高油压可编程调速器在小水电厂的应用1.doc

高油压可编程水轮机调速器在小水电厂的应用王福德 王国俊(甘肃定西市水务局 730500)(武汉市汉诺优电控有限责任公司 430010)0 概述甘肃临洮洮坪水电有限公司位于甘肃省洮河中游临洮县洮阳镇境内，为新建引水式电站。电站总装机9600KW，最大水头10米，设计水头9.6米；设计流量 35.6 ，安装四台ZD660-LH-250型水轮发电机组。电站于2010年8月份投产发电，其水轮机调速器选用GKT-5000高油压可编程式调速器。该型调速器自电站投产至今，运行可靠，安装布置简单方便。运行与维护非常简洁，对于现在新建电站具有以下优点： (1) 高油压调速器应用了电液比例随动装置、电液数字随动装置等现代电液控制技术，减少了调速器的液压放大环节，结构简单，工作可靠，具有优良的速动性及稳定性。(2) 高油压调速器的液压元器件标准化、专业化、标准化程度高，均为大批量工业化生产，具有强大的技术支撑和可靠的质量保证体系，在国内外市场均有丰富的硬件资源。不仅确保了产品质量，也为采购备品备件提供了便利。 (3) 高油压调速器的工作油压高，因而体积小，重量轻，用油量也少得多，使电站布置方便、美观。（4）采用囊式蓄能器储能，胶囊内所充氮气与液压油不直接接触。这不仅使油质不易劣化，延长液压油使用寿命；更重要的是囊式蓄能器胶囊密封极为可靠，氮气极少漏失，运行中一般不需补气。必要时，使用随机供货的补气装置和瓶装氮气可方便的进行补气。由于囊式蓄能器的突出优点，既免除了电站运行中的补气工作，又可使电站不须设高压空气系统，省去相应的副厂房，使电站建设节约一笔可观的投资和相应的运行费用。1 高油压微机调速器的调节原理GKT系列高油压调速器的系统原理框图如下图所示；其液压控制系统的原理详见下节。图1水轮发电机组有多种运行工况，在不同的工况下调速器需要采用不同的控制规律和调节参数。调速器各工况下的控制规律由软件（即程序）实现。自动开机时，机频与频率给定的差值通过PID 运算后，经综合放大板将输入的调节信号转换成控制自动调节阀组的开、关信号，控制液压缸的开、关运动，直至机频等于频给。并网前永态转差系数bp=0，人工死区E=0，调节参数为空载参数，保证了机组空载运行的稳定性。在机组开机过程中，频给等于50Hz。在空载运行过程中，若调速器的频率调节方式处于“不跟踪”，则频给值默认为50Hz，如需改变频给值，可通过电控柜上的按键或增、减给定按钮进行整定，也可通过上位机或自动准同期装置的指令增、减；若调速器的频率调节方式处于“跟踪”，则频给自动等于当前的网频，以实现机频自动跟踪网频。并网后，频给自动整定为50Hz，bp置整定值以实现有差调节，切除微分并投入人工死区。此时液压缸开度将随着频差而变化，并入同一电网的机组将按各自的bp值自动分配负荷。当上位机或电控柜上的增、减给定按钮发出增、减负荷命令时，功率给定值相应改变，功给信号一方面通过前馈回路直接叠加于积分输出值，一方面与调节器输出相比较，其差值通过bp回路调整调节器输出。由于前馈信号的作用, 负荷的增、减几乎与增、减操作同步。自动停机时，给定频率将自动置于零，与自动开机的过程类似，机频与频给的差值通过PID运算并放大后，经自动调节阀组控制液压缸快速关闭，直至机频为零液压控制部分工作原理液压系统原理简介图2自油压装置输送来的压力油，经压力表14后分为上下两条油路。上面一路是高油压调速器液压控制部分的主体，由左、中、右三条并联的油路构成：左边油路是自动调节回路，由手自动切换阀16、大波动阀17、小波动阀15构成。其中大波动阀与小波动阀相互并联，手自动切换阀则是与大、小波动阀相串联。