王志力，陳智勇，朱廷忠

（中國東方電氣集團(tuán)自動(dòng)控制工程有限公司，四川 德陽618000）

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是由水輪機(jī)控制系統(tǒng)和被控系統(tǒng)組成的閉環(huán)系統(tǒng)。水輪機(jī)調(diào)速器則是由實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)調(diào)節(jié)及相應(yīng)控制的機(jī)構(gòu)和指示儀表等組成的一個(gè)或幾個(gè)裝置的總稱。水輪機(jī)控制系統(tǒng)就是包含油壓裝置在內(nèi)的水輪機(jī)調(diào)速器。被控制系統(tǒng)是由水輪機(jī)控制系統(tǒng)所控制的系統(tǒng)，包括水輪機(jī)、引水和泄水系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)及其所并入電網(wǎng)及機(jī)組所帶的負(fù)荷等[1]。

水輪機(jī)調(diào)速器的作用是通過控制導(dǎo)葉和槳葉接力器（對雙調(diào)機(jī)組）的操作油流量來控制導(dǎo)葉和槳葉接力器開度大小和快慢，進(jìn)而控制水輪機(jī)過水流量的大小，達(dá)到最終精確調(diào)整水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的目的[2]。工作原理是將機(jī)組頻率（機(jī)組轉(zhuǎn)速信號）與電網(wǎng)頻率（給定頻率）進(jìn)行對比，根據(jù)其差值給予電液轉(zhuǎn)換器一個(gè)操作接力器開或關(guān)的信號（命令）來控制水輪機(jī)過水流量從而調(diào)節(jié)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，使機(jī)組發(fā)電頻率穩(wěn)定在電網(wǎng)允許的偏差范圍。

1 項(xiàng)目研制背景

為加快南方電網(wǎng)公司技術(shù)技能人才培養(yǎng)，提高培訓(xùn)效果，南方電網(wǎng)公司擬建設(shè)水輪機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，要求呈現(xiàn)水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和各種運(yùn)行狀態(tài)，能夠完全模擬真實(shí)機(jī)組調(diào)速器的運(yùn)行情況，同時(shí)達(dá)到對員工進(jìn)行培訓(xùn)和考核的目的。我單位于2018年10月與南網(wǎng)公司正式簽署了調(diào)速器實(shí)訓(xùn)平臺(tái)開發(fā)協(xié)議。按照協(xié)議，將研制一套適合水電站調(diào)速器維護(hù)人員學(xué)習(xí)和培訓(xùn)使用的調(diào)速器機(jī)械、液壓系統(tǒng)和電氣設(shè)備并開發(fā)出相應(yīng)控制的軟件。

2 業(yè)主對調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求

調(diào)速器控制系統(tǒng)采用數(shù)字式冗余微機(jī)電液調(diào)節(jié)器，具有PID調(diào)節(jié)功能。系統(tǒng)額定工作油壓6.3 MPa，導(dǎo)葉接力器的全關(guān)和全開時(shí)間能在5～40 s范圍內(nèi)可調(diào)并滿足模擬機(jī)組調(diào)節(jié)品質(zhì)要求。

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能展示。調(diào)速器實(shí)訓(xùn)平臺(tái)所有設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)應(yīng)與電廠機(jī)組調(diào)速器系統(tǒng)的實(shí)際情況基本一致。

（2）調(diào)速器試驗(yàn)功能。通過配置電網(wǎng)或科研院所廣泛使用的調(diào)速器綜合測試儀，可以模擬調(diào)速器各種功能試驗(yàn)，包括調(diào)速器靜特性、空擾、空載擺動(dòng)和甩負(fù)荷、抽水蓄能各工況轉(zhuǎn)換等試驗(yàn)。

（3）異常應(yīng)急處置及分析功能。基于與生產(chǎn)現(xiàn)場一致的監(jiān)控系統(tǒng)，可以模擬生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境可能的各類事故，實(shí)現(xiàn)對調(diào)速系統(tǒng)事故的處理及分析能力的培訓(xùn)和考核。

