組合式水輪機調(diào)速器的改造探討

藍曉溪，陳啟明，肖 鵬，史 倩，王華軍，丁 偉

(1.宣平溪水電工程管理處，浙江 武義 321200；2.武漢四創(chuàng)自動控制技術(shù)有限責任公司，湖北 武漢 430063)

0 引 言

水輪機調(diào)速器按壓力油供給方式分為通流式和壓力油罐式。通流式調(diào)速器的油泵連續(xù)運行，直接供給調(diào)速器的調(diào)節(jié)過程用油；非調(diào)節(jié)過程時，溢流閥溢流，將油泵輸出的油全部排回到集油箱，現(xiàn)在很少使用。壓力油罐式調(diào)速器有專門的油壓設(shè)備，隨時提供調(diào)速器調(diào)節(jié)過程用油，分為組合式和分離式。整臺調(diào)速器(包括接力器)和油壓裝置組合成一體的，就是組合式調(diào)速器，主要用于中、小型水輪機的控制。隨著水利部農(nóng)村小水電站增效擴容改造的不斷推進，這種調(diào)速器的改造和應(yīng)用越來越多，改造方案隨著機組的不同而不同，本文要探討的就是這種調(diào)速器的改造和發(fā)展。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

“十三五”農(nóng)村增效擴容改造的范圍從“十二五”要求的1995年及以前投產(chǎn)電站，擴大到包括2000年及以前投產(chǎn)、可實施增效擴容改造的電站。2000年前建設(shè)的農(nóng)村小水電站，其水輪機調(diào)速器大多設(shè)備陳舊、功能單一、技術(shù)落后，有的用水輪機操作器，有的用接力器內(nèi)置的組合式調(diào)速器，有的電站有十幾臺幾百千瓦的小型水輪機，如何在低成本的基礎(chǔ)上完成小水電站調(diào)速器的改造呢？這里提出了幾種改造方案供大家探討。

第一種改造方案采用接力器外置的高油壓組合式調(diào)速器替換接力器內(nèi)置的低油壓組合式調(diào)速器(見圖1)。改造后的調(diào)速器由微機調(diào)節(jié)器、機械液壓系統(tǒng)、接力器和油壓裝置組成，油壓裝置采用16 MPa的囊式蓄能器，蓄能器中氣囊預(yù)充一定壓力的氮氣，電站可取消高壓或中壓空壓機氣系統(tǒng)，簡化電站設(shè)備配置，節(jié)約系統(tǒng)維護成本。

圖1接力器外置的高油壓組合式調(diào)速器

第二種改造方案采用多功能組合式調(diào)速器(見圖2)。根據(jù)電站機組形式的不同，可以將機組剎車、高壓頂起的液壓系統(tǒng)集成到調(diào)速器中，調(diào)速器機械液壓系統(tǒng)也可以集成事故配壓閥、分段關(guān)閉和接力器鎖定油路，提高電站設(shè)備集成度，簡化設(shè)備配置，更便于檢修維護。

圖2多功能組合式調(diào)速器

第三種改造方案采用一控N高油壓組合式調(diào)速器(見圖3)。為1臺水輪機調(diào)速器控制3臺水輪機，3臺水輪機共用1臺微機調(diào)節(jié)器和1臺油壓裝置；機械液壓系統(tǒng)和檢測回路則各自獨立，既可實現(xiàn)各水輪機的獨立控制，又可共用控制器和壓力油源。這對于機組多、容量小的水電站，可以盡可能多的節(jié)約改造成本，減少調(diào)速器占地空間。

圖3一控N高油壓組合式調(diào)速器

上述后兩種改造方案都采用高油壓外置式接力器，均可取消高壓或中壓空壓機氣系統(tǒng)，進一步簡化電站設(shè)備，節(jié)約維護成本。

2 電氣控制系統(tǒng)