右边油路是由紧急停机电磁阀19构成紧急停机回路；中间油路是由手动操作阀18构成的手动操作回路。上述三条并联油路的控制阀各自有两个输出工作油口，所有控制液压缸开启的油口并为一条油管，经单向节流阀20、两段关闭装置21以及液控单向阀与液压缸的开启侧相连；所有控制液压缸关闭的油口并为一条油管，经单向节流阀、液控单向阀29与液压缸的关闭侧相连。2 调节控制部分GKT系列高油压调速器的自动调节功能，由大波动阀与小波动阀并联构成的自动调节阀组实现，简称大小阀调节模式。大小阀调节模式具有良好的调节特性。大波动时大小阀同时动作，液压缸按整定的最大速度运动，以保证系统的速动性；小波动时仅小阀动作，液压缸以较慢的速度运动，以保证系统的稳定性。只要大小阀选用合理，调整得当，便可使调速器同时具有良好的速动性与稳定性。3 高油压调速器的优势高油压调速器的技术优势与传统的中小型机调相比，CKT系列高油压调速器具有显著的技术经济优势，通过多年来研制高油压调速器的实践，体会到用现代液压技术开发新一代高油压水轮机调速器，既经济合理，又切实可行。 3.1工作油压 在液压系统设计中，确定合理的工作油压是影响全局的问题，它对油泵、液压阀及液压附件的选择有直接影响。在传统的水轮机调速器及油压装置中，沿用 2.5MPa以下的工作油压长达百年之久,只是在近十多年来,4MPa、6.3MPa的液压系统才得到少量的应用。与此相应，其油泵采用价格很高的大流量螺杆泵；液压阀及液压附件则采用小批量甚至单件生产的专用液压件，功率重量比小，用油量大。因而在水轮机调节装置中应用现代液压技术，首要任务是较大幅度的提高工作油压。但工作油压超过20MPa时，势必采用价格昂贵且对油质要求很高的柱塞泵，同时也增加了囊式蓄能器的补气难度。综合考虑技术、经济因素，应以16MPa为额定工作油压、20MPa为最高工作油压较为适宜。 3.2油泵 在各类油泵中，齿轮泵价格最低、抗油污能力最强。特别近十余年来，齿轮泵技术有了长足的进步，20MPa甚至25MPa的高压齿轮泵已有成熟的系列产品。由于传统观点认为：与螺杆泵相比，齿轮泵流量、压力脉动大，噪声也大。因而在水轮机调节装置中并未得到推广应用。事实上，在水轮机调节装置中，有着容积较大的压力油罐或蓄能器，任何流量、压力脉动均将被其消除，不会对系统的工作产生任何影响；其噪声在水电站的运行环境中亦不明显。可以肯定，齿轮泵不仅对高油压调速器十分适用，而且也将会在低油压水轮机调节装置中得到广泛采用。 3.3蓄能器 传统油压装置的储能部分采用油气接触的压力油罐，运行时因压缩空气溶于油中而不断漏失。为此，使用大中型水轮机调节装置的电站，需设置专门的气系统及相应的副厂房，向压力油罐补充干燥的压缩空气；对于小型水轮机调速器，通常采用中间油罐和补气阀向压力油罐补充压缩空气。前者将增加电站投资和运行费用；后者因补充了未经干燥的压缩空气而会加速油质劣化。当工作油压升至16MPa以上时，如仍采用油气接触的压力油罐，溶于油中的气体将会导致系统的振动和元件的气蚀。上述问题，在采用高压囊式蓄能器后均可得到很好的解决。囊式蓄能器的典型结构如右图，它是由充气阀、壳体 、胶囊和菌形阀总成等组成。壳体4是个均质无缝的压力容器，形状为两端成球形的圆柱体。其上端有个容纳充气阀 开口。由合成橡胶制成的完全封闭的梨形气囊5模压在气门嘴上，形成一个封闭的空间。气囊经壳体下端开口置入后，借助于止动螺母3固定在壳体的上部。菌形阀总成由阀体座11、菌形阀6及其下面的弹簧组成，其作用是防止油液全部排出时，气囊膨胀出壳体之外。该阀用一对半圆支承环8卡住阀体座11的台肩，装在壳体的下部。橡胶托环7和密封环9构成阀体座与壳体的密封，用壳体外面的螺母经压环10拧紧固定。 