蔡 群，周 伍，陳萬(wàn)波，趙 瓏

（1.北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京100038；2.葛洲壩水力發(fā)電廠，湖北 宜昌443002；3.抱子石水電廠，江西 修水332400）

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，我國(guó)對(duì)設(shè)備的“節(jié)能、降耗、綠色、環(huán)?！钡暮袈曇灿l(fā)的高漲，水電站運(yùn)行對(duì)節(jié)能降耗也逐漸重視。對(duì)于水電站來(lái)說(shuō)，節(jié)能減排、降低能耗不僅迎合當(dāng)下社會(huì)對(duì)綠色環(huán)保的要求，同時(shí)也能在一定程度上減少設(shè)備自身的運(yùn)行成本，從而使得整體經(jīng)濟(jì)效益增加。葛洲壩水力發(fā)電廠19F調(diào)速器在改型前存在著油泵啟動(dòng)間隔短、空載擺動(dòng)偏大、調(diào)節(jié)頻繁、動(dòng)態(tài)響應(yīng)收斂過(guò)程慢、甩負(fù)荷低頻滅磁及不動(dòng)時(shí)間不達(dá)標(biāo)等一系列缺點(diǎn)，改型為北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)的CVZT-150-4.0型數(shù)字式水輪機(jī)調(diào)速器，不但解決了這些問(wèn)題，同時(shí)也在節(jié)能降耗方面體現(xiàn)出十分顯著的優(yōu)勢(shì)。在之前我們還改造了許多燈泡貫流機(jī)組的調(diào)速器，如陜西蜀河水電廠、江西抱子石水電廠等，經(jīng)改型為北京中水科的數(shù)字插裝式調(diào)速器后，徹底解決了存在的問(wèn)題。

1 水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的能耗組成

水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)能耗主要包括：泄漏與油源消耗、油泵運(yùn)行的廠用電耗、發(fā)電過(guò)程水耗及維護(hù)檢修的油耗[1]。本文將對(duì)這幾方面進(jìn)行分析論述，并比較設(shè)備技改前后的節(jié)能降耗效果。

2 泄漏與油源消耗

葛洲壩水電廠19F原采用WBST-150-4.0型步進(jìn)電機(jī)式調(diào)速器，該型調(diào)速器采用步進(jìn)電機(jī)+引導(dǎo)閥作為先導(dǎo)級(jí)的電氣-機(jī)械/液壓轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，并帶動(dòng)傳統(tǒng)滑閥式主配壓閥主級(jí)。

傳統(tǒng)滑閥式主配系具有多個(gè)臺(tái)肩圓柱滑閥閥芯和多條沉割槽鑄造或鍛造閥體的配磨對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，為非標(biāo)準(zhǔn)大通徑滑閥（特殊形式的大流量-機(jī)液操縱比例方向流量控制閥）。由于采用間隙密封且配合面結(jié)構(gòu)尺寸大，其泄漏量與保壓能力、換向時(shí)間、換向沖擊、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面存在諸多不足；此外，其抗油污能力差、易卡死，換向可靠性受到局限。它簡(jiǎn)單通用、應(yīng)用歷史悠久，但難以實(shí)現(xiàn)多形式、廣范圍和靈活多變的集成化，顯然難以滿足現(xiàn)代水輪機(jī)調(diào)速器對(duì)液壓技術(shù)日益增高的要求。

參見(jiàn)下頁(yè)圖1，為減小滑閥式主配的漏油量，一般按正搭疊（負(fù)開(kāi)口）設(shè)計(jì)制造，由此也將增加水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)死區(qū)[2]、不動(dòng)時(shí)間、空載轉(zhuǎn)速擺動(dòng)、穩(wěn)態(tài)誤差，引起調(diào)節(jié)性能降低。為了兼顧漏油量與死區(qū)等指標(biāo)都不致過(guò)大，對(duì)搭疊量大小只能進(jìn)行折衷的取舍，但無(wú)法從根本上解決這一矛盾。

隨著滑閥式主配直徑及工作壓力的增加，泄漏將大幅增加，使這一問(wèn)題更加突出，由此進(jìn)一步造成油壓裝置油源的持續(xù)消耗，進(jìn)而導(dǎo)致油泵頻繁啟動(dòng)、補(bǔ)油，增加了廠用電消耗及油泵磨損。

