì)引導(dǎo)閥返饋針塞棱角的保護(hù)，導(dǎo)致棱角被碰傷或磨損，使返饋針塞與轉(zhuǎn)動(dòng)套油口搭疊量發(fā)生變化，導(dǎo)致運(yùn)行穩(wěn)定性降低，飛擺特性變差，調(diào)速器動(dòng)態(tài)品質(zhì)惡化。

b.輔助接力器和主配壓閥存在的缺陷。輔助接力器與主配壓閥為液壓信號(hào)的放大元件，其動(dòng)作要可靠，否則會(huì)出現(xiàn)調(diào)速器巨動(dòng)等重大故障。主配壓閥殼體是鑄造件，其中的油路彎曲狹窄，表面貼附型砂不易清除，經(jīng)透平油浸泡脫落后被帶入襯套與活塞之間，容易造成主配壓閥活塞卡死引起飛車事故，存在極大安全隱患。

c.液壓緩沖器存在的缺陷。緩沖器是形成調(diào)節(jié)規(guī)律的重要部件，它的性能和結(jié)構(gòu)的關(guān)系極為密切，其加工質(zhì)量、裝配工藝及調(diào)整方法都將直接影響其性能。緩沖器從動(dòng)活塞回中特性的好壞，對(duì)調(diào)節(jié)過渡過程品質(zhì)的影響和對(duì)引導(dǎo)閥平衡位置靜準(zhǔn)確度的影響是顯而易見的。在運(yùn)行檢修過程中發(fā)現(xiàn)，緩沖器存在的主要問題幾乎都集中在從動(dòng)活塞的回中特性上。緩沖器由于殼體內(nèi)雜質(zhì)多，活塞磨損，三角節(jié)流口碰傷、結(jié)垢，檢修回裝時(shí)受到裝配誤差等因素的影響，導(dǎo)致從動(dòng)活塞回中時(shí)跳動(dòng)、卡澀、上下回復(fù)對(duì)稱性差，緩沖時(shí)間Td出現(xiàn)誤差。

d.油壓系統(tǒng)存在的缺陷。YT型調(diào)速器設(shè)置帶中間油罐的自動(dòng)補(bǔ)氣閥，以使壓油管能滿足油氣比的運(yùn)行要求。由于柴河電站YT調(diào)速器運(yùn)行時(shí)間過久，致使補(bǔ)氣裝置吸氣管松動(dòng)、吸氣管管口距回油箱油面的距離調(diào)節(jié)不正確，造成補(bǔ)氣不正常。運(yùn)行人員需每隔半小時(shí)就要對(duì)壓力油罐進(jìn)行一次手動(dòng)排氣或排油，以確保壓力油罐正確的油氣比。由于人為的排氣或排油，造成油泵啟動(dòng)頻繁，嚴(yán)重影響了油泵的使用壽命。因?yàn)橛捅玫念l繁啟動(dòng)，使用以控制油泵啟停的壓力表電接點(diǎn)經(jīng)常燒壞，導(dǎo)致油泵控制失靈。

e.自動(dòng)化能力低，無法滿足電站自動(dòng)化水平的要求。

YT型調(diào)速器在運(yùn)行中存在的問題和缺陷，主要依靠頻繁的檢修、維護(hù)、調(diào)試工作來解決，但在目前技術(shù)狀況下，會(huì)存在許多困難。對(duì)調(diào)速器控制部分進(jìn)行徹底的技術(shù)改造，提高電站自動(dòng)化運(yùn)行水平，已十分迫切。

2.3CT-40型調(diào)速器的特點(diǎn)

CT-40型調(diào)速器為合成式調(diào)速器，即控制柜、接力器和油壓裝置都裝在一起。該調(diào)速器主要是供混流式水輪機(jī)調(diào)節(jié)用的中型機(jī)械液壓調(diào)速器。離心擺由一同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，由永磁發(fā)電機(jī)供給電源。該調(diào)速器可以在柜前手動(dòng)操作，進(jìn)行機(jī)組的啟動(dòng)、停機(jī)或事故停機(jī)。

主要技術(shù)數(shù)據(jù)為：?永態(tài)調(diào)差率0～8%；?變速機(jī)構(gòu)的工作范圍-15%～+10%；?接力器關(guān)閉時(shí)間的調(diào)整范圍2～8s；?緩沖時(shí)間常數(shù)0～20s；?暫態(tài)調(diào)差率0～100%；?調(diào)速功2000～3720kgf·m。

