大峽水電站24.5 MW機(jī)組調(diào)速器機(jī)械優(yōu)化改造研究

孫寶坤，蔣 偉，劉艷梅

（國(guó)投甘肅小三峽發(fā)電有限公司，甘肅 白銀730000）

1 引言

大峽水電站位于甘肅省白銀市與榆中縣交界處的黃河干流上，距蘭州市河道距離65 km，為徑流式電站。電站裝有5臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，其中1～4號(hào)機(jī)組裝機(jī)容量為75 MW，0號(hào)機(jī)組裝機(jī)容量為24.5 MW。

24.5 MW機(jī)組使用的WBST-100步進(jìn)電機(jī)式微機(jī)水輪機(jī)調(diào)速器，已使用10余年，存在多種問題：元件老化嚴(yán)重、主配壓閥動(dòng)作遲滯、機(jī)械式反饋信號(hào)不穩(wěn)定等。近幾年來，多次發(fā)生調(diào)速系統(tǒng)故障，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全運(yùn)行和發(fā)電效益，也給運(yùn)行檢修人員帶來很大負(fù)擔(dān)。電站對(duì)調(diào)速器進(jìn)行了全面的技術(shù)改造，本文通過研究總結(jié)本次改造中積累的機(jī)械優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，為其他電站的調(diào)速器改造提供參考。

2 原調(diào)速器介紹

2.1 工作原理

WBST-100式調(diào)速器于2002年技術(shù)改造后投入運(yùn)行，電氣部分由A系列PLC控制器實(shí)現(xiàn)，電氣-機(jī)械/液壓轉(zhuǎn)換則由步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。電氣信號(hào)指令發(fā)出后，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)主配引導(dǎo)閥實(shí)現(xiàn)先導(dǎo)控制與電液轉(zhuǎn)換，再通過機(jī)械杠桿結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)主配壓閥活塞控制油路，從而驅(qū)動(dòng)接力器。導(dǎo)葉反饋信號(hào)通過接力器與機(jī)柜連接的機(jī)械杠桿結(jié)構(gòu)輸送，槳葉接力器則由反饋鋼絲繩完成。

2.2 存在缺陷

原調(diào)速器存在的缺陷，總體來說是由兩方面原因產(chǎn)生的。

（1）由于就調(diào)速器使用時(shí)間較長(zhǎng)，所使用的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)逐步落后，故障率逐增趨勢(shì)明顯，具體表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

1）主配傳動(dòng)方式為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)牽引與其相連的機(jī)械杠桿，進(jìn)而帶動(dòng)主配壓閥活塞運(yùn)動(dòng)控制接力器，復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)導(dǎo)致主配存在動(dòng)作遲滯問題。

2）機(jī)械杠桿結(jié)構(gòu)導(dǎo)致機(jī)械零位調(diào)節(jié)復(fù)雜繁瑣、二段關(guān)閉控制功能由機(jī)械凸輪實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致二段關(guān)閉時(shí)間調(diào)節(jié)困難，大修后占用較長(zhǎng)調(diào)試工期。導(dǎo)葉及槳葉信號(hào)反饋裝置均為機(jī)械式反饋，反饋信號(hào)滯后。

3）原機(jī)柜使用時(shí)間長(zhǎng)，各元件老化嚴(yán)重。實(shí)現(xiàn)電液轉(zhuǎn)換功能的關(guān)鍵元件步進(jìn)電機(jī)時(shí)常發(fā)卡，造成機(jī)組溜負(fù)荷、無法正常開停機(jī)等故障。且由于控制通道單一，一旦步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)問題，必須停機(jī)檢修，給機(jī)組帶來安全隱患。

4）事故配壓閥、事故油罐補(bǔ)油裝置、油源切換閥等功能閥組集成化程度低，需配置外接控制油路和電磁閥才能完成其功能，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)控制油路復(fù)雜冗長(zhǎng)。

（2）管路布置存在的缺陷。根據(jù)多年使用經(jīng)驗(yàn)，舊系統(tǒng)油路部分設(shè)計(jì)思路可以進(jìn)行革新，適應(yīng)機(jī)組的實(shí)際需求；且管路、閥門、管路支架的布置可以進(jìn)行優(yōu)化，增強(qiáng)調(diào)速器的穩(wěn)定性，方便調(diào)速器的檢修與維護(hù)。

