水電站調(diào)速器改造探討

余小平

（四川九河電力股份有限公司，四川宜賓 644000）

0 引言

調(diào)速器按結(jié)構(gòu)的不同，可分為機(jī)械液壓型和電氣液壓型兩大類。機(jī)械液壓型調(diào)速器也稱機(jī)械調(diào)速器（或機(jī)調(diào)），此類調(diào)速器測量、反饋為機(jī)械式元件；電氣液壓型又分為模擬電氣液壓型和數(shù)字電氣液壓型，測量和反饋是以電氣量完成。模擬電氣液壓型調(diào)速器也稱電氣調(diào)速器（或電調(diào)），數(shù)字電氣液壓型也稱為微機(jī)調(diào)速器（或微機(jī)調(diào)）。目前生產(chǎn)使用的基本都是微機(jī)型調(diào)速器。以混流立式機(jī)組的調(diào)速器改造為例，分析水電站調(diào)速器升級改造中應(yīng)注意的問題。

1 前期資料收集工作

（1）機(jī)組信息。包含水頭、額定流量和轉(zhuǎn)輪直徑，調(diào)速器廠家設(shè)計(jì)人員據(jù)此計(jì)算調(diào)速器工作容量調(diào)節(jié)功的大小。W=30Q，其中D1是轉(zhuǎn)輪直徑，H 為水頭，Q 為流量。該公式源于德國，計(jì)算結(jié)果偏大，如各方面條件比較理想時(shí)可使用公式W=。而當(dāng)調(diào)速功大于30 000 N·m 時(shí)屬于大型調(diào)速器，調(diào)速器工作容量用主配壓閥直徑表示。

（2）確定調(diào)速器液壓系統(tǒng)工作壓力。按DLT 5186—2004《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》要求，單機(jī)容量為50 MW（貫流式為10 MW）及以上的機(jī)組宜選用微機(jī)電氣液壓型調(diào)速器，調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)采用4.0 MPa 或以上的油壓等級。目前，調(diào)速器液壓系統(tǒng)壓力多為4.0 MPa、6.3 MPa、16.0 MPa。有的業(yè)主擔(dān)心壓力太高會經(jīng)常性出現(xiàn)滲漏油，危險(xiǎn)性大，但目前的技術(shù)已很成熟，只要質(zhì)量過關(guān)，裝配工藝達(dá)到要求，一般不會出現(xiàn)滲漏，16.0 MPa 的油壓系統(tǒng)在多行業(yè)生產(chǎn)中已運(yùn)行多年，實(shí)踐證明是安全可靠的。

（3）接力器型式的選擇。接力器分為內(nèi)置和外置兩種型式，內(nèi)置接力器布置在調(diào)速器柜內(nèi)，要求調(diào)速器柜體較大，因此在電機(jī)層占較大空間；外置接力器布置在水輪機(jī)旁，壓力源通過固定穩(wěn)當(dāng)?shù)墓苈方尤虢恿ζ髑唬@種布置方式結(jié)構(gòu)緊湊，檢查、維護(hù)方便。

（4）壓力源容器的選擇。傳統(tǒng)的壓力源容器是油氣無隔離混合的罐體（圖1），采用外設(shè)空壓機(jī)系統(tǒng)補(bǔ)氣或自身油泵系統(tǒng)補(bǔ)氣。這兩種方式罐體較大，尚有外圍設(shè)備和原件，維護(hù)困難，管路較長，漏氣量也大，同時(shí)也增加了廠用電的消耗。目前普遍采用蓄能罐，罐體減小，內(nèi)置儲有一定壓力的氮?dú)饽z囊，并可以在膠囊內(nèi)壓力不足時(shí)進(jìn)行補(bǔ)氣，整個罐體美觀簡潔，占用空間小。

圖1 傳統(tǒng)壓力容器和內(nèi)置式接力器調(diào)速器

（5）水輪機(jī)推拉桿端頭空間尺寸。采用外置式接力器時(shí)，要滿足在水輪機(jī)推拉桿端頭位置具備接力器的安裝空間。根據(jù)調(diào)速器廠家設(shè)計(jì)的接力器尺寸，不具備安裝空間的應(yīng)提前做好施工，保證養(yǎng)護(hù)期滿足接力器的安裝要求。使用的液壓系統(tǒng)壓力越高，接力器的制造尺寸則越小，這也是采用高油壓的優(yōu)點(diǎn)。圖2為內(nèi)置式接力器推拉桿端頭（與調(diào)節(jié)大軸連接處）。

