水电站调速器实训平台机械结构和液压系统设计

王志力，陈智勇，朱廷忠

（中国东方电气集团自动控制工程有限公司，四川 德阳618000）

水轮机调节系统是由水轮机控制系统和被控系统组成的闭环系统。水轮机调速器则是由实现水轮机调节及相应控制的机构和指示仪表等组成的一个或几个装置的总称。水轮机控制系统就是包含油压装置在内的水轮机调速器。被控制系统是由水轮机控制系统所控制的系统，包括水轮机、引水和泄水系统、发电机及其所并入电网及机组所带的负荷等[1]。

水轮机调速器的作用是通过控制导叶和桨叶接力器（对双调机组）的操作油流量来控制导叶和桨叶接力器开度大小和快慢，进而控制水轮机过水流量的大小，达到最终精确调整水轮机转速的目的[2]。工作原理是将机组频率（机组转速信号）与电网频率（给定频率）进行对比，根据其差值给予电液转换器一个操作接力器开或关的信号（命令）来控制水轮机过水流量从而调节水轮机转速，使机组发电频率稳定在电网允许的偏差范围。

1 项目研制背景

为加快南方电网公司技术技能人才培养，提高培训效果，南方电网公司拟建设水轮机调速器系统实训平台，要求呈现水轮机调速系统的基本结构、工作原理和各种运行状态，能够完全模拟真实机组调速器的运行情况，同时达到对员工进行培训和考核的目的。我单位于2018年10月与南网公司正式签署了调速器实训平台开发协议。按照协议，将研制一套适合水电站调速器维护人员学习和培训使用的调速器机械、液压系统和电气设备并开发出相应控制的软件。

2 业主对调速系统的总体设计要求

调速器控制系统采用数字式冗余微机电液调节器，具有PID调节功能。系统额定工作油压6.3 MPa，导叶接力器的全关和全开时间能在5～40 s范围内可调并满足模拟机组调节品质要求。

（1）系统结构功能展示。调速器实训平台所有设备的基本结构及主要技术参数应与电厂机组调速器系统的实际情况基本一致。

（2）调速器试验功能。通过配置电网或科研院所广泛使用的调速器综合测试仪，可以模拟调速器各种功能试验，包括调速器静特性、空扰、空载摆动和甩负荷、抽水蓄能各工况转换等试验。

（3）异常应急处置及分析功能。基于与生产现场一致的监控系统，可以模拟生产现场环境可能的各类事故，实现对调速系统事故的处理及分析能力的培训和考核。

（4）调速器实训平台要能实现在正常或事故工况下，不论接受培训和考核人员的操作是正确或错误、参数调节过量或不足，所有参数、报警等信号和状态的变化都应与真实机组的反应一致。

3 调速系统构成

装置共分为三大主要结构模块：控制阀组、主配压阀、流量跟踪反馈装置（液压负反馈）。各模块通过管路或安装板连接在一起，该安装板既是模块的组合件，又是模块之间的过油管道。整个液压随动系统放置在回油箱面板上，方便对各个元件进行操作、检修及培训、考核。调速器液压系统的控制油路与主操作油路分开设计，主操作用压力油从蓄能器进入主配压阀，再进入导叶接力器的开腔或关腔，同时接力器另一腔的回油经主配压阀回到油箱；控制油是从主压力油路引出后经高精度滤油器后进入调速器液压控制系统部分。

3.1 主配压阀

主配压阀主要由主阀活塞、辅接活塞（与主活塞连为一体，位于主活塞上部）、主阀衬套、辅接壳体、流量负反馈阀等几部分组成。图1是主配压阀液压结构简图，实物剖面图见图2。从液压原理上讲，它是一个三位四通液控换向阀。辅接活塞有上、下两个压力油腔，上腔面积小，通恒压油（与系统压力油相通）；下腔比上腔面积大，通来自控制阀组的控制油。当集成阀组上比例/电磁阀的动作使辅接活塞的下端控制腔与压力油或回油相通时，主活塞连同辅接活塞产生相应的向上或下的位移。主阀活塞在主阀衬套中上下移动，从而使接力器开、关腔分别处在接通压力油、回油或全部封闭等三种不同的工作状态，相应的控制接力器处于开启、关闭或保持在某一固定位置，实现对导叶过水流量的调节[3]。

