谈专用调速器在冲击式水轮机上的应用
尤振科
摘要：在中小型冲击式水轮机中，常规配置YDT等电液调速器；近些年调速器厂家研制出了冲击式水轮机专用调速器，已在不少高水头电站中投入使用，运行效果比较理想；通过对比两类调速器的使用情况，简要谈谈使用专用调速器的一些体会。
关键词：水轮机；调速器；应用体会
1 概述
冲击式水轮机适用于高水头、小流量的电站，它将来自压力管道的水，经喷嘴后转换为高速射流，切向冲击转轮，推动转轮旋转，从而带动发电机转子转动发电。为了保证水轮发电机组能顺利地并网发电，必须配置调速器，它的主要功能是在机组运行时，保持其输出的电能频率、电压稳定。通常，调速器是通过调节进人水轮机的水的流量来实现这一目的，对于冲击式水轮机来说，就是移动喷针以改变喷嘴的开度，从而改变水的流量。我厂以往生产的冲击式水轮机，一般是配置电液自动调速器，近年，调速器厂家研制出了冲击式水轮机专用调速器(以下简称冲调)，并逐渐在电站中开始应用。
2配置电液调速器时的特点
电液自动调速器主要是指YDT、YWT型，后来发展为使用步进电机PLC的BWT调速器，它的测频放大、回复及控制部分采用电气回路来实现，而液压放大、反馈机构、作功机构则采用机械液压装置，是目前应用最广泛的调速器。
由于冲击式水轮机的压力钢管一般比较长，因此，喷针不能关闭太快，否则会产生极大的水压，危害压力管的安全，同时，又必须在极短的时间内切除射流，以防止出现飞逸，现在的机组一般采用喷针与折向器双重调节的操作机构。
电液自动调速器输出的是扭矩，通过调速轴，把调速器的转臂与水轮机的操作机构联接在一起，调速器的指令通过连杆使操作机构中的配压阀活塞左、右移动，压力油通过配压阀上的孔口，流人接力器的两侧，操纵喷针启闭。在调速轴的适当位置，另设1套拐臂、连杆来直接控制折向器，以保证折向器与喷针之间的协联关系。单喷嘴机组的这种配置已应用多年，比较可靠，能保证水轮机稳定运行。
而对于双喷嘴冲击式水轮机，在运行时要求上、下喷针能同步移动，且与折向器保持协联关系。以前，国内都采用凸轮连杆组合机构来完成这一系列动作。由于整个结构很复杂，死区较多，而且凸轮、差动配压阀等零件的加工、安装等方面容易产生误差，经常产生动作迟缓，喷针位置控制不够准确等现象，这是配置YDT普通调速器的双喷嘴冲击式水轮机无法彻底解决的问题。
3配置冲调时的特点
冲调实际上是改进过的PLC型电液自动调速器，它分单喷嘴用调速器、双喷嘴用调速器，冲调与普通调速器的主要区别在于它输出的不是扭矩，而是压力油；由于冲击式水轮机是通过改变喷针的开度来改变其流量，喷针是作直线运动的，因此只要在喷针后设置1个接力器，控制压力油的进出方向，就能直接控制喷针的启闭，这样，就可以取消水轮机上的操作机构。为了让调速器减少过调节，使调节过程稳定，精确控制喷针的行程，要设置1个位移反馈装置。
位移反馈装置通常有机械反馈和电气反馈两种。机械反馈是用钢丝或钢带将喷针的位移信号送到调速器的回复轴上，再通过调速器内部液压系统和电气回路共同作用，使主配压阀的活塞逐渐回到平衡位置，从而使喷针达到稳定状态；而电气反馈则是通过位移传感器或电位计等电子元件将喷针的位移信号转变为电压信号，反馈到PLC的A／D接口(模数转换接口)，该数值与PLC内部的计算值进行比较，以决定喷针是开还是关。由于反馈电压的作用与频率偏差的作用正好相反，就减缓了接力器的移动速度，减小了过调节，使调节达到平衡，保证机组稳定运行。目前，国内不同厂家生产的冲调采用的反馈形式各有其特点，可根据不同的机组的具体情况，选择合适的反馈形式。