3.4电液转换部件 低油压电液调速器的电液转换部件种类很多，常见的有电液转换器、电液伺服阀及各种控制电机带动的一些专用先导阀。他们各有优缺点，但均不能直接用于高压系统。对于高压系统，推荐采用电液比例阀。其主要优点是：与电液伺服阀相比，电磁操作力大，可靠性高；与电磁球阀相比，动作平稳、无振动，有较高的动态和静态指标，能较好地满足电液调速器的性能要求。此外，电液比例阀无静态耗油，这一点对蓄能器较小的中小型调速器尤为重要。此外，电液比例阀和电磁球阀也可用于中、低压系统作先导阀。 3.5主控阀 在高压系统中，依据调速器操作功的不同，其主控阀（即主配压阀）可以直接采用电液比例阀，也可由电液比例阀和插装阀组共同构成。插装阀组具有可靠性高、密封性好、过流能力大、压力损失小等突出优点，在构成高压、大流量阀组方面有独特的优势和广阔的前景。当然，插装阀组也可构成中、低压的大流量阀组，但因其功率潜能未充分发挥，故经济性受到影响。 3.6油液的清洁度 油液清洁度和液压元件的抗油污能力，是确保液压系统安全、可靠工作的两个关键因素。液压系统和元件选定之后，保持和提高油液的清洁度，就是确保液压系统安全、可靠工作最关键的因素了。 高压系统对油液清洁度的要求通常比低压系统高。但高压系统总油量少，密闭性好，标准液压件自身的清洁度较易保证。因而，只要合理选择滤油器，在制造、运行和维护的各个环节，认真消除内、外污染因素，系统的油液清洁度是可以保证的。油液污染引起的堵塞、卡滞等故障，通常发生在投运初期。因而在设备组装时认真进行油箱、管道、液压件、液压集成块及液压缸的清洗；设备安装并运转一段时间后及时更换清洁的新油等，是降低系统故障率的有效措施。 综上所述，高油压调速器的应用具有如下技术经济优势： a采用了电液比例阀、高速开关阀（即所谓数字阀）等现代电液控制技术，减少了液压放大环节，结构简单，工作可靠，具有优良的速动性及稳定性。 b液压件为大批量工业化生产，标准化、系列化、集成化程度高，质量可靠，性价比高。 c采用囊式蓄能器储能，胶囊内所充氮气与液压油不接触，油质不易劣化；胶囊密封可靠，长期运行亦不需补气。小型高油压调速器不须设自动补气阀和中间油罐；中型高油压调速器可省去高压气系统及相应的副厂房；运行人员省去了每个台班都要调压力罐油位的繁琐工作。 d工作油压高，因而体积小，重量轻，用油量少，电站布置方便、美观。高油压调速器应保证机组在空载及并入大、小网工况下稳定运行。可自动连续测量机组和电网频率，实现机组空载及孤立运行时的频率调节；空载时机组频率自动跟踪电网频率，保证快速自动准同期。 4 高油压调速器的优势高油压调速器的技术优势41安全溢流阀高油压油压装置中常用直动式溢流阀。直动式溢流阀是作用在阀芯上的主油路液压力与调压弹簧力直接相平衡的溢流阀。在直动式溢流阀中，当液压作用力低于整定的弹簧力时，阀芯在弹簧力的作用下压紧在阀座上，阀口关闭，溢流口无液压油溢出；当液压作用力超过整定的弹簧力时，阀芯开启，液压油溢流。弹簧力随着开口量的增大而增大，液压力则随着开口量的增大而减少，直至液压作用力与弹簧力相平衡，系统压力便维持于溢流阀整定的安全压力值，从而防止了液压系统的过压。图 为DBD型插入式锥阀结构的直动式溢流阀的原理图：该阀由插入体(1)弹簧(2)调节机构(3)具有减震活塞的锥阀 (4)及弹簧座(5)组成。锥阀靠弹簧力固定在弹簧座(5)上，通过调节机构调整弹簧来无级调整压力。压力油从P口进入阀内，作用在锥阀和减震活塞上，当达到调定压力时，压力油克服弹簧力将锥阀(4)抬起，压力油流向下口，锥阀的行程靠销钉限制。板式结构只需将插入式阀装上相应的板式阀体即可。 42开关机时间调整及两段关闭装置调速器的开关机时间调整，用调整液压缸油路上的单向节流阀实现。