瓦房城水電站調速器改造設計與實踐應用

李榮

(民樂縣瓦房城水電站,甘肅張掖 734506)

瓦房城水電站調速器改造設計與實踐應用

李榮

(民樂縣瓦房城水電站,甘肅張掖 734506)

針對電站機械液壓調速器速動性、靈敏性、穩定性差,故障率高,水機安全無保障的問題,在項目建設中提出用新型微機調速器代替機械液壓調速器的改造設計方案,并介紹了新型微機調速器的結構組成、工作原理、主要功能、運行方式等特點。運行實踐證明,采用新型微機調速器效果良好,值得在老電站的技改中借鑒應用。

瓦房城水電站 調速器 改造設計 實踐應用

1 調速器改造設計

1.1 概況

瓦房城水電站地處甘肅省民樂縣南古鎮，座落于黑河流域東部支流的大堵麻河上。電站始建于1978年，屬水庫壩后式電站，總裝機容量3×500kw，設計年發電量620萬kw.h。經過30多年的運行，調速器仍使用傳統的機械液壓式調速器，老化嚴重、油路易堵塞、速動性、靈敏性、穩定性差，故障率高，水機安全無保障。2010年瓦房城水電站被國家水利部和發改委列入小水電代燃料建設項目后，裝機容量擴大至2060kw(2*630+800kw)，為了消除上述機械液壓調速器的故障隱患，提高電站的自動化程度和設備的安全可靠度，減輕值班人員的勞動強度，實現少人值守的建設目標，在電站工程建設中提出用新型微機調速器代替機械液壓調速器的改造設計方案，以保證老電站更好地發揮效益，擔當以電代燃料的任務。

1.2 調速器改造設計方案

1.2.1 方案設計總體要求

根據瓦房城水電站機組參數配置，設計方案應能保證水電站的水輪發電機組空載時轉速穩定，負載時穩定運行，具備轉速檢測、轉速調節、導葉開度限制、機組頻率跟蹤控制、變參數變結構、自診斷等功能;應能保證水輪發電機組在各種運行工況下實現遠方自動或手動控制;能通過RS485口與電站計算機監控系統連接，對機組實現網絡監視與控制;并且各項性能指標滿足國家標準的要求。

1.2.2 方案對比及選擇

(1)更換全新高油壓調速器。將電站原有的YT-300型機械液壓調速器全部拆除，更換為YWT系列高油壓微機型調速器。高油壓系列調速器設計采用模塊化結構，取消了傳統的機械聯柜、凸輪和復雜的機械連桿，具有結構簡單、拆卸及維護方便、互換性能好等特點，其控制部分以進口可編程控制器為調節控制核心，采用獨立的機械液壓控制回路控制接力器。該系列調速器在性能及結構上都突破了傳統機械調速器的模式，從根本上克服了常規機械調速器存在的缺陷，代表了現代調速器的發展方向。

(2)局部改造YT-300型機械液壓調速器。將原YT-300型調速器改造成YWT-600-2.5型可編程調速器，更新調速控制柜及柜內所有電氣元件、液壓元件，保留原調速器油壓裝置的回油箱、壓力油罐、接力器等。

綜合以上2個方案對比分析：方案1采用YWT系列高油壓微機型調速器，雖有結構簡單、拆卸及維護方便、互換性能好等優點，但整體換新價格昂貴;方案2采用局部改造的方法，調速器整體不動，基礎不動，不需進行平衡和角度調整，減少了安裝工序，從電站裝機規模來看，YWT-600-2.5型可編程調速器完全可以滿足電站機組(2*630+800kw)對調速器的要求，且YWT-600-2.5型可編程調速器價格相對較低。綜合分析結果：方案2采用局部改造的方法，不僅調速器能滿足電站機組需求，而且省時、省力、節約資金。從經濟實用的原則出發，選擇方案2相對合適。

1.3 調速器改造方法及安裝

1.3.1 調速器改造方法

(1)原調速器部件拆除后，進行安裝。

(2)取消了調速器機械液壓柜內所有明管，機械液壓隨動系統，采用數字式電磁閥控制，以高速開關閥做電液轉換元件;結構簡單，工作可靠，耗油量少，抗油污能力強;液壓部分結構簡單，集成化程度高，無杠桿，機械柜中的元器件更少，維護操作更簡單、方便。