冲调的另一改进是它的软件系统，大多厂家的可编程逻辑控制器(PLC)，采用面向硬件仿真编程，采用模块结构，变参数并联PID调节原理，改变了以往采用梯形图、指令表等程序结构，其测频环节由PLC本身完成，无须单独设置测频电路，提高了测频环节的可靠性。也有厂家采用PCC(可编程计算机控制器)，它将原PLC的标准功能和工业计算机的多任务操作系统集成在一起，配以数字阀随动系统，效果也不错。
当双喷嘴机组配置冲调后，就可以取消水轮机上的凸轮连杆组合操作机构，在每个喷针后设置1个接力器，由压力油根据调速器指令直接控制喷针的启闭。由于调速器中有两套相同的液压随动系统，再根据选定的调速器反馈形式，在每个喷针后都设置相应的反馈装置，分别与一套液压随动系统相联；而折向器及其接力器由调速器中单独的1个电磁阀来控制，它与喷针不再保持协联关系，在机组正常运行时，折向器始终处于全开状态，只有在关机或紧急停机时，接力器才动作，关闭折向器；至于上、下喷针如何动作、行程多少、折向器何时关闭等等，都由PLC中的程序通过控制压力油来实现，这样整个水轮机的结构就变得异常简单，调节的可靠性也大大增强了。
单喷嘴水轮机的专用调速器中，只有1套液压随动系统，其他的与双喷嘴的专用调速器相同。此时，我们大多选用电反馈装置，因为它安装很方便，在水轮机上也不用另加转换装置，只要1个支架固定好电位计或位置传感器即可；电反馈方式的调试也比较容易，另外，它对调速器的位置没有要求，可以任意布置
在设计时，考虑到下喷针在厂房平面以下，工作环境比较潮湿，还有可能发生滴水滴油等情况，我们对电位计、位移传感器等电气元件能否长期可靠工作存有疑虑，所以选择了机械反馈方式，并设计了1个反馈机构，将喷针的移动距离转换为扇形轮的旋转弧长，再通过5mm的钢丝绳经滑轮反馈到调速器中的回复轴上。当喷针移动时，回复轴也相应转动，通过杠杆使与之相联的步进电机发出位移反馈信号，经与PLC的位置信号进行运算后，输出一个频率差值，通过步进电机驱动器去驱动步进电机，使引导阀针塞离开中间位置；此时，主配压阀的活塞受压差作用作相应移动，通过液压系统向喷针接力器配送压力油，同时，带动回复机构运动，通过杠杆使引导阀针塞回到中间位置，完成一次调节，从而控制喷针稳定在某一位置，以保证机组频率和出力的稳定。在这台机组的试运行时，先进行手动操作，喷针接到指令后，迅速移动，没有发生配置普通YDT调速器时的滞后现象；自动开机起动时，机组自动跟踪电网频率，转速迅速上升到同期要求，顺利并网；接着作带负荷试验，机组起动并网后，在额定功率的25％、50％、75％各运行了30min，在连续增减负荷的过程中，接力器无摆动，机组无异常现象，说明预调好的缓冲参数是合适的；再满负荷运行2h，在这过程中，频率一直稳定在50土0．2Hz之间，出力变化也很小。最后，作甩负荷试验，即在机组带负荷运行时，突然跳闸与电网脱开，这会使调速器的各部件达到极限，是对调速器整体调节质量的考验；分别在额定功率的25％、50％、75％和100％作了甩负荷试验，并对甩负荷前后的机组参数作了记录；在甩满负荷时，水轮机折向器能在跳闸2s时内迅速倒下，切断射流，机组速率相对上升了34％，压力水管的压力上升了14％左右，喷针接力器关闭时间为20s，这些参数都在允许范围内，说明调速器的动态稳定性和速动性能良好。经72h的试运行后，机组通过验收，并一直运行稳定。
４结束语
目前，已有多台此类型的机组成功发电，从运行情况看，双喷嘴水轮机的专用调速器是很成功的一个产品，不仅大大简化了水轮机的结构，同时改善了调节品质，提高了调节的可靠性。现在，我厂生产的双喷嘴冲击式机组全都配置专用调速器。我认为，专用调速器不仅能用于新机组，也可用它对旧机组进行技术改造。至于单喷嘴冲击式机组，由于配普通调速器时，结构不是很复杂，在运行时也比较可靠，因此两种调速器都在使用，可根据用户喜好去选择。
