謝大強(qiáng)

（四川省樂山市沙灣水力發(fā)電廠，四川 樂山 614900）

1 概述

沖擊式水輪機(jī)適用于高水頭、小流量的電站，它將來自壓力管道的水，經(jīng)噴嘴后轉(zhuǎn)換為高速射流，切向沖擊轉(zhuǎn)輪，推動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電。為了保證水輪發(fā)電機(jī)組能順利地并網(wǎng)發(fā)電，必須配置調(diào)速器，它的主要功能是在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，保持其輸出的電能頻率、電壓穩(wěn)定。通常，調(diào)速器是通過調(diào)節(jié)進(jìn)人水輪機(jī)的水的流量來實(shí)現(xiàn)這一目的，對于沖擊式水輪機(jī)來說，就是移動(dòng)噴針以改變噴嘴的開度，從而改變水的流量。我廠以往生產(chǎn)的沖擊式水輪機(jī)，一般是配置電液自動(dòng)調(diào)速器，近年，調(diào)速器廠家研制出了沖擊式水輪機(jī)專用調(diào)速器(以下簡稱沖調(diào))，并逐漸在電站中開始應(yīng)用。

2 配置電液調(diào)速器時(shí)的特點(diǎn)

電液自動(dòng)調(diào)速器主要是指YDT、YWT型，后來發(fā)展為使用步進(jìn)電機(jī)PLC的BWT調(diào)速器，它的測頻放大、回復(fù)及控制部分采用電氣回路來實(shí)現(xiàn)，而液壓放大、反饋機(jī)構(gòu)、作功機(jī)構(gòu)則采用機(jī)械液壓裝置，是目前應(yīng)用最廣泛的調(diào)速器。

由于沖擊式水輪機(jī)的壓力鋼管一般比較長，因此，噴針不能關(guān)閉太快，否則會(huì)產(chǎn)生極大的水壓，危害壓力管的安全，同時(shí)，又必須在極短的時(shí)間內(nèi)切除射流，以防止出現(xiàn)飛逸，現(xiàn)在的機(jī)組一般采用噴針與折向器雙重調(diào)節(jié)的操作機(jī)構(gòu)。

電液自動(dòng)調(diào)速器輸出的是扭矩，通過調(diào)速軸，把調(diào)速器的轉(zhuǎn)臂與水輪機(jī)的操作機(jī)構(gòu)聯(lián)接在一起，調(diào)速器的指令通過連桿使操作機(jī)構(gòu)中的配壓閥活塞左、右移動(dòng)，壓力油通過配壓閥上的孔口，流人接力器的兩側(cè)，操縱噴針啟閉。在調(diào)速軸的適當(dāng)位置，另設(shè)1套拐臂、連桿來直接控制折向器，以保證折向器與噴針之間的協(xié)聯(lián)關(guān)系。單噴嘴機(jī)組的這種配置已應(yīng)用多年，比較可靠，能保證水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

而對于雙噴嘴沖擊式水輪機(jī)，在運(yùn)行時(shí)要求上、下噴針能同步移動(dòng)，且與折向器保持協(xié)聯(lián)關(guān)系。以前，國內(nèi)都采用凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)來完成這一系列動(dòng)作。由于整個(gè)結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，死區(qū)較多，而且凸輪、差動(dòng)配壓閥等零件的加工、安裝等方面容易產(chǎn)生誤差，經(jīng)常產(chǎn)生動(dòng)作遲緩，噴針位置控制不夠準(zhǔn)確等現(xiàn)象，這是配置YDT普通調(diào)速器的雙噴嘴沖擊式水輪機(jī)無法徹底解決的問題。

3 配置沖調(diào)時(shí)的特點(diǎn)

沖調(diào)實(shí)際上是改進(jìn)過的PLC型電液自動(dòng)調(diào)速器，它分單噴嘴用調(diào)速器、雙噴嘴用調(diào)速器，沖調(diào)與普通調(diào)速器的主要區(qū)別在于它輸出的不是扭矩，而是壓力油；由于沖擊式水輪機(jī)是通過改變噴針的開度來改變其流量，噴針是作直線運(yùn)動(dòng)的，因此只要在噴針后設(shè)置1個(gè)接力器，控制壓力油的進(jìn)出方向，就能直接控制噴針的啟閉，這樣，就可以取消水輪機(jī)上的操作機(jī)構(gòu)。為了讓調(diào)速器減少過調(diào)節(jié)，使調(diào)節(jié)過程穩(wěn)定，精確控制噴針的行程，要設(shè)置1個(gè)位移反饋裝置。