3 機(jī)械優(yōu)化改造方案介紹

此方案總體上結(jié)合本次調(diào)速器技術(shù)改造，根據(jù)舊調(diào)速器機(jī)械方面存在的具體缺陷，進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)優(yōu)化，主要包括選用新的調(diào)速器及配套的功能閥組、重新設(shè)計(jì)部分油路并優(yōu)化管路與閥門布置等內(nèi)容。

3.1 新調(diào)速器液壓原理簡(jiǎn)介

根據(jù)機(jī)組實(shí)際情況進(jìn)行選型，并經(jīng)公開招標(biāo)后，新調(diào)速系統(tǒng)選用長(zhǎng)江能事達(dá)生產(chǎn)的WST-100型調(diào)速器。新調(diào)速器機(jī)柜采用機(jī)電合柜結(jié)構(gòu)。調(diào)速器總體由PLC微機(jī)調(diào)速器及機(jī)械液壓系統(tǒng)構(gòu)成，電液轉(zhuǎn)換功能由比例伺服閥實(shí)現(xiàn)。

液壓系統(tǒng)原理如圖1所示，調(diào)速器中源自供油裝置的主壓力油，分為兩路，一路為操作油，進(jìn)入主配壓閥的控制腔，以及主配壓閥的恒壓腔；一路經(jīng)過雙精油濾器輸出控制用油。進(jìn)入主配壓閥活塞恒壓腔的壓力油，始終具有推動(dòng)主活塞向關(guān)閉方向運(yùn)動(dòng)的力。經(jīng)過雙精濾油器的潔凈油，一路依次經(jīng)過比例伺服閥A或比例伺服閥B、A/B套切換閥、手/自動(dòng)切換閥、緊急停機(jī)閥到主配壓閥的控制腔。另一路經(jīng)過引導(dǎo)閥、手/自動(dòng)切換閥、緊急停機(jī)閥到主配壓閥的控制腔。

圖1 液壓系統(tǒng)原理圖

自動(dòng)狀態(tài)下，電氣機(jī)柜中的控制模塊發(fā)出信號(hào)后，通過比例伺服閥輸出壓力信號(hào)油進(jìn)入主配壓閥控制腔，從而控制主配壓閥活塞運(yùn)動(dòng)輸出壓力能，來驅(qū)動(dòng)接力器。另外，此套調(diào)速器也可以在手動(dòng)條件下直接使用手操機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)閥上下運(yùn)動(dòng)，通過主配壓閥液壓放大輸出壓力能，來操縱接力器。

3.2 液壓系統(tǒng)優(yōu)化內(nèi)容

（1）新調(diào)速器中，主配壓閥是一種帶有輔助接力器的、液壓控制式的主配壓閥，其上端預(yù)留了比例伺服閥、手自動(dòng)切換閥、緊急停機(jī)閥等功能閥組的接口，集成化成度高，由比例伺服閥或手操機(jī)構(gòu)控制的主配活塞動(dòng)作迅速，無滯后問題。

（2）新調(diào)速器主配上有調(diào)零螺桿，機(jī)械零位調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單快捷；原調(diào)速器的二段關(guān)閉控制功能由機(jī)械凸輪裝置改為監(jiān)控電氣信號(hào)實(shí)現(xiàn)，不再需要手動(dòng)調(diào)節(jié)；取消機(jī)械導(dǎo)葉和槳葉的機(jī)械式反饋裝置，改為電氣傳感器反饋，反饋信號(hào)良好。

（3）新調(diào)速器的電液轉(zhuǎn)換功能元件由步進(jìn)電機(jī)改為比例伺服閥。比例伺服閥有4個(gè)工作位，通常使用其開、關(guān)、停3個(gè)工作位，第4個(gè)工作位為失電關(guān)機(jī)工作位，能夠充分保障機(jī)組安全。同時(shí)，為確保機(jī)組停機(jī)，配備了2套閥組和切換閥形成雙通道，可任意切換使用，使調(diào)速器可靠性大大增強(qiáng)。同時(shí)，在手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，直線位移轉(zhuǎn)換器裝置能夠完全實(shí)現(xiàn)對(duì)接力器的手動(dòng)控制。

（4）事故配壓閥、二段關(guān)閉裝置及事故油罐補(bǔ)油裝置均采用集成化程度高的新式閥組，閥組上留有電磁閥接口，只需接入控制油，便可以實(shí)現(xiàn)閥組功能，不再需要專門外接控制油路和電磁閥，大大簡(jiǎn)化了油路。

