以礼河水电站冲击式水轮机调速器更新改造

王汉超，王丽娟，严国强，张应文

（1.河北工程大学水电学院，河北邯郸056038；2.武汉长江控制设备研究所，武汉430010；3.云南华电以礼河发电厂，云南会泽654207）

1 概述

以礼河梯级水电站是中国最早的高水头梯级水电站，位于云南省会泽县。本次是3、4级水电站共8台水轮机调速器改造。每台主机装机3.6万kW，为捷克原产横轴双转轮四喷嘴冲击式发电机组，主机很多部件已经进行了国产化改造。该调速器油压装置部分改造方案：将原来压力罐形式的调速器油压装置改为蓄能器形式的油压装置，维护方便，运行成本低。油压装置配置2台小泵加1台大泵，小泵连续或间歇式运行方式，解决了以前2台大泵运行中油温过高的问题。该调速器机械液压部分由5套独立的液压控制单元组成，分别为4套喷针控制单元、1套折向器控制单元及过速保护装置。

喷针接力器控制单元为主控调节系统，采用电液比例随动装置实现闭环连续控制，使其获得良好的调节品质和动态稳定性，对系统小波动运行工况的性能起决定性作用。

折向器控制单元采用开关量控制，喷针和折向器独立控制而不协联，在正常开停机时，折向器慢开慢关，在大波动或系统甩负荷时快速关闭折向器，这种控制方式，既在正常运行时减少了对主机的振动又在紧急时保证了机组的安全。调速器电气控制部分采用两套可编程计算机控制器（奥地利贝加莱B&R2003系列PCC（Programmable Computer Controller）），该控制器测测频通道多、精度高、实时性强、可靠性高等特点。调节技术上，采用连续、实时、变结构、变参数的PID，积分分离等控制方法，根据机组特性与工况，连续、实时改变调节参数，确保系统稳定并具有良好的调节功能。

2 油压装置改造

原调速器油压装置采用0.5m3的压力罐，本次改造更换为5个100L的囊式蓄能器，胶囊内所充氮气与液压油不接触，油质不易劣化，胶囊密封可靠，长期运行不需补气。省去了相应的补气设备也减少日常维护工作量。系统配置了2台小螺杆泵每台排量为1.72L/s，1台大螺杆泵排量为3.67L/s。每套小泵配置2个32通径的先导卸荷溢流阀，一个作为安全阀，一个作为卸荷阀。大泵配置1个32通径的先导卸荷溢流阀作为安全阀。蓄能器主油路上配置一个直动式溢流阀作为蓄能器油系统的安全阀，如图1。

2.1 油泵运行方式

2.1.1 连续运行方式

1台小泵连续运行，另一台小泵当油压低于正常工作油压下限时，启动；待油压达到额定油压时，停泵。当2台小泵都已经运行，而系统油压仍在下降，在事故低油压前，大油泵启动打油。现场试验表明，连续运行时油温低于30 ℃，满足运行要求。

2.1.2 间歇运行方式

正常打油依靠2台小油泵，1台工作，1台备用，轮流切换，当2台小泵都已经运行，而系统油压仍在下降，在事故低油压前，大油泵启动打油。现场试验表明，并网后系统小油泵打油间隔时间为30min，因此采用了间歇运行方式。

现场调速器油系统额定压力为2.2MPa，以礼河三级站3#机调速器油压装置整定值见表1。

表1 3#机调速器油压装置整定值

3 调速器机械液压系统

3.1 喷针控制单元

调速器机械液压部分由5套独立的液压控制单元组成，分别为4套喷针控制单元、1套折向器控制单元及过速保护装置，各喷针控制单元的工作原理相同。以1#喷针控制单元为例，喷针控制单元主要由电液比例方向阀、手动操作阀、喷针紧停阀、叠加型双液控单向阀、叠加型双单向节流阀及电位移传感器组成。紧停联动阀是一个先导控制16通径方向阀，此阀给4个喷针电液比例阀提供压力油。当机组紧急停机时，此阀得电动作切断比例阀的压力油。当机组故障排除后，此阀得电复归，比例阀油路接通，其动作和复归的位置通过压力继电器确定。

3.1.1 自动调节原理

可编程调节器的控制信号与喷针接力器位移反馈信号经过电气控制装置比例阀驱动板比较并放大后，其输出信号通过电液比例阀，使之按电气信号的正负、大小成比例的向喷针接力器开、关机腔输入压力油，从而驱动喷针接力器向开机或关机方向运动，直至控制信号与位移反馈信号相等为止，实现喷针实际开度大小的调节。

3.1.2 电手动调节

电手动调节是手动调节的主要方式，通常在电气控制柜可编程控制器故障时执行的操作方式。根据机组实际情况或负荷大小选择喷针投入方式（单喷针、双喷针、四喷针），直接操作柜盘按钮增减键，即可完成对喷针接力器的开关机控制。