位移反饋裝置通常有機(jī)械反饋和電氣反饋兩種。機(jī)械反饋是用鋼絲或鋼帶將噴針的位移信號送到調(diào)速器的回復(fù)軸上，再通過調(diào)速器內(nèi)部液壓系統(tǒng)和電氣回路共同作用，使主配壓閥的活塞逐漸回到平衡位置，從而使噴針達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；而電氣反饋則是通過位移傳感器或電位計(jì)等電子元件將噴針的位移信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，反饋到PLC的A/D接口(模數(shù)轉(zhuǎn)換接口)，該數(shù)值與PLC內(nèi)部的計(jì)算值進(jìn)行比較，以決定噴針是開還是關(guān)。由于反饋電壓的作用與頻率偏差的作用正好相反，就減緩了接力器的移動(dòng)速度，減小了過調(diào)節(jié)，使調(diào)節(jié)達(dá)到平衡，保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。目前，國內(nèi)不同廠家生產(chǎn)的沖調(diào)采用的反饋形式各有其特點(diǎn)，可根據(jù)不同的機(jī)組的具體情況，選擇合適的反饋形式。

沖調(diào)的另一改進(jìn)是它的軟件系統(tǒng)，大多廠家的可編程邏輯控制器(PLC)，采用面向硬件仿真編程，采用模塊結(jié)構(gòu)，變參數(shù)并聯(lián)PID調(diào)節(jié)原理，改變了以往采用梯形圖、指令表等程序結(jié)構(gòu)，其測頻環(huán)節(jié)由PLC本身完成，無須單獨(dú)設(shè)置測頻電路，提高了測頻環(huán)節(jié)的可靠性。也有廠家采用PCC(可編程計(jì)算機(jī)控制器)，它將原PLC的標(biāo)準(zhǔn)功能和工業(yè)計(jì)算機(jī)的多任務(wù)操作系統(tǒng)集成在一起，配以數(shù)字閥隨動(dòng)系統(tǒng)，效果也不錯(cuò)。

當(dāng)雙噴嘴機(jī)組配置沖調(diào)后，就可以取消水輪機(jī)上的凸輪連桿組合操作機(jī)構(gòu)，在每個(gè)噴針后設(shè)置1個(gè)接力器，由壓力油根據(jù)調(diào)速器指令直接控制噴針的啟閉。由于調(diào)速器中有兩套相同的液壓隨動(dòng)系統(tǒng)，再根據(jù)選定的調(diào)速器反饋形式，在每個(gè)噴針后都設(shè)置相應(yīng)的反饋裝置，分別與一套液壓隨動(dòng)系統(tǒng)相聯(lián)；而折向器及其接力器由調(diào)速器中單獨(dú)的1個(gè)電磁閥來控制，它與噴針不再保持協(xié)聯(lián)關(guān)系，在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，折向器始終處于全開狀態(tài)，只有在關(guān)機(jī)或緊急停機(jī)時(shí)，接力器才動(dòng)作，關(guān)閉折向器；至于上、下噴針如何動(dòng)作、行程多少、折向器何時(shí)關(guān)閉等等，都由PLC中的程序通過控制壓力油來實(shí)現(xiàn)，這樣整個(gè)水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)就變得異常簡單，調(diào)節(jié)的可靠性也大大增強(qiáng)了。

單噴嘴水輪機(jī)的專用調(diào)速器中，只有1套液壓隨動(dòng)系統(tǒng)，其他的與雙噴嘴的專用調(diào)速器相同。此時(shí)，我們大多選用電反饋裝置，因?yàn)樗惭b很方便，在水輪機(jī)上也不用另加轉(zhuǎn)換裝置，只要1個(gè)支架固定好電位計(jì)或位置傳感器即可；電反饋方式的調(diào)試也比較容易，另外，它對調(diào)速器的位置沒有要求，可以任意布置

