瓦房城水电站调速器改造设计与实践应用

李荣

(民乐县瓦房城水电站,甘肃张掖 734506)

瓦房城水电站调速器改造设计与实践应用

李荣

(民乐县瓦房城水电站,甘肃张掖 734506)

针对电站机械液压调速器速动性、灵敏性、稳定性差,故障率高,水机安全无保障的问题,在项目建设中提出用新型微机调速器代替机械液压调速器的改造设计方案,并介绍了新型微机调速器的结构组成、工作原理、主要功能、运行方式等特点。运行实践证明,采用新型微机调速器效果良好,值得在老电站的技改中借鉴应用。

瓦房城水电站 调速器 改造设计 实践应用

1 调速器改造设计

1.1 概况

瓦房城水电站地处甘肃省民乐县南古镇，座落于黑河流域东部支流的大堵麻河上。电站始建于1978年，属水库坝后式电站，总装机容量3×500kw，设计年发电量620万kw.h。经过30多年的运行，调速器仍使用传统的机械液压式调速器，老化严重、油路易堵塞、速动性、灵敏性、稳定性差，故障率高，水机安全无保障。2010年瓦房城水电站被国家水利部和发改委列入小水电代燃料建设项目后，装机容量扩大至2060kw(2*630+800kw)，为了消除上述机械液压调速器的故障隐患，提高电站的自动化程度和设备的安全可靠度，减轻值班人员的劳动强度，实现少人值守的建设目标，在电站工程建设中提出用新型微机调速器代替机械液压调速器的改造设计方案，以保证老电站更好地发挥效益，担当以电代燃料的任务。

1.2 调速器改造设计方案

1.2.1 方案设计总体要求

根据瓦房城水电站机组参数配置，设计方案应能保证水电站的水轮发电机组空载时转速稳定，负载时稳定运行，具备转速检测、转速调节、导叶开度限制、机组频率跟踪控制、变参数变结构、自诊断等功能;应能保证水轮发电机组在各种运行工况下实现远方自动或手动控制;能通过RS485口与电站计算机监控系统连接，对机组实现网络监视与控制;并且各项性能指标满足国家标准的要求。

1.2.2 方案对比及选择

(1)更换全新高油压调速器。将电站原有的YT-300型机械液压调速器全部拆除，更换为YWT系列高油压微机型调速器。高油压系列调速器设计采用模块化结构，取消了传统的机械联柜、凸轮和复杂的机械连杆，具有结构简单、拆卸及维护方便、互换性能好等特点，其控制部分以进口可编程控制器为调节控制核心，采用独立的机械液压控制回路控制接力器。该系列调速器在性能及结构上都突破了传统机械调速器的模式，从根本上克服了常规机械调速器存在的缺陷，代表了现代调速器的发展方向。

(2)局部改造YT-300型机械液压调速器。将原YT-300型调速器改造成YWT-600-2.5型可编程调速器，更新调速控制柜及柜内所有电气元件、液压元件，保留原调速器油压装置的回油箱、压力油罐、接力器等。

综合以上2个方案对比分析：方案1采用YWT系列高油压微机型调速器，虽有结构简单、拆卸及维护方便、互换性能好等优点，但整体换新价格昂贵;方案2采用局部改造的方法，调速器整体不动，基础不动，不需进行平衡和角度调整，减少了安装工序，从电站装机规模来看，YWT-600-2.5型可编程调速器完全可以满足电站机组(2*630+800kw)对调速器的要求，且YWT-600-2.5型可编程调速器价格相对较低。综合分析结果：方案2采用局部改造的方法，不仅调速器能满足电站机组需求，而且省时、省力、节约资金。从经济实用的原则出发，选择方案2相对合适。

1.3 调速器改造方法及安装

1.3.1 调速器改造方法

(1)原调速器部件拆除后，进行安装。

(2)取消了调速器机械液压柜内所有明管，机械液压随动系统，采用数字式电磁阀控制，以高速开关阀做电液转换元件;结构简单，工作可靠，耗油量少，抗油污能力强;液压部分结构简单，集成化程度高，无杠杆，机械柜中的元器件更少，维护操作更简单、方便。

