周 濤，李兼伐，梁洸強(qiáng)

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

0 引言

水電站（廠）作為電力系統(tǒng)重要的電源之一，在電能生產(chǎn)過程中，利用水輪機(jī)把水流能量轉(zhuǎn)換為水輪機(jī)軸輸出的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，再利用發(fā)電機(jī)把旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能[1]。在水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)控制下，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電以穩(wěn)定的頻率和電壓經(jīng)過電網(wǎng)輸送至用戶，以滿足生產(chǎn)及生活需要。電力系統(tǒng)的負(fù)荷因用戶需要會隨時(shí)發(fā)生變化，因此應(yīng)根據(jù)用電負(fù)荷的變化及時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)輸出的電能，以維持系統(tǒng)發(fā)電量與用電量平衡，當(dāng)系統(tǒng)動(dòng)力矩與阻力矩相等時(shí)，系統(tǒng)才能穩(wěn)定下來。如果不能根據(jù)系統(tǒng)用電負(fù)荷的變化及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)能量的平衡，就會導(dǎo)致系統(tǒng)頻率和發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速變化，甚至超出電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍。對用戶而言，電源頻率不穩(wěn)定，會導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，忽高忽低的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，會嚴(yán)重影響到各種生產(chǎn)設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至，嚴(yán)重影響到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和人們的正常生活。為此，必須根據(jù)機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化（實(shí)質(zhì)反映系統(tǒng)負(fù)荷和頻率的變化），通過水輪機(jī)調(diào)速器自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)入水輪機(jī)的水流量，使水輪發(fā)電機(jī)組維持在額定轉(zhuǎn)速的同時(shí)，其輸出的電能不斷適應(yīng)外界負(fù)荷的變化。另外，水輪機(jī)調(diào)速器還擔(dān)負(fù)著開機(jī)、停機(jī)及調(diào)整機(jī)組所帶負(fù)荷的作用。

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，由調(diào)節(jié)控制器、液壓隨動(dòng)系統(tǒng)和調(diào)節(jié)對象組成。通常把水輪機(jī)的液壓隨動(dòng)系統(tǒng)和調(diào)節(jié)控制器合稱為水輪機(jī)調(diào)速器[1]。水輪機(jī)調(diào)速器自上個(gè)世紀(jì)問世以來先后經(jīng)歷了機(jī)械液壓調(diào)速器、電液調(diào)速器和微機(jī)調(diào)速器三代發(fā)展歷程，現(xiàn)前兩代調(diào)速器已逐漸被微機(jī)調(diào)速器所替代。YWT 系列高油壓數(shù)字式可編程微機(jī)調(diào)速器結(jié)構(gòu)簡單、性能良好、運(yùn)行可靠、操作和維護(hù)簡便，在中小型水電站中廣泛應(yīng)用。

1 水輪機(jī)調(diào)速器液壓系統(tǒng)組成及原理

YWT 系列微機(jī)調(diào)速器的液壓系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 YWT 系列水輪機(jī)調(diào)節(jié)器液壓系統(tǒng)

微機(jī)調(diào)速器由機(jī)械液壓系統(tǒng)、油壓裝置和微機(jī)調(diào)節(jié)器三大部分組成，完成對水輪機(jī)的調(diào)節(jié)控制。機(jī)械液壓系統(tǒng)是調(diào)速器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它接受微機(jī)調(diào)節(jié)器發(fā)出的控制信號，控制機(jī)械液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件13（俗稱接力器）的伸縮動(dòng)作，從而改變水輪機(jī)導(dǎo)水葉（或噴針）的開度，實(shí)現(xiàn)對水輪機(jī)流量的調(diào)節(jié)控制，最終完成對機(jī)組轉(zhuǎn)速及輸出能量的調(diào)節(jié)控制。油壓裝置為調(diào)速器的液壓系統(tǒng)提供壓力油源。下面分別對油壓裝置和機(jī)械液壓系統(tǒng)的組成及工作原理做簡要分析。

