贯流式水轮机调速器的机械结构和液压系统设计

王志力，朱廷忠，陈智勇，席 波，贾小平

（中国东方电气集团有限公司东方电气自动控制工程有限公司，四川 德阳 618000）

调速器作为水轮发电机组的重要辅助设备，其性能直接影响并网的供电质量及水轮发电机组的稳定、安全和经济运行［1］。近年来，随着现代液压控制技术的不断发展，我国的水轮机调速器在机械结构和液压系统设计方面取得了不少进展。

在水轮机调速器机械结构设计方面，通过在国外卧式主配压阀上加装定中缸，实现了主配压阀的纯手动操作和自复中功能。这种改进的主配压阀已应用于我国的大型电厂，如三峡右岸电厂，并取得了较好的效果。但是，这仅仅是对进口主配压阀进行局部改造，长期使用后发现这种主配压阀在开启、复中和关闭过程中，因需在控制油腔和定中缸之间进行来回切换操作，导致调速器液压系统复杂，不利于实现精确的手动控制［2-3］。近年来，开始采用“步进电机+位移丝杆”组合来研制步进式无油自复中主配压阀或弹簧对中主配压阀，但前者存在因电机惯性大而导致的位移精度不高、控制困难等不足，后者存在因弹簧疲劳破坏和弹簧力远小于液压力而导致的弹簧卡阻等问题［4］。

在水轮机调速器液压系统设计方面，出现了采用液压数字逻辑或比例插装技术的数字式调速器，其利用脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）技术来实现对插装阀和快速开关阀的逻辑控制。目前其已取代采用电液转换器和主配压阀的调速器。但上述控制方式的理论研究和实际应用较少，且在实际应用中还会出现高速开关阀发卡等问题。限于控制器硬件和液压元件的发展水平，数字式调速器的控制精度和稳定性还需进一步观察［5-7］。此外，部分调速器液压系统是根据水轮发电机组不同运行工况下的大、小波动来进行控制的：大波动时采用插装阀，以满足接力器活塞杆快速运动时的流量要求；小波动时采用比例阀，以满足接力器活塞杆的位移控制精度要求。但这种液压系统因小波动时所能提供的液压驱动功率有限，目前只适用于小型水轮发电机组［8-10］。

因受到其他国家水轮机调速器液压系统设计理念的影响，我国水电站常在水轮机调速器液压系统中设置事故配压阀。近年来，事故配压阀多采用插装阀加先导控制阀来实现主要控制功能，但这种方法所需的插装阀数量较多且控制逻辑相对复杂。随着机械加工工艺和装配技术的不断优化，滑阀的内泄漏和活塞卡阻问题得到了较好的解决，在水轮机调速器液压系统中使用滑阀式事故配压阀的逐渐增多［11-12］。

贯流式水轮机的固有特性使其调速器在机械结构、液压控制和安装方式上与其他型式的机组有所不同［13］。结合目前国内外调速器液压系统、主配压阀和事故配压阀的特点，以重庆潼南水电站的贯流式水轮机调速器为研究对象，对其机械结构和液压系统进行设计，旨在为各型水轮机调速器的设计提供参考。

1 调速器机械结构的设计要求

涪江干流梯级渠化潼南航电枢纽工程位于重庆市潼南区境内，处于涪江下游河段，距离潼南区涪江大桥下游约3 km。该项目的航道等级为内河Ⅴ级，工程等别为Ⅱ等，工程规模为大（2）型。该枢纽工程的布置方案为左厂房右船闸，电站采用河床式厂房，共设置3台灯泡贯流式水轮机，总装机容量为42 MW，额定转速为83 r/min，转轮直径为6.20 m。

贯流式水轮机调速器液压系统主要由导叶、桨叶控制阀组，导叶、桨叶主配压阀，过滤器，集成式事故配压阀以及导叶、桨叶接力器等组成。其中，导叶、桨叶控制阀组采用双冗余配置方式，当调速器液压系统的自动控制部分出现故障时，可通过手/自动切换电磁阀自动切换至机械手动状态。在手/自动操作模式的互相切换过程中，接力器移动量应符合相关国家标准的规定。此外，主配压阀应设有接力器最快开启/关闭时间的调整机构，以使接力器的开启/关闭时间能够实现连续单独可调，从而满足贯流式水轮机组的调节保证设计要求。同时，主配压阀还应具有自复中功能。

