组合式水轮机调速器的改造探讨

2018-08-21蓝晓溪陈启明王华军

小水电 2018年4期

蓝晓溪，陈启明，肖鹏，史倩，王华军，丁伟

(1.宣平溪水电工程管理处，浙江武义 321200；2.武汉四创自动控制技术有限责任公司，湖北武汉 430063)

0 引言

水轮机调速器按压力油供给方式分为通流式和压力油罐式。通流式调速器的油泵连续运行，直接供给调速器的调节过程用油；非调节过程时，溢流阀溢流，将油泵输出的油全部排回到集油箱，现在很少使用。压力油罐式调速器有专门的油压设备，随时提供调速器调节过程用油，分为组合式和分离式。整台调速器(包括接力器)和油压装置组合成一体的，就是组合式调速器，主要用于中、小型水轮机的控制。随着水利部农村小水电站增效扩容改造的不断推进，这种调速器的改造和应用越来越多，改造方案随着机组的不同而不同，本文要探讨的就是这种调速器的改造和发展。

1 系统构成

“十三五”农村增效扩容改造的范围从“十二五”要求的1995年及以前投产电站，扩大到包括2000年及以前投产、可实施增效扩容改造的电站。2000年前建设的农村小水电站，其水轮机调速器大多设备陈旧、功能单一、技术落后，有的用水轮机操作器，有的用接力器内置的组合式调速器，有的电站有十几台几百千瓦的小型水轮机，如何在低成本的基础上完成小水电站调速器的改造呢？这里提出了几种改造方案供大家探讨。

第一种改造方案采用接力器外置的高油压组合式调速器替换接力器内置的低油压组合式调速器(见图1)。改造后的调速器由微机调节器、机械液压系统、接力器和油压装置组成，油压装置采用16 MPa的囊式蓄能器，蓄能器中气囊预充一定压力的氮气，电站可取消高压或中压空压机气系统，简化电站设备配置，节约系统维护成本。

图1接力器外置的高油压组合式调速器

第二种改造方案采用多功能组合式调速器(见图2)。根据电站机组形式的不同，可以将机组刹车、高压顶起的液压系统集成到调速器中，调速器机械液压系统也可以集成事故配压阀、分段关闭和接力器锁定油路，提高电站设备集成度，简化设备配置，更便于检修维护。

图2多功能组合式调速器

第三种改造方案采用一控N高油压组合式调速器(见图3)。为1台水轮机调速器控制3台水轮机，3台水轮机共用1台微机调节器和1台油压装置；机械液压系统和检测回路则各自独立，既可实现各水轮机的独立控制，又可共用控制器和压力油源。这对于机组多、容量小的水电站，可以尽可能多的节约改造成本，减少调速器占地空间。

图3一控N高油压组合式调速器

上述后两种改造方案都采用高油压外置式接力器，均可取消高压或中压空压机气系统，进一步简化电站设备，节约维护成本。

2 电气控制系统

第1节方案一和二中的微机调节器是单机控制系统，其电气控制系统如下所示(见图4)。微机控制器一般采用PLC，也可采用PCC和PAC。微机控制器采集机频、网频、有功功率、接力器位移等信号、现地开关指令和二次及监控系统的指令，用程序实现变结构、变参数的复杂运算，借以实现水轮机的调节和控制功能。微机控制器根据电液转换器的不同而输出不同方式的控制信号至电液转换驱动器，从而控制电液转换器及机械液压系统，并向电站监控系统输出微机调速器的工作状态。图中操作终端是微机调速器的人机接口，用以显示调速器的各种状态、数据和曲线，还可设置各种参数，切换相关工况等。

图4单机电气控制系统

第1节方案三中的微机调节器是一控N的控制系统，其电气控制系统如下所示(见图5)。图5中以一控三为例，3台水轮机共用1个微机控制器。相比单机控制系统，该控制器增加了2路机频、各指令和传感器也分别增加了对应机组的输入，输出增加了对应机组的电液转换驱动的控制。操作终端共用同一个智能触摸屏，实现人机交换和远方通讯。

