水电站冲击式水轮机组调速器技术发展历程探讨

2014-03-15·

中国水能及电气化 2014年11期

(新疆维吾尔自治区卡拉贝利水利枢纽工程建设管理局, 新疆喀什 844000)

在20世纪中期，我国冲击式水轮机发展比较缓慢，不论是喷嘴数还是单机容量，与国外相比均存在较大的差距。统计显示，我国每年生产的冲击式发电机组仅有300多台，每台发电机组容量只有15MW。到了20世纪末期，随着高水头发电机的运用，冲击式水轮机组逐渐向着多喷嘴、大容量的方向发展，专门适应高水头冲击式水轮机组控制特点的调速器也随之产生，并且取得了快速的发展。至今，我国自行生产的冲击式机组的单机容量已经达到了37～160MW，共4～6个喷嘴。除了发电机组以外，其余部件均由国外进口。本文通过实际案例对水电站冲击式水轮机组调速器技术发展历程进行研究。

1 工程介绍

某水电站为三级和四级引水式高水头电站，电站设计水头为590m，分别安装4个冲击式横轴水轮发电机组，单机组容量为36MW，自投入运行至1996年对其进行了更新，将8个进口的调速器全部更换成CJT-100-W型冲击式水轮机微机调速器，使用双微机、电液转换器的方法，2010～2012年又进行了第二次技术改造，全部更换了CJT4/1型冲击式水轮机调速机，使用电液比例和可编程调节器以及插装阀技术方案进行施工。不同时期不同类型的调速器的实践体现出了我国冲击式水轮机调速器的发展历程。

2 冲击式水轮机的发展过程

2.1 调速器使用的演变

20世纪90年代，冲击式水轮机械液压调节器逐渐老化，被电脑控制体系所取代。1994年，云南省某水电站在省电力局的大力支持下，与长控所结成科研合作单位，致力于研究捷克生产的冲击式调速器，1996年成功研制出了第一台由冲击式水轮机电脑控制的调速器并投入使用，1998年将调速器全部更新换代，实现了该电站的调速器更新[1]。这是第一批的换代调速器，第一次将电脑控制的调速器应用到冲击式水轮调速器设计，使调速器研究的成功经验和先进技艺得到了全面的实现。他们所研制的新型冲击式水轮电脑控制调速器使用了比较先进的电子调节器体系，包含四个主要构成成分，即两个电脑控制器体系、五个双锥式电液转换器、五个关键的配压阀扩大设备、五个电位转移传感器。详见图1。

图1 冲击式水轮电脑控制的调速器框架

该调速器的体系是不完全直联的模式，它包含的电液随动体系有五个，由折向器和喷针驱动。其主要工作原理是调节器将信号输出，经过电液随动体系对折向器进行控制，这些输出的信号通过电气协联的函数进行转变，从而实现对喷针的控制，使射流柱和折向器互相匹配。电液随动体系直接对喷针进行控制，电气回路直接完成工作轮的转变和所有负荷的支配。该调速器的关键特征是由电脑式调节器充当电子调节器，它的随动体系是由电液转换器和主干配压阀的二级液压扩大电液来实现的；电位转移传感器负责主干接力器的位置反馈，将以前的机械反馈淘汰，降低了由机械反馈造成的偏差；一个电气回路和一个协联函数传感器构成了协联体系，在协联体系的位置不发生变化、函数关系也不发生变化的情况下，由不一样的开度射流和折向器的里程来控制，这个调速器的协联体系为二段协联，也就是空载时折向器的开度约为1/3，实现并网后就会全部开放。

2.2 双可编程调速器的使用

随着水电站对生产质量、电力生产安全系数和自动化水平的要求越来越高，集中管理已经成为水电站发展的主导方向。为了全面提升自动化水平，2009年该电站进行了第二次的冲击式水轮电脑控制的调速器的更新换代，实现了水轮专用调速器的全面投入使用。详见图2。

图2 水轮专用调速器体系的框架详图

该调速器体系为直联模式，它的电液随动体系为四个，开关量管理体系为一个，它们来自各管理喷针和折向器，喷针与折向器并不是协联的，主要原理是单独的电液随动设备控制每一个喷针，电子调节器的工作受喷针的接力器影响，协联关系的非线特征和折向器的接力器时间不影响喷针工作，因此确保了小波动的质量和平稳性；开停机和转速直接控制折向接力器，转速超过某一数值就会关闭，转速低于这个数值时就会启动，转速值依据机组的现实状况由电脑软件修补，进而保证了大波动时调速体系过渡时的质量[2]。该调速器的关键特征是电气构成部分是微机管理器，使用的是奥地利生产的可编程电脑，管理体系由两通道交叉构成，机械液压体系的比例阀由电液转变执行部件构成，插装阀组成了扩大元件，整个机械结构采用模块化设计。折向器的扩大元件使用慢、快两种开关速率，正常开、关机时，折向器的速度可以调整，降低了对机组的冲击，使折向器的偏流器机械故障比率得到了有效控制，快速关闭时因大量用油造成的油压大频率的波动得到了有效控制；大频率波动或体系甩负荷时，折向器会迅速关闭，高效地控制机组转速的提升，确保了机组的安全性能，喷针体系增加了事故停机联动机制，减少了事故发生时折向器出现挡水的情况。

3 冲击式水轮调速器的技术探究

3.1 孤立负荷运行情况

冲击式机组由大网解列转变为孤立负荷工作，喷针和折向器的调节非常特殊，从体系解列看，频率会出现急速上升，折向器迅速关闭，频率降低到某一数值时，折向器又会自动开启。冲击式机组的转动惯性较大，频率的变化较缓慢，当频率降至50Hz左右时，喷针就会开启，这时候折向器没有达到开启的频率，喷针继续打开，频率降低至可以打开折向器时，折向器自动开启，此时喷针的开口度最大，折向器开启造成频率直线上升，喷针和折向器互相调节，机组由于大网解列后带动孤立负荷不可以达到稳定的孤网体系。若出现由大网解列转到孤网的情况，推荐解决的办法是由折向器完成对频率的管理，如果折向器没有打开，频率小于50Hz时，喷针接力器不开启，只有折向器打开后，喷针才可以正常进入到频率调节状态。机组进行小网工作时，将喷针从投切管理体系退出，把所有的喷针都放进去。

3.2 折向器与喷针的联动管理

在协联管理的体系里，不论是将喷针还是折向器作为关键的管理体系，折向器的调节都会有两种情况：处在射流的边际但是不与射流接触和切除射流。冲击式水轮机组因不能得出有效的折向器协联开口度，因此实现不了准确的协联管理，此外折向器的开、关比较快速，从理论分析，折向器不会有效控制在某一种开口度的状态下[3]，因此折向器的挡水协联管理机制也不会做到尽善尽美。经过对该电站长时间的理论研究和实践探索，在折向器和喷针的有效管理模式上，从机械到电气再到完全取消，把直联式的协联取消是可以的，在进行甩负荷时，体系可以正常工作。

3.3 折向器管理方法

截至目前，我国冲击式水轮调速器协联体系取消时，折向器就会转变成保安组织，正常的开启和关闭以及事故性关机的时间均在2s以内，由此可以看出，多喷嘴体系机组比较易于出现多次的冲击[4]。针对该电站，解决办法就是在折向器的关机面安装2个并联的插装阀，组合管理输出的流量，从而完成对慢开、关和快速关闭的速率进行有效的控制。