冲击式水轮机调节控制设计探讨

韩东龙 程宏燕 胡鸣明 曹伟

【摘要】本文主要介绍冲击式水轮机调节系统的组成部分，以及在使用过程中采用的几种调节方式和调节原理，着重介绍目前比较安全的一种喷嘴装配结构：内拆式水力自关闭喷嘴。

【关键词】冲击式水轮机；喷针；偏流器；调速器；自关闭

概述

冲击式水轮机都用于高水头水电站，冲击式水轮机调节控制系统需满足两个方面的功能：一、通过调节机组过流来调节机组的转速或出力，使机组能在任何负荷工况下保持额定转速稳定运行。其中包括零符合工况和机组空载时的稳定运行，这是保证机组能快速并入电网的必要条件。二、冲击式水轮机调节控制系统设计必须具备安全性、稳定性和可靠性。满足电站调节保证的要求，保证压力钢管和机组的安全。在机组甩负荷时，保证压力钢管的水压上升和机组转速上升不大于预定值。冲击式水轮机调节系统的组成部分包括：调速器、喷针、偏流器、节流器、自动化元件等。喷针调节和偏流器调节组成冲击式水轮机组的双重调节机构。

双重调节机构动作原理

（工况一）当机组在某一稳定负荷下运行时，喷针处于与负荷相适应的位置，保持不动，偏流器位于射流柱外，不干涉射流作功。（工况二）当机组甩100%负荷时，机组转速急剧上升，偏流器快速动作，将射流偏离水轮机转轮，于是，机组转速上升被控制在允许范围；同时，喷针缓慢移动关闭喷嘴，压力钢管的水压上升也被控制在允许范围内 [注：喷针、偏流器的动作速度是根据调节保证计算要求的开启和关闭时间，预先整定设置，由调速器控制]。（工况三）当机组缓慢减负荷时，偏流器不会切入射流。（工况四）当机组增负荷时，偏流器不能干涉射流作功，也不会切入射流。（工况五）当空载并网时，由于喷针移动速度缓慢，单独依靠喷针调节来稳定机组额定转速是困难的，必须由偏流器快速关闭帮忙，才能迅速稳定机组频率，并入电网。

双重调节的分类

一、按调节过程完成后，偏流器与射流相对位置的不同来区分，双重调节系统可分为两种形式：1、喷针-偏流器协联动作式冲击式水轮机双重调节系统。“协联动作”就是指偏流器始终跟随射流（直径）变化而动作，在调节过程完成后，偏流器切水口都位于射流外，并保持很小的距离（一般为6-8mm）；2、喷针-偏流器非协联动作式冲击式水轮机双重调节系统。“非协联动作”就是指偏流器不跟随射流（直径）变化而动作，而且，偏流器只有两个极端位置：全开和全关。

二、按喷针-偏流器不同控制方式来区分，双重调节系统又可分为两种形式：1、偏流器-喷针相继动作式冲击式水轮机双重调节系统，“相继动作式”指由自动调速器的接力器直接操纵偏流器动作，同时由偏流器接力器通过协联机构的协联凸轮、喷针配压阀和喷针接力器来操纵喷针动作。2、偏流器-喷针并列动作式冲击式水轮机双重调节系统，“并列动作式”指由自动调速器控制的两个配压阀同时动作，然后控制偏流器和喷针的接力器操纵偏流器和喷针同时动作。

冲击式调速器简介

自动调速器开始为电液自动调速器。主要型式为YDT、YWT，后来发展为使用步进电机PLC的BWT调速器。电液自动调速器输出的是扭矩，通过调速轴，把调速器的转臂和水轮机的操作机构连接在一起，调速器的指令通过连杆操作机构中的配压阀活塞左、右移动，压力油通过配压阀的孔口流入接力器的两侧，操作喷针启闭，在调速轴的适当位置，另设一套拐臂、连杆来直接控制偏流器，以保证偏流器和喷针的协连关系，此种设计，单喷嘴冲击式水轮机可靠、稳定。如果是双喷嘴冲击式水轮机或多喷嘴水轮机要保证多个喷针和偏流器协联动作难度较大，存在喷针位移控制不稳等问题。