（4）調(diào)速器實(shí)訓(xùn)平臺(tái)要能實(shí)現(xiàn)在正?；蚴鹿使r下，不論接受培訓(xùn)和考核人員的操作是正確或錯(cuò)誤、參數(shù)調(diào)節(jié)過量或不足，所有參數(shù)、報(bào)警等信號和狀態(tài)的變化都應(yīng)與真實(shí)機(jī)組的反應(yīng)一致。

3 調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成

裝置共分為三大主要結(jié)構(gòu)模塊：控制閥組、主配壓閥、流量跟蹤反饋裝置（液壓負(fù)反饋）。各模塊通過管路或安裝板連接在一起，該安裝板既是模塊的組合件，又是模塊之間的過油管道。整個(gè)液壓隨動(dòng)系統(tǒng)放置在回油箱面板上，方便對各個(gè)元件進(jìn)行操作、檢修及培訓(xùn)、考核。調(diào)速器液壓系統(tǒng)的控制油路與主操作油路分開設(shè)計(jì)，主操作用壓力油從蓄能器進(jìn)入主配壓閥，再進(jìn)入導(dǎo)葉接力器的開腔或關(guān)腔，同時(shí)接力器另一腔的回油經(jīng)主配壓閥回到油箱；控制油是從主壓力油路引出后經(jīng)高精度濾油器后進(jìn)入調(diào)速器液壓控制系統(tǒng)部分。

3.1 主配壓閥

主配壓閥主要由主閥活塞、輔接活塞（與主活塞連為一體，位于主活塞上部）、主閥襯套、輔接殼體、流量負(fù)反饋閥等幾部分組成。圖1是主配壓閥液壓結(jié)構(gòu)簡圖，實(shí)物剖面圖見圖2。從液壓原理上講，它是一個(gè)三位四通液控?fù)Q向閥。輔接活塞有上、下兩個(gè)壓力油腔，上腔面積小，通恒壓油（與系統(tǒng)壓力油相通）；下腔比上腔面積大，通來自控制閥組的控制油。當(dāng)集成閥組上比例/電磁閥的動(dòng)作使輔接活塞的下端控制腔與壓力油或回油相通時(shí)，主活塞連同輔接活塞產(chǎn)生相應(yīng)的向上或下的位移。主閥活塞在主閥襯套中上下移動(dòng)，從而使接力器開、關(guān)腔分別處在接通壓力油、回油或全部封閉等三種不同的工作狀態(tài)，相應(yīng)的控制接力器處于開啟、關(guān)閉或保持在某一固定位置，實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)葉過水流量的調(diào)節(jié)[3]。

3.2 集成控制閥組

導(dǎo)葉閥塊上裝設(shè)了兩個(gè)互為冗余的集成式比例方向閥（SV01、SV02）、手 - 自動(dòng)切換電磁閥 EV05、手動(dòng)操作電磁閥（EV07）、緊急停機(jī)電磁閥（EV04）、比例閥切換電磁閥（EV06）、液控單向閥（CV04）、用于緊急停機(jī)用的液控?fù)Q向閥（HV02）和用于手自動(dòng)切換的液控?fù)Q向閥（HV01）、緊急停機(jī)信號用壓力繼電器（PS05）和手自動(dòng)切換信號用壓力繼電器（PS06）等主要控制和信號輸出元件。此外還裝配有壓力表、壓力監(jiān)測用測壓接頭等現(xiàn)地測量接口。

圖1 主閥液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 主閥剖面圖

3.3 流量反饋裝置

流量反饋裝置HV03是調(diào)速器手動(dòng)操作功能的重要組成部分，其作用是在手動(dòng)操作接力器過程中，實(shí)現(xiàn)主配壓閥的自動(dòng)復(fù)中。該裝置通過一個(gè)類似三位三通閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在輔接活塞運(yùn)動(dòng)過程中在其下端控制腔加入液壓負(fù)反饋信號，手動(dòng)開啟或關(guān)閉接力器操作完成后使主配壓閥活塞快速、自動(dòng)地回到中間位置，接力器便能夠長期保持在任一要求的固定位置[4]。該流量反饋裝置在國內(nèi)外多個(gè)巨型水電站調(diào)速器液壓系統(tǒng)中均有應(yīng)用實(shí)例（如廣西龍灘、青海拉西瓦和埃塞吉布Ⅲ等）。在為惠蓄模擬調(diào)速系統(tǒng)研制過程中，為使手動(dòng)控制精度更高，經(jīng)過對反饋流量的計(jì)算，將流量反饋閥反饋開口加大至原來的1.34倍，增大流量反饋效應(yīng)，防止接力器手動(dòng)操作過程中運(yùn)動(dòng)速度過快，造成定位不精確。

