冲击式水轮机专用调速器的特点与应用

杨坤

(中国水利水电第七工程局有限公司机电安装分局，四川彭山 620860)

冲击式水轮机专用调速器的特点与应用

杨坤

(中国水利水电第七工程局有限公司机电安装分局，四川彭山 620860)

介绍了冲击式专用调速器的特点和常见故障，叙述了安装了亚洲单机容量最大的冲击式机组的冶勒水电站的六喷六折调速系统的结构和试验情况。重点介绍了其结构新颖，控制先进，功能完备，可靠性高特点，为今后进一步运用大型冲击式专用调速器提供参考。

冲击式专用调速器;喷嘴;喷针;折向器;冶勒水电站

1 概述

冲击式水轮机适用于高水头、小流量的电站，它将来自压力管道的水经喷嘴后转换为高速射流，切向冲击转轮，推动转轮旋转而带动发电机转子转动发电。为了保证水轮发电机组能顺利地并网发电，必须配置调速器，其主要功能是在机组运行时，保持其输出的电能频率、电压稳定。通常，调速器是通过调节进入水轮机的水流量来实现这一目的的。对于冲击式水轮机来说，就是移动喷针以改变喷嘴的开度，从而改变水的流量。近年，调速器厂家研制出了冲击式水轮机专用调速器，并逐渐在水电站中开始应用。

2 配置冲击式水轮机专用调速器时的特点

冲击式水轮机专用调速器实际上是改进过的PLC型电液自动调速器，它以喷针及折向器数目来区分，可分单喷单折、双喷双折、四喷四折、六喷六折等类型。冲击式水轮机专用调速器与普通调速器的主要区别在于其输出的不是扭矩，而是压力油。由于冲击式水轮机是通过改变喷针的开度来改变其流量，且喷针是作直线运动的，因此，只要在喷针后设置1个接力器，控制压力油的进出方向，就能直接控制喷针的启闭，从而可以取消水轮机上的操作机构。为了让调速器减少过调节，使调节过程稳定，精确控制喷针的行程，需要设置1个位移反馈装置。

位移反馈装置通常有机械反馈和电气反馈两种。机械反馈是用钢丝或钢带将喷针的位移信号送到调速器的回复轴上，再通过调速器内部液压系统和电气回路共同作用，使主配压阀的活塞逐渐回到平衡位置，从而使喷针达到稳定状态;而电气反馈则是通过位移传感器或电位计等电子元件将喷针的位移信号转变为电压信号并反馈到PLC的A/D接口(模数转换接口)，将该数值与PLC内部的计算值进行比较，以决定喷针是开还是关。由于反馈电压的作用与频率偏差的作用正好相反，从而减缓了接力器的移动速度，减小了过调节，使调节达到平衡，进而保证机组稳定运行。目前，国内不同厂家生产的调速器采用的反馈形式各有特点，使用时可根据不同机组的具体情况，选择合适的反馈形式。

调速器的另一改进是其软件系统。大多数厂家的可编程逻辑控制器(PLC)采用面向硬件仿真编程、模块结构、变参数并联PID的调节原理，改变了以往采用梯形图、指令表等程序结构，其测频环节由PLC本身完成，无须单独设置测频电路，从而提高了测频环节的可靠性。也有厂家采用PCC(可编程计算机控制器)，它是将原PLC的标准功能和工业计算机的多任务操作系统集成在一起，配以数字阀随动系统，效果也不错。

例如，当双喷嘴机组配置调速器后，就可以取消水轮机上的凸轮连杆组合操作机构，在每个喷针后设置1个接力器，由压力油根据调速器指令直接控制喷针的启闭。由于调速器中有两套相同的液压随动系统，根据所选定的调速器反馈形式，在每个喷针后都设置相应的反馈装置，分别与一套液压随动系统相联;而折向器及其接力器由调速器中单独的1个电磁阀控制，它与喷针不再保持协联关系，在机组正常运行时，折向器始终处于全开状态，只有在关机或紧急停机时，接力器才动作，关闭折向器;至于上、下喷针如何动作、行程多少、折向器何时关闭等均由PLC中的程序通过控制压力油实现，这样应用使整个水轮机的结构变得异常简单，调节的可靠性也大大增强了。