1.1 油壓裝置

由液壓油泵1、單向閥2、蓄能器3、總油閥4、精濾器5 及其它輔助元件組成。不同的水電站，水輪機(jī)工作水頭及調(diào)節(jié)流量不同，所需的水輪機(jī)導(dǎo)水葉（或噴針）的操作功也不同。由于水輪機(jī)調(diào)速器液壓系統(tǒng)的接力器13 需要輸出較大的工作推力，因此，除軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)外，一般中小型水輪機(jī)調(diào)速器多采用額定油壓為16 MPa 并采用標(biāo)準(zhǔn)液壓元件的高油壓液壓系統(tǒng)，以減小液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸，降低液壓系統(tǒng)制造和維護(hù)成本。為避免液壓油泵長時(shí)間工作和降低能耗，調(diào)速器油壓裝置通常采用高壓齒輪油泵加蓄能器的方案，并配備一個(gè)以上氣囊式蓄能器和一套以上油泵，以滿足調(diào)速器液壓系統(tǒng)用油及油泵冗余配置的需要。在機(jī)組啟動(dòng)前，應(yīng)預(yù)先啟動(dòng)油壓裝置，使蓄能器內(nèi)的油位及油壓滿足調(diào)速器工作需要。

1.2 機(jī)械液壓系統(tǒng)

機(jī)械液壓系統(tǒng)由導(dǎo)水裝置（控制導(dǎo)水葉或噴針，圖中未畫出）和接力器13 及其控制裝置組成，采用的是雙油路控制方式。在圖1 中狀態(tài)為待機(jī)狀態(tài)，從油壓裝置輸出的壓力油分兩路走：其一是經(jīng)緊急停機(jī)電磁閥6 輸出，到達(dá)4 個(gè)換向球閥8、9、10、11 的左位而被鎖止；其二是直接與主閥（先導(dǎo)式滑閥）12 連接于中位而被鎖止。接力器13 被鎖定在既定位置。

機(jī)械液壓系統(tǒng)主要有微幅調(diào)節(jié)、大幅快速調(diào)節(jié)、電磁鐵失電、事故停機(jī)等四種工況。

（1）調(diào)速器微幅調(diào)節(jié)

如圖2 所示，微幅調(diào)節(jié)回路由緊急停機(jī)電磁閥6、換向球閥10 和11 及液壓鎖（兩個(gè)液控單向閥）組成。

圖2 微幅調(diào)節(jié)工況液壓回路

當(dāng)電磁鐵E3 得到控制信號，換向閥10 閥芯左移，壓力油通過換向閥10 直接進(jìn)入接力器左腔，同時(shí)，液控單向閥在工作壓力作用下逆向開啟，接力器右腔的油液通過換向閥11 排回油箱，接力器左腔進(jìn)油，右腔排油，推動(dòng)接力器活塞桿伸出，使導(dǎo)水裝置朝關(guān)方向動(dòng)作，關(guān)小導(dǎo)葉開度。當(dāng)電磁鐵E4 得到控制信號，換向閥11 閥芯左移，壓力油通過換向閥11 直接進(jìn)入接力器右腔，同時(shí)，液控單向閥在工作壓力作用下逆向開啟，接力器左腔的油液通過換向閥10 排回油箱，接力器右腔進(jìn)油，左腔排油，接力器活塞桿收回，使導(dǎo)水裝置朝開方向動(dòng)作，開大導(dǎo)葉開度。因電磁換向球閥10、11 的額定流量較小，通過其控制接力器動(dòng)作時(shí)，接力器動(dòng)作速度慢，只能實(shí)現(xiàn)對接力器的微幅調(diào)節(jié)控制。同時(shí)，與液控單向閥串接的節(jié)流閥還能調(diào)節(jié)調(diào)速器微幅調(diào)節(jié)的最快速度。

（2）調(diào)速器快速大幅調(diào)節(jié)