4 調(diào)速系統(tǒng)功能

圖3是惠蓄調(diào)速器模擬試驗(yàn)平臺(tái)（雙比例方向閥+純機(jī)械液壓手動(dòng)）液壓系統(tǒng)，圖中表示接力器處于某一固定位置，調(diào)速系統(tǒng)處在主閥中間位置自動(dòng)控制狀態(tài)。該調(diào)速器設(shè)計(jì)為具有內(nèi)閉環(huán)控制系統(tǒng)（主配壓閥活塞位移信號），它能夠與接力器位移傳感器信號及自動(dòng)控制系統(tǒng)一起控制機(jī)組運(yùn)行。

圖3 液壓系統(tǒng)圖—自動(dòng)運(yùn)行

調(diào)速系統(tǒng)也具有對水輪機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行機(jī)械手動(dòng)控制功能。自動(dòng)控制回路以集成式比例方向閥為控制基礎(chǔ)，機(jī)械手動(dòng)操作回路以手動(dòng)操作電磁閥及安裝在主配壓閥上部的流量反饋裝置為控制基礎(chǔ)。

4.1 自動(dòng)控制

在系統(tǒng)處在正常工作狀態(tài)時(shí)，緊急停機(jī)電磁閥右端線圈激磁，手自動(dòng)切換電磁閥在自動(dòng)位，手自動(dòng)切換液控?fù)Q向閥在兩端控制腔壓力差的作用下處于自動(dòng)工位。輔接活塞下端控制腔通過比例閥切換電磁閥接通集成式比例閥（SV01或SV02）輸出的控制油，手動(dòng)操作部分的控制油和流量反饋閥的反饋油路被液控?fù)Q向閥（HV01）切斷，手動(dòng)操作不起作用。

自動(dòng)控制狀態(tài)下，壓力油經(jīng)過過濾后同時(shí)進(jìn)入手自動(dòng)切換電磁閥、2個(gè)集成式比例方向閥、緊急停機(jī)電磁閥和流量反饋閥的壓力油口。導(dǎo)葉開啟時(shí)，集成式比例方向閥接受電氣調(diào)節(jié)器送來的開啟電流信號，比例方向閥的右側(cè)工位處于工作位置，將控制壓力油通過液控?fù)Q向閥HV01和HV02送進(jìn)輔接活塞下端控制腔，在輔接活塞上下兩端壓力差作用下，主閥活塞向上移動(dòng)，接力器向開方向移動(dòng)。集成式比例方向閥及內(nèi)置的位移傳感器、主閥活塞傳感器構(gòu)成負(fù)反饋內(nèi)環(huán)檢測元件。當(dāng)主閥活塞的位移量通過主閥位移傳感器反饋到控制器后，與其給定信號綜合比較后使主閥活塞快速穩(wěn)定在給定位置；另外，綜合放大回路及導(dǎo)葉位移傳感器構(gòu)成負(fù)反饋外閉環(huán)檢測回路，接力器活塞的位移反饋到電氣調(diào)節(jié)器的綜合放大回路，與其給定信號綜合放大后，再與主閥活塞位移信號綜合，控制信號通過調(diào)節(jié)器模擬量輸出口輸出到集成式比例方向閥，對比例閥閥芯位移進(jìn)行精確控制[5]。由于此前比例方向閥在電氣調(diào)節(jié)器輸出開啟信號時(shí)已形成了一個(gè)工作平衡位置，當(dāng)接力器達(dá)到給定開度時(shí)，其輸入減為零時(shí)，比例方向閥的閥芯向左移動(dòng)，將輔助接力器控制腔（下腔）與回油連通，主閥活塞在上腔恒壓作用下向下移動(dòng)，當(dāng)主閥活塞回到平衡位置時(shí)，切斷主配壓閥到接力器的進(jìn)出油路，此時(shí)比例方向閥、主配壓閥均回到平衡位置（輔接活塞上下控制腔達(dá)到力平衡），導(dǎo)葉接力器停止移動(dòng)，完成一次對接力器的控制調(diào)節(jié)。