串联于液压缸开启油路上的单向节流阀用于调整液压缸的关闭时间；串联于液压缸关闭油路上的单向节流阀则用于调整液压缸的开启时间，开关机时间连续可调。4.3液压锁定及低压刹车用油源GKT系列高油压调速器的液压锁定可在机组停机后投入，以防止液压缸向开机侧爬行导致机组误开机。由GKT-80型高油压调速器的系统原理图可知，在正常运行时，锁定电磁阀输出的压力油进入液控单向阀的控制腔，将液控单向阀打开，使之成为通路，不影响液压缸的正常动作。机组停机后，锁定电磁阀动作，液控单向阀的控制油路接通排油，液控单向阀的机能与单向阀相同，因而液压缸便被锁住，无法动作。在手动操作时，为防止液压缸爬行导致溜负荷，也可在操作后投入液压锁定。如果在手动操作时接到紧急停机令，紧急停机令将会首先解除液压锁定，以保证液压缸迅速关机。机组紧急停机后，液压锁定将自动投入。有些机组要求高油压调速器提供刹车控制装置及某些自动化元件所需的低压油源。由于所需油量均较少，通常采用设置减压阀的方法满足上述要求。由于减压阀在工作时必然有一定的耗油量，因而设计时应予以适当考虑：可以让减压阀在系统需要供应低压油源时才投入工作，不需要时则及时切除；也可以适当提高蓄能器的容积余量。44高油压液控部分可靠性分析传统调速器的自动调节、手动操作与紧急停机都是通过主配压阀实现的，由于主配压阀的体积较大，设计中不考虑主配压阀的冗余配置。运行中万一出现主配压阀卡死在开机侧的事故，自动调节、手动操作与紧急停机均将失灵。除小型调速器可用操作手轮控制外，大中型调速器便无法进行任何操作，直接影响机组的安全运行。对于高油压调速器而言，由于各类控制液压阀对油质要求比传统主配压阀更高，因而对高油压调速器调节控制系统的可靠性应有更高的要求。GKT系列高油压调速器，在系统设计中采取了以下措施，以确保液压控制系统的可靠性：a 采用自动调节阀组、手动操作阀与紧急停机电磁阀三者各自独立、相互并联的系统方案。与传统调速器的液压系统类比，相当于三者各有自己的“主配压阀”，大大提高了配置的冗余度；b 自动调节阀组的进、排油侧串联有手自动切换阀，在手动操作或紧急停机时，该阀将同时切断自动调节阀组的油路。即使自动调节阀组发生卡死或其他任何故障，都不会影响手动操作和紧急停机的正常工作；万一手自动切换阀因电气故障或阀体本身故障不能自动切换，还可用切换阀上的手动按钮进行切换。c自动调节阀组被手自动切换阀切断油路后，因紧急停机电磁阀处于复归状态，油路也被切断，调速器处于手动工况，用手动操作阀能可靠地进行机组的开停机和增减负荷操作。d 自动调节阀组被手自动切换阀切断油路后，只要紧急停机电磁阀接到紧停信号，即能可靠动作，实现紧急停机。万一紧急停机电磁阀因电气故障或阀体本身故障不能动作，还可用紧停阀上的手动按钮进行紧急停机，也可通过手动操作使机组停机。e 在功率级液压阀的选择上，有滑阀类换向阀与插装阀两种方案。与滑阀类换向阀相比，插装阀具有过流量大及漏油量小的优点。但有分析指出：当滑阀类换向阀的阀芯卡在开启位置，只会导致机组全开，系统油压仍然保持，还可用其它措施使机组停机。而插装阀的某一单元万一卡在开启位置时，就有出现压力油与回油直接连通的可能，从而导致系统失压、失控。在此问题上目前尚有不同观点。赞成采用插装阀的认为，插装阀的优点明显，而插装单元卡死的可能几乎不存在。为了稳妥可靠，GKT系列高油压调速器还是选用滑阀类换向阀作功率级液压阀。5 与水轮机的导叶配合问题与水轮机的导叶连结由高油压分离式接力器来完成。调速器通过高压软管连通接力器，通过接力器直接控制水轮机导叶。对于水轮机来说则省略了复杂的调速轴。导叶控制接力器直接安装在水轮机机坑导水机构上方。如下图所示； 6 高油压调速器