3.2 集成控制阀组

导叶阀块上装设了两个互为冗余的集成式比例方向阀（SV01、SV02）、手 - 自动切换电磁阀 EV05、手动操作电磁阀（EV07）、紧急停机电磁阀（EV04）、比例阀切换电磁阀（EV06）、液控单向阀（CV04）、用于紧急停机用的液控换向阀（HV02）和用于手自动切换的液控换向阀（HV01）、紧急停机信号用压力继电器（PS05）和手自动切换信号用压力继电器（PS06）等主要控制和信号输出元件。此外还装配有压力表、压力监测用测压接头等现地测量接口。

图1 主阀液压系统结构图

图2 主阀剖面图

3.3 流量反馈装置

流量反馈装置HV03是调速器手动操作功能的重要组成部分，其作用是在手动操作接力器过程中，实现主配压阀的自动复中。该装置通过一个类似三位三通阀的结构设计，在辅接活塞运动过程中在其下端控制腔加入液压负反馈信号，手动开启或关闭接力器操作完成后使主配压阀活塞快速、自动地回到中间位置，接力器便能够长期保持在任一要求的固定位置[4]。该流量反馈装置在国内外多个巨型水电站调速器液压系统中均有应用实例（如广西龙滩、青海拉西瓦和埃塞吉布Ⅲ等）。在为惠蓄模拟调速系统研制过程中，为使手动控制精度更高，经过对反馈流量的计算，将流量反馈阀反馈开口加大至原来的1.34倍，增大流量反馈效应，防止接力器手动操作过程中运动速度过快，造成定位不精确。

4 调速系统功能

图3是惠蓄调速器模拟试验平台（双比例方向阀+纯机械液压手动）液压系统，图中表示接力器处于某一固定位置，调速系统处在主阀中间位置自动控制状态。该调速器设计为具有内闭环控制系统（主配压阀活塞位移信号），它能够与接力器位移传感器信号及自动控制系统一起控制机组运行。

图3 液压系统图—自动运行

调速系统也具有对水轮机转速进行机械手动控制功能。自动控制回路以集成式比例方向阀为控制基础，机械手动操作回路以手动操作电磁阀及安装在主配压阀上部的流量反馈装置为控制基础。

4.1 自动控制

在系统处在正常工作状态时，紧急停机电磁阀右端线圈激磁，手自动切换电磁阀在自动位，手自动切换液控换向阀在两端控制腔压力差的作用下处于自动工位。辅接活塞下端控制腔通过比例阀切换电磁阀接通集成式比例阀（SV01或SV02）输出的控制油，手动操作部分的控制油和流量反馈阀的反馈油路被液控换向阀（HV01）切断，手动操作不起作用。

自动控制状态下，压力油经过过滤后同时进入手自动切换电磁阀、2个集成式比例方向阀、紧急停机电磁阀和流量反馈阀的压力油口。导叶开启时，集成式比例方向阀接受电气调节器送来的开启电流信号，比例方向阀的右侧工位处于工作位置，将控制压力油通过液控换向阀HV01和HV02送进辅接活塞下端控制腔，在辅接活塞上下两端压力差作用下，主阀活塞向上移动，接力器向开方向移动。集成式比例方向阀及内置的位移传感器、主阀活塞传感器构成负反馈内环检测元件。当主阀活塞的位移量通过主阀位移传感器反馈到控制器后，与其给定信号综合比较后使主阀活塞快速稳定在给定位置；另外，综合放大回路及导叶位移传感器构成负反馈外闭环检测回路，接力器活塞的位移反馈到电气调节器的综合放大回路，与其给定信号综合放大后，再与主阀活塞位移信号综合，控制信号通过调节器模拟量输出口输出到集成式比例方向阀，对比例阀阀芯位移进行精确控制[5]。由于此前比例方向阀在电气调节器输出开启信号时已形成了一个工作平衡位置，当接力器达到给定开度时，其输入减为零时，比例方向阀的阀芯向左移动，将辅助接力器控制腔（下腔）与回油连通，主阀活塞在上腔恒压作用下向下移动，当主阀活塞回到平衡位置时，切断主配压阀到接力器的进出油路，此时比例方向阀、主配压阀均回到平衡位置（辅接活塞上下控制腔达到力平衡），导叶接力器停止移动，完成一次对接力器的控制调节。