3.3 系統(tǒng)管路布置優(yōu)化內(nèi)容

舊調(diào)速系統(tǒng)管路布置方式總體上比較合理，但受當(dāng)時(shí)技術(shù)限制，仍存在一些不足，新調(diào)速器管路設(shè)計(jì)時(shí)，著重分析了不足之處，進(jìn)行了改進(jìn)。

（1）舊調(diào)速器從油源多樣性考慮，在系統(tǒng)中設(shè)置了油源切換閥，在工作油罐油壓不足時(shí)，切換至事故油罐保證系統(tǒng)壓力油的穩(wěn)定性，而油源切換閥使機(jī)組油路的復(fù)雜程度大大增加，故障率頗高。根據(jù)機(jī)組多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)：低油壓發(fā)生幾率極其微小；調(diào)速器的電氣保護(hù)能夠有效避免低油壓的發(fā)生；即便發(fā)生了低油壓，事故配壓閥也能夠保證機(jī)組正常停機(jī)。鑒于上述原因，取消油源切換閥。

（2）根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)，事故油罐油源可靠性更高，將各功能閥組的控制用油全部改從事故罐側(cè)主供油管路上取，當(dāng)出現(xiàn)工作油罐油壓不足的情況時(shí)，機(jī)組的事故停機(jī)功能和關(guān)機(jī)時(shí)的二段關(guān)閉功能將不受到任何影響，充分保證機(jī)組的安全。

（3）主要截?cái)嚅y和控制油閥位置、高度及方向設(shè)置不合理，不利于人員操作。新調(diào)速器中，重新布置主油路和控制油路閥門位置，設(shè)置合理高度及方向，方便運(yùn)行人員操作。

（4）部分舊管路支架設(shè)置不合理，無法有效減緩管路震動(dòng)，導(dǎo)致管路受損漏油。根據(jù)主操作油路走向分析管路震動(dòng)特點(diǎn)，重新設(shè)置管路的支吊架，減輕調(diào)速器動(dòng)作時(shí)的管路震動(dòng)，減少管路本體及密封面因震動(dòng)造成的損害。

4 優(yōu)化改造后的效果

技術(shù)改造完畢后，導(dǎo)葉開、關(guān)機(jī)時(shí)間、二段關(guān)閉時(shí)間等數(shù)值整定結(jié)果均符合調(diào)保計(jì)算的要求。對(duì)新調(diào)速器進(jìn)行的人工頻率死區(qū)檢查、導(dǎo)槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系試驗(yàn)、靜特性試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)等各項(xiàng)試驗(yàn)，結(jié)果均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

經(jīng)過機(jī)械優(yōu)化改造后，原調(diào)速器存在的問題得到了解決。投入使用的1年里，新調(diào)速器的主配壓閥、比例伺服閥、事故配壓閥、二段關(guān)閉裝置等功能閥組性能優(yōu)異；反饋信號(hào)及時(shí)準(zhǔn)確；調(diào)速器調(diào)節(jié)性能良好，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定可靠，未出現(xiàn)溜負(fù)荷現(xiàn)象。調(diào)速器層的管路及支架布置合理、有序、簡(jiǎn)潔；接力器動(dòng)作時(shí)，各處管路震動(dòng)較輕，穩(wěn)定性良好，無任何滲漏情況；各閥門高度位置合理，運(yùn)行人員操作方便；檢修期間，調(diào)速器檢修工作量和維護(hù)難度大大降低，極大地節(jié)約了檢修工期。

5 結(jié)論

水電站調(diào)速器隨著發(fā)展更新?lián)Q代是大勢(shì)所趨，良好性能的調(diào)速器是保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的保證。機(jī)械設(shè)備的集成化與功能多樣化對(duì)調(diào)速器的性能提升巨大，應(yīng)該結(jié)合機(jī)組的實(shí)際需求，選用性能優(yōu)異的新設(shè)備，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，消除調(diào)速器缺陷。經(jīng)此次改造，機(jī)組調(diào)速器性能實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。

關(guān)于水電站調(diào)速器機(jī)械優(yōu)化改造的研究，本文總結(jié)了一些思路和經(jīng)驗(yàn)。但仍需要進(jìn)一步探索集成化閥組、電磁閥等新一代機(jī)械設(shè)備在調(diào)速器中的作用，優(yōu)化液壓系統(tǒng)的格局，進(jìn)一步提高調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。