(3)空載自動跟蹤電網頻率，以及特有自動補償PID調節規律，能使機組頻率迅速達到同期要求。

(4)采用直線位移反饋，直接與接力器相連，消除了反饋系統中的連接間隙，死行程，保證了反饋的及時準確，從而克服了鋼絲繩及鋼性恢復桿的缺點。

1.3.2 調速器的安裝

(1)調速器柜體安裝：調速器柜體直接安裝到原油壓裝置上。

(2)位移傳感器安裝：現場調整安裝時，注意保證傳感器鋼帶以直線運動，否則會損壞內部導向機構。傳感器安裝時必須固定牢固，否則會使導葉反饋的零點發生偏移，使機組關機不能關死。

(3)開關時間調整：在調速器主閥體兩側各有一個調整螺桿，把固定螺母松開后，通過旋轉調整螺桿可調解調速器的開關機速度。如開關機時間過長，將螺桿旋出;如開關機時間過短，將螺桿旋入。開關機時間調整好后，應將鎖緊螺母緊固，不允許松動。

2 調速器結構功能及原理

2.1 型號特點及結構布置

2.1.1 型號特點

設計方案選用微機調速器型號為YWT-600-2.5;工作油壓：2.5MPa;電源采用交、直流雙供，即：DC220V±10%和AC220V±10%;透平油牌號：L-TSA46。其主要特點為：體積小、結構簡單、性能可靠，具有先進的抗干擾試驗設備，完善的試驗手段，主要部件全部采用國內外知名品牌。采用日本三菱公司可編程控制器(PLC)，觸摸屏等硬件組成電氣控制系統，以高性能數字開關閥、電磁閥等組成機械控制系統。測頻采用可編程本體高精度直接測頻。

2.1.2 結構布置

(1)YWT-600-2.5可編程微機調速器由微機調節器、電液隨動系統和油壓裝置三大部分構成，結構型式為組合式。

(2)微機調節器的核心器件——可編程控制器(PLC)和電液隨動系統中的電液轉換器件——數字閥，采用可靠性高，抗干擾能力強、運行速度快、使用壽命長的國外進口元器件。

(3)調速器控制柜集電氣箱和機械柜于一體，且分層隔離。上層為電氣箱，下層為機械柜。控制柜內元器件布置清爽，排列有序，便于調整維護和檢修測量。控制柜正面設有觸摸屏，用于液晶漢化顯示。

(4)控制器由功能獨立的若干模塊構成，各模塊性能可靠、更換方便。

(5)調速器具有機械手動操作裝置。

2.2 調速器硬件構成及特點

2.2.1 機械液壓系統構成及特點

YWT-600型微機調速器，機械液壓隨動系統由標準液壓元件及集成塊組成。主要液壓元件有：緊急停機電磁換向閥，控制閥組，液控單向閥等組成。

調速器數字閥液壓系統控制接力器的動作，數字閥液壓系統采用通用的液壓元件和附件，能充分滿足水輪機調節的基本要求，并且具有很高的安全性。數字閥與脈寬調節(PWM)控制結合后，通過控制脈沖頻率或脈沖寬度，對液流進行連續的控制，提高液壓系統的控制性和穩定性。

調速器最主要的配置控制閥是一個二位三通的電磁閥，換向時間短，動作可靠，電磁鐵壽命長，能保證調速系統的調節品質。選用的三位電磁閥，利用電磁鐵的通電吸合與斷電釋放而直接推動閥芯來控制液流方向，電磁鐵失電時，在彈簧力的作用下，閥芯回復到中位。控制閥上裝有手動鈕按，按下按鈕可使控制閥閥芯換位，松開按鈕控制閥閥芯又回初始位。

2.2.2 電氣部分構成及特點

YWT-600型微機調速器電氣控制系統由柜體、電源系統、面板部分(液晶觸摸屏)、控制部分(CPU模塊、AD模塊、通訊模塊、測頻模塊)、位移傳感器等組成，其主要特點如下：

