現代中小型水電站水輪機調速器的調試和維護

肖　平

摘要：調速器是水輪發電機組自動控制、調節系統的核心部件之一，其性能、工況直接關系水電站輸出的電能質量和供電可靠性。本文在介紹小型水電站調速器的特點與功能的基礎上，探討了調整試驗及日常維護內容。

關鍵詞：小型水電站調速器調試試驗故障判別

水輪機調速器是水輪機調節系統的核心，也是小型水電站總體自動化系統的關鍵部件之一。調速器對水輪機的控制，是自動控制原理在水輪發電機組控制上的具體應用。

1 小型水電站調速器的特點

它除了具有一般自動控制裝置的特征外，還有以下特點。

操作力大。水輪發電機組是重型機械設備，尺寸大、重量重，水輪機運行時通過的水流量大，因而控制進水門需要很大的操作力。通常用油壓操作，往往具有兩級或更多的液壓放大機構。

影響因素多，動作過程復雜。調速器所控制的是由水流、水輪發電機和電能用戶所組成的能量轉換及利用體系。引水管中的水體慣性較大，調速器控制過程中形成的水錘產生反調效應。使水輪機調速器系統穩定困難，控制復雜化。調節過程中各部分工作情況的變化，都會影響調節過程。因而水輪機調節是一個受多種因素影響的復雜過程。

調速器具有多種功能。除了在負載變化時自動調節水輪機流量外，調速器還應當實現開機、停機、調整頻率、控制機組出力等操作，在事故情況下應能執行緊急停機，以保證機組的安全。

2 調速器的功能

調速器的設計，根據用電用戶小和水電運行環境的特殊要求，將針對常規調速器的不足之處，使得調速器具有更完善的功能和獨特的性能。

并網功能：調速器能根據指令(機旁操作或遙控系統作)自動開機，采用閉環控制方式啟動，機組轉速上升迅速平穩，自動達到空載開度。當機組到達空載開度后，自動準同期控制系統即能精確調控機組頻率跟蹤網頻，并具有相角控制達到每分鐘至少可提供6次以上過周期并網點的機會，使機組并網更迅速、平穩。

調節有功功率：我國大多數中小水電機組都是并入電網，長期帶固定負荷運行的。機組并網后，轉速已被電網拖入同步狀態，故不需繼續調頻，其主要操作是調節有功功率。調速器具有開環調功及閉環調功兩種方式，所用的執行機構又是數控電液隨動系統，具有定位精度高，帶自鎖裝置不溜負荷等特點，從而使整個調節有功功率的過程達到迅速、平穩、精確的水平。

自動調頻功能：中小型水輪發電機組在農村小電網中，經常因電網解列而被迫甩負荷停機。調速器有性能優越的自動辨識系統，一旦電網解列，自動辨識系統立即將調速器由并網帶基荷運行狀態改為帶小網調頻運行狀態。快速的狀態辨識及調控，能使裝備有調速器的地方電網在電網解列后迅速自救，不會造成電網解列后，地方小電網全網崩潰的嚴重后果，保障了發電、供電、用電的安全。

3 調速器的調整試驗與維護

調速器在組裝和大、小修之后，必須經過一系列調整、試驗和檢查，才能保證今后正常，安全地運行。

3.1 調速器調試的基本內容

靜態試驗(充水前試驗)。當調速器組裝完畢，通過充油及電氣部分的線路檢查無異常后，就可做調速器靜態特性試驗。調速器的靜特性，是指在穩定平衡狀態下，調速器轉速n（或頻率f）和接力器行程y之間的關系，即y=f（n）。通過對調速器靜特性的測定，確定調速器的轉速死區ix，校驗永態轉差系數bp值，借以綜合鑒別調速器的制造、安裝或大修質量。試驗條件：bp=6％，開環增益為整定值，切除人工死區，微分系數Kd為最小值，積分系數為Ki為最大值，比例系數Kp為中間值。頻率給定為額定值。

試驗方法。用穩定的頻率信號源輸入額定頻率信號，以開度給定將導葉接力器調整到50％行程附近。然后升高或降低頻率使接力器全關或全開，調整頻率信號值，使之按1個方向逐次升高或降低，在導葉接力器每次變化穩定后，記錄該次信號頻率值及相應的接力器行程值，分別繪制頻率升高和降低的調速器靜態特性曲線。2條曲線間的最大區間即轉速死區ix，ix=△f/fn。靜態特性曲線斜率的負數即永態轉差系數bp。國標（GB/T9652o21997)規定中型調速器ix＜0.08％，小型調速器ix＜0.10％。

