李榮

(民樂縣瓦房城水電站,甘肅張掖 734506)

瓦房城水電站調(diào)速器改造設(shè)計(jì)與實(shí)踐應(yīng)用

李榮

(民樂縣瓦房城水電站,甘肅張掖 734506)

針對(duì)電站機(jī)械液壓調(diào)速器速動(dòng)性、靈敏性、穩(wěn)定性差,故障率高,水機(jī)安全無(wú)保障的問題,在項(xiàng)目建設(shè)中提出用新型微機(jī)調(diào)速器代替機(jī)械液壓調(diào)速器的改造設(shè)計(jì)方案,并介紹了新型微機(jī)調(diào)速器的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、主要功能、運(yùn)行方式等特點(diǎn)。運(yùn)行實(shí)踐證明,采用新型微機(jī)調(diào)速器效果良好,值得在老電站的技改中借鑒應(yīng)用。

瓦房城水電站 調(diào)速器 改造設(shè)計(jì) 實(shí)踐應(yīng)用

1 調(diào)速器改造設(shè)計(jì)

1.1 概況

瓦房城水電站地處甘肅省民樂縣南古鎮(zhèn)，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(kù)壩后式電站，總裝機(jī)容量3×500kw，設(shè)計(jì)年發(fā)電量620萬(wàn)kw.h。經(jīng)過30多年的運(yùn)行，調(diào)速器仍使用傳統(tǒng)的機(jī)械液壓式調(diào)速器，老化嚴(yán)重、油路易堵塞、速動(dòng)性、靈敏性、穩(wěn)定性差，故障率高，水機(jī)安全無(wú)保障。2010年瓦房城水電站被國(guó)家水利部和發(fā)改委列入小水電代燃料建設(shè)項(xiàng)目后，裝機(jī)容量擴(kuò)大至2060kw(2*630+800kw)，為了消除上述機(jī)械液壓調(diào)速器的故障隱患，提高電站的自動(dòng)化程度和設(shè)備的安全可靠度，減輕值班人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)少人值守的建設(shè)目標(biāo)，在電站工程建設(shè)中提出用新型微機(jī)調(diào)速器代替機(jī)械液壓調(diào)速器的改造設(shè)計(jì)方案，以保證老電站更好地發(fā)揮效益，擔(dān)當(dāng)以電代燃料的任務(wù)。

1.2 調(diào)速器改造設(shè)計(jì)方案

1.2.1 方案設(shè)計(jì)總體要求

根據(jù)瓦房城水電站機(jī)組參數(shù)配置，設(shè)計(jì)方案應(yīng)能保證水電站的水輪發(fā)電機(jī)組空載時(shí)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，負(fù)載時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行，具備轉(zhuǎn)速檢測(cè)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、導(dǎo)葉開度限制、機(jī)組頻率跟蹤控制、變參數(shù)變結(jié)構(gòu)、自診斷等功能;應(yīng)能保證水輪發(fā)電機(jī)組在各種運(yùn)行工況下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方自動(dòng)或手動(dòng)控制;能通過RS485口與電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)連接，對(duì)機(jī)組實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視與控制;并且各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.2.2 方案對(duì)比及選擇

(1)更換全新高油壓調(diào)速器。將電站原有的YT-300型機(jī)械液壓調(diào)速器全部拆除，更換為YWT系列高油壓微機(jī)型調(diào)速器。高油壓系列調(diào)速器設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，取消了傳統(tǒng)的機(jī)械聯(lián)柜、凸輪和復(fù)雜的機(jī)械連桿，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆卸及維護(hù)方便、互換性能好等特點(diǎn)，其控制部分以進(jìn)口可編程控制器為調(diào)節(jié)控制核心，采用獨(dú)立的機(jī)械液壓控制回路控制接力器。該系列調(diào)速器在性能及結(jié)構(gòu)上都突破了傳統(tǒng)機(jī)械調(diào)速器的模式，從根本上克服了常規(guī)機(jī)械調(diào)速器存在的缺陷，代表了現(xiàn)代調(diào)速器的發(fā)展方向。

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

綜合以上2個(gè)方案對(duì)比分析：方案1采用YWT系列高油壓微機(jī)型調(diào)速器，雖有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆卸及維護(hù)方便、互換性能好等優(yōu)點(diǎn)，但整體換新價(jià)格昂貴;方案2采用局部改造的方法，調(diào)速器整體不動(dòng)，基礎(chǔ)不動(dòng)，不需進(jìn)行平衡和角度調(diào)整，減少了安裝工序，從電站裝機(jī)規(guī)模來看，YWT-600-2.5型可編程調(diào)速器完全可以滿足電站機(jī)組(2*630+800kw)對(duì)調(diào)速器的要求，且YWT-600-2.5型可編程調(diào)速器價(jià)格相對(duì)較低。綜合分析結(jié)果：方案2采用局部改造的方法，不僅調(diào)速器能滿足電站機(jī)組需求，而且省時(shí)、省力、節(jié)約資金。從經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則出發(fā)，選擇方案2相對(duì)合適。

