水輪機(jī)調(diào)速器的工作方式與選型的探討

吳星 吳倩 蘭熙

1.引言

近些年來，水輪機(jī)被廣泛的應(yīng)用到水力發(fā)電站中，其中水輪機(jī)調(diào)速器的多調(diào)節(jié)模式、控制技術(shù)等更是為水電站的發(fā)展帶來極大的推動作用，本文主要介紹了水輪機(jī)調(diào)速器的作用，工作方式與選型進(jìn)行研究。

2.水輪機(jī)調(diào)速器的技術(shù)研究

2.1 多調(diào)節(jié)模式

多調(diào)節(jié)模式是水輪機(jī)調(diào)速器的重要技術(shù)之一，尤其是在當(dāng)前水電站結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的過程中，整機(jī)組的負(fù)荷也會發(fā)生改變，在這個過程中多調(diào)節(jié)模式將會發(fā)揮出巨大的作用。從實(shí)際中分析，多調(diào)節(jié)模式的運(yùn)行并不是針對頻率的調(diào)節(jié)，主要是針對整機(jī)組負(fù)荷的調(diào)節(jié)，在調(diào)速器增加負(fù)荷方面做出正確的調(diào)節(jié)。水輪機(jī)調(diào)速器在正常運(yùn)行的情況下，主要分為手動和自動兩種控制方式，手動控制方式主要是在系統(tǒng)故障的情況下而使用的，一般情況下都會采用自動的運(yùn)行方式，而在自動運(yùn)行方式之下為了滿足不同的運(yùn)行要求，也分為開度模式、頻率模式、功率模式等三種模式，開度模式，主要是水輪機(jī)組按照給定的開度運(yùn)行，而且，開度模式下一般沒有人工死區(qū)，這樣主要是為了機(jī)組在很小的頻率范圍內(nèi)波動，這樣才能確保機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行;頻率模式，水路級輪機(jī)組主要是按照給定的頻率運(yùn)行，而且在該模式下也無人工死區(qū)，同時在水輪機(jī)組并網(wǎng)前，調(diào)速器應(yīng)以頻率模式運(yùn)行;功率模式，主要以給定的功率運(yùn)行，而在該運(yùn)行模式下，是有人工死區(qū)的。以上所提到的三種模式是水輪機(jī)調(diào)速器技術(shù)的重要組成部分，具體的應(yīng)用要結(jié)合實(shí)際情況來定，這樣才能充分體現(xiàn)出各個運(yùn)行模式的優(yōu)勢。

2.2微機(jī)調(diào)速器的調(diào)節(jié)模式

對于機(jī)械液壓型調(diào)速器和電液調(diào)速器來說，其運(yùn)行調(diào)節(jié)模式通常采用頻率調(diào)節(jié)模式，即調(diào)速器是根據(jù)頻差（即轉(zhuǎn)速偏差）進(jìn)行調(diào)節(jié)的，故又稱轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模式。微機(jī)調(diào)速器一般具有三種主要調(diào)節(jié)模式：頻率調(diào)節(jié)模式，開度調(diào)節(jié)模式和功率調(diào)節(jié)模式。三種調(diào)節(jié)模式應(yīng)用于不同工況，其各自的調(diào)節(jié)功能及相互間的轉(zhuǎn)換都由微機(jī)調(diào)速器來完成。

1.頻率調(diào)節(jié)模式（FM）

頻率調(diào)節(jié)模式適用于機(jī)組空載自動運(yùn)行，單機(jī)帶孤立負(fù)荷或機(jī)組并入小電網(wǎng)運(yùn)行，機(jī)組并入大電網(wǎng)作調(diào)頻方式運(yùn)行等情況。

頻率調(diào)節(jié)模式有下列主要特征：

（1）人工頻率死區(qū)，人工開度死區(qū)和人工功率死區(qū)等環(huán)節(jié)全部切除;

（2）采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律，即微分環(huán)節(jié)投入;

（3）調(diào)差反饋信號取自PID調(diào)節(jié)器的輸出值，并構(gòu)成調(diào)速器的靜特性;

（4）微機(jī)調(diào)速器的功率給定實(shí)時跟蹤機(jī)組實(shí)時功率P，其本身不參與閉環(huán)調(diào)節(jié)。

（5）在空載運(yùn)行時，可選擇系統(tǒng)頻率跟蹤方式，bp值取較小值或?yàn)?。

2.3開度調(diào)節(jié)模式（YM）

開度調(diào)節(jié)模式是機(jī)組并入大電網(wǎng)運(yùn)行時采用的一種調(diào)節(jié)模式。主要用于機(jī)組帶基荷動運(yùn)行工況。

開度調(diào)節(jié)模式有下列主要特征：

（1）人工頻率死區(qū)，人工開度死區(qū)和人工功率死區(qū)等環(huán)節(jié)均投入運(yùn)行;

（2）采用PI控制規(guī)律，即微分環(huán)節(jié)節(jié)除;

（3）調(diào)差反饋信號取自PID調(diào)節(jié)器的輸出Y，并構(gòu)成調(diào)速器的靜特性;

（4）微機(jī)調(diào)節(jié)器通過開度給定Yg變更機(jī)組負(fù)荷，而功率給定不參與閉環(huán)負(fù)荷調(diào)節(jié)，功率給定Pg實(shí)時跟蹤機(jī)組實(shí)際功率，以保證由該調(diào)節(jié)模式切換至功率調(diào)節(jié)模式時實(shí)現(xiàn)無擾動切換。

2.4功率調(diào)節(jié)模式（PM）

功率調(diào)節(jié)模式是機(jī)組并入大電網(wǎng)后帶基荷運(yùn)行時應(yīng)優(yōu)先采用的一種調(diào)節(jié)模式。