圖2 內(nèi)置式接力器推拉桿端頭（與調(diào)節(jié)大軸連接處）

（6）水輪機(jī)推拉桿行程。該數(shù)據(jù)在水輪機(jī)設(shè)計(jì)圖上能查到，調(diào)速器廠家根據(jù)這個數(shù)據(jù)進(jìn)行接力器的設(shè)計(jì)制造，保證偏差在規(guī)范允許之內(nèi)。

2 改造周期安排

水電站的檢修、改造一般安排在枯水季節(jié)，而枯水季節(jié)的電價(jià)相對較高，為此，應(yīng)考慮調(diào)速器的生產(chǎn)周期，計(jì)劃好停機(jī)安裝及調(diào)試的時(shí)間，以免造成經(jīng)濟(jì)損失。一般中小型調(diào)速器生產(chǎn)周期在50 d 左右，而在水源豐富的山區(qū)只有12 月和1 月有輪換機(jī)臺的時(shí)間。正常情況下，一臺新調(diào)速器安裝及調(diào)試需要4～5 d，因此設(shè)備改造升級需要提前準(zhǔn)備、統(tǒng)籌安排。

3 改造周期安排

（1）在調(diào)速器產(chǎn)品未到站點(diǎn)以前，根據(jù)調(diào)速器設(shè)計(jì)圖紙，對新增的電氣量做好電纜鋪設(shè)。油泵控制回路一般都能利用原回路，但要注意校驗(yàn)原油泵動力電纜能否滿足新油泵的功率要求，對拆卸的接線做好標(biāo)記,了解其作用。

（2）根據(jù)新調(diào)速器設(shè)計(jì)圖提前做好基礎(chǔ)的預(yù)埋。這個過程涉及到運(yùn)行機(jī)臺和水源的調(diào)配，如果存在基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)的，應(yīng)充分考慮調(diào)速器到站時(shí)間及調(diào)試時(shí)間，盡量縮短該機(jī)臺退運(yùn)時(shí)間。

（3）如果發(fā)電機(jī)組進(jìn)水前段裝有進(jìn)水蝶閥或球閥的，在水機(jī)緊急事故停機(jī)時(shí)，主閥（蝶閥或球閥）關(guān)閉，調(diào)速器能很好地調(diào)節(jié)控制機(jī)組轉(zhuǎn)速不會過速。機(jī)組進(jìn)水端未裝主閥的，在緊急事故停機(jī)時(shí)則會關(guān)閉前池閘門，可能造成機(jī)組過速。但水機(jī)緊急事故一般出現(xiàn)在單機(jī)，不會所有機(jī)組同時(shí)出現(xiàn)，廠用電有保障。

（4）當(dāng)一般事故造成機(jī)組出口斷路器跳閘后，在較重負(fù)荷或滿負(fù)荷情況下，如果調(diào)速器不能控制轉(zhuǎn)速則會造成機(jī)組過速，這時(shí)候保護(hù)動作發(fā)令前池閘門關(guān)閉，機(jī)組直接進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。如果事故是網(wǎng)絡(luò)引起，所有機(jī)組則可能因過速全部進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)，從而失去廠用電，這是相當(dāng)危險(xiǎn)的極端情形。理論上，調(diào)速器關(guān)閉導(dǎo)葉時(shí)間是可以調(diào)整到極快而趨近于0，但考慮壓力鋼管的水錘壓力對鋼管和相關(guān)金屬結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)考慮尾水錐管真空度對水輪機(jī)的影響，導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間要通過調(diào)節(jié)保證計(jì)算來確定。由于是升級改造，電站運(yùn)行多年，壓力鋼管和相關(guān)金屬結(jié)構(gòu)、水工建筑的運(yùn)行工況不如新投運(yùn)時(shí)工況，因此調(diào)節(jié)調(diào)速器的關(guān)閉時(shí)間是必須要重新考慮的問題。

