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摘要：調速系統是水電廠重要設備，關系到機組的安全穩定運行。闡述某水電站原調速器控制系統存在的問題，介紹改造后調速系統的組成、工作原理，并結合調速系統改造解決了關鍵問題。
關鍵詞：調速器；控制系統；接力器；調速功
1概述
某水電站位于閩東賽江上游東溪（又稱柘泰溪）干流上，是座單純的發電工程，引水式水電廠，裝機2×9MW，年發電量7880萬kW•h，年利用4300h，設計水頭58m，實際運行水頭65m，最高水頭70m，隧洞全長3km，壓力鋼管直徑1.85m，額定流量17.35m3/s。調速器型號BYWT-30000，蓄能器組容積80L，調速功30000N•m。調速器自2004年投產發電以來，當調速系統頻繁調節或者開度超過80%甩負荷時，就會出現事故低油壓報警導致停機或者導葉無法關閉造成機組過速等現象；主配壓閥漏油大，油泵頻繁打油；自動轉手動時，長時間機組不能穩定運行，開度往關或開方向波動，對電網安全構成威脅。經過分析發現作為調速系統重要環節主配壓閥、接力器及蓄能器是導致故障的原因所在，因此必須對調速系統進行技術改造，以提高其運行的可靠性。
2調速系統原理介紹及存在問題分析
2.1調速器原理介紹
某水電站水輪機調速系統由天津傳動研究所生產的BYWT-30000系列，由電氣控制柜、機械液壓柜、油壓裝置及接力器組成，電氣部分采用FXZN系列可編程為硬件，采用伺服電機作為電液轉換元件。機械部分由主配壓閥、液控單向閥、緊急停機電磁閥等構成。
2.2存在問題分析
綜合以上數據對比某水電站在建設期設備選型時，未充分考慮設備穩定性和使用性能等問題。建設時水工建筑位置改變，造成水力勢能變化，但是調速器選型未變更，與實際需求相比，調速器主配壓閥通徑和接力器缸偏小導致操作功不足，在運行中穩定性較差。主要存在以下問題：（1）主配壓閥通徑和接力器缸尺寸偏小，造成調速功不足，調速系統在運行中穩定性較差，對調速器控制性能產生影響。調速功不足，日常運行中只能通過把開限限制80%以內運行，造成水能的浪費。（2）為滿足調速功更換了較大缸徑的接力器,但是蓄能器組容積無法滿足需求，在大幅度調節或者甩負荷時，容易出現低油壓事故造成事故停機，存在事故隱患。（3）運行中步進電機調節，由于選材原因主配壓閥與活塞磨損間隙變大，造成主配壓閥漏油，油泵頻繁打油。（4）調速器系統導水機構無鎖錠裝置，停機時水鍾軸向力作用導葉開啟，造成機組轉動。
3解決方案
3.1機械液壓部分
根據計算結果實際運行應用調速功為41810N.m，考慮豐水期水頭達到70m，最終選擇操作功50000N.m的調速器。接力器選用160/70E-2111-180及蓄能器選用兩個NXQ-AB-63/31.5蓄能器組，容量滿足要求，當最低工作油壓時，導水機構水力矩最大時，在規定時間內接力器實現全關，開度從100%關至0%無低油壓事故報警出現。選用直徑20mm的主配壓閥,屬三位四通伺服滑閥結構，由引導閥、殼體、活塞等組成，活塞及襯套均采用合金結構鋼，并經滲氮淬火處理，具有耐磨性、使用時間長等優點。
3.2電氣調節系統電氣調節系統
