中小型微機高油壓調(diào)速器的結(jié)構(gòu)解析

尹 剛

(湖北省地方水電公司，湖北 武漢 430071)

?

中小型微機高油壓調(diào)速器的結(jié)構(gòu)解析

尹 剛

(湖北省地方水電公司，湖北 武漢 430071)

結(jié)合對中、小型調(diào)速器的發(fā)展過程、基本結(jié)構(gòu)和選擇方法的介紹，用通俗的語言解答了復(fù)雜的專用術(shù)語，對如何選擇和使用微機高油壓調(diào)速器有一定的指導(dǎo)作用。

小水電站；微機調(diào)速器；結(jié)構(gòu)；選擇

1 概 述

中國的第一臺微機調(diào)速器是1984年11月在湖南歐陽海水電站試運行成功的。從那時開始，我國水電站全自動調(diào)速器技術(shù)基本是與國外保持同步發(fā)展。歐陽海水電站于1975年正式發(fā)電運行，當(dāng)時裝機3.6 kW，也就是標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)村水電站。我國很多水電站的高新技術(shù)產(chǎn)品都是在農(nóng)村水電站實驗成功的，都適用于農(nóng)村水電站。

在研制微機調(diào)速器的同時，武漢華中工學(xué)院、湖南水科院等單位就已經(jīng)開始了高油壓調(diào)速器的研究；之后，武漢華中理工大學(xué)、武漢市儀表總公司、長江水利委員會等大專院校、國有企業(yè)和科研單位相繼投入到高油壓微機調(diào)速器的研究中。1984年，高油壓全自動調(diào)速器在湖南桃花江水電站投入試運行，然后快速形成了高油壓微機調(diào)速器的研制和產(chǎn)品化工作。

我國最早的水輪機調(diào)速器都是機械液壓調(diào)速器。 20世紀(jì)50年代以后，電氣液壓調(diào)速器獲得了較為廣泛的應(yīng)用，經(jīng)歷了電子管、磁放大器、集成電路等幾個發(fā)展階段。與微機調(diào)節(jié)器的發(fā)展同步，水輪機調(diào)速器的電液轉(zhuǎn)換裝置也由原來的單一的專用電液轉(zhuǎn)換器和電液伺服閥，發(fā)展成為由通用電磁閥、比例閥或步進(jìn)電機/伺服電機構(gòu)成的電液轉(zhuǎn)換裝置。

高油壓微機調(diào)速器的核心是設(shè)計選用了液壓行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)高壓液壓產(chǎn)品，工作油壓設(shè)定為10～16 MPa；而傳統(tǒng)的常規(guī)油壓中、小型水輪機調(diào)速器的工作油壓一般都被設(shè)定為2.5～4.0 MPa，大型水輪機調(diào)速器的工作油壓一般都被設(shè)定為6.3 MPa。

高油壓微機調(diào)速器由兩部分組成，分別是機械部分和電氣部分。機械部分也就是液控站部分，我們常說的液壓隨動系統(tǒng)俗稱液壓放大系統(tǒng)，又稱為液壓伺服系統(tǒng)，就是液控站的閥組部分。

高油壓調(diào)速器的壓力油源部分采用了高壓齒輪泵、濾油器、囊式蓄能器；液壓控制部分則采用了標(biāo)準(zhǔn)的滑閥、球閥、錐閥、液壓缸(接力器)及其他各類液壓件。結(jié)構(gòu)上采用了液壓集成(油路)塊和標(biāo)準(zhǔn)的液壓附件；電氣部分則采用自制測頻電路、通用可編程序控制器(PLC)、自制信號隔離和調(diào)整電路、交直流開關(guān)電源和中間繼電器組成的出口電路等。

與傳統(tǒng)的常規(guī)油壓調(diào)速器相比，高油壓調(diào)速器應(yīng)用現(xiàn)代電液控制技術(shù)，減少了液壓放大環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)十分簡單；儲能部分采用了囊式蓄能器，膠囊的可靠密封能保證蓄能器1 a、甚至幾年都無需補氣，電站不需要設(shè)中壓氣系統(tǒng)。如果配置減壓剎車模塊，則還可以取消低壓氣系統(tǒng)，這樣就可以取消電站氣系統(tǒng)和相配套的建筑物，可節(jié)省一筆可觀的氣系統(tǒng)設(shè)備投資和運行、維護(hù)費用。因為采用的液壓元器件是大批量工業(yè)化生產(chǎn)的通用元件，不僅標(biāo)準(zhǔn)化程度高，質(zhì)量也可靠，采購更方便。較高的工作油壓使調(diào)速器的體積可以設(shè)計得很小，重量也就能夠減輕很多，使電站布置更加方便、美觀。