图5一控N电气控制系统

上述3个方案中，可以将油泵控制系统集成于微机调节器中，进一步提高调速系统的集成度，也有利于降低改造成本，调速器的可靠性并不会因此而降低。

3 机械液压系统

第1节方案一的调速器机械液压系统根据电液转换器的不同，主要有标准阀式机械液压系统和伺服电机式液压系统。

图6所示为标准阀式机械液压系统(见图6)，主要由大波动开关阀、小波动开关阀或比例阀、紧急停机电磁阀、液动阀和接力器组成，所用阀件均是批量生产的标准液压件，性能可靠。慢速开、关接力器时，微机调节器控制小波动开关阀或比例阀，直接驱动接力器；快速开、关接力器时，微机调节器控制大波动开关阀，经液动阀液压放大后驱动接力器。紧急停机时控制紧急停机电磁阀作用于液动阀，从而驱动接力器快速关闭，实现机组的保护停机。

图6标准阀式机械液压系统

图7所示为伺服电机式机械液压系统(见图7)，主要由伺服电机式无油电转、主配压阀、紧停机构和接力器组成，微机调节器控制伺服电机正、反转，从而控制主配压阀输出相应流量的压力油至接力器，使接力器以相应的速度开、关，紧急停机时控制紧停机构作用于主配压阀，从而驱动接力器快速关闭，实现机组的保护停机。

图7伺服电机式机械液压系统

第1节方案二的多功能机械液压系统如下所示(见图8)，主要包括调速器液压系统、刹车液压系统和高压顶起液压系统，调速器液压系统主要包括电液转换器、液压放大机构、事故电磁阀、事故配压阀、分段关闭、锁定电磁阀、锁定机构和导叶接力器。电液转换器和液压放大机构可以选择方案一的两种液压系统，事故电磁阀和事故配压阀用于机组事故停机，分段关闭用于实现接力器的两段关闭规律，锁定电磁阀和锁定机构用于实现机组停机时的接力器锁定，防止导叶打开。

第1节方案三的机械液压系统是由多个水轮机液压控制系统构成，每个液压系统可以选择上述方案一或者二的机械液压系统，分别控制对应机组的导叶接力器和相应的执行机构，实现一控N的功能。

图8多功能机械液压系统

4 接力器的改造

接力器内置的组合式调速器改造时，一般建议取消调速轴，将内置式接力器改为外置式接力器，使调速器变得更为简洁；同时也消除了从内置式接力器到水轮机调速环的机械死区，提高了调速器的控制精度。接力器的改造是该类型调速器改造的重点，也是难点。

根据机组布置形式不同，外置式接力器的布置形式也各不相同，主要分立式机组和卧式机组两大类，每种机组又分单推拉杆和双推拉杆两种形式。

立式机组双推拉杆接力器布置形式又分机坑内布置和机坑外布置(见图9、图10)，若机坑内空间足够布置接力器，且不会被水淹或者漏水，则建议将接力器布置在机坑内，否则，应选择机坑外布置。有些机组调速环不在机坑内，接力器的改造更加容易(见图13)。

同理，立式机组单推拉杆接力器布置形式也分机坑内布置和机坑外布置(见图11、图12)，调速环不在机坑内的单接力器的改造如下所示(见图14)。

立式机组接力器改造还需注意水轮机调速环是否有限位导向机构，有部分立式机组调速环的限位导向是由调速轴和调速环的双推拉杆来实现的。对于这样的机组，改为外置式接力器后，水轮机调速环还需加装限位导向机构。

图9 双接力器机坑内布置

图10双接力器机坑外布置

卧式机组双推拉杆接力器布置形式分两种形式，一种是蜗壳有调速轴承载点，接力器布置如下所示(见图15)，该种方式除了蜗壳的调速轴承载点外，还需随接力器配置调速轴的另一承载点，此种方式适合调速功不大于6 000 NM的调速器改造。另一种是蜗壳无调速轴承载点，接力器布置如下所示(见图16)，需随接力器配置1个具有双支承点的支架，该种方式适合调速功不小于18 000 NM的调速器改造。