水电站调速器改造探讨

2021-11-02余小平

设备管理与维修 2021年17期

余小平

（四川九河电力股份有限公司，四川宜宾 644000）

0 引言

调速器按结构的不同，可分为机械液压型和电气液压型两大类。机械液压型调速器也称机械调速器（或机调），此类调速器测量、反馈为机械式元件；电气液压型又分为模拟电气液压型和数字电气液压型，测量和反馈是以电气量完成。模拟电气液压型调速器也称电气调速器（或电调），数字电气液压型也称为微机调速器（或微机调）。目前生产使用的基本都是微机型调速器。以混流立式机组的调速器改造为例，分析水电站调速器升级改造中应注意的问题。

1 前期资料收集工作

（1）机组信息。包含水头、额定流量和转轮直径，调速器厂家设计人员据此计算调速器工作容量调节功的大小。W=30Q，其中D1是转轮直径，H 为水头，Q 为流量。该公式源于德国，计算结果偏大，如各方面条件比较理想时可使用公式W=。而当调速功大于30 000 N·m 时属于大型调速器，调速器工作容量用主配压阀直径表示。

（2）确定调速器液压系统工作压力。按DLT 5186—2004《水力发电厂机电设计技术规范》要求，单机容量为50 MW（贯流式为10 MW）及以上的机组宜选用微机电气液压型调速器，调速系统应采用4.0 MPa 或以上的油压等级。目前，调速器液压系统压力多为4.0 MPa、6.3 MPa、16.0 MPa。有的业主担心压力太高会经常性出现渗漏油，危险性大，但目前的技术已很成熟，只要质量过关，装配工艺达到要求，一般不会出现渗漏，16.0 MPa 的油压系统在多行业生产中已运行多年，实践证明是安全可靠的。

（3）接力器型式的选择。接力器分为内置和外置两种型式，内置接力器布置在调速器柜内，要求调速器柜体较大，因此在电机层占较大空间；外置接力器布置在水轮机旁，压力源通过固定稳当的管路接入接力器腔，这种布置方式结构紧凑，检查、维护方便。

（4）压力源容器的选择。传统的压力源容器是油气无隔离混合的罐体（图1），采用外设空压机系统补气或自身油泵系统补气。这两种方式罐体较大，尚有外围设备和原件，维护困难，管路较长，漏气量也大，同时也增加了厂用电的消耗。目前普遍采用蓄能罐，罐体减小，内置储有一定压力的氮气胶囊，并可以在胶囊内压力不足时进行补气，整个罐体美观简洁，占用空间小。

图1 传统压力容器和内置式接力器调速器

（5）水轮机推拉杆端头空间尺寸。采用外置式接力器时，要满足在水轮机推拉杆端头位置具备接力器的安装空间。根据调速器厂家设计的接力器尺寸，不具备安装空间的应提前做好施工，保证养护期满足接力器的安装要求。使用的液压系统压力越高，接力器的制造尺寸则越小，这也是采用高油压的优点。图2为内置式接力器推拉杆端头（与调节大轴连接处）。

图2 内置式接力器推拉杆端头（与调节大轴连接处）

（6）水轮机推拉杆行程。该数据在水轮机设计图上能查到，调速器厂家根据这个数据进行接力器的设计制造，保证偏差在规范允许之内。

2 改造周期安排

水电站的检修、改造一般安排在枯水季节，而枯水季节的电价相对较高，为此，应考虑调速器的生产周期，计划好停机安装及调试的时间，以免造成经济损失。一般中小型调速器生产周期在50 d 左右，而在水源丰富的山区只有12 月和1 月有轮换机台的时间。正常情况下，一台新调速器安装及调试需要4～5 d，因此设备改造升级需要提前准备、统筹安排。

3 改造周期安排

（1）在调速器产品未到站点以前，根据调速器设计图纸，对新增的电气量做好电缆铺设。油泵控制回路一般都能利用原回路，但要注意校验原油泵动力电缆能否满足新油泵的功率要求，对拆卸的接线做好标记,了解其作用。

（2）根据新调速器设计图提前做好基础的预埋。这个过程涉及到运行机台和水源的调配，如果存在基础养护的，应充分考虑调速器到站时间及调试时间，尽量缩短该机台退运时间。

（3）如果发电机组进水前段装有进水蝶阀或球阀的，在水机紧急事故停机时，主阀（蝶阀或球阀）关闭，调速器能很好地调节控制机组转速不会过速。机组进水端未装主阀的，在紧急事故停机时则会关闭前池闸门，可能造成机组过速。但水机紧急事故一般出现在单机，不会所有机组同时出现，厂用电有保障。

（4）当一般事故造成机组出口断路器跳闸后，在较重负荷或满负荷情况下，如果调速器不能控制转速则会造成机组过速，这时候保护动作发令前池闸门关闭，机组直接进入停机状态。如果事故是网络引起，所有机组则可能因过速全部进入停机状态，从而失去厂用电，这是相当危险的极端情形。理论上，调速器关闭导叶时间是可以调整到极快而趋近于0，但考虑压力钢管的水锤压力对钢管和相关金属结构的影响，同时考虑尾水锥管真空度对水轮机的影响，导叶关闭时间要通过调节保证计算来确定。由于是升级改造，电站运行多年，压力钢管和相关金属结构、水工建筑的运行工况不如新投运时工况，因此调节调速器的关闭时间是必须要重新考虑的问题。

参考一些实际案例，认为可采取两个途径解决：①重新请设计单位进行调节保证计算。这需要提供许多相关原始资料，最后也还是要通过现场试验看是否满足相关规范而保证安全运行；②直接通过现场试验来确定调速器关闭时间。在各项参数设置完毕后进行甩负荷试验，甩负荷按25%的额定负荷递进，观测并记录转速、压力钢管压力、尾水真空度。

依据DLT 5186—2004《水力发电厂机电设计技术规范》要求:①机组甩负荷时的最大转速升高率保证值：当机组容量占电力系统工作总容量的比重较大，或担负调频任务时，宜小于50%；当机组容量占系统工作总容量比重不大，或不担负调频任务时，宜小于60%；水电站机组过速保护一般都是达到140%时动作，为此要保证最大转速升高率小于40%；②机组甩负荷时蜗壳（贯流式机组为导水页前）最大压力升高率保证值：额定水头小于20 m 时，宜为70%～100%；额定水头为20～40 m 时，宜为70%～50%；额定水头为40～100 m 时，宜为50%～30%；额定水头为100～300 m 时，宜为30%～25%；额定水头大于300 m时，宜小于25%。以额定水头40～100 m 时为例，表示40 m 水头时最大压力升高率为50%，100 m 水头时最大压力升高率为30%，水头越高，最大压力升高率要求要越小，同时应考虑留有适当裕度；③当机组突然增加或减少负荷时，压力输水系统全线各断面最高点处的最小压力不应低于0.02 MPa，不得出现负压脱流现象。甩负荷时，尾水管进口断面的最大真空度保证值不应大于0.08 MPa。

因是运行已久项目改造，可以在压力钢管上选择几段进行振动和摆度的测量，掌握第一手运行数据。目前，对压力钢管运行的振动和摆度值没有明确的规定。根据相关资料，建议振动值不大于D/1000 mm，D 为压力钢管直径，即，如果压力钢管直径为2 m，则其运行振动值不大于2 mm。

综上所述，项目改造需要调试人员根据实际试验情况设定参数，既要保证机组快速稳定转速，又要保证设备设施安全。调试中，有分段关闭的，同时可以利用拐点值和各段的关闭时间进行调节控制。