水电站冲击式水轮机调速器技术发展历程及研究

王丽娟，潘熙和，张应文，朱建勇，黄业华

（1.武汉长江控制设备研究所，武汉 430010；2.云南以礼河发电厂，云南会泽 654200）

水电站冲击式水轮机调速器技术发展历程及研究

王丽娟1，潘熙和1，张应文2，朱建勇2，黄业华1

（1.武汉长江控制设备研究所，武汉 430010；2.云南以礼河发电厂，云南会泽 654200）

随着高水头水电站的大力开发和应用，冲击式水轮机不断向着大容量多喷嘴方向发展，适应冲击式水轮机组控制特性的专用调速器应运而生，且技术发展迅速。通过我国第1座高水头电站——云南以礼河水电厂在不同时期具有代表性的冲击式水轮机调速器的运行实践，回顾和总结近半个世纪以来冲击式水轮机调速器技术的发展历程，汇报作者多年来对冲击式水轮机调速器研究的体会和认识，希望对冲击式水轮机调速器的规范、选型和应用有所帮助。关 键 词：高水头水电站；冲击式机组；调速器；技术发展

1 研究背景

20世纪中期，我国冲击式水轮机发展很慢，不论是单机容量还是喷嘴数，均与国外先进水平有很大差距。据不完全统计，国内生产的冲击式水轮发电机组仅300余台，最大单机容量为15 MW，2个喷针。我国建设的第1座高水头单机容量最大的云南以礼河水电厂所安装的冲击式水轮发机组及调速器均为捷克斯洛伐克列宁工厂生产。早期，冲击式水轮机调速器大都是机械液压型，各喷针和折向器的协同工作靠机械传动杆件传递，或是将反击式水轮机调速器略加改制替用。

直到20世纪末，随着高水头电站的大力开发与应用，我国冲击式水轮机向着大容量、多喷嘴方向发展，适应高水头冲击式水轮机组控制特性的专用调速器应运而生，且技术发展迅速［1］。2003年国内生产的第1台单机容量最大的多喷嘴冲击式机组在云南阿鸠田水电站投运。之后，吉沙水电站、田湾河水电站、巴郎口水电站等一大批多喷嘴大容量的冲击式机组相继投运，其单机容量在36～160 MW，4～6喷嘴机组。除水轮发电机组部分组件采用国外进口，调速器全部由国内调速器厂家设计生产。本文拟通过我国第1座高水头电站——云南以礼河水电厂在不同时期所应用的、具有一定代表性（水头高、容量大、多喷嘴）的3种类型冲击式水轮机调速器的运行实践，回顾和总结近半个世纪以来冲击式水轮机调速器技术的发展历程，汇报作者多年来对冲击式水轮机调速器研究的体会和认识，希望对同行、设计院及业主在今后工作中起到参考作用。

2 以礼河水电厂冲击式水轮机调速器技术发展历程

冲击式水轮机的特点是应用水头高，压力钢管长，机组飞轮力矩较小。为此，除了有正常调节流量的喷针之外，它还设置有折向器，当甩负荷时，折向器能快速切断水流，阻断水流进入水轮机，以解决引水系统水锤压力和机组转速升高的矛盾问题。冲击式水轮机调速器的双调节系统有协联式和直联式2种系统方案，所谓协联式系指通过机械或电气使折向器的位置与喷针接力器的位置始终保持一定的对应关系；直联式则指折向器接力器位置与喷针接力器位置无关。

云南以礼河水电厂的第3级和第4级电站系引水式高水头电站，设计水头为589 m，分别装有4台单机容量36 MW捷克制造的冲击式横轴水轮发电机组，8台机组全部采用捷克生产的HROVⅡ14Pe型冲击式水轮机机械液压调速器，于1970年以后陆续投入运行。冲击式水轮机调速器的第一轮技术更新改造是在1996年至1998年期间，将其8台进口调速器全部更换为武汉长江控制设备研究所（简称“长控所”）［2］研制生产的CJT－100－W型冲击式水轮机微机调速器，采用双微机、电液转换器技术方案；第二轮技术更新改造是在2009年至2011年期间，全部更换为长控所研制生产的CJT4／1型冲击式水轮机专用调速器，采用双可编程调节器、电液比例阀及插装阀技术方案。以礼河水电厂在不同时期分别运行的不同类型调速器的运行实践，见证了我国冲击式水轮机调速器的发展历程。