動態試驗(充水后試驗)。為了檢查調速器的質量，保證機組在突變負荷時能滿足調節保證計算的要求和所規定的動態指標，掌握機組在過渡過程中的狀態和各調節參數變化的范圍以及參數變化時對機組過渡過程規律的影響，從而找出最佳參數，提高機組運行的穩定性及可靠性，檢查機組設計及檢修質量，保證機組安全運行等。

單機空載穩定性觀測

①手動空載擺動值測試。檢查機組各部分均已具備啟動條件后，手動操作調速器使導葉慢慢開啟至空載開度附近。當機組轉速升至80％后，慢慢調整導葉開度使機組頻率穩定在50Hz附近；停止操作導葉接力器，待穩定一段時間后用頻率計測量機組頻率，并記錄連續3min機組頻率擺動值的最大值fmax和最小值fmin則頻率擺動范圍為△f=fmax-fmin。如以相對量表示，則為△x=2（fmax-fmin）％。此時的頻率波動，一般均系水力不平衡或機組本身問題所致，與調速器無關。

②自動空載擺動測試。將調速器切為自動運行，測量機組轉速擺動值。測試方法與手動運行時測試方法基本相同，只不過需進行參數的選優工作。最優參數應是空載擾動試驗的優化參數。

國標（CB/T9625.1-1997）中規定對于中小型調速器若水輪發電機組轉速相對值不大于±0.3％，則自動空載擺動值不得大于±0.25％。否則只需小于手動空載擺動值就算達標。

空載擾動試驗。機組需在各種工況下運行，欲使水輪機調節系統獲得良好的性能，必須合理選擇系統中的有關參數。空載擾動試驗方法如下：通過突變頻率給定值來進行頻率擾動試驗。擾動量一般為±（8-10％）fn，擾動試驗需記錄頻率擾動的超調量和過渡過程時間、調節次數等有關數據。通過若干組有關數據的比較，就可確定系統的最佳參數。國標對該試驗無考核要求。

甩負荷試驗。通過甩負荷試驗可進一步考驗機組在已選定的調速器空載參數下調節過程的速動性和穩定性，更主要是檢驗調保計算參數，保證機組安全。甩負荷試驗一般分4次：甩25％、50％、75％、100％額定負荷，由小到大順序進行。甩25％額定負荷，主要是檢查接力器的不動時間是否符合要求，同時也檢查轉速上升率和蝸殼水壓上升率以及調節時間，分析下次所甩負荷增長后可能的變化趨勢，從而進一步驗證所選定的調節參數是否為最佳。甩50％和75％額定負荷的目的主要是分析其變化趨勢。最后甩100％額定負荷時，機組轉速上升率、蝸殼水壓上升率、尾水管真空度、關機時間和過渡過程調節時間等均應滿足調節保證計算值和國標要求。國標（GB/T9652.1-997）規定甩25％額定負荷時，接力器不動時間Tq≤0.2s，甩100％額定負荷時，超過3％額定轉速的波峰次數不超過2次，穩定時間不大于40s。

３.2 調速器的維護

調速器日常維護的主要內容：監視油位、油溫和油壓，保證調速器及油壓裝置正常運行；調速器及油壓裝置用油適時處理、更換；及時清洗濾油器；注意各運行零件的潤滑；定期檢查緊固件及電氣插件，防止松脫現象；調速器正常運行中不允許改變調節參數，定期檢查各工作電源電壓及信號源電壓；防止灰塵、飛蟲等進入。

近些年來，有不少小型水電站的水輪機調速器進行了更新改造，老型號的機械或電氣液壓調速器，逐步被微機或可編程控制調速器所取代。現不少水庫電站的水輪發電機組原使用CT型或YT型調速器，前幾年陸續更新改造為DJT-K系列電動集成式全可編程調速器（武漢長控所生產）。經過安裝、調試、運行和維護、檢修，證明可編程調速器結構簡單、性能先進、操作方便，運行故障率小，維護、檢修工作量明顯減少，提高了水電站供電的安全可靠性和經濟效益。