芻議水電廠水輪機(jī)調(diào)速器及接力器的改造策略

劉宇鵬

【摘?要】在能源枯竭問(wèn)題日益嚴(yán)重的今天，水力發(fā)電作為對(duì)環(huán)境影響較小的可再生能源，目前雖然已經(jīng)得到了社會(huì)的廣泛關(guān)注，但在水電機(jī)組設(shè)備問(wèn)題的影響下，電廠的發(fā)展卻仍然面臨著很多的困難，而水輪機(jī)調(diào)速器及接力器的問(wèn)題則正是其中之一。為此，本文對(duì)水電廠水輪機(jī)調(diào)速器及接力器的常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上圍繞水輪機(jī)調(diào)速器及接力器的改造展開(kāi)了探討，希望能夠?qū)λ姍C(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的提升起到一定幫助。

【關(guān)鍵詞】水輪機(jī);調(diào)速器;接力器

引言：水輪機(jī)是水力發(fā)電機(jī)組中的動(dòng)力機(jī)械，而調(diào)速器與接力器則是水輪機(jī)的重要組成部分，其中調(diào)速器主要用于調(diào)節(jié)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)空載擺動(dòng)、空載擾動(dòng)、甩負(fù)荷、不動(dòng)時(shí)間等運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，接力器則通常屬于控制操作裝置，二者對(duì)于水輪機(jī)乃至整個(gè)水電機(jī)組的運(yùn)行都有著非常重要的影響。因此，無(wú)論調(diào)速器還是接力器，只要出現(xiàn)了故障問(wèn)題，水電站的日常運(yùn)行都會(huì)受到影響，而對(duì)于水輪機(jī)調(diào)速器及接力器的改造也是非常必要的。

一、水電廠水輪機(jī)調(diào)速器及接力器的常見(jiàn)問(wèn)題

（一）調(diào)速器線路老化問(wèn)題

水輪機(jī)調(diào)速器作為調(diào)節(jié)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的重要設(shè)備，其內(nèi)部各元件均由模擬式集成電路構(gòu)成，由于這類(lèi)電路的熱穩(wěn)定性與抗干擾能力均比較差，因此在長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，很容易出現(xiàn)老化問(wèn)題，并引發(fā)線路短路、燒毀等各種故障，從而影響調(diào)速器的正常運(yùn)行。另外，水輪機(jī)調(diào)節(jié)器為單調(diào)節(jié)通道，任何元件出現(xiàn)故障都會(huì)使調(diào)速器系統(tǒng)受到影響，因此一旦調(diào)速器線路出現(xiàn)老化故障，往往很難迅速判斷出故障位置及故障原因，維修難度也是相對(duì)較高的。

（二）調(diào)速器自動(dòng)化問(wèn)題

水輪機(jī)調(diào)速器最初主要為手動(dòng)調(diào)速器以及手控電動(dòng)調(diào)速器為主，近年來(lái)隨著自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)調(diào)速器開(kāi)始逐漸成為主流并在水電廠水輪機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)調(diào)速器相比，當(dāng)前國(guó)內(nèi)水電廠水輪機(jī)所安裝的自動(dòng)調(diào)速器雖然能夠完成自動(dòng)開(kāi)機(jī)等無(wú)人操作，但由于調(diào)速器對(duì)于機(jī)械開(kāi)度有著明確的限制，因此并不能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制，只能在現(xiàn)場(chǎng)先對(duì)機(jī)械開(kāi)度限制機(jī)械進(jìn)行操作，之后水輪機(jī)調(diào)速器才能夠自動(dòng)開(kāi)啟，這與其他自動(dòng)化控制設(shè)備相比存在著很大的限制，同時(shí)也在一定程度上影響了水電廠水輪機(jī)的運(yùn)行效率[1]。

（三）調(diào)速器性能問(wèn)題

從當(dāng)前水電廠對(duì)水輪機(jī)的功能要求來(lái)看，當(dāng)前水輪機(jī)調(diào)速器在性能上仍存在著不小的問(wèn)題。一方面，隨著國(guó)內(nèi)水力發(fā)電行業(yè)的不斷發(fā)展，各水電站的發(fā)電能力都得到了很大的提升，水電機(jī)組對(duì)于水輪機(jī)調(diào)速功的要求也大大提高，但在很多水電站中，由于水輪機(jī)自動(dòng)調(diào)速器的引入時(shí)間較早，因此其水輪機(jī)調(diào)速器接力器的調(diào)速功并不能夠滿足水電機(jī)組的調(diào)節(jié)性能要求。另一方面，部分水輪機(jī)調(diào)速器目前只能夠?qū)蛰d、負(fù)載兩組固定參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，而在水電機(jī)組復(fù)雜的運(yùn)行工況下，兩種簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)參數(shù)顯然是無(wú)法滿足水電機(jī)組調(diào)節(jié)性能需求的。