大幅調(diào)節(jié)回路由緊急停機(jī)電磁閥6、換向球閥8和9、主閥12 及液控單向閥組成，如圖3 所示。當(dāng)控制閥9 的電磁鐵E2 得到控制信號時(shí)，控制閥9 閥芯左移，控制油進(jìn)入主閥12 的右端，主閥12 閥芯左移，油壓裝置來的壓力油通過主閥12 和液控單向閥、節(jié)流閥進(jìn)入接力器左腔，而接力器右腔則經(jīng)過節(jié)流閥、液控單向閥和主閥12 接通排油，接力器活塞桿伸出，推動(dòng)導(dǎo)水裝置朝關(guān)方向動(dòng)作，關(guān)小導(dǎo)葉（或噴針）開度。當(dāng)控制閥8 的電磁鐵E1 得到控制信號時(shí)，控制油進(jìn)入主閥12 的左端，主閥12 閥芯右移，油壓裝置來的壓力油通過主閥12 和液控單向閥、節(jié)流閥進(jìn)入接力器右腔，而接力器左腔則經(jīng)過節(jié)流閥、液控單向閥和主閥12 接通排油，接力器活塞桿縮回，帶動(dòng)導(dǎo)水裝置朝開方向動(dòng)作，開大導(dǎo)葉（或噴針）開度。由于壓力油經(jīng)過主閥回路接至接力器，液壓回路通流面積大，可實(shí)現(xiàn)對接力器大流量、快速控制，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)速器快速大幅度調(diào)節(jié)，但考慮到不同水電站調(diào)節(jié)保證計(jì)算對最快開關(guān)機(jī)時(shí)間要求不同，在調(diào)速器快速大幅調(diào)節(jié)液壓回路中也設(shè)置了相應(yīng)的節(jié)流閥，要根據(jù)電站實(shí)際需要調(diào)節(jié)調(diào)速器的最快開關(guān)機(jī)時(shí)間。

圖3 大幅調(diào)節(jié)工況液壓回路

當(dāng)調(diào)速器發(fā)生失電等電氣故障時(shí)，各電磁閥將失電，其閥將處于圖1 所示狀態(tài)，接力器將維持在故障前位置不變，如有需要，此時(shí)可手動(dòng)操作電磁閥閥芯實(shí)現(xiàn)調(diào)速器手動(dòng)操作。

2 水輪機(jī)調(diào)速器液壓系統(tǒng)故障分析

YWT 系列水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器結(jié)構(gòu)簡單，操作使用方便，現(xiàn)已廣泛用于中小型水電站。隨著調(diào)速器長時(shí)間工作和液壓系統(tǒng)磨損，調(diào)速器液壓系統(tǒng)難免會發(fā)生故障，據(jù)統(tǒng)計(jì)，最常見的故障包括異常震動(dòng)、動(dòng)作遲滯和系統(tǒng)泄漏等幾個(gè)方面[2]。

調(diào)速器液壓系統(tǒng)故障會直接影響到水輪發(fā)電機(jī)組的正常工作和安全運(yùn)行，而接力器是液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件，以其作為觀察對象，是發(fā)現(xiàn)、分析和處理調(diào)速器液壓系統(tǒng)故障的常用方法之一。液壓系統(tǒng)故障的表象和原因大都有一定的因果關(guān)系和規(guī)律，可結(jié)合常見故障的現(xiàn)象及原因，探究相關(guān)故障的處理方法，但不管如何，都需要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析和判斷，如果是新設(shè)計(jì)或新安裝的調(diào)速器，應(yīng)通過試驗(yàn)方式，結(jié)合故障現(xiàn)象，重點(diǎn)分析、改進(jìn)和優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)節(jié)參數(shù)整定等問題，反之，則應(yīng)重點(diǎn)考慮液壓系統(tǒng)堵塞、磨損、油質(zhì)油量、密封失效等問題。對于水電站技術(shù)人員而言，重點(diǎn)關(guān)注的是調(diào)速器投運(yùn)之后出現(xiàn)的故障問題。