(3)空载自动跟踪电网频率，以及特有自动补偿PID调节规律，能使机组频率迅速达到同期要求。

(4)采用直线位移反馈，直接与接力器相连，消除了反馈系统中的连接间隙，死行程，保证了反馈的及时准确，从而克服了钢丝绳及钢性恢复杆的缺点。

1.3.2 调速器的安装

(1)调速器柜体安装：调速器柜体直接安装到原油压装置上。

(2)位移传感器安装：现场调整安装时，注意保证传感器钢带以直线运动，否则会损坏内部导向机构。传感器安装时必须固定牢固，否则会使导叶反馈的零点发生偏移，使机组关机不能关死。

(3)开关时间调整：在调速器主阀体两侧各有一个调整螺杆，把固定螺母松开后，通过旋转调整螺杆可调解调速器的开关机速度。如开关机时间过长，将螺杆旋出;如开关机时间过短，将螺杆旋入。开关机时间调整好后，应将锁紧螺母紧固，不允许松动。

2 调速器结构功能及原理

2.1 型号特点及结构布置

2.1.1 型号特点

设计方案选用微机调速器型号为YWT-600-2.5;工作油压：2.5MPa;电源采用交、直流双供，即：DC220V±10%和AC220V±10%;透平油牌号：L-TSA46。其主要特点为：体积小、结构简单、性能可靠，具有先进的抗干扰试验设备，完善的试验手段，主要部件全部采用国内外知名品牌。采用日本三菱公司可编程控制器(PLC)，触摸屏等硬件组成电气控制系统，以高性能数字开关阀、电磁阀等组成机械控制系统。测频采用可编程本体高精度直接测频。

2.1.2 结构布置

(1)YWT-600-2.5可编程微机调速器由微机调节器、电液随动系统和油压装置三大部分构成，结构型式为组合式。

(2)微机调节器的核心器件——可编程控制器(PLC)和电液随动系统中的电液转换器件——数字阀，采用可靠性高，抗干扰能力强、运行速度快、使用寿命长的国外进口元器件。

(3)调速器控制柜集电气箱和机械柜于一体，且分层隔离。上层为电气箱，下层为机械柜。控制柜内元器件布置清爽，排列有序，便于调整维护和检修测量。控制柜正面设有触摸屏，用于液晶汉化显示。

(4)控制器由功能独立的若干模块构成，各模块性能可靠、更换方便。

(5)调速器具有机械手动操作装置。

2.2 调速器硬件构成及特点

2.2.1 机械液压系统构成及特点

YWT-600型微机调速器，机械液压随动系统由标准液压元件及集成块组成。主要液压元件有：紧急停机电磁换向阀，控制阀组，液控单向阀等组成。

调速器数字阀液压系统控制接力器的动作，数字阀液压系统采用通用的液压元件和附件，能充分满足水轮机调节的基本要求，并且具有很高的安全性。数字阀与脉宽调节(PWM)控制结合后，通过控制脉冲频率或脉冲宽度，对液流进行连续的控制，提高液压系统的控制性和稳定性。

调速器最主要的配置控制阀是一个二位三通的电磁阀，换向时间短，动作可靠，电磁铁寿命长，能保证调速系统的调节品质。选用的三位电磁阀，利用电磁铁的通电吸合与断电释放而直接推动阀芯来控制液流方向，电磁铁失电时，在弹簧力的作用下，阀芯回复到中位。控制阀上装有手动钮按，按下按钮可使控制阀阀芯换位，松开按钮控制阀阀芯又回初始位。

2.2.2 电气部分构成及特点

YWT-600型微机调速器电气控制系统由柜体、电源系统、面板部分(液晶触摸屏)、控制部分(CPU模块、AD模块、通讯模块、测频模块)、位移传感器等组成，其主要特点如下：

