百龙滩水电厂调速器系统改造研究及实施

百龙滩水电厂调速器系统改造研究及实施【摘要】水电站调速器系统对于水电站的安全经济运行至关重要，它的安全正常运行与否决定了电站机组发电的效率和安全性。

本文主要介绍百龙滩电厂是如何通过改造和优化陈旧的调速器系统使该厂的调速器运行稳定，使机组的经济稳定运行得到了保证。

【关键词】水电厂调速器系统改造1.引言百龙滩电厂是广西桂冠电力股份有限公司大化水力发电总厂下属的电厂，位于广西壮族自治区都安瑶族自治县与马山县交界处的红水河中游，是红水河规划梯级的第七个电站。

坝址上游27.6km有已建成的大化水电站，坝址下游76.2 km 有已建成的乐滩水电站。

坝址距都安县城12km、马山县17km、大化电厂39km、南宁市147km，为低水头河床式径流式水电站。

电站厂房安装6台单机容量为32MW的灯泡贯流式水轮发电机组，设计水头3-18米，总装机容量192 MW。

作为水电厂机组导水机构过水流量调节的重要设备，百龙滩机组调速器采用导叶和轮叶双调节的水轮机控制系统，采用美国进口的伍德沃德公司设备。

1.调速系统的相关概念1. 水轮机调节随负荷的改变，相应改变导水机构（或喷嘴，桨叶）的开度，以使水轮发电机组的转速维持在某一额定值，或按某一预定的规律变化，这一过程就是水轮发电机组的转速调节，或水轮机调节。

2．调速器调速器是由实现水轮机调节及相应控制的机构和指示仪表等组成的一个或几个装置的总称，通常由测量、综合、放大、执行和反馈等元件组成。

3．油压装置油压装置是指供给调速器压力油源的设备，也是水轮机调速系统的重要设备之一。

4．水轮机调节系统水轮机调节系统是指由水轮机控制系统和被控制系统组成的闭环控制系统，也可以定义为由水轮机调速器和被控制系统组成的闭环控制系统。

5．配压阀配压阀是指输出油流方向和流量随活塞移动的方向和位移大小而改变的阀。

6．接力器接力器是指供给某一操作机械液压操作力的装置。

1.原调速器系统的组成我厂机组调速器为南瑞公司制造的SAFR－2000型三十二位微机水轮机调速器，调速器系统主要由六大部分组成：调速器电气柜、调速器机械柜、调速器液压操作及执行机构、调速器压油装置、测速装置、机组制动系统。

其中：调速器电气柜主要由调速器液晶显示工控机、A、B两套主机模件，继电器层、微机测速装置，220V交、直流双重供电模块、组合电源模块及各控制、切换把手等组成。

调速器的操作机构主要由导叶伺服比例阀、桨叶伺服比例阀，辅助接力器、导叶、桨叶主配压阀、导叶分段关闭阀，紧急停机电磁阀，导叶、桨叶压力切断阀，双切换滤油器、位移变送器、导叶接力器，导叶控制环，重锤，导叶，桨叶接力器，动缸式桨叶操作机构等组成。

调速器压油装置主要由调速器集油槽、压油罐、三台压油泵、压油罐自动补气装置、压力开关、压力传感器、油位开关及管路阀门等组成。

压力油槽内的油约占压力油槽总容积的1/3,压缩空气占总容积的2/3。

机组调速器测频回路有三个：一路齿盘测频，另一路为机端PT测频，第三路为母线PT测频（网频）。

齿盘测速装置为南京方青科技公司三选二测速装置，也叫齿盘测频装置。

机组制动系统主要由风闸控制回路、气动电磁阀、二合一空气过滤器及水分去除器、四个制动闸、风闸行程开关、气压表及管路阀门等组成。

调速器的基本工作原理：机组减负荷/停机（或增负荷/开机）时，调速器工控机接收到新设定值，和原值比较后得出需要调整的差值△P。

工控机经过计算输出调节信号至机械柜综合板，再经过功放板把调节信号经放大后送至导叶、桨叶伺服比例电磁阀，伺服比例电磁阀在电磁力和弹簧力的共同作用下向左（或向右）移动，从而导致辅助接力器在油压力差作用向上（或向下）移动，辅助接力器上下位移带动主配压阀活塞下移（或上移），使接力器关腔（或开腔）与压力油源相通，实现接力器向关（或开）方向移动，从而实现减负荷/停机（或增负荷/开机）目的。