第1節(jié)方案一和二中的微機調(diào)節(jié)器是單機控制系統(tǒng)，其電氣控制系統(tǒng)如下所示(見圖4)。微機控制器一般采用PLC，也可采用PCC和PAC。微機控制器采集機頻、網(wǎng)頻、有功功率、接力器位移等信號、現(xiàn)地開關(guān)指令和二次及監(jiān)控系統(tǒng)的指令，用程序?qū)崿F(xiàn)變結(jié)構(gòu)、變參數(shù)的復(fù)雜運算，借以實現(xiàn)水輪機的調(diào)節(jié)和控制功能。微機控制器根據(jù)電液轉(zhuǎn)換器的不同而輸出不同方式的控制信號至電液轉(zhuǎn)換驅(qū)動器，從而控制電液轉(zhuǎn)換器及機械液壓系統(tǒng)，并向電站監(jiān)控系統(tǒng)輸出微機調(diào)速器的工作狀態(tài)。圖中操作終端是微機調(diào)速器的人機接口，用以顯示調(diào)速器的各種狀態(tài)、數(shù)據(jù)和曲線，還可設(shè)置各種參數(shù)，切換相關(guān)工況等。

圖4單機電氣控制系統(tǒng)

第1節(jié)方案三中的微機調(diào)節(jié)器是一控N的控制系統(tǒng)，其電氣控制系統(tǒng)如下所示(見圖5)。圖5中以一控三為例，3臺水輪機共用1個微機控制器。相比單機控制系統(tǒng)，該控制器增加了2路機頻、各指令和傳感器也分別增加了對應(yīng)機組的輸入，輸出增加了對應(yīng)機組的電液轉(zhuǎn)換驅(qū)動的控制。操作終端共用同一個智能觸摸屏，實現(xiàn)人機交換和遠方通訊。

圖5一控N電氣控制系統(tǒng)

上述3個方案中，可以將油泵控制系統(tǒng)集成于微機調(diào)節(jié)器中，進一步提高調(diào)速系統(tǒng)的集成度，也有利于降低改造成本，調(diào)速器的可靠性并不會因此而降低。

3 機械液壓系統(tǒng)

第1節(jié)方案一的調(diào)速器機械液壓系統(tǒng)根據(jù)電液轉(zhuǎn)換器的不同，主要有標準閥式機械液壓系統(tǒng)和伺服電機式液壓系統(tǒng)。

圖6所示為標準閥式機械液壓系統(tǒng)(見圖6)，主要由大波動開關(guān)閥、小波動開關(guān)閥或比例閥、緊急停機電磁閥、液動閥和接力器組成，所用閥件均是批量生產(chǎn)的標準液壓件，性能可靠。慢速開、關(guān)接力器時，微機調(diào)節(jié)器控制小波動開關(guān)閥或比例閥，直接驅(qū)動接力器；快速開、關(guān)接力器時，微機調(diào)節(jié)器控制大波動開關(guān)閥，經(jīng)液動閥液壓放大后驅(qū)動接力器。緊急停機時控制緊急停機電磁閥作用于液動閥，從而驅(qū)動接力器快速關(guān)閉，實現(xiàn)機組的保護停機。

圖6標準閥式機械液壓系統(tǒng)

圖7所示為伺服電機式機械液壓系統(tǒng)(見圖7)，主要由伺服電機式無油電轉(zhuǎn)、主配壓閥、緊停機構(gòu)和接力器組成，微機調(diào)節(jié)器控制伺服電機正、反轉(zhuǎn)，從而控制主配壓閥輸出相應(yīng)流量的壓力油至接力器，使接力器以相應(yīng)的速度開、關(guān)，緊急停機時控制緊停機構(gòu)作用于主配壓閥，從而驅(qū)動接力器快速關(guān)閉，實現(xiàn)機組的保護停機。

圖7伺服電機式機械液壓系統(tǒng)

第1節(jié)方案二的多功能機械液壓系統(tǒng)如下所示(見圖8)，主要包括調(diào)速器液壓系統(tǒng)、剎車液壓系統(tǒng)和高壓頂起液壓系統(tǒng)，調(diào)速器液壓系統(tǒng)主要包括電液轉(zhuǎn)換器、液壓放大機構(gòu)、事故電磁閥、事故配壓閥、分段關(guān)閉、鎖定電磁閥、鎖定機構(gòu)和導(dǎo)葉接力器。電液轉(zhuǎn)換器和液壓放大機構(gòu)可以選擇方案一的兩種液壓系統(tǒng)，事故電磁閥和事故配壓閥用于機組事故停機，分段關(guān)閉用于實現(xiàn)接力器的兩段關(guān)閉規(guī)律，鎖定電磁閥和鎖定機構(gòu)用于實現(xiàn)機組停機時的接力器鎖定，防止導(dǎo)葉打開。