我國的中、小型調(diào)速器基本都是采用一級液壓放大的電液隨動系統(tǒng)，可由電液比例閥或電磁換向閥直接控制接力器。

2 基本結(jié)構(gòu)

2.1 電氣部分

高油壓微機調(diào)速器的電氣部分主要由交直流開關(guān)電源、PLC、測頻板、信號隔離和調(diào)整板、出口繼電器和人機界面組成。

2.1.1 交直流開關(guān)電源

但凡數(shù)字電路，都少不了交直流開關(guān)電源，其主要作用就是將220 V的交直流操作電源變換成24、12、5 V直流電源供數(shù)字電路和出口繼電器使用，其次該環(huán)節(jié)還可以起到隔離作用；這已成為習(xí)慣，也成為標(biāo)配。在低壓機組水電站就可以考慮取消調(diào)速器直流開關(guān)電源，因為低壓機組水電站很少配直流系統(tǒng)的。

2.1.2 PLC

微機調(diào)速器的硬件由單板機發(fā)展到單片機、可編程序控制器，現(xiàn)在幾乎都以PLC作為控制核心。 PLC在微機調(diào)速器的主要功能是數(shù)據(jù)處理和指令發(fā)出，調(diào)速器的應(yīng)用軟件都裝在PLC內(nèi)，運算和分析都是通過PLC的CPU模塊來完成，執(zhí)行指令都是通過PLC的開出模塊發(fā)出。由于微機調(diào)速器的應(yīng)用軟件基本都是出自華科大教授之手，所以全國的微機調(diào)速器采用的PLC基本都是日系產(chǎn)品，大部分是日本三菱的FX2N系列，也有部分廠家采用西門子產(chǎn)品，基本都是組合式結(jié)構(gòu)。

水電站自動化設(shè)備采用PLC并不是最好的選擇，是沒有辦法解決硬件電路抗干擾問題的無奈選擇。微機調(diào)速器采用PLC作為核心元件也是同樣的成因，而不是必須要采用PLC或PLC就是比單片機的好。隨著超大規(guī)模單片機的問世，單片機取代PLC作為微機調(diào)速器的控制核心將是必然趨勢。

2.1.3 測頻板

目前我國水電站自動化設(shè)備的開發(fā)都是各自為陣，數(shù)據(jù)采集都盡量自己完成，微機調(diào)速器也不例外，自己需要的數(shù)據(jù)自己采集，設(shè)計了1套外圍電路將所需信號通過自制的測頻板采集、整形后傳給PLC處理。自制的測頻板都是用單片機、阻、容元件構(gòu)成，根據(jù)木桶理論，影響微機調(diào)速器可靠性的主要因素之一是自制的測頻板，所以宣傳PLC調(diào)速器比單片機調(diào)速器可靠的提法并不科學(xué)。

2.1.4 信號隔離和調(diào)整板

微機調(diào)速器主要信號隔離部分在調(diào)整板，采用1∶1的隔離電路，保證PLC接收的信號不受外界的干擾。該環(huán)節(jié)還完成對數(shù)值的歸算。

2.1.5 中間繼電器

數(shù)字電路受布置結(jié)構(gòu)的影響，電路板上都不可以安裝接點容量較大的中間繼電器，一般采用小型固態(tài)中間繼電器，PLC也不例外。PLC的開出信號需通過外部中間繼電器放大后去執(zhí)行操作任務(wù)，所以微機調(diào)速器電氣部分都安裝有多個插拔式中間繼電器，完成對輸入、輸出信號的隔離或轉(zhuǎn)換。

2.1.6 人機界面

常規(guī)調(diào)速器的人機界面十分簡單，為2個調(diào)整把手和1個開度表。一個調(diào)整把手是開度限制，另一個調(diào)整把手是開度調(diào)節(jié)，開度表則反映的是導(dǎo)葉的實際開度和開度限制設(shè)定指示。如此簡單的人機界面，對運行人員的要求就不是很高。

微機調(diào)速器的應(yīng)用本應(yīng)人機界面更加簡單，其實不然。微機調(diào)速器的人機界面從數(shù)碼管發(fā)展到顯示屏，再到觸摸屏，還有大量的操作按(旋)扭和指示燈，其復(fù)雜程度可想而知，沒有受過專門培訓(xùn)很難掌握。其實，采用微機調(diào)速器以后，人工調(diào)整會更少，人機界面應(yīng)該更加簡單，否則就是倒退。