2.1 HROVⅡ14Pe协联型机械液压调速器

以礼河水电厂横轴冲击式水轮机具有2工作轮，4个喷嘴（每个工作转轮有上下2个喷嘴），运行时，两工作轮可以同时投入，也可以单工作轮运行。单轮运行时，两轮可以相互切换。两工作轮的折向器由2个接力器控制，但它们通过机械轴刚性连接在一起；4个喷针分别由4个接力器控制。相关参数为：工作油压2.2 MPa；两个折向接力器，油压开启，水压关闭；四个喷针接力器，全油压式；单个喷针接力器容积为14.5 L，关机25 s，开机50 s；单个折向器接力器容积为17.3 L，关机2 s，开机25 s。以礼河冲击式水轮机及控制机构简图见图1。

图1 以礼河冲击式水轮机及控制机构简图Fig.1 Sketch of the impulse water turbine and its controller at Yilihe hydropower station

HROVⅡ14Pe冲击式水轮机机械液压调速器采用液压摆测速，用缓冲壶形成调节规律，液压放大元件采用带引导阀的主配压阀，调速器由控制折向器的主控系统和4个与折向器位移具有机械协联关系的喷针控制系统组成（见图2）。

图2 以礼河HROVⅡ14Pe冲击式水轮机机械液压调速器系统框图Fig.2 Block diagram of themechanical hydraulic governor of impulse water turbine HROVⅡ14Pe at Yilihe hydropower station

该调速器的系统结构为机械协联式。基本工作原理是：测速信号直接控制折向器控制系统，而喷针接力器通过与折向器位置有一定协联关系的机械协联机构所控制。为实现机械协联，将折向器控制系统中的辅助接力器位移通过机械传动杆件传递至喷针控制系统主配压阀的引导阀，使喷针控制系统与折向器控制系统联动。当系统稳定平衡后，折向器辅助接力器复中，该联动信号自动消失。这种系统中，折向器刃口与喷嘴射流柱保持一定的间隙，当小波动时，折向器不切入水流，因而不影响水轮机的动力矩。水轮机动力矩只受喷针开度的影响，喷针是该调速器转速和负荷的调速机构。

此种调速器系统的主要特点是：采用液压摆测速，用缓冲壶形成调节规律。由于折向器是通过机械协联机构控制喷针接力器控制系统，因此，折向器控制系统与机械协联机构存在的间隙这一本质非线性因素，对调速器系统的稳定性和调节性能产生严重的影响，甚至出现严重挡水影响机组安全。

2.2 CJT－100－W型直联＋协联型双微机调速器

直至90年代，HROVⅡ14Pe冲击式水轮机机械液压调速器产品严重老化［3］，已经不能满足以计算机为核心的控制系统的要求。

1994年，以礼河水电厂在云南省电力局指导下，选定长控所作为合作研制单位，共同对捷克生产的HROVⅡ14Pe型冲击式调速器的更新改造进行可行性分析和研究。同年，长控所提出的更新改造初设方案在华中理工大学王定一教授和长控所吴应文教授的主持下，通过了云南省电力局中心试验研究所、以礼河电厂及长控所三家的共同审查。第1台CJT－100－W型冲击式水轮机微机调速器于1996年研制成功并正式投入运行，1998年8台机组调速器的更新换代改造工作全部完成。

CJT－100－W型冲击式水轮机微机调速器是第一轮更新换代产品，首次将微机调速器成熟的经验和技术成果用于冲击式水轮机调速器设计。该调速器采用先进的电子调节器式系统结构，主要由双微机调节器冗余系统、5个双锥式电液转换器、5个主配压阀放大装置及5个电位移传感器组成（见图3）。