图1：改造前调速器原理图导叶压力切换阀作用：控制通往导叶主配压阀压力油路，导叶压力切换阀正常时放“ON”，置此位置时，压力操作油通往主配压阀，主配压阀可以动作自如的操作导叶接力器。

导叶压力切换阀放“OFF”时，切断导叶主配压阀压力油路，主配压阀处于中间位置，即使主配压阀动作，由于无压力油而无法操作控制导叶接力器。

但由于主配活塞和活塞孔的漏油，在导叶控制环重锤的作用下导叶逐渐关闭，速度视漏油大小定。

桨叶压力切换阀作用：控制通往桨叶主配压阀压力油路，桨叶压力切换阀正常时放“ON”，置此位置时，压力操作油通往主配压阀，主配压阀可以动作自如的操作桨叶接力器，桨叶压力切断阀放“OFF”，切断桨叶主配压阀压力油路，由于桨叶主配压阀下弹簧力的作用，使桨叶主配也处于中间位置。

即使主配压阀动作，由于无压力油而无法操作控制桨叶接力器。

事故电磁阀作用：正常运行时作为导叶控制油路的通路，当发生事故停机时，事故电磁阀动作线圈通电后，辅助接力器的上腔通压力油，同时伺服比例阀被切除，辅接快速向下移动，带动主配快速向下移动，使主接力器快速关到底，使导叶以最大速度直接关闭。

分段关闭阀作用：机组正常运行时，分段关闭电磁阀励磁,分段关闭机构活塞被下压，主配活塞可上下任意动作。

正常停机时，当满足辅助电机停止＃88 OFF条件，分段关闭电磁阀失磁动作。

因机组完全停止而且风闸投入后辅助电机才停止，故正常停机过程中分段关闭电磁阀不动作。

事故停机时，事故电磁阀动作，导叶快速关闭，当导叶关至拐点（开度30％）时，由主令开关74m2a断开分段关闭电磁阀控制回路使分段关闭电磁阀失磁，分段关闭机构活塞上移，通过连接杆拉住导叶主配压阀，主配向下关机活塞被拉回至很小油路，减缓关机速度，从而实现分段关闭。

伺服比例电磁阀的作用：控制导叶/桨叶开/关动作：伺服比例阀在电磁力和弹簧力的共同作用下向左（右）运动时，辅接的上腔通压力油，向下（上）运动，同时带动主配向下（上）移，从而使主接力器向关（开）的方向运动。

压油泵阀组的作用：具有卸载阀和安全阀双重作用。

实现空载启泵和停泵：压油泵启动前卸载电磁阀通电动作（其信号指示灯亮）、油泵空载启动打油。

当油压升至725Psi时、压力开关断开，卸载电磁阀复位，油泵卸载，经过卸载延时时间继电器200TD延时约5秒钟停泵。

当压油泵启动出口压力大于安全阀整定值时，安全阀动作，压力油不经过出口阀而直接回流到集油槽，避免阀门、管路因压力过大损坏，同时避免可能出现压油罐压力过高情况。

1.调速器系统改造优化原因该厂调速系统采用的为1995年生产的美国伍德沃公司WOODWARD生产的进口设备，所有的设备均采用美国标准制造，经过20多年的连续运行，存在较多问题。

一是设备老化严重、设备缺陷率较高，随着设备运行年份的增加，设备出现问题导致机组故障、非计划停运的次数逐年增加，同时由于设备的备品备件采购难、价格贵、采购周期长，导致设备缺陷处理时间长、处理难度大，严重影响机组的安全运行。

二是设备的兼容性差，由于采用的是美国标准制造，大部分设备不能采用国产设备代替，只能购买进口设备备品，设备的采购及运行的安全性无法彻底把控，容易受到美国出口限制导致电厂机组安全运行受到严重威胁。