圖1 滑閥式主配的搭疊量

而CVZT-150-4.0型數(shù)字式調(diào)速器采用了插裝閥技術(shù)，整個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)控制閥均為板式集成塊安裝，取消外部明管路，避免了明管路的泄漏。先導(dǎo)級(jí)采用高速開(kāi)關(guān)閥（如圖2所示），響應(yīng)時(shí)間約為0.5～3 ms，主閥采用二通插裝閥（如圖3所示）。從圖中可以看出，高速開(kāi)關(guān)閥為球面線密封、插裝閥的密封形式為錐面線密封結(jié)構(gòu)，可以做到幾乎零泄漏的程度。在流體機(jī)械中，閥類(lèi)元件采用球面密封、錐面密封是公認(rèn)的最為理想的密封方式。

圖2 高速開(kāi)關(guān)閥工作示意圖

圖3 二通插裝閥工作示意圖

插裝閥與傳統(tǒng)滑閥式主配相比，它采用微型結(jié)構(gòu)的高速開(kāi)關(guān)閥作先導(dǎo)控制，可以不受限制地接受各種形式的開(kāi)關(guān)、模擬和數(shù)字信號(hào)控制，并進(jìn)行包括位移、液壓參量的反饋和比較，在同一主級(jí)上復(fù)合壓力、流量及方向諸多功能，若先導(dǎo)信號(hào)是連續(xù)或按比例調(diào)節(jié)，閥座主級(jí)就可實(shí)現(xiàn)伺服閥/比例閥的控制功能，具有極佳的“可控性”與靈活性。閥座結(jié)構(gòu)上也克服了傳統(tǒng)滑閥工藝性差及徑向間隙泄漏的缺點(diǎn)，其閥座主級(jí)系錐面“線密封”和“零搭疊量”，加之軸向結(jié)構(gòu)尺寸短、閥芯質(zhì)量小，這為提高動(dòng)態(tài)品質(zhì)、實(shí)現(xiàn)多形式、大范圍、靈活多變的集成化提供了可能，從根本上克服了傳統(tǒng)滑閥式主配難以兼顧的漏油量與搭疊死區(qū)的矛盾，這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)調(diào)速器液壓隨動(dòng)控制的技術(shù)進(jìn)步具有十分重要的意義，對(duì)調(diào)速器傳統(tǒng)液壓伺服控制技術(shù)的變革起了很大推動(dòng)作用，這種控制優(yōu)點(diǎn)對(duì)中大功率的大型水輪機(jī)調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)的系統(tǒng)集成與使用十分有利。

插裝閥代替滑閥式主配所具有的一系列技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，概括如下：

1）適于高壓、大流量；

2）適用于各種工作介質(zhì)，包括高水基甚至純水液壓系統(tǒng)；

3）適于集成化、組合化。插裝閥系統(tǒng)不僅具有一般液壓集成系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有集成塊結(jié)構(gòu)緊湊、內(nèi)部流道短、彎曲少、阻力損失小、靈活多變、三化程度高，以及安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)；

4）可實(shí)現(xiàn)無(wú)泄漏控制、保壓能力強(qiáng)；

5）具有大流量、低液阻特性，因而其系統(tǒng)效率高、節(jié)省能量，這也是傳統(tǒng)滑閥式主配系統(tǒng)所無(wú)法比擬的；

6）既具有快速的開(kāi)啟與關(guān)閉特性，又可容易地對(duì)啟閉特性進(jìn)行控制，包括緩沖與減速；

7）抗油污能力強(qiáng)、性能可靠、工作壽命長(zhǎng)。

3 改造前后油泵啟動(dòng)間隔時(shí)間對(duì)比

我們調(diào)取并查閱了葛州壩19F調(diào)速器改造前后的油壓裝置運(yùn)行信息，改造前穩(wěn)定狀態(tài)下的油壓裝置啟泵平均時(shí)間間隔約為1.5 h，而改造后的啟泵平均時(shí)間間隔則長(zhǎng)達(dá)6 h，改造前后油泵啟動(dòng)時(shí)間間隔對(duì)比如圖4所示。