功率調(diào)節(jié)模式有下列主要特征：

（1）人工頻率死區(qū)，人工開度死區(qū)和人工功率死區(qū)等環(huán)節(jié)均投入運(yùn)行;

（2）采用PI控制規(guī)律，即微分環(huán)節(jié)節(jié)除;

（3）調(diào)差反饋信號取自機(jī)組功率P，并構(gòu)成調(diào)速器的靜特性;

（4）微機(jī)調(diào)節(jié)器通過功率給定Pg變更機(jī)組負(fù)荷，故特別適合水電站實(shí)施AGC功能。而開度給定不參與閉環(huán)負(fù)荷調(diào)節(jié)，開度給定Yg實(shí)時跟蹤導(dǎo)葉開度值，以保證由該調(diào)節(jié)模式切換至開度調(diào)節(jié)模式或頻率調(diào)節(jié)模式時實(shí)現(xiàn)無擾動切換。

2.5調(diào)節(jié)模式間的相互轉(zhuǎn)換

三種調(diào)節(jié)模式間的相互轉(zhuǎn)換過程：

（1）機(jī)組自動開機(jī)后進(jìn)入空載運(yùn)行，調(diào)速器處于“頻率調(diào)節(jié)模式”工作。

（2）當(dāng)發(fā)電機(jī)出口開關(guān)閉合時，機(jī)組并入電網(wǎng)工作，此時調(diào)速器可在三種模式下的任何一種調(diào)節(jié)模式工作。若事先設(shè)定為頻率調(diào)節(jié)模式，機(jī)組并網(wǎng)后，調(diào)節(jié)模式不變;若事先設(shè)定為功率調(diào)節(jié)模式，則轉(zhuǎn)為功率調(diào)節(jié)模式;若事先設(shè)定為開度調(diào)節(jié)模式，則轉(zhuǎn)為開度調(diào)節(jié)模式。

（3）當(dāng)調(diào)速器在功率調(diào)節(jié)模式下工作時，若檢測出機(jī)組功率反饋故障，或有人工切換命令時，則調(diào)速器自動切換至“開度調(diào)節(jié)”模式工作。

（4）調(diào)速器工作于“功率調(diào)節(jié)”或“開度調(diào)節(jié)”模式時，若電網(wǎng)頻率偏離額定值過大（超過人工頻率死區(qū)整定值），且保持一段時間（如持續(xù)15s），調(diào)速器自動切換至“頻率調(diào)節(jié)”模式工作。

（5）當(dāng)調(diào)速器處于“功率調(diào)節(jié)”或“開度調(diào)節(jié)”模式下帶負(fù)荷運(yùn)行時，由于某種故障導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出口開關(guān)跳閘，機(jī)組甩掉負(fù)荷，同時調(diào)速器也自動切換至“頻率調(diào)節(jié)”模式，使機(jī)組運(yùn)行于空載工況。

3.水輪機(jī)調(diào)速器選型的研究

3.1水輪機(jī)組特點(diǎn)決定調(diào)速器型號

水斗式：由于其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在控制順序和流程上要求比較嚴(yán)格，因此要求選取針對性較強(qiáng)的沖擊式專用調(diào)速器，一般型號為CJ-2/2-4.0等理解為沖擊式兩噴嘴兩折向器壓力等級為4.0MPa的調(diào)速器。

斜擊式：可根據(jù)操作功選取高油壓調(diào)速器（GYT）、常規(guī)油壓調(diào)速器（YT）、全數(shù)字式（SLT）、步進(jìn)式（BWT）等可供選擇。

混流式：目前常用步進(jìn)式調(diào)速器（BWT）、電動閥式調(diào)速器（DFT）等型號調(diào)速器選擇。

軸流式：軸流式控制精度要求較高可選擇步進(jìn)式調(diào)速器（BW（S）T）、比例伺服調(diào)速器（PW（S）T）、電動閥調(diào)速器（DKT）等型號的調(diào)速器。

燈泡貫流式：燈泡貫流式機(jī)組由于水頭低、流量大的特點(diǎn)對調(diào)速器的調(diào)節(jié)精度提出更高要求?？蛇x取專門針對此機(jī)組設(shè)計(jì)的調(diào)速器或控制精度高的調(diào)速器如GLT/PWST等系列。

3.2操作功決定調(diào)速器型號

調(diào)速器額定操作功與水輪發(fā)電機(jī)組功率匹配是選型的關(guān)鍵，主配壓閥活塞直徑在80mm以上的稱為大型調(diào)速器;操作功在10 000N·m～30 000N·m之間的稱為中型調(diào)速器;操作功在10000N·m以下的稱為小型調(diào)速器，其中調(diào)速功在3 000N·M以下的又稱為特小型調(diào)速器。

如：GYT-6000型理解為高油壓（一般為16MPa）操作功為6000N·m的機(jī)組。

4.總結(jié)

本文主要從多調(diào)節(jié)模式和控制技術(shù)，選型進(jìn)行分析，希望能夠提高水輪機(jī)調(diào)速器選型的優(yōu)化，確保運(yùn)行效率，在水輪機(jī)調(diào)速器使用的過程中，需要結(jié)合實(shí)際的使用要求來選取適宜的型號，同時在科技不斷發(fā)展的過程中，應(yīng)對水輪機(jī)調(diào)速器技術(shù)展開更深層次的研究和開發(fā)，這樣才能推動水輪機(jī)調(diào)速器技術(shù)邁向新的階段，從而為水電站等方面提供高效的運(yùn)行功效。

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（作者單位：武漢市陸水自動控制技術(shù)有限公司）