3 冲击式水轮机专用调速器在应用过程中的主要故障成因

为了便于分析和处理，常将调速器系统的故障按引起原因归为两大类。一类是由调速器引起，亦称为内因引起的故障;另一类是由被控制系统引起的，称为外因引起的故障。

3.1 由调速器本身原因造成的故障

(1)运行不稳定。

①参数选配不当，如微分系数、比例系数过大都会引起空载的不稳定。

②机械性卡阻，如伺服电机卡阻、引导阀活塞不活，存在过大的运动间隙等。

③主配压阀及接力器漏油。主配压阀或接力器漏油往往是不对称的，致使接力器在没有信号作用的情况下向开或向关的方向缓慢移动，移过一定距离时引起反馈机构动作，接力器又较快地移回原位置。因此，由漏油引起的摆动往往是不等速的，也可能是不等幅的周期性摆动。

④测频部分故障。测频信号受到干扰，测频插件松动等引起不稳定。

⑤功放部分放大倍数过大等因素引起不稳定。

⑥油路临时堵塞或油路中存在空气。

(2)调速器操作控制不灵。

①机组增减功率缓慢。并列运行的机组在转速调整机构动作之后，接力器滞后一段时间才开大或关小，而且移动缓慢，不能及时动作。原因一般是由于放大倍数过小，主配压阀遮程过大，控制机构有间隙或传动杆存在缺陷等。

②溜负荷。机组在稳定运行中接力器自行关小(或开大)，造成出力缓慢变化，这种现象多数是由于引导阀或主配阀漏油或某侧油路阻力变化，导叶开启或关闭时间相差过多等原因引起的。

③机组间拉锯。并列运行的机组间负载分配关系不稳定。主要是因为机组分工不明确，体现在永态转差系数bp相差过小以及机组间灵敏度相差过大，表现为参数组合不同，形成两台机组速动性相差较多，在调速器转速死区较大时就容易出现拉锯现象。

④调速器失控。机组在运行中接力器突开或突关，也可能突然大幅度摆动，或者停在某位置不再动作。这些突然发生的失控现象可能是由下列原因引起:a.机频信号中断;b.反馈信号中断;c.主配卡死;d.油压下降;e.电液转换机构失灵等。

在处理这类问题之前，首先应当确定故障的属类，然后再进一步缩小分析和观察的范围，尽快找到故障的症结所在，以便对症下药，迅速排除。

在生产实践中遇到的问题往往很复杂，原因也很多，这就要求我们除认真掌握调速器的基本原理外，对各种故障的表现形式、检查方法及处理对策等都应有全面地了解。

3.2 由被控制系统原因造成的故障

(1)过水压力系统水压不稳定。

水轮机过水压力系统主要指压力管道，一旦发生水压波动，势必影响机组的运行，表现为接力器开度及机组出力呈周期性摆动。这样的摆动频率较低，但幅值可能较大，发生摆动时可观察到压力钢管明显的周期性摆动。为了判明水压波动是否是引起不稳定的主要原因，可将机组切换成手动运行，若手动状态下仍发生摆动，则是水压波动造成的不稳定运行的特征。

(2)水轮机运行不稳定。

例如，冲击式水轮机发生严重气蚀、转轮四周水力不平衡时，水轮机自身工作不稳定，调节系统也就不可能稳定运行。但是，由水轮机原因引起的不稳定现象往往随机组的工作参数变化，如低水头、低负荷时发生，或者在某个出力附近发生;水力不平衡引起的摆动则随出力的增加而加剧。为此，可在不同工况下检查接力器的摆动情况并加以分析。

(3)发电机运行不正常。

发电机若运行不正常，如三相负载不平衡，励磁装置工作不稳定也会造成机组运行不稳定，这种不稳定现象常随负载增加而加重。在开机过程中，如果达到额定转速，不励磁时接力器能稳定，一旦励磁，升电压就不稳定则明显是发电机及励磁装置方面的问题。