另外，贯流式水轮机调速器液压系统应设有导叶分段关闭和事故保护装置。潼南水电站的贯流式水轮机在导叶关闭方向设有重锤，在水轮机大轴上装有机械过速保护装置，以实现对水轮机组过速或调速器失灵时的多重保护功能。事故配压阀应满足以下条件：1）在事故停机电磁阀或机械过速保护装置动作后，导叶接力器的开、关腔同时通回油，使得导叶在关闭水力矩和重锤的作用下关闭；2）在调速器油压装置失压的情况下，能够利用事故配压阀将导叶接力器开腔中的油液排出，使得导叶仍能在关闭水力矩和重锤的作用下关闭；3）在利用调速器关闭导叶时，导叶接力器关腔通压力油，开腔通回油，使导叶主要在压力油产生的力矩的作用下关闭，此时重锤为辅助关闭手段。

不同水轮机制造厂的贯流式水轮机在导叶关闭方式上有所不同。国外公司对重锤的要求是无论水轮机组处于何种工况，均可依靠重锤自身重力和关闭水力矩实现导叶按照水轮机组的调节保证设计要求关闭。在导叶关闭过程中，导叶接力器关腔不通压力油，开腔通回油。这种关闭方式能够简化调速器的液压系统，降低对导水机构的强度和刚度要求，同时降低对导叶接力器及安装基座的受力要求。

另外，其他一些水轮机制造厂的贯流式水轮机导叶关闭方式为：当水轮机通过调速器正常关闭导叶时，导叶接力器关腔通压力油，以提供液压力关闭力矩，重锤仅起辅助关闭作用；当水轮机导叶非正常关闭时，导叶接力器关腔不通压力油，此时靠重锤和关闭水力矩仍能关闭导叶。但是，这种导叶关闭方式会增大调速器液压系统的设计难度，尤其是事故配压阀，此外导叶主配压阀也需对导叶接力器关腔进行通压力油或回油控制，致使整个调速器的机械结构和液压系统变得复杂，控制环和接力器的相关力学参数增大。另外，这种导叶关闭方式会使设置重锤的安全冗余过大，导致贯流式水轮机组的制造、加工和安装成本增加［14］。

2 调速器液压系统及主要机械元件

潼南水电站的贯流式水轮机调速器机械柜内部结构如图1所示。导叶、桨叶控制阀组和主配压阀安装在阀板上，阀板内部设有连通控制阀组和主配压阀的控制油路，通过阀板实现了两者的固定和连接，其作为一个整体放置在调速器机械柜内。调速器机械柜安装在回油箱面板上，以便对各机械元件进行检修。

图1 贯流式水轮机调速器机械柜内部结构Fig.1 Internal structure of mechanical cabinet of tubular turbine governor

调速器液压系统的主操作油路与控制油路分开设计，进入接力器开、关腔的操作油通过主配压阀从压力油箱中引入，控制油从进入主配压阀前的压力油路上单独引出，经过滤器后再进入导叶、桨叶控制阀组。图2所示为贯流式水轮机调速器处于自动控制状态时的液压系统图，此时主配压阀位于平衡状态，接力器活塞杆可固定在任意运行位置。

图2 贯流式水轮机调速器处于自动控制状态时的液压系统图Fig.2 Hydraulic system diagram of tubular turbine governor under automatic control

以控制导叶接力器的液压系统为例，简要介绍调速器液压系统的油路。调速器液压系统的主操作油由压力油箱提供，压力油经导叶主配压阀、集成式事故配压阀和分段关闭装置后进入导叶接力器，导叶接力器的回油经事故配压阀和分段关闭装置、导叶主配压阀后回到油箱。控制油从压力油箱中引出，经过滤器过滤后分别进入导叶伺服比例阀SV11、SV12（自动控制回路），导叶手动操作电磁阀EV13（手动操作回路）和紧急停机电磁阀EV01（紧急停机控制）。导叶控制阀组各元件的回油全部由阀块回油口流回油箱。下面对调速器液压系统中的主配压阀以及集成式事故配压阀和分段关闭装置的结构和功能进行详细分析。