1.3 調(diào)速器改造方法及安裝

1.3.1 調(diào)速器改造方法

(1)原調(diào)速器部件拆除后，進(jìn)行安裝。

(2)取消了調(diào)速器機(jī)械液壓柜內(nèi)所有明管，機(jī)械液壓隨動(dòng)系統(tǒng)，采用數(shù)字式電磁閥控制，以高速開關(guān)閥做電液轉(zhuǎn)換元件;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，耗油量少，抗油污能力強(qiáng);液壓部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成化程度高，無(wú)杠桿，機(jī)械柜中的元器件更少，維護(hù)操作更簡(jiǎn)單、方便。

(3)空載自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)頻率，以及特有自動(dòng)補(bǔ)償PID調(diào)節(jié)規(guī)律，能使機(jī)組頻率迅速達(dá)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(tǒng)中的連接間隙，死行程，保證了反饋的及時(shí)準(zhǔn)確，從而克服了鋼絲繩及鋼性恢復(fù)桿的缺點(diǎn)。

1.3.2 調(diào)速器的安裝

(1)調(diào)速器柜體安裝：調(diào)速器柜體直接安裝到原油壓裝置上。

(2)位移傳感器安裝：現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整安裝時(shí)，注意保證傳感器鋼帶以直線運(yùn)動(dòng)，否則會(huì)損壞內(nèi)部導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。傳感器安裝時(shí)必須固定牢固，否則會(huì)使導(dǎo)葉反饋的零點(diǎn)發(fā)生偏移，使機(jī)組關(guān)機(jī)不能關(guān)死。

(3)開關(guān)時(shí)間調(diào)整：在調(diào)速器主閥體兩側(cè)各有一個(gè)調(diào)整螺桿，把固定螺母松開后，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺桿可調(diào)解調(diào)速器的開關(guān)機(jī)速度。如開關(guān)機(jī)時(shí)間過長(zhǎng)，將螺桿旋出;如開關(guān)機(jī)時(shí)間過短，將螺桿旋入。開關(guān)機(jī)時(shí)間調(diào)整好后，應(yīng)將鎖緊螺母緊固，不允許松動(dòng)。

2 調(diào)速器結(jié)構(gòu)功能及原理

2.1 型號(hào)特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)布置

2.1.1 型號(hào)特點(diǎn)

設(shè)計(jì)方案選用微機(jī)調(diào)速器型號(hào)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(hào)：L-TSA46。其主要特點(diǎn)為：體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠，具有先進(jìn)的抗干擾試驗(yàn)設(shè)備，完善的試驗(yàn)手段，主要部件全部采用國(guó)內(nèi)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(tǒng)，以高性能數(shù)字開關(guān)閥、電磁閥等組成機(jī)械控制系統(tǒng)。測(cè)頻采用可編程本體高精度直接測(cè)頻。

2.1.2 結(jié)構(gòu)布置

(1)YWT-600-2.5可編程微機(jī)調(diào)速器由微機(jī)調(diào)節(jié)器、電液隨動(dòng)系統(tǒng)和油壓裝置三大部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)型式為組合式。

(2)微機(jī)調(diào)節(jié)器的核心器件——可編程控制器(PLC)和電液隨動(dòng)系統(tǒng)中的電液轉(zhuǎn)換器件——數(shù)字閥，采用可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、使用壽命長(zhǎng)的國(guó)外進(jìn)口元器件。

(3)調(diào)速器控制柜集電氣箱和機(jī)械柜于一體，且分層隔離。上層為電氣箱，下層為機(jī)械柜?？刂乒駜?nèi)元器件布置清爽，排列有序，便于調(diào)整維護(hù)和檢修測(cè)量。控制柜正面設(shè)有觸摸屏，用于液晶漢化顯示。

(4)控制器由功能獨(dú)立的若干模塊構(gòu)成，各模塊性能可靠、更換方便。

(5)調(diào)速器具有機(jī)械手動(dòng)操作裝置。

2.2 調(diào)速器硬件構(gòu)成及特點(diǎn)

2.2.1 機(jī)械液壓系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn)

YWT-600型微機(jī)調(diào)速器，機(jī)械液壓隨動(dòng)系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)液壓元件及集成塊組成。主要液壓元件有：緊急停機(jī)電磁換向閥，控制閥組，液控單向閥等組成。