目前，冲击式水轮机普遍采用喷针-偏流器非协联动作式冲击式水轮机双重调节系统。冲击式调速器都采用冲击式专用调速器，冲击式专用调速器是改进过的PLC型电液自动调速器，冲击式专用调速器与一般调速器的主要区别在于输出不再是扭矩，而是压力油。由于冲击式调速器是通过改变喷针的开度来改变流量，喷针作直线运动，因此只在喷针后设置一个接力器，控制压力油的进出方向就直接控制喷针的启闭。这样，就可以取消水轮机上的操作机构，为了让调速器减少调节，使调节过程稳定，须精确控制喷针的行程，因此需要设置一个直线位移传感器[精度为微米级]，对于偏流器只需再全开和全关位置各设置一个行程开关。冲击式专用调速器大多数厂家采用可编程逻辑控制器（PLC），采用面向硬件的仿真编程，采用模块结构，变参数并联PID调节原理，测频环节由PLC完成，无需单独设置测频回路，提高了测频环节的可靠性。有的厂家采用PCC（可编程计算机控制器），它将原PLC的标准功能与工业计算机的多任务操作系统集成在一起，配以数字阀随动系统，用户反映良好。

喷针和偏流器结构分类

现在的喷针和偏流器都是靠接力器控制，接力器是通过调速器压力油控制。根据接力器的通油腔数计算，分单腔操作结构和双腔操作结构。双腔操作结构开启和关闭（喷针或偏流器）都通过调速器油压来完成，调速器采用的电磁阀为二位四通，此种方式存在一个风险就是当调速器失压或压力不足，就不能正常关闭（喷针或偏流器），此种控制方式为目前各大厂家普遍采用。单腔操作结构就是开启（喷针或偏流器）采用调速器油压，而调速器采用的电磁阀为二位三通。关闭（喷针或偏流器）采用弹簧或压力水。这就是笔者着重推荐的自关闭结构。就是在调速器失压或压力不足，也能关闭（喷针或偏流器）。目前我厂的冲击式水轮机均采用内拆式水力自关闭喷嘴，喷嘴关闭靠水力自关，偏流器关闭靠弹簧自关。此种结构方式在2008年汶川大地震得到检验。四川省阿坝州茂县色如沟电站（水轮机：CJA237-W-105/1×9、发电机：SFW1600-8/1430）地震时，滚石打坏调速器，但由于该机组采用我厂专利喷嘴：自关闭结构，在地震后检查，喷嘴、偏流器在地震时自关闭，没造成机组飞车，压力钢管还保持压力水。

“内拆式水力自关闭喷嘴”全面改善了喷嘴的调节性能，主要体现在：

1）喷针水力自关闭技术-----在油压装置事故低压和失压的情况下，机组都能安全停机，不会飞逸。2）喷嘴装配的内部零件内拆---可缩短大修时间，维修、更换零件方便，大大减小劳动强度。3）油水隔离和防砂装置-----防止油水混合，环保，保证机组安全运行，便于观察密封圈是否损坏。4）新型喷针轴、活塞的密封和导向装置---摩阻力小，能提高喷针调节灵敏度，并能自动补偿磨损，经久耐用。5）喷针水力平衡装置-----能改善喷针开关力特性，使喷针开关力对称、全程均匀，开关灵敏，不发生卡阻。6）采用单腔控制式油缸----能简化控制系统的油管路，每个组合式喷嘴装配的控制部分，只有2根油管与自动调速器软连接（传统结构需要4根油管），安装维护方便。7）采用高精密μm级电子位移传感器，只需一根电缆向“冲击式专用电子自动调速器”反馈，提高了喷针调节灵敏度；方便安裝。8）采用具有自关闭功能的偏流器的组合式喷嘴和多喷一折机构，使喷针水力自关闭和偏流器自关闭，双重保险，保证了机组停机的绝对可靠。9）采用喷针、偏流器非协联双重调节控制系统。

结语

冲击式水轮机调节控制设计在水轮发电机组中是非常重要的一个环节，随着时间推移，技术进步，其结构和系统也会不断发展和进步，须广大同行共同努力，为我国水电发展多作贡献。

参考文献

[1]周文桐，周晓泉著.《水斗式水轮机基础理论与设计》.中国水利水电出版社

[2]《水轮机设计手册》.哈尔滨大电机研究所

[3]文宏泽.《水电站机电技术》第116期.大中型冲击式水轮机双重调节方式的探讨.