（四）調(diào)速器接觸問(wèn)題

從水輪機(jī)調(diào)速器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理來(lái)看，無(wú)論是對(duì)于調(diào)速功的調(diào)節(jié)還是對(duì)頻率的調(diào)節(jié)，都需要依靠伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)電位器進(jìn)行控制，但由于伺服電機(jī)與電位器間的接觸并不穩(wěn)固，因此在進(jìn)行自動(dòng)發(fā)電控制時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)調(diào)速器反應(yīng)過(guò)慢、機(jī)械空載開(kāi)度限制無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變化的情況，必須要由人工進(jìn)行調(diào)整才能夠繼續(xù)運(yùn)行，最終使水電機(jī)組運(yùn)行效率受到了影響。

（五）接力器部件剛度問(wèn)題

接力器作為水輪機(jī)的重要組成部分，在設(shè)計(jì)階段通常并不會(huì)對(duì)剛度提出專門(mén)的要求，但由于接力器位于集油箱內(nèi)部，推拉桿、活塞環(huán)、作用筒密封盤(pán)根等部件很容易受到油壓的影響，因此在水輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，如果油壓持續(xù)提高并高出一定界限，那么這些配件都可能會(huì)因剛度不足而出現(xiàn)損壞，并造成不同的故障問(wèn)題。例如接力器作用筒密封盤(pán)根損壞后會(huì)導(dǎo)致滲油問(wèn)題，而推拉桿損壞則可能會(huì)使接力器無(wú)法控制。

（六）接力器檢修問(wèn)題

位于水輪機(jī)集油箱內(nèi)部的接力器雖然節(jié)省了很大的空間，但卻給檢修工作帶來(lái)了很多的困難。一方面，在接力器出現(xiàn)問(wèn)題后，由于其位于集油箱內(nèi)部，無(wú)法直接進(jìn)行觀察，因此很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)，即便確定接力器出現(xiàn)故障，也只能先將電氣柜、集油槽等部件拆除再進(jìn)行觀察與故障診斷，其過(guò)程十分麻煩，維修效率也比較低。另一方面，集油槽油箱內(nèi)部雖然預(yù)留出了一定的檢修空間，但由于檢修空間十分狹小，因此檢修與維護(hù)工作很難展開(kāi)，這同樣影響了檢修工作效率。

二、水電廠水輪機(jī)調(diào)速器及接力器的改造策略

（一）合理選擇調(diào)速器

在水電廠水輪機(jī)調(diào)節(jié)性能要求不斷提高的背景下，很多水電廠所采用的原有調(diào)速器已經(jīng)很難滿足水電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行需求，必須要更換性能更加優(yōu)異的調(diào)速器，而在對(duì)調(diào)速器的選擇上，則需要對(duì)以下幾方面問(wèn)題加以注意：首先，受應(yīng)用時(shí)間等因素的影響，國(guó)產(chǎn)調(diào)速器在工作效率上與部分發(fā)達(dá)國(guó)家的調(diào)速器相比仍存在著一定的不足，但由于國(guó)外水力發(fā)電行業(yè)習(xí)慣及調(diào)速器控制系統(tǒng)語(yǔ)言都與國(guó)內(nèi)存在較大的差異，因此實(shí)際應(yīng)用起來(lái)難度非常大，如非特殊情況應(yīng)盡量選擇國(guó)內(nèi)調(diào)速器進(jìn)行更換。其次，在不同水電廠的水電機(jī)組運(yùn)行需求差異較大的情況下，調(diào)速器的功能要求雖然應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定，但在總體上應(yīng)符合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗油污能力強(qiáng)、靜態(tài)耗油量小等機(jī)電要求，在運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性、安全性上也必須要符合相關(guān)行業(yè)要求[2]。最后，由于當(dāng)前水電廠的水輪機(jī)調(diào)速器基本均為自動(dòng)化的可編程調(diào)速器，因此在功能設(shè)計(jì)上應(yīng)充分考慮到水電機(jī)組的自動(dòng)化控制要求。例如在運(yùn)行模式上，應(yīng)根據(jù)水電機(jī)組復(fù)雜的運(yùn)行工況來(lái)設(shè)計(jì)頻率調(diào)節(jié)、開(kāi)度調(diào)節(jié)、水位控制等多種運(yùn)行模式，以保證調(diào)速器調(diào)節(jié)功能的靈活性;而在人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)上，則要選擇彩色觸摸屏，以提高調(diào)速器操作的便捷性以及信息顯示的全面性、清晰性。