接力器关闭时，集成式比例方向阀接收到调节器送来的关闭电流信号，比例方向阀、主配压阀、接力器的动作过程与上述开启动作正好相反，不再赘述。

4.2 手动控制

在电厂的实际运行中，手动只作为调试及短暂的、应急运行之用。下面以导叶手动运行为例介绍系统手动操作过程。图4为调速器手动运行状态的液压系统图，其中主阀处于复中位置，接力器处于某个固定位置。图5为手动操作液压系统调节框图。

图4 液压系统图—手动运行

图5 手动操作液压调节框图

手自动切换电磁阀在手动位（电磁线圈失磁，弹簧位），这时手自动液控换向阀的右侧控制腔通压力油，在两端压差作用下液控阀换向后处于左侧工位。将手动操作电磁阀的输出油口与辅接活塞下端控制腔连通；同时切断比例阀到该控制腔油路。

4.2.1 手动开启

手动操作电磁阀，使其处在右侧工位，控制压力油经该阀、液控单向阀和2个液控换向阀后进入辅接活塞的控制腔，主配压阀活塞向上移动，将主阀衬套上的控制窗口打开，接力器向开启方向移动，导叶开度增大。主阀活塞向上移动的同时，与之固连的反馈阀衬套也向上移动，使辅接活塞的控制腔通过流量反馈阀与回油相通，手动操作电磁阀输入的压力油进入辅接活塞控制腔的同时也与回油口相通，回油的流量就作为手动操作时的液压负反馈信号，主阀活塞向上的位移越大（开方向），流量反馈阀的小活塞与其衬套之间形成的窗口开口就越大，相应的，通过流量反馈阀回油的流量就越大，液压负反馈作用就越强。当手动操作电磁阀线圈失磁，该阀在两端弹簧作用下使其阀芯迅速回到中间位置，由于没有压力油进入辅接活塞控制腔，在主阀活塞还没运动到中间平衡位置时，流量反馈阀窗口仍向开侧开启[6]，此时在辅接活塞上腔恒压油作用下，下端控制腔的油液经流量反馈阀接通回油，流量反馈衬套与主阀活塞一起下移，直到主阀活塞回到中间平衡位置的同时流量反馈阀窗口、主阀操作窗口均关闭，导叶接力器停止运动。

4.2.2 手动关闭

当手动操作电磁阀左侧电磁线圈激磁，使其处在左侧工位，压力油经该阀进入手动操作液控单向阀的控制口，打开液控单向阀，将辅接活塞下端控制腔压力油与回油连通，主阀活塞在上腔恒压油作用下与流量反馈阀衬套一起向下移动，导叶接力器向关方向运动，导叶开度减小；同时因流量反馈阀衬套也向下移动，将辅接活塞控制腔与压力油连通，对主阀控制腔排出的油进行补充，又形成一个流量负反馈作用。当手动操作电磁阀线圈失磁，阀迅速回到中间位置，在主阀未回到平衡位置前，流量反馈阀窗口一直打开，压力油经流量反馈阀进入控制腔，在压力油作用下主阀活塞及流量反馈阀衬套向上移动，直到主阀活塞回到平衡位置，流量反馈阀与主阀操作窗口同时关闭，导叶接力器停止运动。