(4)信号源引起的故障。

目前有不少小型水电站采用发电机PT作频率信号源，有时会出现因PT本身质量问题或信号线没用屏蔽线或屏蔽层没接地等，从而引起调整系统的不稳定。这些故障表现为:空载时接力器大幅度波动且没有规律，并网时负荷波动。排除这些故障的方法是将调速器切为手动，观察机组是否波动即可。

4 冲击式水轮机专用调速器的应用

四川省南桠河上游的冶勒水电站采用法国ALSTOM两台CJT5317－L－260/6×21.8型冲击式水轮机，单机容量120 MW，为亚洲最大。电站采用GEC ALSTOM NEYRPIC公司生产的型号为Neyrpic1500可调节电液数字式调速器，调速器系统的主要技术特性:调速器的容量846 kN·m，操作油压6 MPa。喷针最大开口直径为283 mm，喷针总行程为233 mm，喷针开启时间为40 s，关闭时间为40 s。折向器开启和关闭时间均为2 s。调速器频率整定为±10%，永态转差为0～10%，转速死区为0.02%，接力器不动时间小于0.2 s。

该电站第一台机自投运以来，六喷六折冲击式调速器工作运行非常正常，其相关的各项技术指标均达到水轮机调速器与油压装置技术条件《GB9652－87》的规定要求，从而保证了水轮发电机的频率稳定、维持了电力系统负荷平衡并根据操作控制命令正确有效的完成了各种自动化操作，其具有以下特点。

4.1 结构先进、合理

该冲击式调速器液压控制系统由一个电气柜和装在一个回油箱上的六套相对独立的液压控制系统组成。调速器机械柜主要由总紧急停机电磁阀和六套相对独立的电磁液动换向阀、比例伺服阀、液控单向阀、双单向节流阀等液压元件组成。调速器电气柜采用可编程控制器，将输入、输出模块组合在一起集成在一个电气柜中，由CPU实时采集、整理、计算、输出电气控制信号，按照预先设定的逻辑关系分别作用于相应的阀组来控制折向器和喷嘴开度，从而实时调节机组的出力，以达到系统所需有功功率和频率的要求。

该套六喷六折冲击式调速器有机的将电气柜和机械液压系统组成一个完整的闭环控制系统，它们之间统一由电气柜进行总体协调，六套子液压系统既相互独立，又相互关联。当一组喷嘴和折向器出现故障时，可以单独退出该组喷嘴和折向器，而不影响机组的正常运行;机组运行过程中，在做好安全措施的情况下可以进行故障喷嘴油管路等的检修和维护，从而最大限度地提高了机组的综合经济效益。六套子液压系统虽然具有相对的独立性，但六喷嘴和折向器在运行过程中始终遵循一定的逻辑关系，进行对称的开启和关闭，这一特点保证了调速器结构运行方式非常灵活、先进。

4.2 控制过程先进、功能完备

由于冲击式机组具有水头高、流量小的特点，故其开度很低，当调速器受到开机令后，此时折向器全开，喷针开启至第一开机开度25%。当转速上升至85%时，喷针下压至第二开机开度15%;当转速上升至95%时，喷针下压至空载开度进入PID调节。

通过LCU发命令至调速器电气柜，电气柜采集到命令后，由CPU根据用户自己预先设定的喷嘴转换顺序和方式实现并网后的单喷嘴、双喷嘴、三喷嘴、四喷嘴、六喷嘴运行方式，从而达到充分利用水能和提高水轮机机械效率的目的。

5 相关试验情况

(1)机组空转运行下调速器的试验。

调速器机械测频信号来自于齿盘测速，电气测频信号来自于发电机出口电压互感器。机组在空转运行下检查调速器测频信号，波形正确，幅值符合要求。

机组在调速器手-自动切换时，喷针接到指令后迅速移动，没有发生配置普通调速器时的滞后现象，接力器无明显的摆动;机组在自动运行条件下，记录转速的相对摆度值符合机组摆度允许范围。Neyrpic1500可调节电液数字式调速器空载扰动试验时给定的频率扰动量为±8%，要求转速最大超调量不超过转速扰动量的30%，超调次数不超过两次，从扰动开始到不超过机组转速摆动规定值为止的调节时间符合设计规定值。