圖4 改型前后油泵啟動(dòng)時(shí)間間隔對(duì)比圖

考慮到葛洲壩電廠機(jī)組數(shù)量多、機(jī)組連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，機(jī)組年平均運(yùn)行小時(shí)數(shù)6 500 h[3]，最高達(dá)7 141.8 h，由此推測(cè)估算，油泵的能耗在廠用電能消耗中的占比十分可觀，若延長(zhǎng)油泵啟動(dòng)間隔則能夠直接有效地減少?gòu)S用電消耗；另一方面，若減少了油泵的啟動(dòng)次數(shù)，也相應(yīng)降低了油泵磨損，從而延長(zhǎng)了油泵的使用壽命。

我們通過(guò)對(duì)19F單臺(tái)機(jī)組測(cè)算，得出調(diào)速器改造后1年內(nèi)電量節(jié)能的數(shù)值、電量消耗對(duì)比，如表1所示。

表1 油泵啟動(dòng)電能損耗的比較

由表1中可以看出，改型后僅僅1臺(tái)機(jī)組年直接節(jié)約電量便可達(dá)到3萬(wàn)余kW·h，若葛洲壩電廠所有機(jī)組均改造為該型數(shù)字式調(diào)速器，則年節(jié)約電量將是一個(gè)十分可觀的數(shù)值。

江西抱子石水電廠2臺(tái)水輪機(jī)調(diào)速器改造后，油泵啟停時(shí)間間隔由原來(lái)的10 min延長(zhǎng)到現(xiàn)在的約21 h，啟停時(shí)間間隔延長(zhǎng)120倍。據(jù)此粗略估算，每臺(tái)機(jī)每年節(jié)電約5萬(wàn)kW·h。

4 發(fā)電水耗

在改造前，原調(diào)速器某些響應(yīng)性能已難以滿足機(jī)組運(yùn)行要求。其中空載擺動(dòng)值偏大，將導(dǎo)致機(jī)組開(kāi)機(jī)-同期并網(wǎng)時(shí)間大幅延長(zhǎng)，使機(jī)組不能及時(shí)迅速帶上目標(biāo)功率、產(chǎn)生發(fā)電效益；而甩負(fù)荷過(guò)程中的不動(dòng)時(shí)間不達(dá)標(biāo)及轉(zhuǎn)速反超調(diào)導(dǎo)致的低頻滅磁，則有可能引發(fā)機(jī)組的強(qiáng)迫停機(jī)，使機(jī)組原本可以迅速?gòu)乃ω?fù)荷工況直接轉(zhuǎn)到空載再并網(wǎng)的過(guò)程，多出一個(gè)停機(jī)再開(kāi)機(jī)-空載的過(guò)程。而不論是空載擺動(dòng)大還是多出一個(gè)開(kāi)停機(jī)過(guò)程，對(duì)水電廠生產(chǎn)的發(fā)電水耗都有影響。通過(guò)理論計(jì)算我們可以得出空載持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)及開(kāi)停機(jī)并網(wǎng)過(guò)程中的水耗，并得出相應(yīng)折合標(biāo)煤當(dāng)量：

根據(jù)簡(jiǎn)化的流量計(jì)算公式[4]：

式中：Q-通過(guò)流量（m3/s）；μ-流量系數(shù)，與流道的形狀有關(guān)（0.6～0.65）；A-過(guò)流面積（m2）；P-過(guò)流面前后的水壓差，單位（Pa）；ρ- 水體密度（kg/m3）。

式中：Q1-實(shí)際通過(guò)流量（m3/s）；Qmax-額定流量（m3/s）；A1- 空載導(dǎo)葉過(guò)流面積（m2）；A2- 導(dǎo)葉全開(kāi)過(guò)流面積（m2）；α- 導(dǎo)葉開(kāi)度（%）。

