大峡水电站24.5 MW机组调速器机械优化改造研究

2020-08-04孙宝坤刘艳梅

水电站机电技术 2020年7期

孙宝坤，蒋伟，刘艳梅

（国投甘肃小三峡发电有限公司，甘肃白银730000）

1 引言

大峡水电站位于甘肃省白银市与榆中县交界处的黄河干流上，距兰州市河道距离65 km，为径流式电站。电站装有5台轴流转桨式水轮发电机组，其中1～4号机组装机容量为75 MW，0号机组装机容量为24.5 MW。

24.5 MW机组使用的WBST-100步进电机式微机水轮机调速器，已使用10余年，存在多种问题：元件老化严重、主配压阀动作迟滞、机械式反馈信号不稳定等。近几年来，多次发生调速系统故障，严重影响了机组的安全运行和发电效益，也给运行检修人员带来很大负担。电站对调速器进行了全面的技术改造，本文通过研究总结本次改造中积累的机械优化经验，为其他电站的调速器改造提供参考。

2 原调速器介绍

2.1 工作原理

WBST-100式调速器于2002年技术改造后投入运行，电气部分由A系列PLC控制器实现，电气-机械/液压转换则由步进电机实现。电气信号指令发出后，步进电机带动主配引导阀实现先导控制与电液转换，再通过机械杠杆结构驱动主配压阀活塞控制油路，从而驱动接力器。导叶反馈信号通过接力器与机柜连接的机械杠杆结构输送，桨叶接力器则由反馈钢丝绳完成。

2.2 存在缺陷

原调速器存在的缺陷，总体来说是由两方面原因产生的。

（1）由于就调速器使用时间较长，所使用的相关技术已经逐步落后，故障率逐增趋势明显，具体表现为以下几点：

1）主配传动方式为步进电机转动牵引与其相连的机械杠杆，进而带动主配压阀活塞运动控制接力器，复杂的机械结构导致主配存在动作迟滞问题。

2）机械杠杆结构导致机械零位调节复杂繁琐、二段关闭控制功能由机械凸轮实现，导致二段关闭时间调节困难，大修后占用较长调试工期。导叶及桨叶信号反馈装置均为机械式反馈，反馈信号滞后。

3）原机柜使用时间长，各元件老化严重。实现电液转换功能的关键元件步进电机时常发卡，造成机组溜负荷、无法正常开停机等故障。且由于控制通道单一，一旦步进电机出现问题，必须停机检修，给机组带来安全隐患。

4）事故配压阀、事故油罐补油装置、油源切换阀等功能阀组集成化程度低，需配置外接控制油路和电磁阀才能完成其功能，导致现场控制油路复杂冗长。

（2）管路布置存在的缺陷。根据多年使用经验，旧系统油路部分设计思路可以进行革新，适应机组的实际需求；且管路、阀门、管路支架的布置可以进行优化，增强调速器的稳定性，方便调速器的检修与维护。

3 机械优化改造方案介绍

此方案总体上结合本次调速器技术改造，根据旧调速器机械方面存在的具体缺陷，进行针对性的设计优化，主要包括选用新的调速器及配套的功能阀组、重新设计部分油路并优化管路与阀门布置等内容。

3.1 新调速器液压原理简介

根据机组实际情况进行选型，并经公开招标后，新调速系统选用长江能事达生产的WST-100型调速器。新调速器机柜采用机电合柜结构。调速器总体由PLC微机调速器及机械液压系统构成，电液转换功能由比例伺服阀实现。

液压系统原理如图1所示，调速器中源自供油装置的主压力油，分为两路，一路为操作油，进入主配压阀的控制腔，以及主配压阀的恒压腔；一路经过双精油滤器输出控制用油。进入主配压阀活塞恒压腔的压力油，始终具有推动主活塞向关闭方向运动的力。经过双精滤油器的洁净油，一路依次经过比例伺服阀A或比例伺服阀B、A/B套切换阀、手/自动切换阀、紧急停机阀到主配压阀的控制腔。另一路经过引导阀、手/自动切换阀、紧急停机阀到主配压阀的控制腔。