主要由測量、運算、放大、執行及反饋等機構組成，機組的轉速信號送至測量元件，并根據偏差情況，按一定的調節規律發出調節指令。經過對各類調速器的深入對比，最終采用TDBYWT系列步進電機PLC微機調速器。該調速器以PLC和步進電機轉換元件為控制核心,在接力器移動的同時，位移變送器實時將接力器位移模擬量信號送至A/D轉換模塊,經A/D轉換為數字量信號后送到PLC中,與PLC中PID運算輸出值進行比較，當導葉開度小于PID值時，PLC驅動步進電機向開機方向旋轉，主配壓閥活塞向下移動，接力器開腔得壓力油而向開啟方向移動；當導葉開度大于PID值時，PLC驅動步進電機向關機方向旋轉，主配壓閥活塞向上移動，接力器關腔得壓力油而向關閉方向移動；當導葉開度與PID值相一致時，步進電機和主配壓閥活塞則回到中間位置，接力器停止運動，保持在當前位置。
3.3優化改進調節系統
因水輪機導水機構無鎖錠裝置，由于隧洞較長而出現水錘效應產生的軸向力開啟導葉，引起機組轉動及防止誤操作問題，給機組安全帶來重大隱患。電站技術人員分析了接力器無鎖錠裝置存在安全隱患后，組織相關技術人員對接力器油路系統及運行方式進行研究，通過借鑒同類型油路運行方式，采用在接力器關腔油路中增設一個由電磁閥控制的液控單向閥，當開度為“0”時，通過PLC控制電磁閥打開油源進行鎖錠，防止導葉接力器因為誤操作或水錘軸向力，造成接力器動作。
4技改后調節性能的提高
4.1觸摸屏實現人機對話
使用觸摸屏實現人機對話，根據電站的具體要求，還可增設數據顯示、統計和操作按鈕等功能。為滿足操作人員習慣，仍保留儀表、指示燈和操作按鈕，與觸摸屏同步顯示運行狀態。GOT為液晶(LCD)觸摸屏，以數字、棒狀圖及文件等多種方式顯示各種參數。設有初始屏、參數設置屏、參數顯示屏、故障報警屏、操作屏及說明書屏等多個顯示畫面，上電時自動顯示初始屏,其中參數設置屏的參數均可修改。
4.2步進電機-絲杠直控主配壓閥的新型電液隨動系統
采用自復中式步進電機+滾珠絲杠直控主配壓閥作為電液轉換機構。大導程無自鎖的滾珠絲杠螺母作為將步進電機旋轉量轉換成主配壓閥直線位移的元件，當步進電機帶動滾珠絲杠轉動時，螺母產生軸向移動，帶動主配壓閥活塞同步產生軸向移動，從而控制水輪機主接力器動作。新型電液轉換機構具有調節精度高、死區小、結構簡單、運行可靠的特點。
4.3控制回路增加鎖錠裝置提高系統可靠性
采用控制系統接力器關閉回路中串接一個電磁型鎖錠裝置，鎖錠裝置控制回路中接入導葉全關位置信號，當導葉開度為“0”時才能在操作柜上投入鎖錠功能，鎖錠裝置的投入防止人員誤操作及水錘的效應機組溜轉，提高控制系統可靠性。
4.4主配壓閥采用合金結構鋼提高了使用壽命，降低廠用電率
主配壓閥與活塞采用合金結構鋼，調節時磨損量小，漏油減少。油泵啟動間隔時間從原來2min延長為2h，改造后廠用電能耗降低17%。
4.5調速系統改造提高了調速功，增加了發電量
根據實際運行參數，通過調速功計算，優化接力器及蓄能器選型，機組在運行中開限從80%調整為100%，機組負荷增加700kW，年發電量增加364萬kW•h。
5結束語
調速器是水電站機組自動化的關鍵設備之一，其控制系統的好壞直接關系到供電電源質量，并影響水電站的穩定安全運行。通過對某水電站1、2號機組調速系統的重新選型及設備改造，提高了設備運行可靠性，增加了鎖錠裝置后解決了誤操作及機組溜轉等問題。經過半年多的運行，未發生調速器無法自動關閉導葉、頻繁打油、甩負荷出現過速、主配閥竄動等問題，事實證明該方案是可行的，機組及調速器各項技術性能、效率、可靠性都得到了提高，完全滿足電站需求。
作者：謝允頂 單位：國家能源集團寧德市上白石水利樞紐工程有限公司
