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摘要：调速系统是水电厂重要设备，关系到机组的安全稳定运行。阐述某水电站原调速器控制系统存在的问题，介绍改造后调速系统的组成、工作原理，并结合调速系统改造解决了关键问题。
关键词：调速器；控制系统；接力器；调速功
1概述
某水电站位于闽东赛江上游东溪（又称柘泰溪）干流上，是座单纯的发电工程，引水式水电厂，装机2×9MW，年发电量7880万kW•h，年利用4300h，设计水头58m，实际运行水头65m，最高水头70m，隧洞全长3km，压力钢管直径1.85m，额定流量17.35m3/s。调速器型号BYWT-30000，蓄能器组容积80L，调速功30000N•m。调速器自2004年投产发电以来，当调速系统频繁调节或者开度超过80%甩负荷时，就会出现事故低油压报警导致停机或者导叶无法关闭造成机组过速等现象；主配压阀漏油大，油泵频繁打油；自动转手动时，长时间机组不能稳定运行，开度往关或开方向波动，对电网安全构成威胁。经过分析发现作为调速系统重要环节主配压阀、接力器及蓄能器是导致故障的原因所在，因此必须对调速系统进行技术改造，以提高其运行的可靠性。
2调速系统原理介绍及存在问题分析
2.1调速器原理介绍
某水电站水轮机调速系统由天津传动研究所生产的BYWT-30000系列，由电气控制柜、机械液压柜、油压装置及接力器组成，电气部分采用FXZN系列可编程为硬件，采用伺服电机作为电液转换元件。机械部分由主配压阀、液控单向阀、紧急停机电磁阀等构成。
2.2存在问题分析
综合以上数据对比某水电站在建设期设备选型时，未充分考虑设备稳定性和使用性能等问题。建设时水工建筑位置改变，造成水力势能变化，但是调速器选型未变更，与实际需求相比，调速器主配压阀通径和接力器缸偏小导致操作功不足，在运行中稳定性较差。主要存在以下问题：（1）主配压阀通径和接力器缸尺寸偏小，造成调速功不足，调速系统在运行中稳定性较差，对调速器控制性能产生影响。调速功不足，日常运行中只能通过把开限限制80%以内运行，造成水能的浪费。（2）为满足调速功更换了较大缸径的接力器,但是蓄能器组容积无法满足需求，在大幅度调节或者甩负荷时，容易出现低油压事故造成事故停机，存在事故隐患。（3）运行中步进电机调节，由于选材原因主配压阀与活塞磨损间隙变大，造成主配压阀漏油，油泵频繁打油。（4）调速器系统导水机构无锁锭装置，停机时水锺轴向力作用导叶开启，造成机组转动。
3解决方案
3.1机械液压部分
根据计算结果实际运行应用调速功为41810N.m，考虑丰水期水头达到70m，最终选择操作功50000N.m的调速器。接力器选用160/70E-2111-180及蓄能器选用两个NXQ-AB-63/31.5蓄能器组，容量满足要求，当最低工作油压时，导水机构水力矩最大时，在规定时间内接力器实现全关，开度从100%关至0%无低油压事故报警出现。选用直径20mm的主配压阀,属三位四通伺服滑阀结构，由引导阀、壳体、活塞等组成，活塞及衬套均采用合金结构钢，并经渗氮淬火处理，具有耐磨性、使用时间长等优点。
3.2电气调节系统电气调节系统
主要由测量、运算、放大、执行及反馈等机构组成，机组的转速信号送至测量元件，并根据偏差情况，按一定的调节规律发出调节指令。经过对各类调速器的深入对比，最终采用TDBYWT系列步进电机PLC微机调速器。该调速器以PLC和步进电机转换元件为控制核心,在接力器移动的同时，位移变送器实时将接力器位移模拟量信号送至A/D转换模块,经A/D转换为数字量信号后送到PLC中,与PLC中PID运算输出值进行比较，当导叶开度小于PID值时，PLC驱动步进电机向开机方向旋转，主配压阀活塞向下移动，接力器开腔得压力油而向开启方向移动；当导叶开度大于PID值时，PLC驱动步进电机向关机方向旋转，主配压阀活塞向上移动，接力器关腔得压力油而向关闭方向移动；当导叶开度与PID值相一致时，步进电机和主配压阀活塞则回到中间位置，接力器停止运动，保持在当前位置。
3.3优化改进调节系统
因水轮机导水机构无锁锭装置，由于隧洞较长而出现水锤效应产生的轴向力开启导叶，引起机组转动及防止误操作问题，给机组安全带来重大隐患。电站技术人员分析了接力器无锁锭装置存在安全隐患后，组织相关技术人员对接力器油路系统及运行方式进行研究，通过借鉴同类型油路运行方式，采用在接力器关腔油路中增设一个由电磁阀控制的液控单向阀，当开度为“0”时，通过PLC控制电磁阀打开油源进行锁锭，防止导叶接力器因为误操作或水锤轴向力，造成接力器动作。
4技改后调节性能的提高
4.1触摸屏实现人机对话
使用触摸屏实现人机对话，根据电站的具体要求，还可增设数据显示、统计和操作按钮等功能。为满足操作人员习惯，仍保留仪表、指示灯和操作按钮，与触摸屏同步显示运行状态。GOT为液晶(LCD)触摸屏，以数字、棒状图及文件等多种方式显示各种参数。设有初始屏、参数设置屏、参数显示屏、故障报警屏、操作屏及说明书屏等多个显示画面，上电时自动显示初始屏,其中参数设置屏的参数均可修改。
4.2步进电机-丝杠直控主配压阀的新型电液随动系统
采用自复中式步进电机+滚珠丝杠直控主配压阀作为电液转换机构。大导程无自锁的滚珠丝杠螺母作为将步进电机旋转量转换成主配压阀直线位移的元件，当步进电机带动滚珠丝杠转动时，螺母产生轴向移动，带动主配压阀活塞同步产生轴向移动，从而控制水轮机主接力器动作。新型电液转换机构具有调节精度高、死区小、结构简单、运行可靠的特点。
4.3控制回路增加锁锭装置提高系统可靠性
采用控制系统接力器关闭回路中串接一个电磁型锁锭装置，锁锭装置控制回路中接入导叶全关位置信号，当导叶开度为“0”时才能在操作柜上投入锁锭功能，锁锭装置的投入防止人员误操作及水锤的效应机组溜转，提高控制系统可靠性。
4.4主配压阀采用合金结构钢提高了使用寿命，降低厂用电率
主配压阀与活塞采用合金结构钢，调节时磨损量小，漏油减少。油泵启动间隔时间从原来2min延长为2h，改造后厂用电能耗降低17%。
4.5调速系统改造提高了调速功，增加了发电量
根据实际运行参数，通过调速功计算，优化接力器及蓄能器选型，机组在运行中开限从80%调整为100%，机组负荷增加700kW，年发电量增加364万kW•h。
5结束语
调速器是水电站机组自动化的关键设备之一，其控制系统的好坏直接关系到供电电源质量，并影响水电站的稳定安全运行。通过对某水电站1、2号机组调速系统的重新选型及设备改造，提高了设备运行可靠性，增加了锁锭装置后解决了误操作及机组溜转等问题。经过半年多的运行，未发生调速器无法自动关闭导叶、频繁打油、甩负荷出现过速、主配阀窜动等问题，事实证明该方案是可行的，机组及调速器各项技术性能、效率、可靠性都得到了提高，完全满足电站需求。
作者：谢允顶 单位：国家能源集团宁德市上白石水利枢纽工程有限公司
