水電站調速器改造探討

余小平

（四川九河電力股份有限公司，四川宜賓 644000）

0 引言

調速器按結構的不同，可分為機械液壓型和電氣液壓型兩大類。機械液壓型調速器也稱機械調速器（或機調），此類調速器測量、反饋為機械式元件；電氣液壓型又分為模擬電氣液壓型和數字電氣液壓型，測量和反饋是以電氣量完成。模擬電氣液壓型調速器也稱電氣調速器（或電調），數字電氣液壓型也稱為微機調速器（或微機調）。目前生產使用的基本都是微機型調速器。以混流立式機組的調速器改造為例，分析水電站調速器升級改造中應注意的問題。

1 前期資料收集工作

（1）機組信息。包含水頭、額定流量和轉輪直徑，調速器廠家設計人員據此計算調速器工作容量調節功的大小。W=30Q，其中D1是轉輪直徑，H 為水頭，Q 為流量。該公式源于德國，計算結果偏大，如各方面條件比較理想時可使用公式W=。而當調速功大于30 000 N·m 時屬于大型調速器，調速器工作容量用主配壓閥直徑表示。

（2）確定調速器液壓系統工作壓力。按DLT 5186—2004《水力發電廠機電設計技術規范》要求，單機容量為50 MW（貫流式為10 MW）及以上的機組宜選用微機電氣液壓型調速器，調速系統應采用4.0 MPa 或以上的油壓等級。目前，調速器液壓系統壓力多為4.0 MPa、6.3 MPa、16.0 MPa。有的業主擔心壓力太高會經常性出現滲漏油，危險性大，但目前的技術已很成熟，只要質量過關，裝配工藝達到要求，一般不會出現滲漏，16.0 MPa 的油壓系統在多行業生產中已運行多年，實踐證明是安全可靠的。

（3）接力器型式的選擇。接力器分為內置和外置兩種型式，內置接力器布置在調速器柜內，要求調速器柜體較大，因此在電機層占較大空間；外置接力器布置在水輪機旁，壓力源通過固定穩當的管路接入接力器腔，這種布置方式結構緊湊，檢查、維護方便。

（4）壓力源容器的選擇。傳統的壓力源容器是油氣無隔離混合的罐體（圖1），采用外設空壓機系統補氣或自身油泵系統補氣。這兩種方式罐體較大，尚有外圍設備和原件，維護困難，管路較長，漏氣量也大，同時也增加了廠用電的消耗。目前普遍采用蓄能罐，罐體減小，內置儲有一定壓力的氮氣膠囊，并可以在膠囊內壓力不足時進行補氣，整個罐體美觀簡潔，占用空間小。

圖1 傳統壓力容器和內置式接力器調速器

（5）水輪機推拉桿端頭空間尺寸。采用外置式接力器時，要滿足在水輪機推拉桿端頭位置具備接力器的安裝空間。根據調速器廠家設計的接力器尺寸，不具備安裝空間的應提前做好施工，保證養護期滿足接力器的安裝要求。使用的液壓系統壓力越高，接力器的制造尺寸則越小，這也是采用高油壓的優點。圖2為內置式接力器推拉桿端頭（與調節大軸連接處）。

圖2 內置式接力器推拉桿端頭（與調節大軸連接處）

（6）水輪機推拉桿行程。該數據在水輪機設計圖上能查到，調速器廠家根據這個數據進行接力器的設計制造，保證偏差在規范允許之內。

2 改造周期安排

水電站的檢修、改造一般安排在枯水季節，而枯水季節的電價相對較高，為此，應考慮調速器的生產周期，計劃好停機安裝及調試的時間，以免造成經濟損失。一般中小型調速器生產周期在50 d 左右，而在水源豐富的山區只有12 月和1 月有輪換機臺的時間。正常情況下，一臺新調速器安裝及調試需要4～5 d，因此設備改造升級需要提前準備、統籌安排。

3 改造周期安排

（1）在調速器產品未到站點以前，根據調速器設計圖紙，對新增的電氣量做好電纜鋪設。油泵控制回路一般都能利用原回路，但要注意校驗原油泵動力電纜能否滿足新油泵的功率要求，對拆卸的接線做好標記,了解其作用。