该调速器的系统结构为直联式＋电气协联（即不完全直联），它有5个电液随动系统，分别驱动折向器和4个喷针。基本工作原理是：调节器输出信号Y通过电液随动系统直接驱动折向器，调节器的输出信号Y经过电气协联函数变换后，控制喷针的行程，使射流柱的直径与折向器刀刃相适配。由于喷针由电液随动系统控制，工作轮的转换和负荷分配由电气回路实现。

此种调速器系统的主要特点是：电子调节器采用微机调节器、电液转换器加主配压阀二级液压放大电液随动系统；主接力器位置反馈采用电位移传感器，取消机械反馈，避免了冗长机械反馈链带来的误差；协联机构是一电气回路——协联函数发生器，当协联机构的位置不同，其函数关系不同，根据不同开度的射流直径与折向器行程关系确定。由于冲击式水轮机组无法给出合理的折向器协联开度，很难实现精确的协联控制，因此，本调速器实际协联关系为2段协联，即空载时折向器开度为30%～40%，并网后将折向器全开。

2.3 CJT4／1型直联型双可编程调速器

随着水电站对电力生产的安全、质量及自动化程度的要求愈来愈高，水电站的集中控制已成为发展趋势。为更好地满足电力系统的要求，在2009年，以礼河电厂冲击式水轮机调速器开展了第二轮更新改造。CJT4／1型冲击式水轮机专用调速器，其系统框图见图4。

图3 CJT－100－W型冲击式水轮机微机调速器系统框图Fig.3 Block diagram ofm icroprocessor-based im pulse water turbine governor CJT－100－W

图4 CJT4／1型冲击式水轮机微机调速器系统框图Fig.4 Block diagram ofm icroprocessor-based im pulse water turbine governor CJT4／1

该调速器的系统结构为直联式，它有4个电液比例随动系统，1个开关量控制系统，分别驱动4个喷针和1个折向器，喷针与折向器非协联［4］。基本工作原理是：各喷针控制单元采用独立的电液比例随动装置，各喷针接力器的位置复现电子调节器PID调节规律，其动作不受协联关系的非线性特性和折向器接力器时间常数诸因素的影响，因而保证小波动的调节品质及稳定性；折向接力器则直接受开停机和转速指令控制，当转速大于某一值时关闭，当转速小于某一值时开启。转速值可根据机组的实际情况由软件修改，从而改善大波动时调速系统的过渡过程品质。

此种调速器的主要特点是：电气部分采用奥地利贝加莱公司可编程计算机作为微机控制器，控制系统为双通道交叉冗余结构；喷针主控系统采用德国Bosch公司电液比例阀构成一级电液随动系统；折向器采用带电磁先导的插装阀［4－5］作为执行单元，根据转速判断和开停机状态进行开关量控制；机械液压系统除油路集成块之外，控制和执行元件全部采用液压标准件，整机实现了模块化结构设计。其中，折向器液压放大单元采用了慢关和快关2种关闭速度的控制策略，即在正常开停机时，折向器慢开慢关（速度可调），避免对机组的冲击，降低折向器偏流器的机械故障率，同时也避免了快速关闭时大量用油而导致的油压大幅波动问题；在大波动或系统甩负荷时，折向器快速关闭，有效抑制机组转速上升值，保证机组安全。同时喷针系统新增了事故停机联动机构，避免事故时折向器挡水（见图5）。

3 冲击式水轮机调速器技术特点及研究

通过以礼河电厂不同时期、不同方案调速器的研究和运行实践，结合我国近期投入运行的大中小型冲击式水轮调速器实际状况，冲击式水轮机调速器技术特点及研究总结如下。

3.1 技术特点

（1）电气控制部分采用微机控制器，测频、调节器及电源双冗余容错结构，提高整机系统的可靠性。

（2）采用直联式系统方案。喷针控制单元采用电液随动系统进行比例控制，接受计算机PID信号；折向器则是根据转速判断和开停机状态进行开关量控制。

（3）喷针采用“一阀一控”，仅有一级放大的电液随动系统，使得多喷嘴系统产生的多套子液压控制单元结构简单，其各喷针的出力分配由计算机电气回路实现。

（4）机械液压系统全部采用标准化液压元件［6］，实现了模块式结构设计，从而规避了小批量生产、自制生产零部件所带来的不稳定质量问题，大幅度提高了具有多子液压系统的冲击式调速器的可靠性和可维护性。