接力器關(guān)閉時(shí)，集成式比例方向閥接收到調(diào)節(jié)器送來的關(guān)閉電流信號，比例方向閥、主配壓閥、接力器的動(dòng)作過程與上述開啟動(dòng)作正好相反，不再贅述。

4.2 手動(dòng)控制

在電廠的實(shí)際運(yùn)行中，手動(dòng)只作為調(diào)試及短暫的、應(yīng)急運(yùn)行之用。下面以導(dǎo)葉手動(dòng)運(yùn)行為例介紹系統(tǒng)手動(dòng)操作過程。圖4為調(diào)速器手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)的液壓系統(tǒng)圖，其中主閥處于復(fù)中位置，接力器處于某個(gè)固定位置。圖5為手動(dòng)操作液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)框圖。

圖4 液壓系統(tǒng)圖—手動(dòng)運(yùn)行

圖5 手動(dòng)操作液壓調(diào)節(jié)框圖

手自動(dòng)切換電磁閥在手動(dòng)位（電磁線圈失磁，彈簧位），這時(shí)手自動(dòng)液控?fù)Q向閥的右側(cè)控制腔通壓力油，在兩端壓差作用下液控閥換向后處于左側(cè)工位。將手動(dòng)操作電磁閥的輸出油口與輔接活塞下端控制腔連通；同時(shí)切斷比例閥到該控制腔油路。

4.2.1 手動(dòng)開啟

手動(dòng)操作電磁閥，使其處在右側(cè)工位，控制壓力油經(jīng)該閥、液控單向閥和2個(gè)液控?fù)Q向閥后進(jìn)入輔接活塞的控制腔，主配壓閥活塞向上移動(dòng)，將主閥襯套上的控制窗口打開，接力器向開啟方向移動(dòng)，導(dǎo)葉開度增大。主閥活塞向上移動(dòng)的同時(shí)，與之固連的反饋閥襯套也向上移動(dòng)，使輔接活塞的控制腔通過流量反饋閥與回油相通，手動(dòng)操作電磁閥輸入的壓力油進(jìn)入輔接活塞控制腔的同時(shí)也與回油口相通，回油的流量就作為手動(dòng)操作時(shí)的液壓負(fù)反饋信號，主閥活塞向上的位移越大（開方向），流量反饋閥的小活塞與其襯套之間形成的窗口開口就越大，相應(yīng)的，通過流量反饋閥回油的流量就越大，液壓負(fù)反饋?zhàn)饔镁驮綇?qiáng)。當(dāng)手動(dòng)操作電磁閥線圈失磁，該閥在兩端彈簧作用下使其閥芯迅速回到中間位置，由于沒有壓力油進(jìn)入輔接活塞控制腔，在主閥活塞還沒運(yùn)動(dòng)到中間平衡位置時(shí)，流量反饋閥窗口仍向開側(cè)開啟[6]，此時(shí)在輔接活塞上腔恒壓油作用下，下端控制腔的油液經(jīng)流量反饋閥接通回油，流量反饋襯套與主閥活塞一起下移，直到主閥活塞回到中間平衡位置的同時(shí)流量反饋閥窗口、主閥操作窗口均關(guān)閉，導(dǎo)葉接力器停止運(yùn)動(dòng)。

