水轮机调速器的工作方式与选型的探讨

吴星 吴倩 兰熙

1.引言

近些年来，水轮机被广泛的应用到水力发电站中，其中水轮机调速器的多调节模式、控制技术等更是为水电站的发展带来极大的推动作用，本文主要介绍了水轮机调速器的作用，工作方式与选型进行研究。

2.水轮机调速器的技术研究

2.1 多调节模式

多调节模式是水轮机调速器的重要技术之一，尤其是在当前水电站结构发生改变的过程中，整机组的负荷也会发生改变，在这个过程中多调节模式将会发挥出巨大的作用。从实际中分析，多调节模式的运行并不是针对频率的调节，主要是针对整机组负荷的调节，在调速器增加负荷方面做出正确的调节。水轮机调速器在正常运行的情况下，主要分为手动和自动两种控制方式，手动控制方式主要是在系统故障的情况下而使用的，一般情况下都会采用自动的运行方式，而在自动运行方式之下为了满足不同的运行要求，也分为开度模式、频率模式、功率模式等三种模式，开度模式，主要是水轮机组按照给定的开度运行，而且，开度模式下一般没有人工死区，这样主要是为了机组在很小的频率范围内波动，这样才能确保机组的稳定运行;频率模式，水路级轮机组主要是按照给定的频率运行，而且在该模式下也无人工死区，同时在水轮机组并网前，调速器应以频率模式运行;功率模式，主要以给定的功率运行，而在该运行模式下，是有人工死区的。以上所提到的三种模式是水轮机调速器技术的重要组成部分，具体的应用要结合实际情况来定，这样才能充分体现出各个运行模式的优势。

2.2微机调速器的调节模式

对于机械液压型调速器和电液调速器来说，其运行调节模式通常采用频率调节模式，即调速器是根据频差（即转速偏差）进行调节的，故又称转速调节模式。微机调速器一般具有三种主要调节模式：频率调节模式，开度调节模式和功率调节模式。三种调节模式应用于不同工况，其各自的调节功能及相互间的转换都由微机调速器来完成。

1.频率调节模式（FM）

频率调节模式适用于机组空载自动运行，单机带孤立负荷或机组并入小电网运行，机组并入大电网作调频方式运行等情况。

频率调节模式有下列主要特征：

（1）人工频率死区，人工开度死区和人工功率死区等环节全部切除;

（2）采用PID调节规律，即微分环节投入;

（3）调差反馈信号取自PID调节器的输出值，并构成调速器的静特性;

（4）微机调速器的功率给定实时跟踪机组实时功率P，其本身不参与闭环调节。

（5）在空载运行时，可选择系统频率跟踪方式，bp值取较小值或为0。

2.3开度调节模式（YM）

开度调节模式是机组并入大电网运行时采用的一种调节模式。主要用于机组带基荷动运行工况。

开度调节模式有下列主要特征：

（1）人工频率死区，人工开度死区和人工功率死区等环节均投入运行;

（2）采用PI控制规律，即微分环节节除;

（3）调差反馈信号取自PID调节器的输出Y，并构成调速器的静特性;

（4）微机调节器通过开度给定Yg变更机组负荷，而功率给定不参与闭环负荷调节，功率给定Pg实时跟踪机组实际功率，以保证由该调节模式切换至功率调节模式时实现无扰动切换。

2.4功率调节模式（PM）

功率调节模式是机组并入大电网后带基荷运行时应优先采用的一种调节模式。

功率调节模式有下列主要特征：

（1）人工频率死区，人工开度死区和人工功率死区等环节均投入运行;

（2）采用PI控制规律，即微分环节节除;

（3）调差反馈信号取自机组功率P，并构成调速器的静特性;

（4）微机调节器通过功率给定Pg变更机组负荷，故特别适合水电站实施AGC功能。而开度给定不参与闭环负荷调节，开度给定Yg实时跟踪导叶开度值，以保证由该调节模式切换至开度调节模式或频率调节模式时实现无扰动切换。

2.5调节模式间的相互转换

三种调节模式间的相互转换过程：

（1）机组自动开机后进入空载运行，调速器处于“频率调节模式”工作。

（2）当发电机出口开关闭合时，机组并入电网工作，此时调速器可在三种模式下的任何一种调节模式工作。若事先设定为频率调节模式，机组并网后，调节模式不变;若事先设定为功率调节模式，则转为功率调节模式;若事先设定为开度调节模式，则转为开度调节模式。

（3）当调速器在功率调节模式下工作时，若检测出机组功率反馈故障，或有人工切换命令时，则调速器自动切换至“开度调节”模式工作。

（4）调速器工作于“功率调节”或“开度调节”模式时，若电网频率偏离额定值过大（超过人工频率死区整定值），且保持一段时间（如持续15s），调速器自动切换至“频率调节”模式工作。

（5）当调速器处于“功率调节”或“开度调节”模式下带负荷运行时，由于某种故障导致发电机出口开关跳闸，机组甩掉负荷，同时调速器也自动切换至“频率调节”模式，使机组运行于空载工况。

3.水轮机调速器选型的研究

3.1水轮机组特点决定调速器型号

水斗式：由于其自身结构特点，在控制顺序和流程上要求比较严格，因此要求选取针对性较强的冲击式专用调速器，一般型号为CJ-2/2-4.0等理解为冲击式两喷嘴两折向器压力等级为4.0MPa的调速器。

斜击式：可根据操作功选取高油压调速器（GYT）、常规油压调速器（YT）、全数字式（SLT）、步进式（BWT）等可供选择。

混流式：目前常用步进式调速器（BWT）、电动阀式调速器（DFT）等型号调速器选择。

轴流式：轴流式控制精度要求较高可选择步进式调速器（BW（S）T）、比例伺服调速器（PW（S）T）、电动阀调速器（DKT）等型号的调速器。

灯泡贯流式：灯泡贯流式机组由于水头低、流量大的特点对调速器的调节精度提出更高要求。可选取专门针对此机组设计的调速器或控制精度高的调速器如GLT/PWST等系列。

3.2操作功决定调速器型号

调速器额定操作功与水轮发电机组功率匹配是选型的关键，主配压阀活塞直径在80mm以上的称为大型调速器;操作功在10 000N·m～30 000N·m之间的称为中型调速器;操作功在10000N·m以下的称为小型调速器，其中调速功在3 000N·M以下的又称为特小型調速器。

如：GYT-6000型理解为高油压（一般为16MPa）操作功为6000N·m的机组。

4.总结

本文主要从多调节模式和控制技术，选型进行分析，希望能够提高水轮机调速器选型的优化，确保运行效率，在水轮机调速器使用的过程中，需要结合实际的使用要求来选取适宜的型号，同时在科技不断发展的过程中，应对水轮机调速器技术展开更深层次的研究和开发，这样才能推动水轮机调速器技术迈向新的阶段，从而为水电站等方面提供高效的运行功效。

参考文献：

[1] 魏守平著.现代水轮机调节技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2002.

[2] 陈仲华.现代水轮机调速器的系统设计和配置的探讨.电力系统自动化，1990，14（5）：3-11.

[3]   高杜生，张玲霞著.可靠性理论与工程应用[M].北京：国防工业出版社，2002.

[4]   魏守平，罗萍，卢本捷.我国水轮机数字式电液调速述.水电自动化与大坝监测，2003，27（5）：1-7.

[5]   向家安，何可智，杨照辉.水轮机微机调速器PID参智能化设置.水电自动化与大坝监测，2007，31（1）56.

（作者单位：武汉市陆水自动控制技术有限公司）