(1)电气部分采用进口日本三菱FX2N系列可编程，具有可靠性高、抗干扰能力强、体积小，运算速度高，可扩展通讯接口等特点。

(2)具有故障检测、诊断和处理功能。保证了整个系统的安全可靠性。

(3)具有频率跟踪、开度跟踪功能，保证了调速器手动/自动无扰动切换，以及运行模式无扰动切换。

(4)自动按工况改变运行参数，调节平稳，速动性好。

(5)当电源消失时自动进入手动运行并维持原有的开度不变。

2.3 调速器主要功能及运行方式

2.3.1 主要功能

(1)手/自动开停机及紧急停机。

(2)频率调节、开度调节运行模式。

(3)运行参数的输入和修改。可手/自动对下列参数进行调整：运行水头、导叶给定开度、限制开度、频率给定。

(4)所有的控制功能都可在现场进行操作。远方可进行自动开/停机，增/减负荷(或频率、开度)等操作。

(5)各类故障及电源消失报警出口。1)机频、网频故障诊断及处理;2)反馈系统故障诊断及处理;3)电源监视及处理。

(6)显示屏可显示：1)调速器手/自动运行模式、断路器等各种开关量;2)机频、网频、传感器、电源等故障量。

(7)与上位机通信：1)可上传以下量：机组频率、电网频率、导叶开度、电气开限、各种模式、手/自动运行状态及各种故障;2)可下传以下量：频率给定、开度给定、电气开限及各种模式切换。

2.3.2 运行方式

调速器具有自动、电手动、纯机手动三种工作方式，正常工作时采用自动运行方式。

(1)自动开机。调速器无故障时，将其置自动状态，水头按当前实际水头设定，紧急停机电磁阀在复归位置，机组具备开机条件，由中控室或机旁盘发开机令给调速器，调速器接收到开机令后，过程为：导叶快速开至第一开度，机组转速开始上升。 机组频率达到49Hz后，PID参与调节，机组自动跟踪网频，如果无网频信号或网频故障时，机组在自动给定值50Hz运行。

(2)自动运行。空载运行，调速器在自动状态，机组在频率模式下运行，由PLC采集机组频率和系统频率以及其它各种控制信号、反馈信号等进行PID运算处理后，控制机组转速到额定转速。

(3)负载运行。断路器合上后，机组运行在开度模式或频率模式下，在面板上或中控室增/减负荷(开度)可调节机组出力。

(4)自动停机。将负荷减到零，断路器分后，发“停机令”，关闭导叶，使机组停机。

(5)甩负荷。自动状态下，调速器将快速关闭导叶，机组频率将自动跟踪网频。如果无网频信号或网频故障时，机组在自动给定值50Hz运行。

(6)手动开机。向开机侧操作手动操作阀，液压随动系统向开机方向运动，当导叶开至启动开度后松手，手动操作阀复中位，待转速至90%后，即向关机侧操作手动操作阀，使导叶关至空载开度附近;继续根据机组转速调整手动操作阀，使机组转速稳定在额定转速。

(7)手动停机。用手动操作阀将负荷减为零，油开关分开，然后用手动操作阀将导叶关到全关。

(8)紧急停机。紧急停机电磁阀接受机组保护的电气紧急停机停信号(或者按紧急停机按钮)，直接将导叶关到全关。实现紧急停机。

(9)手/自动运动方式切换。操作柜门正面的手/自动切换按钮，可进行调速器的手/自动运动方式切换。切入“手动”立即进入手动运行方式，同时手动灯点亮;切入“自动”立即进入自动运行方式，同时自动灯点亮。

3 调速器的实践运行效果

(1)改造前，运行故障率高，调速器油路易堵塞、速动性、灵敏性、稳定性差;改造后，3个发电运行期，实现了零故障运行的效果，调速器未发生油路堵塞现象，速动性、灵敏性、稳定性大大提高。

(2)改造前，调速系统稳定性差，并网耗时长，调速器机械部分结构复杂，拆卸维护困难，并网操作复杂;改造后，系统稳定性提高，并网时间大大缩短，新型调速器结构简洁合理，运行稳定可靠，技术性能指标优良，维护修理方便。

(3)改造前，调速器不动作、误动作现象时有发生，不仅水轮发电机组安全没有保障，而且增加了值班人员劳动强度;改造后，3个发电运行期，调速器运行正常、稳定，不仅安全有了可靠保障，而且大大减轻了值班人员的劳动强度。

4 结语

瓦房城水电站自2012年实施小水电代燃料项目以来，对全站3台水轮发电机组调速器进行了技改，用新型微机调速器代替了传统机械液压调速器，新型微机调速器采用了先进可编程控制器(PLC)和数字阀，布置了开机、停机、发电、调相、增减功率等操作回路，设有在线自诊断处理功能，自动化程度高。运行实践证明，新型微机调速器运行稳定、安全可靠，特别是这种采用局部改造的方法，省时、省力、省钱，既经济又实用，值得在老电站的技改中借鉴应用。

李荣(1975—),男,汉族,大专,助理工程师,主要从事水电站生产运行及技术处理工作。