2.2 機械部分

微機高油壓調(diào)速器的機械部分十分簡單，主要由油箱、電機/油泵組、儲能罐、電液轉(zhuǎn)換和控制模塊組成。

2.2.1 油箱

調(diào)速器的油箱是設(shè)備的主要部分，可分為接力器內(nèi)置式油箱和接力器外置式油箱。調(diào)速器油箱的主要功能是儲存調(diào)速器用油、散發(fā)熱量、沉淀污物、分離水分及支撐調(diào)速器機械部分和電氣部分，油箱加上電機/油泵組、儲能罐、電液轉(zhuǎn)換和控制模塊，液壓行業(yè)稱之為油站，負(fù)責(zé)提供油源。

常規(guī)中、小型調(diào)速器多為內(nèi)置式油箱結(jié)構(gòu)，大型調(diào)速器則為外置式油箱結(jié)構(gòu)。內(nèi)置式油箱結(jié)構(gòu)與外置式油箱結(jié)構(gòu)的區(qū)別僅在于內(nèi)置式油箱結(jié)構(gòu)是將接力器布置于油箱內(nèi)，接力器的作用力和反作用力是通過油箱傳導(dǎo)到主廠房地板；而外置式油箱結(jié)構(gòu)是油箱與接力器分開布置，接力器的作用力和反作用力是直接傳導(dǎo)到主廠房地板。前者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，浪費材料，維護(hù)困難，不利于調(diào)速器的布置，同等操作功的調(diào)速器設(shè)備價格要高出1萬多元。

油箱容積的大小，液壓行業(yè)一般是按油泵流量的5～7倍計算，中、小型高油壓調(diào)速器的油泵一般在8 L/min左右，且農(nóng)村水電站基本都與電網(wǎng)相連，并網(wǎng)后每天的調(diào)節(jié)次數(shù)很少，閥組的泄漏也很小，按此計算40 L左右就可以滿足要求。調(diào)速器行業(yè)則比較保守，多按5倍接力器來回動作3次的用油量選擇儲能器的儲油量，再乘以20倍來確定調(diào)速器的用油量，再將用油量乘3就是油箱需要的容積。由于高油壓調(diào)速器接力器容積都很小，所以調(diào)速器的油箱容積都有很大的富余。

2.2.2 電機/油泵組

調(diào)速器的油壓力都是靠電機驅(qū)動油泵打壓來實現(xiàn)的，目前都采用高壓齒輪泵。過去常油壓調(diào)速器各部件泄漏嚴(yán)重，需配置單臺大功率的油泵或配置多臺油泵來抵消泄漏造成的壓力下降，且停泵時間很短?，F(xiàn)在采用標(biāo)準(zhǔn)的液壓件，各部件泄漏很小，且停泵時間很長，耗電量減少很多，也延長了設(shè)備的使用壽命，所配置的油泵功率就不需要太大，避免造成不必要的浪費，多臺油泵的配置就更沒有多少必要。

2.2.3 儲能罐

國產(chǎn)中、小型微機調(diào)速器通過自主創(chuàng)新，采用高操作油壓(10～16 MPa)的皮囊式蓄能器，使得調(diào)速器的體積大幅減小，不僅降低了設(shè)備成本，也大大減少維護(hù)成本；已基本取代了原有2.5～6.3 MPa操作油壓。

皮囊式蓄能器可以保證膠囊內(nèi)所充氮氣與液壓油不發(fā)生直接接觸，液壓油油質(zhì)不易劣化，使用壽命延長。

皮囊式蓄能器的公稱容量有0.4～100 L十余種規(guī)格，公稱壓力有10、20、31.5 MPa三個規(guī)格。農(nóng)村水電站多選用6～30 L，20 MPa的產(chǎn)品。

一般按5倍接力器來回動作3次的用油量確定儲能器的儲油量，然后乘3來選擇皮囊式蓄能器的容量。一般3 000 N·m的調(diào)速器選擇16 L，6 000 N·m的調(diào)速器選擇25 L，10 000 N·m的調(diào)速器選擇40 L；接入國家電網(wǎng)的小型水電站可以適當(dāng)減小。