2.4CT-40型調(diào)速器存在的缺陷

CT-40機(jī)械液壓調(diào)速器運(yùn)行中存在的問題很多，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:?水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)靈敏度相對(duì)較差，轉(zhuǎn)速死區(qū)大，存在較大的調(diào)節(jié)誤差，機(jī)組空載運(yùn)行時(shí)機(jī)組頻率波動(dòng)很大,穩(wěn)定性比較差；?機(jī)組頻率無法自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)頻率,及時(shí)準(zhǔn)確并網(wǎng)較困難,機(jī)組在同期并網(wǎng)時(shí)沖擊電流大，經(jīng)常引起保護(hù)跳閘，導(dǎo)致并網(wǎng)失??；?自動(dòng)化程度低,壓力表采集的數(shù)據(jù)不精確，不能滿足電廠微機(jī)自動(dòng)化水平要求；?液壓系統(tǒng)出現(xiàn)漏油現(xiàn)象,導(dǎo)致油泵啟動(dòng)頻繁，影響油泵使用壽命；?隨著運(yùn)行年限的增加，調(diào)速器各元件老化，其調(diào)節(jié)控制部分的桿件、活塞、襯套等部件磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致調(diào)節(jié)死區(qū)范圍變寬。

機(jī)械調(diào)速器普遍存在的缺陷在CT-40調(diào)速器和YT-600調(diào)速器中都有體現(xiàn)，綜合各方面因素，加上調(diào)速器維修需更換部件太多，而且機(jī)械調(diào)速器必然被新型設(shè)備取代，已經(jīng)越來越不能滿足電站安全生產(chǎn)以及綜合自動(dòng)化水平的要求，因此對(duì)柴河電站上述兩種調(diào)速器進(jìn)行技術(shù)改造是極其必要的。

3調(diào)速器技術(shù)改造

3.1調(diào)速器改造方案選擇

在對(duì)柴河電站調(diào)速器的改造中，有兩種改造方案可選：一是將整個(gè)調(diào)速器全部替換成新型調(diào)速器；二是局部改造，保留原調(diào)速器的儲(chǔ)油柜、油泵及主接力器，將原機(jī)械柜拆除，更換為微機(jī)型控制柜系統(tǒng)。綜合比較兩個(gè)方案，最終選擇局部改造。局部改造的優(yōu)點(diǎn)在于保持調(diào)速器整體不動(dòng),對(duì)調(diào)速器基礎(chǔ)、油氣罐、油泵及主接力器不做任何改動(dòng),不需進(jìn)行調(diào)速器基礎(chǔ)的水平及角度調(diào)整,從而減少了工作量，縮短了安裝工期，降低了改造成本。

3.2調(diào)速器改造內(nèi)容

從近年中小型調(diào)速器技術(shù)改造和產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)來看，電氣部分硬件大多數(shù)是采用可編程控制器(PLC)。柴河電站調(diào)速器改造采用以PLC為控制核心和數(shù)字式電液換向閥為液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的微機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)，將原調(diào)速器改造成YWT型調(diào)速系統(tǒng)。

a.將原調(diào)速器機(jī)械控制柜、電器柜等拆除，只保留原調(diào)速器的儲(chǔ)油柜、油泵及主接力器壓力油罐。

b.將液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)改造成數(shù)字式電液換向閥。數(shù)字式電液換向閥控制接力器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用標(biāo)準(zhǔn)液壓元件少,其原理是當(dāng)位置偏差大時(shí),有電液換向閥 (大閥)進(jìn)行大流量輸出,系統(tǒng)粗調(diào),當(dāng)位置偏差小時(shí),轉(zhuǎn)入小閥精密調(diào)節(jié),緊急停機(jī)時(shí),動(dòng)作于事故閥。采用電磁換向閥,閥芯換向時(shí)間短，有利于提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。標(biāo)準(zhǔn)液壓件采用板式連接, 取消明管連接,結(jié)構(gòu)緊湊，維修方便,改造中為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)液壓件與接力器的連接,實(shí)測(cè)調(diào)速器原主配壓閥基座與接力器的連接螺栓大小及間距,利用連接過渡塊來實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)液壓件與接力器的連接。

c.采用了高性能的可編程控制器(PLC)作為調(diào)節(jié)器的硬件主體，裝置可靠性高。采用真彩觸摸屏作為調(diào)速器與運(yùn)行人員的人機(jī)接口, 觸摸屏是以數(shù)字、漢字、圖形等來顯示各種參數(shù),能進(jìn)行多畫面切換和參數(shù)整定操作。液晶畫面清晰，帶有背景光，可適應(yīng)各種環(huán)境。具有顯示信息量大、清晰、準(zhǔn)確、直觀、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。WYT型調(diào)速器具有頻率、開度、功率等多種調(diào)節(jié)模式,能適應(yīng)不同運(yùn)行工況的要求。頻率調(diào)整模式采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律。還設(shè)有電氣開度限制,操作靈活,運(yùn)行可靠。且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)—手動(dòng)的無條件、無擾動(dòng)轉(zhuǎn)換。具有與上位機(jī)的通信接口, 便于實(shí)現(xiàn)電站微機(jī)自動(dòng)化后臺(tái)控制。