(1)電氣部分采用進口日本三菱FX2N系列可編程，具有可靠性高、抗干擾能力強、體積小，運算速度高，可擴展通訊接口等特點。

(2)具有故障檢測、診斷和處理功能。保證了整個系統的安全可靠性。

(3)具有頻率跟蹤、開度跟蹤功能，保證了調速器手動/自動無擾動切換，以及運行模式無擾動切換。

(4)自動按工況改變運行參數，調節平穩，速動性好。

(5)當電源消失時自動進入手動運行并維持原有的開度不變。

2.3 調速器主要功能及運行方式

2.3.1 主要功能

(1)手/自動開停機及緊急停機。

(2)頻率調節、開度調節運行模式。

(3)運行參數的輸入和修改。可手/自動對下列參數進行調整：運行水頭、導葉給定開度、限制開度、頻率給定。

(4)所有的控制功能都可在現場進行操作。遠方可進行自動開/停機，增/減負荷(或頻率、開度)等操作。

(5)各類故障及電源消失報警出口。1)機頻、網頻故障診斷及處理;2)反饋系統故障診斷及處理;3)電源監視及處理。

(6)顯示屏可顯示：1)調速器手/自動運行模式、斷路器等各種開關量;2)機頻、網頻、傳感器、電源等故障量。

(7)與上位機通信：1)可上傳以下量：機組頻率、電網頻率、導葉開度、電氣開限、各種模式、手/自動運行狀態及各種故障;2)可下傳以下量：頻率給定、開度給定、電氣開限及各種模式切換。

2.3.2 運行方式

調速器具有自動、電手動、純機手動三種工作方式，正常工作時采用自動運行方式。

(1)自動開機。調速器無故障時，將其置自動狀態，水頭按當前實際水頭設定，緊急停機電磁閥在復歸位置，機組具備開機條件，由中控室或機旁盤發開機令給調速器，調速器接收到開機令后，過程為：導葉快速開至第一開度，機組轉速開始上升。 機組頻率達到49Hz后，PID參與調節，機組自動跟蹤網頻，如果無網頻信號或網頻故障時，機組在自動給定值50Hz運行。

(2)自動運行。空載運行，調速器在自動狀態，機組在頻率模式下運行，由PLC采集機組頻率和系統頻率以及其它各種控制信號、反饋信號等進行PID運算處理后，控制機組轉速到額定轉速。

(3)負載運行。斷路器合上后，機組運行在開度模式或頻率模式下，在面板上或中控室增/減負荷(開度)可調節機組出力。

(4)自動停機。將負荷減到零，斷路器分后，發“停機令”，關閉導葉，使機組停機。

(5)甩負荷。自動狀態下，調速器將快速關閉導葉，機組頻率將自動跟蹤網頻。如果無網頻信號或網頻故障時，機組在自動給定值50Hz運行。

(6)手動開機。向開機側操作手動操作閥，液壓隨動系統向開機方向運動，當導葉開至啟動開度后松手，手動操作閥復中位，待轉速至90%后，即向關機側操作手動操作閥，使導葉關至空載開度附近;繼續根據機組轉速調整手動操作閥，使機組轉速穩定在額定轉速。

(7)手動停機。用手動操作閥將負荷減為零，油開關分開，然后用手動操作閥將導葉關到全關。

(8)緊急停機。緊急停機電磁閥接受機組保護的電氣緊急停機停信號(或者按緊急停機按鈕)，直接將導葉關到全關。實現緊急停機。

(9)手/自動運動方式切換。操作柜門正面的手/自動切換按鈕，可進行調速器的手/自動運動方式切換。切入“手動”立即進入手動運行方式，同時手動燈點亮;切入“自動”立即進入自動運行方式，同時自動燈點亮。

3 調速器的實踐運行效果

(1)改造前，運行故障率高，調速器油路易堵塞、速動性、靈敏性、穩定性差;改造后，3個發電運行期，實現了零故障運行的效果，調速器未發生油路堵塞現象，速動性、靈敏性、穩定性大大提高。

(2)改造前，調速系統穩定性差，并網耗時長，調速器機械部分結構復雜，拆卸維護困難，并網操作復雜;改造后，系統穩定性提高，并網時間大大縮短，新型調速器結構簡潔合理，運行穩定可靠，技術性能指標優良，維護修理方便。

(3)改造前，調速器不動作、誤動作現象時有發生，不僅水輪發電機組安全沒有保障，而且增加了值班人員勞動強度;改造后，3個發電運行期，調速器運行正常、穩定，不僅安全有了可靠保障，而且大大減輕了值班人員的勞動強度。

4 結語

瓦房城水電站自2012年實施小水電代燃料項目以來，對全站3臺水輪發電機組調速器進行了技改，用新型微機調速器代替了傳統機械液壓調速器，新型微機調速器采用了先進可編程控制器(PLC)和數字閥，布置了開機、停機、發電、調相、增減功率等操作回路，設有在線自診斷處理功能，自動化程度高。運行實踐證明，新型微機調速器運行穩定、安全可靠，特別是這種采用局部改造的方法，省時、省力、省錢，既經濟又實用，值得在老電站的技改中借鑒應用。

李榮(1975—),男,漢族,大專,助理工程師,主要從事水電站生產運行及技術處理工作。