2.1 接力器振動(dòng)

在水輪發(fā)電機(jī)組處于開機(jī)前充油或運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，接力器不動(dòng)，主閥12 閥芯強(qiáng)烈、小幅度等幅往復(fù)位移，頻率有幾十赫茲（≥20 Hz），導(dǎo)致接力器活塞桿、接回器連接油管抖動(dòng)并伴有響聲，造成導(dǎo)水裝置工作部件松動(dòng)、磨損以及液壓管路接頭漏油，甚至出現(xiàn)液壓管路破裂、廠房振動(dòng)等嚴(yán)重問題，直接危及電站的安全。故障原因分析及處理方法詳見表1。

表1 接力器振動(dòng)故障分析與處理

2.2 接力器漂移

水輪發(fā)電機(jī)組在停機(jī)或空載或帶負(fù)荷運(yùn)行的自動(dòng)狀態(tài)下，接力器活塞桿發(fā)生漂移，會通過導(dǎo)水裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)改變導(dǎo)葉（或噴針）開度，從而改變機(jī)組流量，導(dǎo)致機(jī)組自行轉(zhuǎn)動(dòng)起來或機(jī)組轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定或機(jī)組負(fù)荷自動(dòng)發(fā)生變化等后果，甚至造成設(shè)備損壞、人身傷亡等重大事故，應(yīng)引起相關(guān)管理和運(yùn)行人員重視。

造成接力器漂移的原因較多，具體故障原因分析及處理方法見表2。

2.3 接力器動(dòng)作遲滯

水輪發(fā)電機(jī)組在靜態(tài)、空載或帶負(fù)荷運(yùn)行的自動(dòng)狀態(tài)下，機(jī)組轉(zhuǎn)速（頻率）發(fā)生變化，調(diào)速器電氣調(diào)節(jié)器有輸出信號至液壓系統(tǒng)，但相關(guān)元件或動(dòng)作遲緩，其結(jié)果是接力器響應(yīng)遲滯，增減負(fù)荷遲緩，開機(jī)不成功或調(diào)節(jié)時(shí)間長，甚至無法轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和并網(wǎng)帶負(fù)荷運(yùn)行任務(wù)，嚴(yán)重時(shí)還會造成機(jī)組甩負(fù)荷、機(jī)組過速和發(fā)生飛逸等事故，嚴(yán)重危及機(jī)組安全運(yùn)行，故障原因分析及處理方法如下：

（1）油溫過高使內(nèi)漏過大

檢測油溫，如油溫異常升高，可改變運(yùn)行工況或減少油泵啟動(dòng)次數(shù)，必要時(shí)加裝油冷卻器。

（2）電液轉(zhuǎn)換元件自動(dòng)平衡位置自行改變

主要原因有：如電磁閥彈簧疲勞、變形，密封圈老化，閥芯磨損過大等?？芍匦抡{(diào)整電液轉(zhuǎn)換元件，更換失效零部件，重新調(diào)整系統(tǒng)自動(dòng)平衡位置等。

（3）電液轉(zhuǎn)換元件通電與不通電的液壓平衡位置相差較大

表2 接力器漂移故障分析與處理

重新調(diào)整電液轉(zhuǎn)換元件平衡位置，檢查通電前后，保持基本不變位為宜（爬行≤0.4%）。

3 結(jié)論

水輪機(jī)調(diào)速器液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)行對于水電站安全運(yùn)行具有重要的意義[3]，為降低水輪機(jī)調(diào)速器液壓系統(tǒng)故障對機(jī)組運(yùn)行的影響，需要提高對液壓系統(tǒng)故障診斷與排除工作重要性的認(rèn)識，加強(qiáng)維修技術(shù)的提升與故障診斷經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)推廣，以提高故障診斷與排除效率，減少故障對機(jī)組運(yùn)行的影響，提高機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性及生產(chǎn)效率。