水輪機調速器的工作方式與選型的探討

吳星 吳倩 蘭熙

1.引言

近些年來，水輪機被廣泛的應用到水力發電站中，其中水輪機調速器的多調節模式、控制技術等更是為水電站的發展帶來極大的推動作用，本文主要介紹了水輪機調速器的作用，工作方式與選型進行研究。

2.水輪機調速器的技術研究

2.1 多調節模式

多調節模式是水輪機調速器的重要技術之一，尤其是在當前水電站結構發生改變的過程中，整機組的負荷也會發生改變，在這個過程中多調節模式將會發揮出巨大的作用。從實際中分析，多調節模式的運行并不是針對頻率的調節，主要是針對整機組負荷的調節，在調速器增加負荷方面做出正確的調節。水輪機調速器在正常運行的情況下，主要分為手動和自動兩種控制方式，手動控制方式主要是在系統故障的情況下而使用的，一般情況下都會采用自動的運行方式，而在自動運行方式之下為了滿足不同的運行要求，也分為開度模式、頻率模式、功率模式等三種模式，開度模式，主要是水輪機組按照給定的開度運行，而且，開度模式下一般沒有人工死區，這樣主要是為了機組在很小的頻率范圍內波動，這樣才能確保機組的穩定運行;頻率模式，水路級輪機組主要是按照給定的頻率運行，而且在該模式下也無人工死區，同時在水輪機組并網前，調速器應以頻率模式運行;功率模式，主要以給定的功率運行，而在該運行模式下，是有人工死區的。以上所提到的三種模式是水輪機調速器技術的重要組成部分，具體的應用要結合實際情況來定，這樣才能充分體現出各個運行模式的優勢。

2.2微機調速器的調節模式

對于機械液壓型調速器和電液調速器來說，其運行調節模式通常采用頻率調節模式，即調速器是根據頻差（即轉速偏差）進行調節的，故又稱轉速調節模式。微機調速器一般具有三種主要調節模式：頻率調節模式，開度調節模式和功率調節模式。三種調節模式應用于不同工況，其各自的調節功能及相互間的轉換都由微機調速器來完成。

1.頻率調節模式（FM）

頻率調節模式適用于機組空載自動運行，單機帶孤立負荷或機組并入小電網運行，機組并入大電網作調頻方式運行等情況。

頻率調節模式有下列主要特征：

（1）人工頻率死區，人工開度死區和人工功率死區等環節全部切除;

（2）采用PID調節規律，即微分環節投入;

（3）調差反饋信號取自PID調節器的輸出值，并構成調速器的靜特性;

（4）微機調速器的功率給定實時跟蹤機組實時功率P，其本身不參與閉環調節。

（5）在空載運行時，可選擇系統頻率跟蹤方式，bp值取較小值或為0。

2.3開度調節模式（YM）

開度調節模式是機組并入大電網運行時采用的一種調節模式。主要用于機組帶基荷動運行工況。

開度調節模式有下列主要特征：

（1）人工頻率死區，人工開度死區和人工功率死區等環節均投入運行;

（2）采用PI控制規律，即微分環節節除;

（3）調差反饋信號取自PID調節器的輸出Y，并構成調速器的靜特性;

（4）微機調節器通過開度給定Yg變更機組負荷，而功率給定不參與閉環負荷調節，功率給定Pg實時跟蹤機組實際功率，以保證由該調節模式切換至功率調節模式時實現無擾動切換。

2.4功率調節模式（PM）

功率調節模式是機組并入大電網后帶基荷運行時應優先采用的一種調節模式。

功率調節模式有下列主要特征：

（1）人工頻率死區，人工開度死區和人工功率死區等環節均投入運行;

（2）采用PI控制規律，即微分環節節除;

（3）調差反饋信號取自機組功率P，并構成調速器的靜特性;

（4）微機調節器通過功率給定Pg變更機組負荷，故特別適合水電站實施AGC功能。而開度給定不參與閉環負荷調節，開度給定Yg實時跟蹤導葉開度值，以保證由該調節模式切換至開度調節模式或頻率調節模式時實現無擾動切換。

2.5調節模式間的相互轉換

三種調節模式間的相互轉換過程：

（1）機組自動開機后進入空載運行，調速器處于“頻率調節模式”工作。

（2）當發電機出口開關閉合時，機組并入電網工作，此時調速器可在三種模式下的任何一種調節模式工作。若事先設定為頻率調節模式，機組并網后，調節模式不變;若事先設定為功率調節模式，則轉為功率調節模式;若事先設定為開度調節模式，則轉為開度調節模式。

（3）當調速器在功率調節模式下工作時，若檢測出機組功率反饋故障，或有人工切換命令時，則調速器自動切換至“開度調節”模式工作。

（4）調速器工作于“功率調節”或“開度調節”模式時，若電網頻率偏離額定值過大（超過人工頻率死區整定值），且保持一段時間（如持續15s），調速器自動切換至“頻率調節”模式工作。

（5）當調速器處于“功率調節”或“開度調節”模式下帶負荷運行時，由于某種故障導致發電機出口開關跳閘，機組甩掉負荷，同時調速器也自動切換至“頻率調節”模式，使機組運行于空載工況。

3.水輪機調速器選型的研究

3.1水輪機組特點決定調速器型號

水斗式：由于其自身結構特點，在控制順序和流程上要求比較嚴格，因此要求選取針對性較強的沖擊式專用調速器，一般型號為CJ-2/2-4.0等理解為沖擊式兩噴嘴兩折向器壓力等級為4.0MPa的調速器。

斜擊式：可根據操作功選取高油壓調速器（GYT）、常規油壓調速器（YT）、全數字式（SLT）、步進式（BWT）等可供選擇。

混流式：目前常用步進式調速器（BWT）、電動閥式調速器（DFT）等型號調速器選擇。

軸流式：軸流式控制精度要求較高可選擇步進式調速器（BW（S）T）、比例伺服調速器（PW（S）T）、電動閥調速器（DKT）等型號的調速器。

燈泡貫流式：燈泡貫流式機組由于水頭低、流量大的特點對調速器的調節精度提出更高要求。可選取專門針對此機組設計的調速器或控制精度高的調速器如GLT/PWST等系列。

3.2操作功決定調速器型號

調速器額定操作功與水輪發電機組功率匹配是選型的關鍵，主配壓閥活塞直徑在80mm以上的稱為大型調速器;操作功在10 000N·m～30 000N·m之間的稱為中型調速器;操作功在10000N·m以下的稱為小型調速器，其中調速功在3 000N·M以下的又稱為特小型調速器。

如：GYT-6000型理解為高油壓（一般為16MPa）操作功為6000N·m的機組。

4.總結

本文主要從多調節模式和控制技術，選型進行分析，希望能夠提高水輪機調速器選型的優化，確保運行效率，在水輪機調速器使用的過程中，需要結合實際的使用要求來選取適宜的型號，同時在科技不斷發展的過程中，應對水輪機調速器技術展開更深層次的研究和開發，這樣才能推動水輪機調速器技術邁向新的階段，從而為水電站等方面提供高效的運行功效。

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（作者單位：武漢市陸水自動控制技術有限公司）