三是采用的纯英文PLC控制，技术保密，检修维护处理难度很大，同时厂家技术服务费高，设备厂家漫天要价，增加了电厂的运行维护成本。

四是调速器主配压阀随着运行时间间隙逐渐变大，导致油压装置打油间隔短，一般压油泵运行间隔只有4-8分钟时间，压油泵打油频繁导致压油泵寿命变短、油压装置的油温变高，透平油劣化严重，反过来又加速打油间隔和设备的劣化，使设备运行安全可靠性加速变低。

调速器系统运行的不稳定、不准确和不可靠运行的风险已严重影响了该厂机组的经济高效安全运行，进行相关调速器系统设备的升级改造和优化势在必行。

1.调速系统改造研究与实施该厂根据电厂机组的类型和调速器系统存在的问题，为有效彻底解决调速器存在的问题，提高调速器系统运行的安全可靠性，结合GB∕T 9652.1-2019 水轮机调速系统技术条件和二十五项反事故措施等规程规范相关要求，该厂组织对相似类型电厂调速器系统的使用情况和国内调速器系统设备的发展情况，决定进行国产化改造，经过可行性研究对比，决定调速器系统的改造方案主要由导叶伺服比例阀、桨叶伺服比例阀，切换阀、导叶主配压阀、桨叶主配压阀、手动操作机构、紧急停机装置、分段关闭装置、重锤关闭阀、双切换滤油器、位移变送器等组成。

伺服比例阀分导叶伺服阀和桨叶伺服阀，导叶采用双伺服比例阀，一主一备用，桨叶采用单伺服比例阀。

伺服比例阀工作原理为根据伺服比例阀的输入输出特性，即伺服比例阀综合控制模件接受电调柜的控制信号，经放大单元处理输出相应的电流信号，电流信号在伺服比例阀线圈中产生的磁场驱动比例电磁铁移动相应的位移量，从而带动伺服比例阀的阀芯移动，输出相应的流量，输出流量与输入控制信号成比例线性关系。

阀芯移动的同时，内置差动变压器式位移传感器检测阀芯位置，并将其信号反馈到比例放大器，与比例电磁铁形成闭环位置控制。

主配压阀从结构原理上讲是三位五通阀，如图 6-14，通过主阀活塞的位移输出流量信号以控制导叶接力器的动作。

动作原理如下：图2 主配结构原理图停机态时，在没有调节压力时，主配压阀阀芯由于自重和长期作用于阀芯顶部腔的常压油而受向下推力处于“关闭位置”。

阀芯处于机械关闭极限位置，定中缸无杆端无压力油；运行态：电液转换器输出的调节压力油，导致阀芯下部控制腔的供油或排油，从而改变阀芯的位置。

下腔中油的每一体积对应主配压阀阀芯的每一个位置；开启：如下腔供油，阀芯上升。

这个向上位移致使油口 P 和 A 内油相互流通；油口 B 和 R16 内油相互流通，驱动接力器向开启方向运动。

关闭：如下腔排空，阀芯向下运动。

这个向下位移致使油口 P 和 B 内油相互流通；油口 A 和 T 内油相互流通，驱动接力器向关闭方向运动。

紧急停机装置由急停先导电磁阀（双线圈）及液控换向阀组成，可实现紧急停机。

正常工作状态下，电磁阀线圈断电，电磁阀作为通路提供给主配控制腔供油。

监控开出紧急停机令时，电磁阀线圈通电，阀芯被推向另一位置并锁住，这时，主配压阀活塞控制腔及定中缸无杆腔都通回油，控制主配压阀活塞向下运动，主配压阀输出的压力油进入导叶接力器的关闭腔，实现紧急停机。

重锤关闭阀装置安装于导叶接力器开腔油管路。

由插装阀、先导控制阀、换向阀组成。

当主配拒动且过速信号开出时，先导阀励磁，阀芯换位且锁定，换向阀控制腔通过先导阀回油，插装阀 C1 因控制腔接通压油而关闭，插装阀 C2 因控制腔接通回油而打开，主配开腔压力油通过 C2 快速排油，导叶在重锤及水力自关闭的作用下实现机组保护停机。

单向阀安装于集油槽内，并接于导叶关腔管路。

由插装阀组成。

导叶开腔排油，接力器活塞向关方向移动时，若主配阀芯在中侧或开侧，会造成接力器关腔及其连接管路形成真空，此时单向阀由于管路负压而打开，通过插装阀向导叶关腔及其连接管路补油。