水勢(shì)能計(jì)算公式：E=mgh=ρgVh

其中m為質(zhì)量，g為重力加速度，h為機(jī)組工作水頭；1 kg標(biāo)煤轉(zhuǎn)換為29 260 kJ[5]。

通過(guò)計(jì)算得出的各狀態(tài)下的水耗及折合標(biāo)煤當(dāng)量如表2所示。

表2 各狀態(tài)下的耗水量

改造后的調(diào)速器相比原調(diào)速器，不但減少了空載并網(wǎng)時(shí)間，同時(shí)也避免了甩負(fù)荷低頻滅磁造成的不必要停機(jī)，極大程度地避免了無(wú)謂的耗水量，這從發(fā)電耗水方面也實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排作用。

5 維護(hù)檢修油耗

由于葛洲壩水電廠機(jī)組數(shù)量多，共計(jì)21臺(tái)機(jī)組常年運(yùn)行，且油源體積相當(dāng)龐大，單臺(tái)機(jī)組用油量約為100 m3，加上油庫(kù)儲(chǔ)備油量，全廠約有2 200 m3用油。從電廠投運(yùn)以來(lái)，全廠調(diào)速系統(tǒng)液壓用油都未曾更換過(guò)，油液已劣化變質(zhì)且存有很多雜質(zhì)污染，對(duì)調(diào)速器的正常運(yùn)行是極大的考驗(yàn)。改造前原調(diào)速器曾多次因油質(zhì)問(wèn)題造成主配先導(dǎo)閥卡阻，由于先導(dǎo)閥的加工配合較為精密，發(fā)生問(wèn)題后難以處理，拆解困難，對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了一定的影響。

而插裝閥抗油污能力強(qiáng)，對(duì)油液過(guò)濾精度無(wú)嚴(yán)格要求，可以在過(guò)濾精度500 μ甚至更低的油質(zhì)中正常工作，可以很好地適應(yīng)葛洲壩水電廠的運(yùn)行條件，可以為電廠方面節(jié)省下檢修維護(hù)的液壓油，減少?gòu)U油的排放。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）數(shù)字插裝式水輪機(jī)調(diào)速器從研制到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，無(wú)不經(jīng)歷著安全性、可靠性、“節(jié)能、降耗、綠色、環(huán)?！狈矫娴目简?yàn)，該型調(diào)速器采用獨(dú)特的集成塊結(jié)構(gòu)，柜內(nèi)機(jī)械液壓組件整體無(wú)外露管道，減少了漏油環(huán)節(jié)，體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，可以實(shí)現(xiàn)水電廠油液無(wú)外泄，減少對(duì)環(huán)境及河道污染，環(huán)保效應(yīng)顯著。

（2）由于數(shù)字插裝式水輪機(jī)調(diào)速器內(nèi)泄漏小、靜耗油量小、保壓能力強(qiáng)，極大程度地減少油泵起動(dòng)次數(shù)，降低了廠用電消耗，也使同等時(shí)間內(nèi)設(shè)備噪聲降低，符合綠色環(huán)保設(shè)計(jì)理念。

（3）通過(guò)對(duì)葛洲壩水力發(fā)電廠19F調(diào)速器改造前后能耗方面的對(duì)比分析，再次證明了該類(lèi)數(shù)字式水輪機(jī)調(diào)速器體現(xiàn)的“節(jié)能、降耗、綠色、環(huán)?！钡募夹g(shù)優(yōu)勢(shì)，解決了水電廠用戶最關(guān)心的安全性、可靠性、節(jié)能降耗、對(duì)電廠與下游河道及周?chē)h(huán)境污染等問(wèn)題。

（4）在數(shù)字插裝式水輪機(jī)調(diào)速器的推廣和發(fā)展歷程中，作為長(zhǎng)期處于后進(jìn)者角色的中國(guó)水輪機(jī)調(diào)速器界，一改過(guò)去被動(dòng)、落后和沉寂的表現(xiàn)，充當(dāng)了緊跟時(shí)代發(fā)展前沿并不斷有所創(chuàng)新、積極、進(jìn)取的角色。該類(lèi)調(diào)速器特別適合與現(xiàn)代先進(jìn)的電子技術(shù)相結(jié)合，體現(xiàn)了與時(shí)代相適應(yīng)的先進(jìn)技術(shù)水平，極大地鼓舞和激勵(lì)了我國(guó)水輪機(jī)調(diào)速器界在21世紀(jì)奮起直追、努力引領(lǐng)世界先進(jìn)水平的信心。