增效扩容中新型调速器的应用

（天富能源红山嘴水电厂，石河子市，832000） 张怀孝

水轮发电机组把水能转变为电能供生产、生活使用。用户在用电过程中除要求供电安全可靠外，对电网电能质量也有十分严格的要求。按我国电力部门规定，电网的额定频率为50HZ，大电网允许的频率偏差为±0.2Hz。随着电力用户对电网质量要求的提高，水电站在向电网供电时必须保证电压和频率的稳定，于是水轮发电机组的调节问题受到人们极大的关注。水轮机调节系统中的主要设备是调速器，调速器调节规律的好坏直接影响到机组工作状态，也就影响到企业的经济效益。因此对水轮机调节规律的研究就显得尤为重要。

红山嘴水电厂的调速器更新也一直走在时代的前沿，从最早的上世纪60 年代的机械液压调速器，经过几次更替，发展到如今的微机型新型调速器，此次增效扩容改造选用的调速器为长江三峡能事达公司生产的MGC-1000型智能模糊多态数字式微机调速器。

1 调速器的结构

调速器结构主要由调速机构和油压装置两部分组成。调速机构部分主要由大波动执行阀、大波动先导控制阀、小波动控制阀、急停控制阀及主阀块组成。油压装置部分主要由气囊式蓄能器、电机/油泵组、泵出口阀组、滤油器、自动化元件以及回油箱组成。

具体结构如图1所示。

图1 调速系统结构图

2 主要部件作用

调速器液压装置原理如图2 所示，气囊式蓄能器将系统的工作压力稳定在一定范围，吸收油泵启动停止时所产生的压力脉动，在系统出现故障、油泵不能启动的情况下保证系统具有足够的工作容量（压力和油量）关闭导致实现停机，保证机组安全。回油箱体上将配置两套高压齿轮泵组件，一组工作，一组备用。运行中，主动泵和备用泵可互相切换，增加了油源可靠性，在特殊情况下，两台油泵也可同时在短时间内一起工作，加快打油速度。电接点压力表设有上、下限二位开关节点装置，在压力达到整定值时发出信号，通断控制电路，从而来控制油泵启停及事故低油压报警。电接点压力共有三个，其压力油路是由一个截止球阀控制；当需要更换电接点压力表时，可短时间关闭截止阀，进行更换或检修。

图2 油压装置液压原理图

控制阀组中的安全阀采用先导式溢流阀，主要起系统安全保护作用。依靠系统中的压力油作用在阀芯上与弹簧力相平衡，以控制阀芯的启闭动作。当系统压力高于额定压力时，安全阀开启，使油泵输出的高压油排入回油箱中，防止系统的油压进一步升高，保护油压系统设备。单向阀与安全阀集成在一起，串连在油泵和蓄能器之间的油路上，其作用是允许油泵输入的压力油进入蓄能器，阻止蓄能器的油液倒流至油泵，保护油泵。

3 结构的主要特点

系统成熟，稳定，可靠，在国内外同类型机组中已成功投运多台套，并且实现长期稳定运行；基于高频数字阀作为调节系统的主控单元，其静态和动态性能优越，具备较高控制精度和较高动态响应品质；所有阀件均采用板式结构形式，控制部分无明管路，无渗漏，安装方便，设备维护工作量少，选用的阀件均采用ISO标准接口形式，调整与更换方便。

4 调速器液压原理

系统控制阀均采用板式集成块结构，调速器具备大波动控制、小波动控制和紧急停机控制；在接力器需要大幅度调整开度（如甩负荷、开停机）时，采用大波动控制阀组进行控制；在接力器需要微量调整导叶开度（如在调频模式及加减负荷）时，使用小波动控制阀组进行控制；紧急停机阀处于优先位置，机组在任何工况下均能实现紧急停机。

4.1 接力器开启过程描述

对于大波动阀，经微机控制器或手动控制大波动先导控制阀Ⅰ至其开启，此时大波动先导控制阀Ⅰ的控制腔A接压力油，此压力油进入大波动执行阀左侧的控制腔使大波动执行阀的阀芯向右运动，从而大波动执行阀的控制腔A 接压力油，控制腔B接回油，即接力器的开腔通压力油，关腔通回油，接力器向开启方向运动。微机控制器或手动控制撤销开机控制，大波动先导控制阀Ⅰ回到初始位置，大波动执行阀在内部弹簧的作用下回到中间平衡位置，接力器停止开启运动，保持静止不动状态。

图3 调速器机械液压原理图

对于小波动阀，经微机控制器或手动控制小波动控制阀至开启位置，此时小波动控制阀的控制腔A接压力油，控制腔B接回油，即接力器的开腔通压力油，关腔通回油，使接力器向开启方向运动。微机控制器或手动控制撤销，小波动控制阀在内部弹簧的作用下回到中间平衡位置，接力器停止开启运动，保持静止不动状态。

4.2 接力器关闭过程描述

对于大波动阀，经微机控制器或手动控制大波动先导控制阀Ⅱ至其开启，此时大波动先导控制阀Ⅱ的控制腔A接压力油，此压力油进入大波动执行阀右侧的控制腔使大波动执行阀的阀芯向左运动，从而大波动执行阀的控制腔A 接回油，控制腔B 接压力油，即接力器开腔通回油，关腔通压力油，接力器向关闭方向运动。微机控制器或手动控制撤销，大波动先导控制阀Ⅱ回到初始位置，大波动执行阀在内部弹簧的作用下回到中间平衡位置，接力器停止关闭运动，保持在静止不动状态。

对于小波动阀，经微机控制器或手动控制小波动控制阀至关闭位置，此时小波动控制阀的控制腔A 接回油，控制腔B 接压力油，即接力器开腔通回油，关腔通压力油，使接力器向关闭方向运动。微机控制器或手动控制撤销，小波动控制阀内部弹簧的作用下回到中间平衡位置，接力器停止关闭运动，保持在静止不动状态。

4.3 紧急停机过程描述

电站二次回路控制或手动操作急停控制阀至紧急停机位置，此时急停控制阀控制腔B 接压力油，此压力油经过大波动先导控制阀Ⅱ进入大波动执行阀的右侧，大波动执行阀阀芯向左运动，从而大波动执行阀的控制腔A 接回油，控制腔B 接压力油，即接力器开腔通回油，关腔通压力油，接力器向关闭方向运动。

水轮机调速系统是一个具有严重非线性特性、时变、存在水锤效应的非最小相位闭环系统，其动力学特性的内部不确定性和外部环境扰动的多变性等增加了控制的难度。水电机组启动频繁，各种参数和机组特性对机组开机过程影响很大。如果调节次数过多或者超调很大，机组转速上升过快，不仅机组承受冲击较大，且由于机组在接近额定转速时速度过快，势必造成同期并网困难。机组最优开启要求是：在机组允许的加速度并保证不过速的情况下，开机过程尽可能短。开机过程调速器工作于频率调节模式，此时PID 参数整定更为复杂。控制系统在实际应用之前必须进行调试以确定其控制的准确性。常规的PID控制必须在现场根据机组容量、突变负荷的容量、负荷性质等加以试验整定。

水轮机调速器决定了水电站供电的质量，从技改的效果来看，技术改造达到了预定目标，新的调速器更具智能性，运行效果良好，消除了原调速器功率调节时的大幅度波动，调速系统的静特性，动特性，稳定性等特性参数满足正常的工况，发电可靠性有很大的提高。