以上手动增大或减小接力器开度的操作也可以在电磁阀不通电的情况下，通过手动操作电磁阀的应急按钮实现。

4.3 手动 /自动运行状态切换

调速器手动或自动运行状态的切换是通过改变手自动切换电磁阀的工作位置，从而切换手自动液控换向阀实现的。

4.3.1 手动切自动

调速器电气调节器能够通过软件检测自身的工作状态，电气调节器工作正常时，将实时跟踪手动运行，可以随时无扰切换到自动运行状态，手自动切换换向阀切断手动操作控制油与辅接活塞下端控制腔的联系，将控制腔与比例阀控制口相通。系统点亮自动运行指示，工作在自动位，控制机组自动运行。若电气调节器检测到的自动通道状态量不正常，手动切自动的操作将被拒绝执行。

4.3.2 自动切手动

手动操作的开度跟踪与流量反馈系统，能精确对主配压阀活塞进行回中控制，因此能够准确跟踪自动运行时导叶接力器的实际运行位置[5]。当电气调节器或逻辑控制环故障不能正常进行自动调节时，液压系统接受到电气柜发出的切换信号后能瞬间、无扰动地切换到手动运行状态；在电气调节器能正常工作的自动运行状态下也可人为无扰动地切换到手动运行状态，此时比例方向阀虽然仍接收电气信号输入，但因其控制油路已被切断，不起控制作用，调速器完全处于手动运行状态[6]。

4.4 停机操作

4.4.1 正常停机

自动正常停机是比例方向阀在接到来自调速器电气调节器的关机信号后，以程序预定的速度将导叶开度关至零。手动正常停机是在手动运行状态下，通过现地手动或远方电动操作手动操作电磁阀来实现机组停机。

4.4.2 紧急停机

当机组出现故障，监控系统发出故障停机指令，紧急停机电磁阀处在左侧工位，使辅助活塞下端控制腔的油通过紧急停机液控换向阀回油，在辅助接力器上端恒压腔压力油作用下，主阀活塞快速向下移动，操作导叶接力器快速关闭，完成机组紧急停机控制。同时因紧急停机电磁阀输出口连通着压力继电器的控制口，使之发出紧急停机动作信号用于电气二次回路。

5 主阀流量控制窗口及漏油量计算

主配压阀活塞与衬套之间配合开口的大小，直接影响到调速系统的控制指标，窗口开的大会造成机组调节超调，频率波动范围大，机组并网后不易稳定，同时还会造成主阀漏油量增加，油泵频繁打油，效率降低，调速系统油温升高[7]。窗口开的小有可能造成机组快速调节指标无法满足要求，因流量较小，甚至无法满足机组紧急关闭的时间要求。

5.1 控制窗口计算

主阀衬套与主阀活塞之间窗口流量，可用薄壁孔口流量公式近似计算。根据机组调保计算要求和接力器容积，在要求的机组最快关闭时间下，接力器开腔油液要全部经过主配压阀流回油箱，因此主阀衬套与主阀活塞之间所形成的最大过流窗口只要满足这个流量需求即可。根据主配压阀调节规律，为满足机组不同工况、不同流量需要，窗口形状定为梯形。考虑适当余量，即要求主阀活塞从中间位置向下移动全行程80%时，主阀活塞与主阀衬套的相对位移所形成的窗口应能在可接受的压差下通过系统最大的流量，即紧急关闭流量。

接力器及主要参数：接力器容积10 L，合同要求的最快关闭时间5 s，窗口个数为2个，结合L-TSA46号汽轮机机油特性参数计算过程如下：

接力器按最短时间关闭时最大流量P1为：

按照薄壁孔口的流量公式，反求出所需要的过流面积AT为：

单个窗口的过流面积AT1为：

其中Cq为流量系数取0.61，主阀前后压差ΔP取 1 MPa[7]，流体密度：850 kg/m3。

窗口长短边比例（即梯形上下边长度比例）选为0.45，主阀活塞轴向行程为8 mm（全行程为10 mm），梯形窗口高度选为7 mm[9]。根据梯形面积公式计算结果如下：