2.2.4 電液轉(zhuǎn)換和控制部分

(1)閥塊

調(diào)速器使用的電磁閥都是安裝在標(biāo)準(zhǔn)的閥塊上，俗稱閥組。閥塊有集成式和分離式之分，技術(shù)上沒有本質(zhì)區(qū)別，區(qū)別在液控站安裝和維護(hù)方式不同，現(xiàn)在大多采用集成式閥塊。閥塊的鉆孔多少體現(xiàn)了廠家的液壓設(shè)計水平，封堵的孔越少，液壓設(shè)計的水平越高。調(diào)速器的技術(shù)水平多體現(xiàn)在閥組的設(shè)計，完成同樣的功能，用的閥越少越好。

(2)壓力濾油器

具有清潔的油質(zhì)是保證調(diào)速器液壓閥可靠工作的必要條件，壓力濾油器就是保證油質(zhì)清潔的關(guān)鍵設(shè)備。在調(diào)速器里就設(shè)置有2個壓力濾油器，一個粗濾、一個精濾，以保證油品的質(zhì)量。粗濾由油泵的吸油濾油器來完成，精濾壓力濾油器則裝設(shè)在供油壓力管路上，可以濾除設(shè)備加工時混入的機械雜質(zhì)和液壓油本身化學(xué)變化所產(chǎn)生的雜質(zhì)等，防止液壓元件閥芯卡死、孔隙堵塞以及過快磨損等故障。

(3)液壓控制閥

控制閥的分類：按用途分為方向控制閥、壓力控制閥和流量控制閥；按安裝連接形式分為管式連接、板式連接、疊加式連接和插裝式連接；按控制原理分為開關(guān)閥、比例閥、伺服閥和數(shù)字閥。

調(diào)速器使用的電磁閥主要有電磁換向閥，屬方向閥，控制接力器對導(dǎo)葉的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，是調(diào)速器的主要液壓閥；是利用電磁鐵及復(fù)位彈簧推動閥芯來變換液壓油流動方向的控制閥。電磁換向閥在調(diào)速器中常用作自動調(diào)節(jié)閥、手自動切換閥、緊急停機閥等。電磁換向閥為滑閥結(jié)構(gòu)，所用的電磁鐵多為濕式電磁鐵，電磁鐵激磁線圈的電壓等級有：直流220、110、24、12 V；交流220、110 V，允許電壓波動范圍為額定電壓的85%～110%。在調(diào)速器中，常用的電磁換向閥有二位四通、三位四通等結(jié)構(gòu)形式，其中四通的電磁換向閥也可以當(dāng)做三通使用。剎車電磁換向閥，也是電磁換向閥，作用是控制剎車油缸的動作；緊急停機兩位電磁換向閥，也是電磁換向閥，是控制主接力器在水輪發(fā)電機需要緊急停止時可迅速關(guān)閉導(dǎo)葉。

比例換向閥，常簡稱比例閥，它可根據(jù)輸入的電氣信號按比例控制壓力油的流量和方向，其閥體部分與普通電磁閥類似。但是比例閥用比例電磁鐵取代了電磁閥的普通電磁鐵，可將綜合放大器輸出的電信號轉(zhuǎn)換成與之成比例的位移；比例閥的閥芯有特殊形狀的閥口，因而可對油的流量進(jìn)行連續(xù)控制。在調(diào)速器中，多采用直動式比例換向閥。

手動換向閥，是依靠手動操作驅(qū)動閥芯運動，從而實現(xiàn)油路通斷或切換的方向控制閥。手動換向閥在液壓系統(tǒng)中所起的作用與電磁換向閥和電液換向閥相同。由于它操作簡便，工作可靠，又能使用在沒有電力的場合，因而在調(diào)速器中多用于無電源時的手動液壓操作。調(diào)速器通常采用彈簧復(fù)位式手柄操作換向閥。

單向閥屬方向閥， 調(diào)速器用得最多的是單向閥，其功能是限制液壓油在管路中只能按一個方向流動。

液壓鎖屬方向閥，是由兩個單向閥組成的一套液壓回路，其作用是在電磁換向閥仍處于中位或液壓系統(tǒng)失壓時，將主接力器鎖定在當(dāng)時的位置上而不會因外力作用而發(fā)生移動。

單向節(jié)流閥屬流量閥，任何一個流量控制閥，都有一個節(jié)流部分，稱為節(jié)流口。改變節(jié)流口的同流面積就可以改變通過節(jié)流閥的流量。單向節(jié)流閥用于調(diào)節(jié)接力器動作運行速度。