3.2 技术研究与探讨

3.2.1 孤立负荷运行问题

冲击式机组从大网解列［7］切换到带孤立负荷运行，喷针与折向器的调节较为特别。从系统解列，频率会急剧升高，折向器会快速关闭，当频率下降到一定程度时，折向器会重新开出。由于冲击式机组转动惯量大，频率变化较慢。当频率下降到50 Hz之后，喷针打开，此时，折向器还不到开出频率点，喷针会继续开出，频率下降到低频开折向器点时，折向器会快速打开，此时由于喷针开度较大，折向器开出就会使机频迅速升高，喷针和折向器会出现来回调节现象，使机组从大网解列后带孤立负荷不能进入稳定的孤网系统。

对于这种从大网解列进入孤网的工况，建议处理的方法是：频率的控制主要由折向器完成，若折向器未开出，当频率小于50 Hz时，喷针接力器不开，即折向器开出后，喷针才恢复正常的频率调节模式。当机组进入小网运行时，退出喷针的投切控制系统，将所有喷针投入。

3.2.2 折向器与喷针的联动控制问题

关于折向器与喷针的联动问题，机械协联的联动方式因其传动机构存在固有间隙所导致的本质非线性因素直接影响系统调节品质和稳定性已不再采用；在电气协联的联动控制中，由于冲击式水轮机组无法给出合理的折向器位置与流量的关系，因此很难实现折向器与喷针的精确协联控制。然而，折向器与喷针采用直联控制系统的良好调节品质已由多年大量冲击式组电站试验和实践证实，并得到大量应用。据统计，目前国内最大容量的多喷嘴冲击式机组均采用的直联式调速系统，如云南阿鸠田、吉沙等电站和四川田湾河、巴郎口、冶勒、金窝等电站。

在以礼河电厂调速器设备更新换代的技术研究和实践过程中，折向器与喷针的联动控制方式经历了机械协联、电气协联直至完全取消协联3个发展阶段。通过实际运行证明，直联式冲击式水轮机调速器不但满足高水头冲击式机组运行稳定性的要求，同时满足机组甩负荷工况系统调节正常及安全可靠的要求。

3.3 折向器控制策略

目前，国内冲击式水轮机调速器在取消协联的系统中，折向器蜕变为保安机构［8］，正常开停机和事故关机时间都设置为2 s左右，这样，多喷嘴系统机组势必产生频繁冲击。在以礼河水电厂第二轮技术改造中，折向器的控制方式采取了慢关和快关2种速度的控制策略。在正常开停机时，折向器慢开慢关，避免对机组造成冲击，从而降低折向器偏流器的机械故障率，同时也避免了快速关闭时大量用油而导致的油压大幅波动问题；在大波动或系统甩负荷时，折向器快速关闭，有效抑制机组转速上升值，保证了机组安全。

图5 CJT4／1型冲击式水轮机微机调速器液压系统工作原理图Fig.5 W orking principle of the hydraulic system ofm icroprocessor-based im pulse water turbine governor CJT4／1

4 结 语

综上所述，近几十年来，我国冲击式水轮机专用调速器取得了长足进步。以礼河电厂调速器设备更新换代的技术研究和实践历程，是我国冲击式水轮机调速器技术发展的一个缩影。它积累了大量的设计、运行资料和宝贵经验，为更好地满足我国水电建设提出的高水头、多系统、高参数发展趋势的要求及水电站电网远程集中控制的需要奠定了良好的基础。

［1］ 潘熙和，王丽娟.我国水轮机调速技术创新回顾与学科前景展望［J］.长江科学院院报，2011，28（10）：221－226.（PAN Xi-he，WANG Li-juan.Review on Technology Innovation of Hydroturbine Governor and Its Prospect in China［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2011，28（10）：221－226.（in Chinese））