第1節(jié)方案三的機械液壓系統(tǒng)是由多個水輪機液壓控制系統(tǒng)構(gòu)成，每個液壓系統(tǒng)可以選擇上述方案一或者二的機械液壓系統(tǒng)，分別控制對應(yīng)機組的導(dǎo)葉接力器和相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)一控N的功能。

圖8多功能機械液壓系統(tǒng)

4 接力器的改造

接力器內(nèi)置的組合式調(diào)速器改造時，一般建議取消調(diào)速軸，將內(nèi)置式接力器改為外置式接力器，使調(diào)速器變得更為簡潔；同時也消除了從內(nèi)置式接力器到水輪機調(diào)速環(huán)的機械死區(qū)，提高了調(diào)速器的控制精度。接力器的改造是該類型調(diào)速器改造的重點，也是難點。

根據(jù)機組布置形式不同，外置式接力器的布置形式也各不相同，主要分立式機組和臥式機組兩大類，每種機組又分單推拉桿和雙推拉桿兩種形式。

立式機組雙推拉桿接力器布置形式又分機坑內(nèi)布置和機坑外布置(見圖9、圖10)，若機坑內(nèi)空間足夠布置接力器，且不會被水淹或者漏水，則建議將接力器布置在機坑內(nèi)，否則，應(yīng)選擇機坑外布置。有些機組調(diào)速環(huán)不在機坑內(nèi)，接力器的改造更加容易(見圖13)。

同理，立式機組單推拉桿接力器布置形式也分機坑內(nèi)布置和機坑外布置(見圖11、圖12)，調(diào)速環(huán)不在機坑內(nèi)的單接力器的改造如下所示(見圖14)。

立式機組接力器改造還需注意水輪機調(diào)速環(huán)是否有限位導(dǎo)向機構(gòu)，有部分立式機組調(diào)速環(huán)的限位導(dǎo)向是由調(diào)速軸和調(diào)速環(huán)的雙推拉桿來實現(xiàn)的。對于這樣的機組，改為外置式接力器后，水輪機調(diào)速環(huán)還需加裝限位導(dǎo)向機構(gòu)。

圖9 雙接力器機坑內(nèi)布置

圖10雙接力器機坑外布置

臥式機組雙推拉桿接力器布置形式分兩種形式，一種是蝸殼有調(diào)速軸承載點，接力器布置如下所示(見圖15)，該種方式除了蝸殼的調(diào)速軸承載點外，還需隨接力器配置調(diào)速軸的另一承載點，此種方式適合調(diào)速功不大于6 000 NM的調(diào)速器改造。另一種是蝸殼無調(diào)速軸承載點，接力器布置如下所示(見圖16)，需隨接力器配置1個具有雙支承點的支架，該種方式適合調(diào)速功不小于18 000 NM的調(diào)速器改造。

圖11 單接力器機坑內(nèi)布置

圖12 單接力器機坑外布置

臥式機組單推拉桿接力器布置形式分兩種形式，一種是水輪機調(diào)速環(huán)不可旋轉(zhuǎn)時，接力器布置如下所示(見圖17)，需隨接力器配置1個具有雙支承點的支架；另一種是水輪機調(diào)速環(huán)可旋轉(zhuǎn)時，將調(diào)速環(huán)旋轉(zhuǎn)一定角度，使接力器可直推調(diào)速環(huán)，這種布置方式更加簡潔可靠(見圖18)。

上述內(nèi)置式接力器改為外置式接力器共有9種主要方式，已在不同電站實施，運行穩(wěn)定可靠，值得推廣借鑒。

圖15 雙推拉桿有蝸殼支承點的布置 圖16 雙推拉桿無蝸殼承載點的布置

圖17調(diào)速環(huán)不可旋轉(zhuǎn)時單推拉桿接力器布置圖18調(diào)速環(huán)可旋轉(zhuǎn)時單推拉桿接力器布置

5 結(jié) 語

針對農(nóng)村小水電站增效擴容改造中組合式調(diào)速器改造提出了3種不同的改造方案，特別是多功能組合式調(diào)速器和一控N高油壓組合式調(diào)速器，有效地降低了農(nóng)村小水電站增效擴容的改造成本。