2.1 主配压阀的结构与功能

主配压阀主要由活塞、壳体、衬套、辅接壳体、辅助控制部件和流量反馈装置等组成，其剖面图如图3所示。其中：辅助控制部件包括开、关机时间调节螺母（用于限制活塞上、下移动的距离，以调整活塞阀盘与衬套控制窗口形成的过流间隙的面积，从而调节接力器的最快运行速率），活塞防自旋锁定螺杆和活塞位移传感器等；流量反馈装置包括反馈阀活塞、反馈阀衬套和手动定中调节螺杆等，即图3所示的点画线框内部分。在壳体、衬套和辅接壳体上开有操作油、控制油和回油的流道，将各油口分别接主配压阀各功能腔，以实现主配压阀的集成化装配，避免管路渗漏。

图3 主配压阀剖面图（活塞处于中间平衡位置）Fig.3 Sectional view of main distributing valve(piston in the middle balance position)

主配压阀采用活塞中位密封方式，当活塞处于中间位置时，利用活塞的上、下阀盘来实现对主配压阀衬套控制窗口的密封。活塞与衬套的配合精度应在既保证活塞可灵活地上、下运动且不发生卡阻，又避免较大杂质进入配合面的前提下进行选择。主配压阀的搭接量（活塞阀盘厚度与衬套控制窗口高度之差的一半）应满足主配压阀密封性能与动态响应的双重要求。通过对比国内外卧式与立式主配压阀的应用效果发现，立式主配压阀在使用上更具稳定性［15-16］。

主配压阀的液压结构类似于一个三位四通伺服阀，其活塞在与辅助壳体和衬套的内壁配合下分出上、下两个腔室。上腔为恒压油腔，通来自压力油箱的压力油；下腔为控制油腔，通来自控制阀组的手动或自动控制油。下腔的有效作用面积约为上腔的2倍，即当主配压阀的活塞处于中间平衡位置时，控制油腔的压强约为恒压油腔的一半。主配压阀活塞的驱动力由上、下腔的压力差提供，同时液压驱动力可将进入活塞与衬套配合面的细小杂质挤碎，避免活塞因异物存在而频繁发生卡阻，即在液压驱动力的作用下，可认为活塞卡死的概率很小［17］。要实现上述结构设计，需满足以下2个前提条件：一是活塞与衬套采用高精度间隙配合且表面粗糙度小，以保证仅微小杂质可进入配合面；二是相配合零件的表面硬度大，以保证其具有高抗磨性，表面不易划伤。主配压阀活塞的恒压油腔与控制油腔位于活塞的中部且位置较近，且活塞的两端具有导向作用，减小了活塞运动过程中的侧偏及由此引起的磨损［18］。

主配压阀中流量反馈装置的作用是：当主配压阀处于手动操作状态时，能够基于流量负反馈原理实现主配压阀的自动复中；当主配压阀处于自动操作状态时，能够跟踪主配压阀活塞的位移，实现接力器手/自动操作的无扰动切换。流量反馈装置集成在主配压阀的活塞上，位于活塞上端中心开孔处，有效利用了活塞的内部空间，在整体上减小了主配压阀的高度。反馈阀衬套与主配压阀活塞靠压紧螺母固连，反馈阀活塞采用差压式悬浮结构，依靠手动定中调节螺杆的调节可实现反馈阀活塞对反馈阀衬套控制窗口的封闭，从而使主配压阀处于手动操作状态时活塞能稳定在中间平衡位置处。

流量反馈装置类似于一个三位三通位置伺服阀。下面以手动开启导叶接力器为例，分析流量反馈装置的工作原理。图4左侧为手动开启导叶接力器时调速器的液压系统图（不含自动控制部分），右侧为主配压阀液压系统（左侧点画线框内）的局部放大图。