4.2.2 手動(dòng)關(guān)閉

當(dāng)手動(dòng)操作電磁閥左側(cè)電磁線圈激磁，使其處在左側(cè)工位，壓力油經(jīng)該閥進(jìn)入手動(dòng)操作液控單向閥的控制口，打開液控單向閥，將輔接活塞下端控制腔壓力油與回油連通，主閥活塞在上腔恒壓油作用下與流量反饋閥襯套一起向下移動(dòng)，導(dǎo)葉接力器向關(guān)方向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)葉開度減??；同時(shí)因流量反饋閥襯套也向下移動(dòng)，將輔接活塞控制腔與壓力油連通，對主閥控制腔排出的油進(jìn)行補(bǔ)充，又形成一個(gè)流量負(fù)反饋?zhàn)饔?。?dāng)手動(dòng)操作電磁閥線圈失磁，閥迅速回到中間位置，在主閥未回到平衡位置前，流量反饋閥窗口一直打開，壓力油經(jīng)流量反饋閥進(jìn)入控制腔，在壓力油作用下主閥活塞及流量反饋閥襯套向上移動(dòng)，直到主閥活塞回到平衡位置，流量反饋閥與主閥操作窗口同時(shí)關(guān)閉，導(dǎo)葉接力器停止運(yùn)動(dòng)。

以上手動(dòng)增大或減小接力器開度的操作也可以在電磁閥不通電的情況下，通過手動(dòng)操作電磁閥的應(yīng)急按鈕實(shí)現(xiàn)。

4.3 手動(dòng) /自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)切換

調(diào)速器手動(dòng)或自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)的切換是通過改變手自動(dòng)切換電磁閥的工作位置，從而切換手自動(dòng)液控?fù)Q向閥實(shí)現(xiàn)的。

4.3.1 手動(dòng)切自動(dòng)

調(diào)速器電氣調(diào)節(jié)器能夠通過軟件檢測自身的工作狀態(tài)，電氣調(diào)節(jié)器工作正常時(shí)，將實(shí)時(shí)跟蹤手動(dòng)運(yùn)行，可以隨時(shí)無擾切換到自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，手自動(dòng)切換換向閥切斷手動(dòng)操作控制油與輔接活塞下端控制腔的聯(lián)系，將控制腔與比例閥控制口相通。系統(tǒng)點(diǎn)亮自動(dòng)運(yùn)行指示，工作在自動(dòng)位，控制機(jī)組自動(dòng)運(yùn)行。若電氣調(diào)節(jié)器檢測到的自動(dòng)通道狀態(tài)量不正常，手動(dòng)切自動(dòng)的操作將被拒絕執(zhí)行。

4.3.2 自動(dòng)切手動(dòng)

手動(dòng)操作的開度跟蹤與流量反饋系統(tǒng)，能精確對主配壓閥活塞進(jìn)行回中控制，因此能夠準(zhǔn)確跟蹤自動(dòng)運(yùn)行時(shí)導(dǎo)葉接力器的實(shí)際運(yùn)行位置[5]。當(dāng)電氣調(diào)節(jié)器或邏輯控制環(huán)故障不能正常進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，液壓系統(tǒng)接受到電氣柜發(fā)出的切換信號后能瞬間、無擾動(dòng)地切換到手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)；在電氣調(diào)節(jié)器能正常工作的自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下也可人為無擾動(dòng)地切換到手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)比例方向閥雖然仍接收電氣信號輸入，但因其控制油路已被切斷，不起控制作用，調(diào)速器完全處于手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)[6]。

4.4 停機(jī)操作

4.4.1 正常停機(jī)

自動(dòng)正常停機(jī)是比例方向閥在接到來自調(diào)速器電氣調(diào)節(jié)器的關(guān)機(jī)信號后，以程序預(yù)定的速度將導(dǎo)葉開度關(guān)至零。手動(dòng)正常停機(jī)是在手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，通過現(xiàn)地手動(dòng)或遠(yuǎn)方電動(dòng)操作手動(dòng)操作電磁閥來實(shí)現(xiàn)機(jī)組停機(jī)。

4.4.2 緊急停機(jī)

當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)故障，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出故障停機(jī)指令，緊急停機(jī)電磁閥處在左側(cè)工位，使輔助活塞下端控制腔的油通過緊急停機(jī)液控?fù)Q向閥回油，在輔助接力器上端恒壓腔壓力油作用下，主閥活塞快速向下移動(dòng)，操作導(dǎo)葉接力器快速關(guān)閉，完成機(jī)組緊急停機(jī)控制。同時(shí)因緊急停機(jī)電磁閥輸出口連通著壓力繼電器的控制口，使之發(fā)出緊急停機(jī)動(dòng)作信號用于電氣二次回路。