調(diào)速器數(shù)字閥液壓系統(tǒng)控制接力器的動(dòng)作，數(shù)字閥液壓系統(tǒng)采用通用的液壓元件和附件，能充分滿足水輪機(jī)調(diào)節(jié)的基本要求，并且具有很高的安全性。數(shù)字閥與脈寬調(diào)節(jié)(PWM)控制結(jié)合后，通過控制脈沖頻率或脈沖寬度，對(duì)液流進(jìn)行連續(xù)的控制，提高液壓系統(tǒng)的控制性和穩(wěn)定性。

調(diào)速器最主要的配置控制閥是一個(gè)二位三通的電磁閥，換向時(shí)間短，動(dòng)作可靠，電磁鐵壽命長(zhǎng)，能保證調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。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(dòng)閥芯來控制液流方向，電磁鐵失電時(shí)，在彈簧力的作用下，閥芯回復(fù)到中位?？刂崎y上裝有手動(dòng)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(gòu)成及特點(diǎn)

YWT-600型微機(jī)調(diào)速器電氣控制系統(tǒng)由柜體、電源系統(tǒng)、面板部分(液晶觸摸屏)、控制部分(CPU模塊、AD模塊、通訊模塊、測(cè)頻模塊)、位移傳感器等組成，其主要特點(diǎn)如下：

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

(2)具有故障檢測(cè)、診斷和處理功能。保證了整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠性。

(3)具有頻率跟蹤、開度跟蹤功能，保證了調(diào)速器手動(dòng)/自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換，以及運(yùn)行模式無(wú)擾動(dòng)切換。

(4)自動(dòng)按工況改變運(yùn)行參數(shù)，調(diào)節(jié)平穩(wěn)，速動(dòng)性好。

(5)當(dāng)電源消失時(shí)自動(dòng)進(jìn)入手動(dòng)運(yùn)行并維持原有的開度不變。

2.3 調(diào)速器主要功能及運(yùn)行方式

2.3.1 主要功能

(1)手/自動(dòng)開停機(jī)及緊急停機(jī)。

(2)頻率調(diào)節(jié)、開度調(diào)節(jié)運(yùn)行模式。

(3)運(yùn)行參數(shù)的輸入和修改。可手/自動(dòng)對(duì)下列參數(shù)進(jìn)行調(diào)整：運(yùn)行水頭、導(dǎo)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(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作。遠(yuǎn)方可進(jìn)行自動(dòng)開/停機(jī)，增/減負(fù)荷(或頻率、開度)等操作。

(5)各類故障及電源消失報(bào)警出口。1)機(jī)頻、網(wǎng)頻故障診斷及處理;2)反饋系統(tǒng)故障診斷及處理;3)電源監(jiān)視及處理。

(6)顯示屏可顯示：1)調(diào)速器手/自動(dòng)運(yùn)行模式、斷路器等各種開關(guān)量;2)機(jī)頻、網(wǎng)頻、傳感器、電源等故障量。

(7)與上位機(jī)通信：1)可上傳以下量：機(jī)組頻率、電網(wǎng)頻率、導(dǎo)葉開度、電氣開限、各種模式、手/自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)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(yùn)行方式

調(diào)速器具有自動(dòng)、電手動(dòng)、純機(jī)手動(dòng)三種工作方式，正常工作時(shí)采用自動(dòng)運(yùn)行方式。

(1)自動(dòng)開機(jī)。調(diào)速器無(wú)故障時(shí)，將其置自動(dòng)狀態(tài)，水頭按當(dāng)前實(shí)際水頭設(shè)定，緊急停機(jī)電磁閥在復(fù)歸位置，機(jī)組具備開機(jī)條件，由中控室或機(jī)旁盤發(fā)開機(jī)令給調(diào)速器，調(diào)速器接收到開機(jī)令后，過程為：導(dǎo)葉快速開至第一開度，機(jī)組轉(zhuǎn)速開始上升。 機(jī)組頻率達(dá)到49Hz后，PID參與調(diào)節(jié)，機(jī)組自動(dòng)跟蹤網(wǎng)頻，如果無(wú)網(wǎng)頻信號(hào)或網(wǎng)頻故障時(shí)，機(jī)組在自動(dòng)給定值50Hz運(yùn)行。

(2)自動(dòng)運(yùn)行?？蛰d運(yùn)行，調(diào)速器在自動(dòng)狀態(tài)，機(jī)組在頻率模式下運(yùn)行，由PLC采集機(jī)組頻率和系統(tǒng)頻率以及其它各種控制信號(hào)、反饋信號(hào)等進(jìn)行PID運(yùn)算處理后，控制機(jī)組轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速。