当手动操作电磁阀处于图4右侧所示工位时，压力油经导叶手/自动切换电磁阀、导叶手动操作电磁阀、液控单向阀（导叶手动用）、导叶手/自动切换换向阀和紧急停机换向阀后进入主配压阀活塞下端的控制油腔，活塞在压差的作用下向上移动，导叶接力器向开方向运动。在活塞向上移动的同时，与活塞固连的反馈阀衬套也向上移动相同距离，反馈阀处于上端工位，此时通过手动操作电磁阀的压力油一部分进入主配压阀活塞的控制油腔，另一部分通过流量反馈装置回油，以减少进入控制油腔的压力油量。主配压阀向上移动的距离越大，通过流量反馈装置的回油流量越大，即负反馈作用越强。当手动操作电磁阀线圈失磁并在其两端对中弹簧的作用下迅速回中时，主配压阀活塞并未回到中间平衡位置，此时活塞控制油腔内不再有压力油进入，但仍通过反馈阀衬套控制窗口回油。在主配压阀活塞恒压油腔压力油的作用下，活塞与反馈阀衬套一起迅速向下移动，直到活塞回到中间平衡位置后，反馈阀衬套和主配压阀衬套的控制窗口同时封闭，至此负反馈作用结束，主配压阀活塞处于中间平衡位置，导叶接力器停止向开方向运动。因流量反馈装置的存在，在导叶接力器手动开启结束后，可以利用流量负反馈作用来使偏离中间平衡位置的主配压阀活塞迅速回中。当导叶主配压阀处于自动操作状态时，流量反馈装置虽不发挥作用，但其会根据主配压阀活塞的的位置形成负反馈液压流量信号，以实时反馈与活塞移动方向相反的流量信号，且负反馈液压流量信号的大小与活塞偏离中间平衡位置的距离成正比，这可实现在主配压阀处于自动操作状态时仍然能够跟踪手动操作状态，以及在手/自动操作切换时导叶接力器的移动距离符合国家标准的目的。手动关闭导叶接力器与开启时的控制相反，本文不再重复。

图4 手动开启导叶接力器时调速器的液压系统图Fig.4 Hydraulic system diagram of governor during manual operation of guide vane servomotor

2.2 集成式事故配压阀和分段关闭装置的结构与功能

调速器控制导叶接力器时集成式事故配压阀和分段关闭装置的液压系统图如图5所示，图中所有元件集成安装在1个阀块内。其中：节流阀JL31用于调节分段关闭时导叶接力器的第2段慢关速度，节流阀JL32用于整定事故配压阀动作后导叶接力器的关闭速度。事故配压阀HV32是一个两位六通液控换向阀，其活塞两端设有液压力作用面积不等的换向用控制油腔：左端通恒压油，作用面积小；右端通控制油，作用面积约为左端控制油腔的2倍，右端控制油的通断由事故电磁阀EV31和机械过速保护装置的换向阀串联控制。当事故电磁阀或机械过速保护装置动作后，右端控制油腔通回油，在左端控制油腔内恒压油的作用下，事故配压阀活塞实现换向，此时，导叶接力器开、关腔的油液经事故配压阀汇流后，通过同一根回油管回到油箱。当整个调速器液压系统失压时，靠左端弹簧力推动事故配压阀活塞换向，仍可实现导叶接力器开、关腔同时回油，导叶在关闭水力矩和重锤的共同作用下关闭。当事故配压阀未动作时，导叶接力器受主配压阀控制，其关腔通压力油，导叶主要在液压力关闭力矩的作用下关闭。

通过上述分析可知，在贯流式水轮机组停机时，事故配压阀对导叶接力器关腔有通压力油或回油两种不同功能，可分别实现主配压阀关闭导叶和事故配压阀动作后靠关闭水力矩和重锤共同作用关闭导叶的功能，同时也满足了在整个调速器液压系统失压时导叶仍能关闭的要求。分段关闭电磁阀EV32接收贯流式水轮机组监控系统的控制信号，将液压控制信号作用于分段液控换向阀HV31的两端，实现导叶的分段关闭。

图5 集成式事故配压阀和分段关闭装置的液压系统图Fig.5 Hydraulic system diagram of integrated accident distributing valve and sectional closing device