5 主閥流量控制窗口及漏油量計(jì)算

主配壓閥活塞與襯套之間配合開口的大小，直接影響到調(diào)速系統(tǒng)的控制指標(biāo)，窗口開的大會(huì)造成機(jī)組調(diào)節(jié)超調(diào)，頻率波動(dòng)范圍大，機(jī)組并網(wǎng)后不易穩(wěn)定，同時(shí)還會(huì)造成主閥漏油量增加，油泵頻繁打油，效率降低，調(diào)速系統(tǒng)油溫升高[7]。窗口開的小有可能造成機(jī)組快速調(diào)節(jié)指標(biāo)無法滿足要求，因流量較小，甚至無法滿足機(jī)組緊急關(guān)閉的時(shí)間要求。

5.1 控制窗口計(jì)算

主閥襯套與主閥活塞之間窗口流量，可用薄壁孔口流量公式近似計(jì)算。根據(jù)機(jī)組調(diào)保計(jì)算要求和接力器容積，在要求的機(jī)組最快關(guān)閉時(shí)間下，接力器開腔油液要全部經(jīng)過主配壓閥流回油箱，因此主閥襯套與主閥活塞之間所形成的最大過流窗口只要滿足這個(gè)流量需求即可。根據(jù)主配壓閥調(diào)節(jié)規(guī)律，為滿足機(jī)組不同工況、不同流量需要，窗口形狀定為梯形。考慮適當(dāng)余量，即要求主閥活塞從中間位置向下移動(dòng)全行程80%時(shí)，主閥活塞與主閥襯套的相對位移所形成的窗口應(yīng)能在可接受的壓差下通過系統(tǒng)最大的流量，即緊急關(guān)閉流量。

接力器及主要參數(shù)：接力器容積10 L，合同要求的最快關(guān)閉時(shí)間5 s，窗口個(gè)數(shù)為2個(gè)，結(jié)合L-TSA46號汽輪機(jī)機(jī)油特性參數(shù)計(jì)算過程如下：

接力器按最短時(shí)間關(guān)閉時(shí)最大流量P1為：

按照薄壁孔口的流量公式，反求出所需要的過流面積AT為：

單個(gè)窗口的過流面積AT1為：

其中Cq為流量系數(shù)取0.61，主閥前后壓差ΔP取 1 MPa[7]，流體密度：850 kg/m3。

窗口長短邊比例（即梯形上下邊長度比例）選為0.45，主閥活塞軸向行程為8 mm（全行程為10 mm），梯形窗口高度選為7 mm[9]。根據(jù)梯形面積公式計(jì)算結(jié)果如下：

窗口長邊（底邊）為5.71 mm，短邊（上邊）為2.6 mm。實(shí)際開窗口尺寸取梯形底邊長為6 mm，上邊為3 mm。圖6左側(cè)為主閥襯套外形圖，右側(cè)為窗口加工尺寸放大圖。

5.2 主閥最大漏油量計(jì)算

主閥漏油量最大時(shí)發(fā)生在主閥活塞處在中間位置，接力器固定不動(dòng)時(shí)。此時(shí)主閥活塞的2個(gè)大外圓盤與主閥襯套2個(gè)流量控制窗口相重合，因活塞圓盤的厚度大于襯套窗口的長度，因此會(huì)密封住襯套上的流量控制窗口（見圖6）。壓力油會(huì)從活塞與襯套形成的圓柱形配合間隙中流出，成為主閥漏油量的主要來源。主配壓閥漏油量是主閥一個(gè)重要的性能參數(shù)，漏油量過大，會(huì)造成系統(tǒng)壓力損失巨大，油泵頻繁啟動(dòng)向系統(tǒng)中注入壓力油。

圖6 主閥襯套外形及窗口加工尺寸圖

下面結(jié)合所設(shè)計(jì)的DN50的主配壓閥尺寸參數(shù)，計(jì)算該閥的漏油量，并根據(jù)試驗(yàn)，來驗(yàn)證計(jì)算方法的正確性。主閥活塞與襯套之間的配合為φ50 H6/g6。查閱手冊，并結(jié)合液壓油參數(shù)（常溫25°），根據(jù)流體力學(xué)中平行平板縫隙流量（壓差流量）計(jì)算公式，主配壓閥活塞與襯套在開、關(guān)腔兩個(gè)縫隙總的泄漏量計(jì)算如下（參數(shù)帶入按活塞和襯套加工尺寸為允許的最大偏差考慮）：