窗口长边（底边）为5.71 mm，短边（上边）为2.6 mm。实际开窗口尺寸取梯形底边长为6 mm，上边为3 mm。图6左侧为主阀衬套外形图，右侧为窗口加工尺寸放大图。

5.2 主阀最大漏油量计算

主阀漏油量最大时发生在主阀活塞处在中间位置，接力器固定不动时。此时主阀活塞的2个大外圆盘与主阀衬套2个流量控制窗口相重合，因活塞圆盘的厚度大于衬套窗口的长度，因此会密封住衬套上的流量控制窗口（见图6）。压力油会从活塞与衬套形成的圆柱形配合间隙中流出，成为主阀漏油量的主要来源。主配压阀漏油量是主阀一个重要的性能参数，漏油量过大，会造成系统压力损失巨大，油泵频繁启动向系统中注入压力油。

图6 主阀衬套外形及窗口加工尺寸图

下面结合所设计的DN50的主配压阀尺寸参数，计算该阀的漏油量，并根据试验，来验证计算方法的正确性。主阀活塞与衬套之间的配合为φ50 H6/g6。查阅手册，并结合液压油参数（常温25°），根据流体力学中平行平板缝隙流量（压差流量）计算公式，主配压阀活塞与衬套在开、关腔两个缝隙总的泄漏量计算如下（参数带入按活塞和衬套加工尺寸为允许的最大偏差考虑）：

其中b为缝隙宽度，h为缝隙高度，l为缝隙长度，μ为20℃时46号汽轮机油的动力粘度，ΔP为缝隙两端的压力差取为6.3 MPa。

根据计算结果并考虑计算、试验条件和所选参数误差，设计图纸中要求最大泄漏量不超过1 L/min（按照10%余量取值），实测值为0.352 L/min（测试温度19.2℃）。

6 系统主要试验结果

调速系统试验过程和检验标准根据GB/T 9652.1-2007《水轮机调速器与油压装置技术条件》、GB/T9652.2-2007《水轮机调速器与油压装置试验验收规程》和南网公司关于调速器相关技术规范进行。调速器实训平台按要求进行了调速系统全部功能和性能试验，为突出系统重点，这里只介绍了调速系统静态特性和甩满负荷试验并对照标准进行了分析。图7和图8分别为调速器静特性和甩负荷的试验曲线。

图7 静态特性测试

图8 甩满负荷测试

6.1 静特性测试结果

实测的系统转速死区ix%为0.001，线性度误差ε%为0.003。满足国标中规定的调速器静态特性曲线近似为直线和静态特性转速死区ix%不超过0.02%（大型电调）的调节要求[10]。

6.2 甩100%时的测试结果

图8中，红色曲线为机组仿真频率，蓝色为导叶接力器开度曲线。实测的调节时间Te近似为Te=49.2-4.5=44.7 s（定义为从机组甩负荷时起到进入空载转速的相对偏差小于±1%为止的时间），峰值时间Tm近似为Tm=18.2-4.5=13.7 s（定义为从调速器甩负荷开始至机组转速升至最高转速所经历的时间），（国标和 IEC 要求）。波峰个数A（定义为机组超过稳态转速3%额定转速以上的波峰次数）为1＜2（国标和IEC要求）。

7 结论

水电站调速系统安全性和稳定性对机组运行十分重要，因此对员工培训和考核的要求也就非常高。分析调速系统实训平台的各功能试验结果并根据业主的实际使用效果，这套调速系统实训平台与真实水电机组的运行情况基本一致，符合国家标准对调速系统调节品质的要求，可方便地模拟各种水电站调速系统机械、液压和电气系统故障，对员工进行调速系统各层次理论和应用技能的培训、考核。未来，可在该套系统中加入事故关闭、接力器多段关闭、多速度开启（重点针对抽水蓄能机组开发）和机组过速保护等功能，各功能拟采用模块化设计方法，根据不同机组情况，方便的实现调速器功能组合，更好的达到针对性的培训、考核目的。