图1 液压系统原理图

自动状态下，电气机柜中的控制模块发出信号后，通过比例伺服阀输出压力信号油进入主配压阀控制腔，从而控制主配压阀活塞运动输出压力能，来驱动接力器。另外，此套调速器也可以在手动条件下直接使用手操机构驱动引导阀上下运动，通过主配压阀液压放大输出压力能，来操纵接力器。

3.2 液压系统优化内容

（1）新调速器中，主配压阀是一种带有辅助接力器的、液压控制式的主配压阀，其上端预留了比例伺服阀、手自动切换阀、紧急停机阀等功能阀组的接口，集成化成度高，由比例伺服阀或手操机构控制的主配活塞动作迅速，无滞后问题。

（2）新调速器主配上有调零螺杆，机械零位调节简单快捷；原调速器的二段关闭控制功能由机械凸轮装置改为监控电气信号实现，不再需要手动调节；取消机械导叶和桨叶的机械式反馈装置，改为电气传感器反馈，反馈信号良好。

（3）新调速器的电液转换功能元件由步进电机改为比例伺服阀。比例伺服阀有4个工作位，通常使用其开、关、停3个工作位，第4个工作位为失电关机工作位，能够充分保障机组安全。同时，为确保机组停机，配备了2套阀组和切换阀形成双通道，可任意切换使用，使调速器可靠性大大增强。同时，在手动状态时，直线位移转换器装置能够完全实现对接力器的手动控制。

（4）事故配压阀、二段关闭装置及事故油罐补油装置均采用集成化程度高的新式阀组，阀组上留有电磁阀接口，只需接入控制油，便可以实现阀组功能，不再需要专门外接控制油路和电磁阀，大大简化了油路。

3.3 系统管路布置优化内容

旧调速系统管路布置方式总体上比较合理，但受当时技术限制，仍存在一些不足，新调速器管路设计时，着重分析了不足之处，进行了改进。

（1）旧调速器从油源多样性考虑，在系统中设置了油源切换阀，在工作油罐油压不足时，切换至事故油罐保证系统压力油的稳定性，而油源切换阀使机组油路的复杂程度大大增加，故障率颇高。根据机组多年的运行经验：低油压发生几率极其微小；调速器的电气保护能够有效避免低油压的发生；即便发生了低油压，事故配压阀也能够保证机组正常停机。鉴于上述原因，取消油源切换阀。

（2）根据多年经验，事故油罐油源可靠性更高，将各功能阀组的控制用油全部改从事故罐侧主供油管路上取，当出现工作油罐油压不足的情况时，机组的事故停机功能和关机时的二段关闭功能将不受到任何影响，充分保证机组的安全。

（3）主要截断阀和控制油阀位置、高度及方向设置不合理，不利于人员操作。新调速器中，重新布置主油路和控制油路阀门位置，设置合理高度及方向，方便运行人员操作。

（4）部分旧管路支架设置不合理，无法有效减缓管路震动，导致管路受损漏油。根据主操作油路走向分析管路震动特点，重新设置管路的支吊架，减轻调速器动作时的管路震动，减少管路本体及密封面因震动造成的损害。

4 优化改造后的效果

技术改造完毕后，导叶开、关机时间、二段关闭时间等数值整定结果均符合调保计算的要求。对新调速器进行的人工频率死区检查、导桨叶协联关系试验、静特性试验、动态试验等各项试验，结果均满足相关标准的要求。

经过机械优化改造后，原调速器存在的问题得到了解决。投入使用的1年里，新调速器的主配压阀、比例伺服阀、事故配压阀、二段关闭装置等功能阀组性能优异；反馈信号及时准确；调速器调节性能良好，机组运行稳定可靠，未出现溜负荷现象。调速器层的管路及支架布置合理、有序、简洁；接力器动作时，各处管路震动较轻，稳定性良好，无任何渗漏情况；各阀门高度位置合理，运行人员操作方便；检修期间，调速器检修工作量和维护难度大大降低，极大地节约了检修工期。