（2）根據新調速器設計圖提前做好基礎的預埋。這個過程涉及到運行機臺和水源的調配，如果存在基礎養護的，應充分考慮調速器到站時間及調試時間，盡量縮短該機臺退運時間。

（3）如果發電機組進水前段裝有進水蝶閥或球閥的，在水機緊急事故停機時，主閥（蝶閥或球閥）關閉，調速器能很好地調節控制機組轉速不會過速。機組進水端未裝主閥的，在緊急事故停機時則會關閉前池閘門，可能造成機組過速。但水機緊急事故一般出現在單機，不會所有機組同時出現，廠用電有保障。

（4）當一般事故造成機組出口斷路器跳閘后，在較重負荷或滿負荷情況下，如果調速器不能控制轉速則會造成機組過速，這時候保護動作發令前池閘門關閉，機組直接進入停機狀態。如果事故是網絡引起，所有機組則可能因過速全部進入停機狀態，從而失去廠用電，這是相當危險的極端情形。理論上，調速器關閉導葉時間是可以調整到極快而趨近于0，但考慮壓力鋼管的水錘壓力對鋼管和相關金屬結構的影響，同時考慮尾水錐管真空度對水輪機的影響，導葉關閉時間要通過調節保證計算來確定。由于是升級改造，電站運行多年，壓力鋼管和相關金屬結構、水工建筑的運行工況不如新投運時工況，因此調節調速器的關閉時間是必須要重新考慮的問題。

參考一些實際案例，認為可采取兩個途徑解決：①重新請設計單位進行調節保證計算。這需要提供許多相關原始資料，最后也還是要通過現場試驗看是否滿足相關規范而保證安全運行；②直接通過現場試驗來確定調速器關閉時間。在各項參數設置完畢后進行甩負荷試驗，甩負荷按25%的額定負荷遞進，觀測并記錄轉速、壓力鋼管壓力、尾水真空度。

依據DLT 5186—2004《水力發電廠機電設計技術規范》要求:①機組甩負荷時的最大轉速升高率保證值：當機組容量占電力系統工作總容量的比重較大，或擔負調頻任務時，宜小于50%；當機組容量占系統工作總容量比重不大，或不擔負調頻任務時，宜小于60%；水電站機組過速保護一般都是達到140%時動作，為此要保證最大轉速升高率小于40%；②機組甩負荷時蝸殼（貫流式機組為導水頁前）最大壓力升高率保證值：額定水頭小于20 m 時，宜為70%～100%；額定水頭為20～40 m 時，宜為70%～50%；額定水頭為40～100 m 時，宜為50%～30%；額定水頭為100～300 m 時，宜為30%～25%；額定水頭大于300 m時，宜小于25%。以額定水頭40～100 m 時為例，表示40 m 水頭時最大壓力升高率為50%，100 m 水頭時最大壓力升高率為30%，水頭越高，最大壓力升高率要求要越小，同時應考慮留有適當裕度；③當機組突然增加或減少負荷時，壓力輸水系統全線各斷面最高點處的最小壓力不應低于0.02 MPa，不得出現負壓脫流現象。甩負荷時，尾水管進口斷面的最大真空度保證值不應大于0.08 MPa。

因是運行已久項目改造，可以在壓力鋼管上選擇幾段進行振動和擺度的測量，掌握第一手運行數據。目前，對壓力鋼管運行的振動和擺度值沒有明確的規定。根據相關資料，建議振動值不大于D/1000 mm，D 為壓力鋼管直徑，即，如果壓力鋼管直徑為2 m，則其運行振動值不大于2 mm。

綜上所述，項目改造需要調試人員根據實際試驗情況設定參數，既要保證機組快速穩定轉速，又要保證設備設施安全。調試中，有分段關閉的，同時可以利用拐點值和各段的關閉時間進行調節控制。

4 運行中的注意事項

（1）保證油質清潔。微機型調速器采用的閥件或步進電機都比較精密，油質不好會造成油路上部件的卡塞。

（2）新安裝的設備存在磨合期，應加強檢查各部件和管路有無滲漏油情況。

（3）使用的位移傳感器是精密器件，應注意防水，否則不能真實反映導葉動作狀態而造成調速器控制紊亂。

5 結語

對一個改造項目，要結合技術、經濟和現場具體情況進行綜合分析，獲取最佳方案，以保證各項指標滿足要求。