3.1.3 纯手动调节

纯手动调节是调试﹑首次开机或电气等故障时操作方式，主要用于调整和试验。直接操作手动操作阀把手，即可完成对喷针接力器的开关机控制。

3.1.4 喷针紧停关闭、紧停联动阀

各喷针设置一个喷针紧停电磁阀，当机组过速时，折向器关闭的同时喷针紧停阀得电关闭喷针，同时紧停联动阀动作切除比例阀压力油路。

3.2 折向器控制单元及过速保护装置

折向器控制单元由3个二通插装阀、1个开关机电磁先导阀、1个紧急停机电磁阀构成。过速保护装置由2个二通插装阀和1个事故停机电磁阀构成。折向器控制单元及过速保护装置采用开关量控制，正常开停机时，折向器慢开慢关，在紧急停机、事故停机时快速关闭折向器，实现机组过速保护作用。

3.2.1 折向器正常开停机

开折向器时，紧急停机电磁阀和开关电磁阀（均10通径）处于左位状态时，压力油经过紧急停机电磁阀和开关电磁阀分别进入二通插装阀组件CV3（50通径）、CV2（32通径）的控制油口且作用于插装阀阀芯的上端面，在压力油作用下，CV3、CV2阀口均关闭。二通插装阀CV1（32通径）的控制油口接通排油，CV1阀口开启，压力油进入折向接力器开机腔。此时，折向器接力器处于全开位置。通过调整CV1的阀芯行程调节器可调节开启折向器的时间，3级站3#调速器折向器慢开时间为25s。当开关电磁阀关机侧电磁铁DT2得电，开关电磁阀处于右位，二通插装阀CV1控制油口接通压力油，CV1阀口关闭，同时，二通插装阀CV2控制油口接通排油，CV2阀口开启。此时，CV1截断压力油源，折向接力器开机腔接通排油，折向接力器在水压作用下便向关机方向运动。通过调整CV2的阀芯行程调节器可调节关启折向器的时间，3级站3#调速器折向器慢开时间为24.9s。

3.2.2 紧停快速关机

当机组甩负荷或紧急停机时，根据转速上升值，紧急停机电磁阀DT4动作，二通插装阀CV3（通径50）控制油口接通排油，CV3阀口开启，折向接力器开机腔接通排油，同时二通插装阀CV1控制油口接通压力油，CV1阀口关闭，切断到折向器接力器的压力油，折向接力器在水压作用下快速关机。通过调整CV3的阀芯行程调节器可调节关启折向器的时间，3级站3#调速器折向器紧急停机时间为2.2s。

3.2.3 事故停机

当折向器控制单元失灵时，过速保护装置动作，确保机组可靠停机。当机组转速上升到过速保护动作值，事故停机电磁阀DT5得电，二通插装阀CV4（通径63）控制油口接通压力油，CV4阀口关闭，二通插装阀CV5（通径63）控制油口接通排油，CV5阀口开启。此时，CV4截断折向控制单元，折向接力器开机腔通过CV5接通排油，在折向接力器在水压作用下实现快速关闭折向器。正常工作时，二通插装阀CV4作为折向器正常开关的工作油路通道。通过调整CV5的阀芯行程调节器可调节关闭折向器的时间，3级站3#调速器折向器紧急停机时间为2s。

4 调速器电气部分

调速器以奥地利贝加莱公司2003系列可编程计算机控制器、操作显示触摸屏及各功能模块为核心硬件，与接口功能板共同构成的高可靠性调节器。电气部分采用双通道冗余结构，双机互为备用，可无扰动切换，交叉冗余增加调节系统的可靠性。

测频环节是水轮机调速器最重要的前置环节，是调节器的计算基础，一旦出错调速器自动调节功能就失效。因此，测频问题是首先要解决的问题。

PCC调速器的测频环节是一个硬件和软件都简单易行的过程，具有如下特点：①测频通道多。有4个通道具有TPU（高速计数）功能，用来处理测频，测频精度达到10-5Hz。②测频过程简单。对应于四路专用测频通道，PCC有专用的测频语句。③测频实时性强。PCC测频，是测量上升沿至上升沿的时间，无须进行分频，因此PCC测频的实时性比一般微机测频的实时性提高了1倍。

水轮发电机组有多种运行工况，不同的工况，需要采用不同的控制规律、控制结构和调节参数。控制规律的形成和系统结构的改变通过软件来实现。该调速器自动调节功能主要包括：智能化开机、频率调节、频率跟踪、并网、开度调节、功率调节、一次调频、自动关机等。

5 工程实例

以礼河3级站3#调速器为例。①调速器静态试验的转速死区ix（max）=0.018%≤0.04%，静态特性曲线非线性度≤5%，满足国标要求。②自动空载摆动值在0.1Hz以内，满足国标要求。③甩满负荷时，机组上升的最高瞬态速率为129%，调节次数1次，满足国标要求。

以礼河发电厂3、4级站8台调速器改造已于2011年11月全部完成，自投运以来，安全稳定运行，静特性、空载扰动试验、带负荷、甩负荷试验及一次调频试验等均能达到有关技术规程要求，此次调速器改造效果良好。

6 结语

武汉长江控制设备研究所生产的CJT4/2型四喷针冲击式水轮机调速器是运用先进的可编程控制技术和现代液压控制技术研制成功的冲击式水轮机专用调速器，在很大程度上提高了调速器运行可靠性，并体现了整体技术水平的先进性及运行维护的可操作性，完全满足水电站“无人值班﹑少人值守”的自动化要求。该项目调速器的设计方案对于同类型调速器的设计有重要的参考价值。

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