3.3調(diào)速器改造效果

柴河電站機(jī)組經(jīng)改造后，主要性能參數(shù)為：?轉(zhuǎn)速死區(qū)為中型機(jī)組不大于0.06%，小型機(jī)組不大于0.1%；?空載頻率擺動(dòng)不超過±0.25%；?接力器不動(dòng)時(shí)間不大于0.2s；?備用電源切換、手自動(dòng)切換時(shí)導(dǎo)水葉開度變化不超過±1%；?機(jī)組帶穩(wěn)定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)葉波動(dòng)不超過±1%。既滿足GB/T 9652.1的要求，也滿足柴河電站調(diào)速器改造的技術(shù)要求。

調(diào)速器技術(shù)改造半年來，無論開停機(jī)速度還是并網(wǎng)質(zhì)量都有了明顯的改善。自動(dòng)開機(jī)時(shí)，調(diào)速器處于自動(dòng)狀態(tài)，由中控室發(fā)出開機(jī)令，機(jī)組從啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速再到并網(wǎng)最快只需45s左右。機(jī)組進(jìn)入空載時(shí)，有網(wǎng)頻信號(hào)的情況下，機(jī)組自動(dòng)跟蹤網(wǎng)頻，可使機(jī)組快速平穩(wěn)地同期并網(wǎng)；若沒有網(wǎng)頻，機(jī)組自動(dòng)解除網(wǎng)頻跟蹤，轉(zhuǎn)而跟蹤內(nèi)部給定頻率，并始終將機(jī)頻維持在額定頻率左右，以利于并網(wǎng)，極大提高了并網(wǎng)可靠性和并網(wǎng)質(zhì)量。

改造后的調(diào)速器運(yùn)行半年以來，沒有出現(xiàn)任何卡阻問題 ,運(yùn)行穩(wěn)定可靠，反應(yīng)速度快，減少了運(yùn)行及檢修工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。調(diào)速系統(tǒng)的各種保護(hù)信號(hào)、事故信號(hào)及運(yùn)行工況都能正確及時(shí)地反映到機(jī)組LCU上，很大程度上提高了電站的自動(dòng)化水平。改造后的開機(jī)、停機(jī)特性曲線見圖1、圖2。

圖2　停機(jī)特性曲線

4結(jié)語

水輪機(jī)調(diào)速器是水電廠的重要機(jī)電設(shè)備之一，其技術(shù)性能與可靠性將直接關(guān)系到機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并影響到電能質(zhì)量。通過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行與考驗(yàn),證明YWT調(diào)速器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,穩(wěn)定性好,可靠性

高,無卡阻現(xiàn)象，抗干擾性能力強(qiáng),控制功能齊全。具有與上位機(jī)的通信接口,操作簡(jiǎn)單,滿足了機(jī)組自動(dòng)化計(jì)算機(jī)管理的要求。該調(diào)速器比較突出的特點(diǎn)是開機(jī)速度快、容易并網(wǎng)、大大縮短并網(wǎng)時(shí)間、減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度，有效提高了電站的經(jīng)濟(jì)效益，完全解決了原調(diào)速器存在的各種缺陷和問題。

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The technical innovation of hydrogovernor in Chaihe Power Station

WEI Wentian, XUE Haibo, JI Qingzhou

(LiaoningCaiheReservoirAdministration,Tieling112000,China)

Abstract:Governor is regarded as one of the most important devices in automatic control, which is directly related to the comprehensive automation degree of Power Station. Chaihe Power Station is operated for 30 years, and mechanical hydraulic governor is always used. The defects of mechanical governor in operation are more and more prominent. Faults are constantly increased. In the paper, defects and deficiencies in original mechanical governors are analyzed according to the actual condition of Chaihe Power Station. The innovation condition of hydrogovernor is introduced.

Key words:water turbine; governor; defect and deficiency; innovation

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.06.013

中圖分類號(hào)：TV734.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1673-8241(2016)03-0042-04