(3)負(fù)載運(yùn)行。斷路器合上后，機(jī)組運(yùn)行在開度模式或頻率模式下，在面板上或中控室增/減負(fù)荷(開度)可調(diào)節(jié)機(jī)組出力。

(4)自動(dòng)停機(jī)。將負(fù)荷減到零，斷路器分后，發(fā)“停機(jī)令”，關(guān)閉導(dǎo)葉，使機(jī)組停機(jī)。

(5)甩負(fù)荷。自動(dòng)狀態(tài)下，調(diào)速器將快速關(guān)閉導(dǎo)葉，機(jī)組頻率將自動(dòng)跟蹤網(wǎng)頻。如果無(wú)網(wǎng)頻信號(hào)或網(wǎng)頻故障時(shí)，機(jī)組在自動(dòng)給定值50Hz運(yùn)行。

(6)手動(dòng)開機(jī)。向開機(jī)側(cè)操作手動(dòng)操作閥，液壓隨動(dòng)系統(tǒng)向開機(jī)方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)導(dǎo)葉開至啟動(dòng)開度后松手，手動(dòng)操作閥復(fù)中位，待轉(zhuǎn)速至90%后，即向關(guān)機(jī)側(cè)操作手動(dòng)操作閥，使導(dǎo)葉關(guān)至空載開度附近;繼續(xù)根據(jù)機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)整手動(dòng)操作閥，使機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速。

(7)手動(dòng)停機(jī)。用手動(dòng)操作閥將負(fù)荷減為零，油開關(guān)分開，然后用手動(dòng)操作閥將導(dǎo)葉關(guān)到全關(guān)。

(8)緊急停機(jī)。緊急停機(jī)電磁閥接受機(jī)組保護(hù)的電氣緊急停機(jī)停信號(hào)(或者按緊急停機(jī)按鈕)，直接將導(dǎo)葉關(guān)到全關(guān)。實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)。

(9)手/自動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式切換。操作柜門正面的手/自動(dòng)切換按鈕，可進(jìn)行調(diào)速器的手/自動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式切換。切入“手動(dòng)”立即進(jìn)入手動(dòng)運(yùn)行方式，同時(shí)手動(dòng)燈點(diǎn)亮;切入“自動(dòng)”立即進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行方式，同時(shí)自動(dòng)燈點(diǎn)亮。

3 調(diào)速器的實(shí)踐運(yùn)行效果

(1)改造前，運(yùn)行故障率高，調(diào)速器油路易堵塞、速動(dòng)性、靈敏性、穩(wěn)定性差;改造后，3個(gè)發(fā)電運(yùn)行期，實(shí)現(xiàn)了零故障運(yùn)行的效果，調(diào)速器未發(fā)生油路堵塞現(xiàn)象，速動(dòng)性、靈敏性、穩(wěn)定性大大提高。

(2)改造前，調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定性差，并網(wǎng)耗時(shí)長(zhǎng)，調(diào)速器機(jī)械部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拆卸維護(hù)困難，并網(wǎng)操作復(fù)雜;改造后，系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，并網(wǎng)時(shí)間大大縮短，新型調(diào)速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔合理，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，技術(shù)性能指標(biāo)優(yōu)良，維護(hù)修理方便。

(3)改造前，調(diào)速器不動(dòng)作、誤動(dòng)作現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，不僅水輪發(fā)電機(jī)組安全沒有保障，而且增加了值班人員勞動(dòng)強(qiáng)度;改造后，3個(gè)發(fā)電運(yùn)行期，調(diào)速器運(yùn)行正常、穩(wěn)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(dòng)強(qiáng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

瓦房城水電站自2012年實(shí)施小水電代燃料項(xiàng)目以來，對(duì)全站3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器進(jìn)行了技改，用新型微機(jī)調(diào)速器代替了傳統(tǒng)機(jī)械液壓調(diào)速器，新型微機(jī)調(diào)速器采用了先進(jìn)可編程控制器(PLC)和數(shù)字閥，布置了開機(jī)、停機(jī)、發(fā)電、調(diào)相、增減功率等操作回路，設(shè)有在線自診斷處理功能，自動(dòng)化程度高。運(yùn)行實(shí)踐證明，新型微機(jī)調(diào)速器運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠，特別是這種采用局部改造的方法，省時(shí)、省力、省錢，既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用，值得在老電站的技改中借鑒應(yīng)用。

李榮(1975—),男,漢族,大專,助理工程師,主要從事水電站生產(chǎn)運(yùn)行及技術(shù)處理工作。