其中b為縫隙寬度，h為縫隙高度，l為縫隙長度，μ為20℃時(shí)46號汽輪機(jī)油的動(dòng)力粘度，ΔP為縫隙兩端的壓力差取為6.3 MPa。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果并考慮計(jì)算、試驗(yàn)條件和所選參數(shù)誤差，設(shè)計(jì)圖紙中要求最大泄漏量不超過1 L/min（按照10%余量取值），實(shí)測值為0.352 L/min（測試溫度19.2℃）。

6 系統(tǒng)主要試驗(yàn)結(jié)果

調(diào)速系統(tǒng)試驗(yàn)過程和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)GB/T 9652.1-2007《水輪機(jī)調(diào)速器與油壓裝置技術(shù)條件》、GB/T9652.2-2007《水輪機(jī)調(diào)速器與油壓裝置試驗(yàn)驗(yàn)收規(guī)程》和南網(wǎng)公司關(guān)于調(diào)速器相關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行。調(diào)速器實(shí)訓(xùn)平臺(tái)按要求進(jìn)行了調(diào)速系統(tǒng)全部功能和性能試驗(yàn)，為突出系統(tǒng)重點(diǎn)，這里只介紹了調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性和甩滿負(fù)荷試驗(yàn)并對照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析。圖7和圖8分別為調(diào)速器靜特性和甩負(fù)荷的試驗(yàn)曲線。

圖7 靜態(tài)特性測試

圖8 甩滿負(fù)荷測試

6.1 靜特性測試結(jié)果

實(shí)測的系統(tǒng)轉(zhuǎn)速死區(qū)ix%為0.001，線性度誤差ε%為0.003。滿足國標(biāo)中規(guī)定的調(diào)速器靜態(tài)特性曲線近似為直線和靜態(tài)特性轉(zhuǎn)速死區(qū)ix%不超過0.02%（大型電調(diào)）的調(diào)節(jié)要求[10]。

6.2 甩100%時(shí)的測試結(jié)果

圖8中，紅色曲線為機(jī)組仿真頻率，藍(lán)色為導(dǎo)葉接力器開度曲線。實(shí)測的調(diào)節(jié)時(shí)間Te近似為Te=49.2-4.5=44.7 s（定義為從機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)起到進(jìn)入空載轉(zhuǎn)速的相對偏差小于±1%為止的時(shí)間），峰值時(shí)間Tm近似為Tm=18.2-4.5=13.7 s（定義為從調(diào)速器甩負(fù)荷開始至機(jī)組轉(zhuǎn)速升至最高轉(zhuǎn)速所經(jīng)歷的時(shí)間），（國標(biāo)和 IEC 要求）。波峰個(gè)數(shù)A（定義為機(jī)組超過穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速3%額定轉(zhuǎn)速以上的波峰次數(shù)）為1＜2（國標(biāo)和IEC要求）。

7 結(jié)論

水電站調(diào)速系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性對機(jī)組運(yùn)行十分重要，因此對員工培訓(xùn)和考核的要求也就非常高。分析調(diào)速系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的各功能試驗(yàn)結(jié)果并根據(jù)業(yè)主的實(shí)際使用效果，這套調(diào)速系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)與真實(shí)水電機(jī)組的運(yùn)行情況基本一致，符合國家標(biāo)準(zhǔn)對調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的要求，可方便地模擬各種水電站調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械、液壓和電氣系統(tǒng)故障，對員工進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)各層次理論和應(yīng)用技能的培訓(xùn)、考核。未來，可在該套系統(tǒng)中加入事故關(guān)閉、接力器多段關(guān)閉、多速度開啟（重點(diǎn)針對抽水蓄能機(jī)組開發(fā)）和機(jī)組過速保護(hù)等功能，各功能擬采用模塊化設(shè)計(jì)方法，根據(jù)不同機(jī)組情況，方便的實(shí)現(xiàn)調(diào)速器功能組合，更好的達(dá)到針對性的培訓(xùn)、考核目的。