（二）更換接力器

在調(diào)節(jié)器改造中，對(duì)于接力器設(shè)備同樣需要進(jìn)行更換。一方面，當(dāng)前水輪發(fā)電機(jī)組對(duì)調(diào)速功的要求均在3000kg.m以上，因此在選擇或設(shè)計(jì)接力器時(shí)，必須要按照這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，以保證接力器能夠滿足發(fā)電機(jī)組的調(diào)速功要求。另一方面，接力器的各項(xiàng)性能參數(shù)同樣是選擇接力器時(shí)所需要考慮的重要因素，如液壓缸缸徑、接力器容量、控制桿桿徑等，都必須要根據(jù)發(fā)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行要求來(lái)進(jìn)行選擇。

（三）應(yīng)用抗干擾技術(shù)

由于水電廠內(nèi)部的電氣設(shè)備較多，很容易對(duì)水輪機(jī)調(diào)速器的信號(hào)輸入輸出造成干擾，影響調(diào)速器反應(yīng)速度，因此在調(diào)速器改造過(guò)程中，應(yīng)對(duì)磁電隔離、光電隔離等抗干擾措施進(jìn)行應(yīng)用，對(duì)調(diào)速器內(nèi)部輸入、輸出通道進(jìn)行抗干擾處理，以提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力。

（四）應(yīng)用冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從總體上來(lái)看，水輪機(jī)調(diào)速器的故障問(wèn)題是比較多樣的，很難完全通過(guò)設(shè)備改造、更換來(lái)進(jìn)行規(guī)避，因此在改造過(guò)程中，還需采用冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)調(diào)速器進(jìn)行設(shè)計(jì)，一方面利用軟件模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器的各項(xiàng)調(diào)節(jié)功能，另一方面則要在系統(tǒng)內(nèi)部增設(shè)容錯(cuò)與自診斷功能，這樣即便調(diào)節(jié)器出現(xiàn)接力器無(wú)法及時(shí)反饋、電液轉(zhuǎn)換器卡阻等故障問(wèn)題，調(diào)節(jié)器也能夠在容錯(cuò)模式下繼續(xù)保持穩(wěn)定性運(yùn)行，不會(huì)對(duì)水力發(fā)電造成影響[3]。

（五）調(diào)整油壓

為降低集油箱內(nèi)油壓對(duì)接力器部件造成的金屬疲勞損傷，接力器改造中應(yīng)對(duì)油壓裝置的額定工作壓力進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，具體壓力值可根據(jù)接力器部件的剛度情況及調(diào)速器運(yùn)行需求而定。

（六）調(diào)整接力器布置方式

為方便接力器故障檢修與維護(hù)，可將其從集油箱內(nèi)取出，布置在水輪機(jī)層機(jī)墩外部，這樣既可以便于觀察，檢修空間也更大，一旦接力器發(fā)生故障，無(wú)論是檢修成本還是檢修效率都能夠得到提升，另外，由于接力器的布置發(fā)生了改變，因此還需對(duì)機(jī)械液壓系統(tǒng)的管路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

結(jié)束語(yǔ)：總而言之，調(diào)速器作為水電廠水輪機(jī)的重要輔助設(shè)備，其在性能、接力器布置方式、自動(dòng)化設(shè)計(jì)等方面雖然存在著不小的問(wèn)題，但通過(guò)對(duì)調(diào)速器、接力器設(shè)備的改造與更換，這些問(wèn)題仍然能夠得到有效解決的，而調(diào)速器的功能作用也會(huì)在改造后實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]藍(lán)曉溪，陳啟明，肖鵬等.組合式水輪機(jī)調(diào)速器的改造探討[J].小水電，2018（04）：49-54.

[2]魏聞天，薛海波，紀(jì)慶周.柴河電站水輪機(jī)調(diào)速器技術(shù)改造[J].中國(guó)水能及電氣化，2016（06）：42-45.

[3]張家勇.長(zhǎng)龍水電廠水輪機(jī)調(diào)速器及接力器的改造[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（07）：94-95.

（作者單位：松花江水力發(fā)電有限公司吉林豐滿發(fā)電廠機(jī)械工程處）