3 主配压阀的选型与设计

贯流式水轮机调速器液压系统是典型的闭环控制系统，在PID（proportion integral differential，比例积分微分）控制策略和控制参数完全一样的情况下，其实际控制效果仍可能有巨大不同，这主要是因为液压执行和操作机构的结构或通径不同，这些机构对调速器调节性能的影响远超过PID参数的影响［19］。因此，液压机构间的匹配性是调速器调节性能的重要保障［20-21］。

3.1 调速器的布置型式

潼南水电站的贯流式水轮机调速器及油压装置采用分体式布置，其组合型式为“电气柜+压力油箱+回油箱（含调速器机械柜）”。回油箱悬挂布置在发电运行层楼板上，调速器机械柜安装在回油箱上，调速器液压系统进出油管设在回油箱底部。表1为潼南水电站贯流式水轮机导叶接力器的相关参数。

3.2 主配压阀的选型计算

主配压阀的选型要求为：主配压阀的最大流量应满足接力器开、关时间的要求；主配压阀的压力损失在合理范围内且主配压阀活塞的最大工作行程（即活塞阀盘与衬套控制窗口所形成的过流间隙的面积等于有效过流面积A时所对应的活塞位移）应合理，一般占受限于机械结构的活塞总行程的80%［22］。设计主配压阀活塞最大工作行程时主要考虑以下2个方面：1）主配压阀活塞工作行程应尽可能大，使得活塞在移动单位距离时产生的操作流量减小，提高对导叶接力器活塞杆的位移控制精度，从而满足调速器在小波动调节时的控制要求；2）便于对主配压阀开、关机时间进行机械式整定。一般情况下，初步设计阶段得到的导叶接力器最快关闭时间偏保守，现场试验后最终整定的导叶接力器最快关闭略长些，同时考虑到主配压阀活塞的行程要留有一定的余量，故将主配压阀活塞的最大工作行程设定为活塞总行程的80%左右较为合适［23-24］。

表1 导叶接力器相关参数Table 1 Related parameters of guide vane servomotor

基于孔口流量公式，根据主配压阀压降和流量的关系，并综合考虑压力损失以及调速器的最优输出功率，提出一种主配压阀选型设计方法。基于表1所示的导叶接力器相关参数，以导叶主配压阀为例，对其进行选型设计。导叶主配压阀的选型设计需满足导叶接力器最快关闭时间对应的流量要求。研究表明，为使调速器的容量与导叶接力器操作功相匹配，保证调速器在最优输出功率区间内运行，应使其液压系统的总压力损失占额定压力的15%～25%［25-26］。

导叶主配压阀的选型计算过程如下。

1）导叶接力器的最大流量Q为：

2）操作油管路通径Dmin（操作油管路内油液最快流速不超过5 m/s）为：

查询钢管尺寸标准发现，满足式（2）要求的最小钢管的通径为DN80（尺寸为∅89 mm×4.5 mm），该钢管的内径D=80 mm，大于67.53 mm［27］。

3）操作油管路内油液实际最大流速v为：

4）操作油管路的沿程压力损失Δpf为：

5）操作油管路的局部压力损失Δpr为：

式中：ξ为局部阻力系数，因主要考虑主操作油管路上弯头、阀门等处的局部压力损失，取ξ=20。

6）操作油管路的总压力损失Δpz为：

7）衬套控制窗口的有效过流面积A（开、关腔一致）为：

式中：Cd为流量系数，取Cd=0.62；Δp1为阀盘压降，由于1个导叶主配压阀有2个阀盘，故Δp1为导叶主配压阀压降Δp的一半，Δp=pmin-pr-Δpz=6.0000-4.8000-0.2159=0.9841MPa，故 Δp1=0.5Δp=0.4921MPa。本文取pmin=6.000 0 MPa主要是考虑到油泵启动压力（即正常工作油压下限）为6.000 0 MPa，若油压装置部分（包含压力油箱和油泵）正常工作，则调速器液压系统正常工作压力不会低于6.000 0 MPa。根据导叶主配压阀的直径、流量和衬套控制窗口有效过流面积的对应关系可知，导叶主配压阀通径为DN80时，可满足导叶接力器最快关闭时间的要求［25，28］。