在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到下噴針在廠房平面以下，工作環(huán)境比較潮濕，還有可能發(fā)生滴水滴油等情況，我們對電位計(jì)、位移傳感器等電氣元件能否長期可靠工作存有疑慮，所以選擇了機(jī)械反饋方式，并設(shè)計(jì)了1個(gè)反饋機(jī)構(gòu)，將噴針的移動(dòng)距離轉(zhuǎn)換為扇形輪的旋轉(zhuǎn)弧長，再通過5mm的鋼絲繩經(jīng)滑輪反饋到調(diào)速器中的回復(fù)軸上。當(dāng)噴針移動(dòng)時(shí)，回復(fù)軸也相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過杠桿使與之相聯(lián)的步進(jìn)電機(jī)發(fā)出位移反饋信號，經(jīng)與PLC的位置信號進(jìn)行運(yùn)算后，輸出一個(gè)頻率差值，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，使引導(dǎo)閥針塞離開中間位置；此時(shí)，主配壓閥的活塞受壓差作用作相應(yīng)移動(dòng)，通過液壓系統(tǒng)向噴針接力器配送壓力油，同時(shí)，帶動(dòng)回復(fù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，通過杠桿使引導(dǎo)閥針塞回到中間位置，完成一次調(diào)節(jié)，從而控制噴針穩(wěn)定在某一位置，以保證機(jī)組頻率和出力的穩(wěn)定。在這臺機(jī)組的試運(yùn)行時(shí)，先進(jìn)行手動(dòng)操作，噴針接到指令后，迅速移動(dòng)，沒有發(fā)生配置普通YDT調(diào)速器時(shí)的滯后現(xiàn)象；自動(dòng)開機(jī)起動(dòng)時(shí)，機(jī)組自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)頻率，轉(zhuǎn)速迅速上升到同期要求，順利并網(wǎng)；接著作帶負(fù)荷試驗(yàn)，機(jī)組起動(dòng)并網(wǎng)后，在額定功率的25%、50%、75%各運(yùn)行了30min，在連續(xù)增減負(fù)荷的過程中，接力器無擺動(dòng)，機(jī)組無異?，F(xiàn)象，說明預(yù)調(diào)好的緩沖參數(shù)是合適的；再滿負(fù)荷運(yùn)行2h，在這過程中，頻率一直穩(wěn)定在50土0.2Hz之間，出力變化也很小。最后，作甩負(fù)荷試驗(yàn)，即在機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，突然跳閘與電網(wǎng)脫開，這會(huì)使調(diào)速器的各部件達(dá)到極限，是對調(diào)速器整體調(diào)節(jié)質(zhì)量的考驗(yàn)；分別在額定功率的25%、50%、75%和100%作了甩負(fù)荷試驗(yàn)，并對甩負(fù)荷前后的機(jī)組參數(shù)作了記錄；在甩滿負(fù)荷時(shí)，水輪機(jī)折向器能在跳閘2s時(shí)內(nèi)迅速倒下，切斷射流，機(jī)組速率相對上升了34%，壓力水管的壓力上升了14%左右，噴針接力器關(guān)閉時(shí)間為20s，這些參數(shù)都在允許范圍內(nèi)，說明調(diào)速器的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和速動(dòng)性能良好。經(jīng)72h的試運(yùn)行后，機(jī)組通過驗(yàn)收，并一直運(yùn)行穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

目前，已有多臺此類型的機(jī)組成功發(fā)電，從運(yùn)行情況看，雙噴嘴水輪機(jī)的專用調(diào)速器是很成功的一個(gè)產(chǎn)品，不僅大大簡化了水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)改善了調(diào)節(jié)品質(zhì)，提高了調(diào)節(jié)的可靠性。現(xiàn)在，我廠生產(chǎn)的雙噴嘴沖擊式機(jī)組全都配置專用調(diào)速器。我認(rèn)為，專用調(diào)速器不僅能用于新機(jī)組，也可用它對舊機(jī)組進(jìn)行技術(shù)改造。至于單噴嘴沖擊式機(jī)組，由于配普通調(diào)速器時(shí)，結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜，在運(yùn)行時(shí)也比較可靠，因此兩種調(diào)速器都在使用，可根據(jù)用戶喜好去選擇。

[1]李培深.水輪機(jī)調(diào)速器參數(shù)的測試[J].大電機(jī)技術(shù)，1990-12-27.