［2］ 潘熙和，倪 明，吴应文.以礼河冲击式水轮机微机调速器的研制［J］.长江科学院院报，1998，15（6）：40－43.（PAN Xi-he，NIMing，WU Ying-wen.Development of Microcomputer Governor for Impact Turbine in Yilihe Power Station［J］.Journalof Yangtze River Scientific Research Institute，1998，15（6）：40－43.（in Chinese））

［3］ 吴文基.以礼河电厂微机调速器的改造［J］.水电厂自动化，2006，108（3）：56－68.（WUWen-ji.Improvement of Microprocessor-based Governor at Yilihe Power Station［J］.Automation of Hydropower Plants，2006，108（3）：56－68.（in Chinese））

［4］ 潘熙和，王丽娟，齐耀华，等.多喷嘴冲击式水轮机调速器在阿鸠田水电站的应用［J］.水力发电，2006，32（2）：45－48.（PAN Xi-he，WANG Li-juan，QI Yaohua，etal.Application of the Speed Governor for Multinozzle Impulse Turbine to the Ajiutian Hydropower Station［J］.Water Power，2006，32（2）：45－48.（in Chinese））

［5］ 张建明，吴道平，曾剑鸿，等.液压插装技术在水轮机调速器中的应用［J］.江西电力，2009，33（4）：42－45.（ZHANG Jian-ming，WU Dao-ping，ZENG Jian-hong，et al.Application of Cartridge Valve Technology in Hydraulic Turbine Governor［J］.Jiangxi Electric Power，2009，33（4）：42－45.（in Chinese））

［6］ 雷天觉.液压工程手册［M］.北京：机械工业出版社，1990.（LEITian-jue.Handbook of Hydraulic Engineering［M］.Beijing：China Machine Press，1990.（in Chinese））

［7］ 文宏泽.大中型冲击式水轮机调速器双重调节方式探讨［J］.云南水力发电，2005，21（2）：80－82.（WEN Hong-ze.Dual-mode of Governor of Large-and-Medium Sized Impulse Water Turbine［J］.Yunnan Water Power，2005，21（2）：80－82.（in Chinese））

［8］ 安 刚，陈玉婷，叶 伟，等.新疆布仑口－公格尔水电站冲击式水轮机调速器机械液压系统设计［J］.长江科学院院报，2011，28（9）：64－67.（AN Gang，CHEN Yu-ting，YEWei，etal.Design of the Mechanical Hydraulic System of Impulse Turbine Speed Governor at Bulunkou Hydropower Station［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2011，28（9）：64－67.（in Chinese））

（编辑：陈 敏）

Development History of Im pulse W ater Turbine Governor of Hydropower Stations in China

WANG Li-juan1，PAN Xi-he1，ZHANG Ying-wen2，ZHU Jian-yong2，HUANG Ye-hua1
（1.Wuhan Changjiang Control Equipment Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Yunnan Yilihe Hydropower Station，Huize 654200，China）

With the development and application of high water-head hydropower stations，big capacity and multinozzles became the development tendency of impulse water turbine.Specialized governor which adapts to the characteristics of impulse water turbine emerged and developed rapidly.The authors reviewed and summarized the development history of impulse water turbine governor technology in the past half a century according to the operation practices of typical governors used by Yunnan Yilihe River Hydropower Station，the first hydropower station with high waterhead in China.By offering the experiences and knowledge，it is expected to be helpful for the standardization，lectotype and application of impulse water turbine governor.

high waterhead power station；impulse turbine unit；governor；technology development

TV734.1；TK730.41

A

1001－5485（2013）05－0092－05

2013，30（05）：92－96

10.3969／j.issn.1001－5485.2013.05.020

2012－10－24；

2012－12－10

王丽娟（1958－），女，湖北武汉人，高级工程师，主要从事水轮机调速器机械液压系统的设计与研究工作，（电话）027－82927565（电子信箱）whswlj＠163.com。