8）导叶主配压阀及操作油管路的最大压降占比η为：

由此可知，导叶主配压阀及操作油管路的总压力损失为额定压力的19%，在调速器最优输出功率范围内。故根据导叶接力器最快关闭时间和调速器最优输出功率，选择导叶主配压阀的通径为DN80。

3.3 主配压阀衬套控制窗口的形状分析

主配压阀衬套控制窗口的开孔尺寸和形状的选择对调速器的调节性能至关重要。对主配压阀衬套控制窗口的设计要求是：在调速器进行小波动调节时，能实现对接力器活塞杆位移的精确控制；在调速器进行大波动调节时，满足接力器最快关闭时间的要求。同时，衬套控制窗口的开孔尺寸和形状应使主配压阀漏油量小和满足油泵启动间隔时间的要求。

综合比较主配压阀衬套控制窗口与活塞阀盘形成梯形、矩形、多边形和半圆形过流间隙时调速器的调节性能，最终确定衬套控制窗口与活塞阀盘形成梯形过流间隙时调速器的调节性能最优。在调速器进行小波动调节时，即活塞位移较小的情况下，由主配压阀衬套控制窗口与活塞阀盘形成的梯形过流间隙有效面积的变化率相对较小，可对接力器开度进行精确调节；当调速器进行大波动调节时，即活塞位移较大的情况下，主配压阀活塞阀盘移动到衬套控制窗口直边段内，使得过流间隙的有效面积快速增大，满足大波动调节时接力器的流量要求。另外，梯形过流间隙的有效面积变化率不同于矩形、多边形和半圆形过流间隙，当活塞移动时，前者有效面积的变化率在窗口衔接处不会发生突变，可保证接力器稳定运行。

考虑到调速器进行小波动调节时的精度要求，衬套控制窗口与活塞阀盘形成的梯形过流间隙的有效面积的变化率不宜过大，否则会导致操作油过流量变化过大，影响调速器的调节性能。同时，兼顾到调速器进行大波动调节时接力器的流量要求，衬套控制窗口与活塞阀盘形成的梯形过流间隙的上底边与下底边的最小长度比一般取0.5左右［26，29］。衬套控制窗口尺寸的选择可根据各水电站接力器的操作功进行调整。图6为适用于潼南水电站贯流式水轮机调速器的主配压阀衬套示意图，其中开腔与关腔的控制窗口的尺寸相同。

图6 主配压阀衬套示意图Fig.6 Schematic diagram of main distributing valve bushing

4 调速器现场性能试验及其结果分析

根据相关国家标准和潼南水电站对调速器的技术规范要求，开展调速器现场性能试验。

4.1 调速器静特性测试试验

调速器静特性测试试验的目的是检验调速器的转速死区和非线性度。按规定设置相应试验条件：贯流式水轮机蜗壳不充水，永态转差系数bp=6%，切除人工转速死区，调速器处于自动工况负载状态，转速调节模式；空载PID参数为Kp=2.5、Kd=0.3 s、Ki=3.5s-1；电气开度限制YL=100%；导叶接力器给定开度Yg=50%，给定功率Pg=0%，给定频率fg=50.00 Hz；机组频率fj=50.00 Hz；外接高精度工频信号发生器以模拟机组频率。调速器静特性测试结果如图7所示。

图7 调速器静特性测试结果Fig.7 Static characteristics test result of governor

由图7所示的调速器静特性测试曲线可知，实际测得的调速器转速死区ix=0.004%，非线性度误差ε=0.003%，满足国家标准规定的调速器静特性曲线近似为直线，非线性度误差小于0.1%，以及转速死区不超过0.02%的控制要求［30］。