(2)机组过速试验。

空转条件下调速器系统试验完成后，进行机组的过速试验。冶勒水电站的过速装置为离心飞摆式，安装在测速齿盘上，整定转速为420 m/s (112%额定转速)，机组过速时，离心摆直接动作电磁液压阀撞块，使折向器压力油管直接切至回油管，弹簧控制接力器关闭折向器，直接偏开机组的动力水源，使机组转速不再升高，然后在37 s内关闭喷嘴喷针，避免了压力管道内水锤压力上升过快。

由于折向器的动作时间只有2 s，转速上升的幅度相对不大，冶勒水电站的过速转速为额定转速的112%，即420 m/s。实际上，在带满负荷、额定水头下，折向器动作停机监测到的转速上升最大仅为106%。

(3)机组负荷试验。

机组起动并网后，在额定功率的25%、50%、75%各运行了30 min，在连续增减负荷的过程中，接力器无摆动，机组无异常现象，说明预调好的缓冲参数是合适的;再满负荷运行2 h，在这一过程中，频率一直稳定在50土0.2 Hz之间，出力变化也很小。

甩负荷试验。冶勒水电站冲击式机组的甩负荷试验与国内机组甩负荷试验的操作方式不一样。按ALSTOM厂家的技术要求，机组甩负荷采用机组紧急停机方式进行，而国内其他类型的机组甩负荷试验的方法为机组带上负荷后直接跳开断路器，机组不停机处于热备用状态。

机组甩负荷试验会使调速器的各部件达到极限，是对调速器整体调节质量的考验。该电站分别在额定功率的25%、50%、75%和100%作甩负荷试验，并对甩负荷前后的机组参数作了记录;在甩满负荷时，水轮机折向器能在跳闸2 s内迅速倒下，切断射流，机组速率相对上升了34%，压力水管的压力上升了14%左右，喷针接力器关闭时间为20 s，这些参数都在允许范围内，说明调速器的动态稳定性和速动性能良好。经72 h试运行后，机组通过验收，并一直稳定运行。

冶勒水电站1号机组甩负荷数据显示(表1)，在额定水头下，机组带满负荷120 MW后进行分阶段甩负荷时，折向器动作后机组转速最高为额定转速的106%，低于过速试验转速112%的额定转速。

表1 冶勒水电站1号机组甩负荷数据表

6 结语

冶勒水电站已经运行近五年时间，目前Neyrpic1500可调节电液数字式调速器运行情况仍然较好。对其今后的运行情况需要进一步密切关注，以便为今后大型冲击式水轮机调速器的应用提供宝贵的参考资料。

［1］徐建军.冲击式水轮机专用调速器的应用体会［J］.小水电，2004，120(6):29～30;

(责任编辑:李燕辉)

Characteristics and App lications O f Special Governor For Pelton Turbine

YANG Kun
(Mechanical and Electrical Erection Company of Sinohydro Engineering Bureau 7 Corporation，Pengshan，Sichuan，620860，China)

This article presents the characteristics and common failures of special governor for Pelton turbine and describes the structure and testing of the six-nozzle-and-deflection-model governor system in Yele Hydropower Station which houses a vertical impulse turbine generating set with the highest capacity in Asia.Characteristics of the governor，such as novel structure，advanced control functions，high reliability etc.are highlighted，providing some helpful advices for using special governor for large sized Pelton turbine in future.

special governor for Pelton turbine;nozzle;deflection;governor

TV734;TV735

B

1001-2184(2011)06-0047-04

2011-11-02

杨坤(1971-)，女，天津市人，高级经济师，电气工程师，全国注册造价工程师，从事水电商务报价、技术及企业经营管理工作.