截止閥屬流量閥，可以鎖閉蓄能器的油路，長期停機時可保持蓄能器內(nèi)壓力在工作壓力范圍。

溢流閥屬壓力閥，是液壓系統(tǒng)中最重要的器件，其作用是調(diào)控整個液壓系統(tǒng)的壓力并保持其壓力的穩(wěn)定。

減壓閥屬壓力閥，其工作原理與溢流閥相似，可以在主液壓系統(tǒng)的局部調(diào)節(jié)出比主系統(tǒng)壓力低一些的壓力子系統(tǒng)，如用于剎車、軸流轉(zhuǎn)槳的調(diào)槳。

3 調(diào)速功選擇

水輪機調(diào)速器的調(diào)速功是依據(jù)設(shè)計院或主機廠提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇；如果是設(shè)備改造，原則上按原運行調(diào)速器調(diào)速功選擇。在調(diào)速器調(diào)速功的選擇上，設(shè)計院、調(diào)速器廠家和主機廠家的計算結(jié)果都不一樣。根據(jù)實踐經(jīng)驗，按主機廠家提供的調(diào)速功選擇是比較合適的。

按水輪機調(diào)速器系列型譜(JB/T 7072—2004)中小水輪機調(diào)速器調(diào)速功分為：

3 000 N·m(300 kg·m)

6 000 N·m(600 kg·m)

10 000 N·m(1 000 kg·m)

18 000 N·m(1 800 kg·m)

30 000 N·m(3 000 kg·m)

一般混流、軸流機組，調(diào)速器調(diào)速功可按下式進(jìn)行估算：

式中，W為調(diào)速功(kg·m)；N為水輪機功率(kW)；H為設(shè)計水頭(m)。

4 性能指標(biāo)要求

4.1 總體要求：

4.2 主要性能指標(biāo)

4.3 系統(tǒng)可靠性

5 農(nóng)村水電站水輪機調(diào)節(jié)技術(shù)的發(fā)展趨勢

5.1 智能型調(diào)速器

智能型調(diào)速器是未來新型調(diào)速器的發(fā)展方向，其自適應(yīng)能力較強，各組件更加標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，參數(shù)可以自動設(shè)定，實時自動調(diào)整。自檢、自恢復(fù)功能強大，現(xiàn)場不需要調(diào)試和維護(hù)。

5.2 單一功能液控站

我國調(diào)速功在3 000 N·m以下的水電站的數(shù)量占全部水電站總量的80%，不是所有的農(nóng)村水電站都用得起和有必要使用全自動調(diào)速器。未來單一功能液控站和低壓機組一體化屏將是解決這一類型水電站自動化的最佳組合，其價格也是用戶可以接受的?？梢源蟠筇岣?00 kW以下、機端電壓400 V農(nóng)村水電站的自動化和安全控制問題。

5.3 智能負(fù)荷控制器

在國外，小機組采用負(fù)荷控制器已有多年，國內(nèi)研究的單位很少，但我國過去使用的水阻就是負(fù)荷控制器的初級階段，現(xiàn)在技術(shù)上與國外有較大的差距。隨著支流水能資源的被開發(fā)和國防的需要，未來小的支流和渠道、河溝資源的利用會被重視，整裝和箱式水電站將會大量生產(chǎn)，體積過大、價格過高及技術(shù)復(fù)雜的全自動調(diào)速器將會被智能負(fù)荷控制器取代，微型機組也將大量采用智能負(fù)荷控制器進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)，這也包括孤立電網(wǎng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)。

5.4 智能型手電動調(diào)速器

最原始的調(diào)速器就是手動調(diào)速器。隨著電氣控制技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了手、電動調(diào)速器，其體積小、安裝方便，價格也能被用戶接受。雖然現(xiàn)在全自動自儲能調(diào)速器價格已經(jīng)很低，但最小的調(diào)速功為3 000 N·m，其售價也要2.8萬元1臺。因此，有很大一部分小機組用不起，很多電站運行只有兩種狀態(tài)：開機、停機，配有好的控制系統(tǒng)就可以順利并網(wǎng)，也就沒有必要使用全自動調(diào)速器；于是，新型的智能型手電動調(diào)速器應(yīng)運而生。隨著材料科學(xué)的發(fā)展和自動控制技術(shù)的進(jìn)步，智能型手電動調(diào)速器將會有很大的一塊市場。

[1] 陳格林,張 磊. 液壓技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社,2002.

■

責(zé)任編輯 吳 昊

2015-06-01

尹 剛(1957-)，男，主要從事智能農(nóng)村水電站技術(shù)研究工作。E_mail：yg76531@163.com