參考一些實(shí)際案例，認(rèn)為可采取兩個途徑解決：①重新請?jiān)O(shè)計(jì)單位進(jìn)行調(diào)節(jié)保證計(jì)算。這需要提供許多相關(guān)原始資料，最后也還是要通過現(xiàn)場試驗(yàn)看是否滿足相關(guān)規(guī)范而保證安全運(yùn)行；②直接通過現(xiàn)場試驗(yàn)來確定調(diào)速器關(guān)閉時(shí)間。在各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置完畢后進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)，甩負(fù)荷按25%的額定負(fù)荷遞進(jìn)，觀測并記錄轉(zhuǎn)速、壓力鋼管壓力、尾水真空度。

依據(jù)DLT 5186—2004《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》要求:①機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)的最大轉(zhuǎn)速升高率保證值：當(dāng)機(jī)組容量占電力系統(tǒng)工作總?cè)萘康谋戎剌^大，或擔(dān)負(fù)調(diào)頻任務(wù)時(shí)，宜小于50%；當(dāng)機(jī)組容量占系統(tǒng)工作總?cè)萘勘戎夭淮螅虿粨?dān)負(fù)調(diào)頻任務(wù)時(shí)，宜小于60%；水電站機(jī)組過速保護(hù)一般都是達(dá)到140%時(shí)動作，為此要保證最大轉(zhuǎn)速升高率小于40%；②機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)蝸殼（貫流式機(jī)組為導(dǎo)水頁前）最大壓力升高率保證值：額定水頭小于20 m 時(shí)，宜為70%～100%；額定水頭為20～40 m 時(shí)，宜為70%～50%；額定水頭為40～100 m 時(shí)，宜為50%～30%；額定水頭為100～300 m 時(shí)，宜為30%～25%；額定水頭大于300 m時(shí)，宜小于25%。以額定水頭40～100 m 時(shí)為例，表示40 m 水頭時(shí)最大壓力升高率為50%，100 m 水頭時(shí)最大壓力升高率為30%，水頭越高，最大壓力升高率要求要越小，同時(shí)應(yīng)考慮留有適當(dāng)裕度；③當(dāng)機(jī)組突然增加或減少負(fù)荷時(shí)，壓力輸水系統(tǒng)全線各斷面最高點(diǎn)處的最小壓力不應(yīng)低于0.02 MPa，不得出現(xiàn)負(fù)壓脫流現(xiàn)象。甩負(fù)荷時(shí)，尾水管進(jìn)口斷面的最大真空度保證值不應(yīng)大于0.08 MPa。

因是運(yùn)行已久項(xiàng)目改造，可以在壓力鋼管上選擇幾段進(jìn)行振動和擺度的測量，掌握第一手運(yùn)行數(shù)據(jù)。目前，對壓力鋼管運(yùn)行的振動和擺度值沒有明確的規(guī)定。根據(jù)相關(guān)資料，建議振動值不大于D/1000 mm，D 為壓力鋼管直徑，即，如果壓力鋼管直徑為2 m，則其運(yùn)行振動值不大于2 mm。

綜上所述，項(xiàng)目改造需要調(diào)試人員根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)情況設(shè)定參數(shù)，既要保證機(jī)組快速穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，又要保證設(shè)備設(shè)施安全。調(diào)試中，有分段關(guān)閉的，同時(shí)可以利用拐點(diǎn)值和各段的關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

4 運(yùn)行中的注意事項(xiàng)

（1）保證油質(zhì)清潔。微機(jī)型調(diào)速器采用的閥件或步進(jìn)電機(jī)都比較精密，油質(zhì)不好會造成油路上部件的卡塞。

（2）新安裝的設(shè)備存在磨合期，應(yīng)加強(qiáng)檢查各部件和管路有無滲漏油情況。

（3）使用的位移傳感器是精密器件，應(yīng)注意防水，否則不能真實(shí)反映導(dǎo)葉動作狀態(tài)而造成調(diào)速器控制紊亂。

5 結(jié)語

對一個改造項(xiàng)目，要結(jié)合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)場具體情況進(jìn)行綜合分析，獲取最佳方案，以保證各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求。