4.2 调速器手/自动切换试验

调速器手/自动切换试验是检验主配压阀自动复中功能的重要试验，主要是测量调速器在不同运行工况下进行手动与自动操作模式切换时导叶接力器的位移变化量。测量方法为：在调速器处于停机、空载运行和发电工况下，操作调速器机械柜上的导叶手/自动切换旋钮，记录导叶接力器活塞杆的位移变化量。相关国家标准规定：调速器在不同运行工况下，导叶接力器进行手/自动操作模式切换时，其活塞杆位移变化量小于全行程的±0.5%。经试验测得，潼南水电站的贯流式水轮机调速器在不同工况下进行手/自动操作模式切换时，导叶接力器活塞杆的位移变化量分别为：停机工况下为全行程的0.11%，空载运行工况下为全行程的0.15%，发电工况下为全行程的0.12%，均满足要求。

4.3 水轮机组甩负荷试验

当贯流式水轮机组突然甩去负荷时，导叶需按照机组的调节保证设计要求关闭，这一过程会引起水轮机组工作参数的剧烈变化。水轮机组甩负荷试验是检验调速器调节性能的重要试验［31］。试验目的是测试水轮机组的蜗壳水压上升值、最高转速是否满足机组调节保证设计要求，对甩负荷过渡过程中调速器的调节性能进行考核。设置试验条件为：调速器处于自动工况负载状态，开度调节模式；PID参数为Kp=3.0，Kd=2.5 s，Ki=0.3s-1。分别在贯流式水轮机组负荷为25%，50%，75%和100%时进行甩负荷试验，结果如表2所示。

表2 贯流式水轮机组甩负荷试验结果Table 2 Results of load rejection test of tubular turbine unit

根据潼南水电站的水轮机组调节保证设计要求和相关国家标准，为防止蜗壳压力钢管受力过大，蜗壳水压上升率应不大于30%。实测发现，贯流式水轮机组甩100%负荷时，蜗壳水压上升率为20.71%。为防止水轮机组转速上升过快而触发电气保护和机械过速保护装置动作，导致事故停机，要求转速上升率不大于40%。实测发现，贯流式水轮机组甩100%负荷时，转速上升率为35.08%。为满足调节的快速性和稳定性，要求调节时间te与峰值时间tm的比值不大于8，超过3%额定转速的波峰次数不超过2次。实测发现，贯流式水轮机组的调节时间te与峰值时间tm的最大比值为6.88，出现在机组甩50%负荷时；在所有甩负荷试验中，超过3%额定转速的波峰次数均为1次。为防止水轮机组停机，要求甩负荷后机组的最低转速不低于额定转速的90%（即对应的频率不低于45 Hz），在调速器的控制策略上采用在水轮机组频率下降为50 Hz前将导叶开到空载开度。实测发现，贯流式水轮机组甩100%负荷时，最低转速对应的频率为46.12 Hz，机组转速在进入空载转速区域（空载转速的±1%）后，其频率未见超调，达到了调速器的最优控制状态。上述试验结果均满足相关国家标准的要求［30，32］。

5 结论

本文介绍了潼南水电站贯流式水轮机调速器的机械结构和液压系统，重点分析了具有自复中功能的主配压阀以及满足国内贯流式水轮机组关闭要求的事故配压阀的结构和功能。同时，根据调速器液压系统流量与压降的关系并考虑调速器的最优输出功率，提出了一种主配压阀选型设计方法，并对其衬套控制窗口形状进行分析。最后，对设计的调速器进行了现场性能试验，以验证其设计的合理性。得出的结论如下。

1）由现场试验结果可知，基于流量负反馈原理设计的主配压阀自复中功能是可行的；事故配压阀可满足潼南水电站贯流式水轮机组的关闭要求。

2）基于主配压阀的流量与压降关系和调速器最佳输出功率提出的主配压阀选型设计方法实现了调速器主配压阀和接力器操作功之间的匹配，进一步提高了调速器的调节性能。考虑到调速器的调节性能和主配压阀漏油量的要求，确定衬套控制窗口与活塞阀盘形成的过流间隙的形状为梯形。

使用重锤作为导叶接力器的主要关闭驱动力是未来的发展趋势，可避免材料浪费、简化调速器液压系统结构和优化水轮机组设计。今后将借鉴国外水轮机制造商对贯流式水轮机组关闭规律的设计理念，结合我国水电站的实际要求，研制出适用于大型贯流式水轮机调速器。