水轮发电机组附属设备改造技术要求（修改）

3.3水轮发电机组附属设备改造技术要求水轮发电机组附属设备主要包括水轮机调速器、发电机励磁调节器和辅机设备，水轮机调速器负责调节水轮发电机组的转速和有功功率，发电机励磁调节器负责调节水轮发电机组的电压和无功功率，辅机设备为水轮发电机组提供稳定的油系统、气系统和水系统等辅助系统。3.3.1 水轮机调速器水轮机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，是水轮机控制系统的主体；水轮机控制系统是用来检测被控参量（转速、功率、水位和流量等）与给定参量的偏差，并将他们按一定特性转换成主接力器行程偏差的一些设备所组成的系统。水轮机调速器是水电站的重要控制设备，涉及到水轮机运行的安全和效率，农村水电的增效扩容就包括水轮机调速器的改造。3.3.1.1 当前水轮机调速器技术发展概况1 水轮机调速器的发展历程解放初期，我国水轮机调速器事业一片空白，几乎从零开始，大部分产品从苏联购买，少量制造亦是照搬苏联图纸生产。5060年代，我国水轮机调速器大部分系机械液压型调速器。在“大跃进”年代，当时几个单位曾联合研制了我国第一台电子管电液调速器，并安装在广东从化流溪河水电站运行了一段时间。60年代初，我国第一台晶体管电液调速器研制成功，并在湖北陆水试验电站运行了相当长一段时间。70年代至80年代初，新建的大中型水电站较多地采用了电子管、晶体管或小规模集成电路电液调速器，一些小型水电站也少量采用了电液调速器，此阶段可算是机械液压调速器与电气液压调速器并重。但电气液压调速器由于所选用的主要电子元件/组件质量不过关，其长期使用的可靠性普遍较低。我国水轮机调速器的快速发展是从80年代初开始的，由于改革开放和科技进步，国内有关科研单位、高等院校及制造部门为提高调速器的运行可靠性与调节品质，开始研制以微处理器为核心的电液调速器。 华中科技大学自1981年底开始研制适应式变参数并联PID微机调节器，首台微机调速器于1984年11月在湖南欧阳海水电厂投入运行，1989年与相关单位共同研制的WT-S双微机调速器通过产品鉴定，并投入小批量生产，双微机互为备用，采用适应式变参数PID调节模式，较好地满足了电站运行要求。 90年代以来，随着可编程控制器（PLC）技术的不断完善，各单位相继开展了将可编程控制器应用到调速器中的研究工作。华中科技大学分别与有关单位合作开发不同品牌的PLC微机调节器，首台调节器于1993年5月在欧阳海水电厂投入运行。目前，PLC型电液调速器已成为我国微机电液调速器的主导产品。2 当前水轮机调速器技术发展概况当前水轮机调速器普遍采用工业控制器代替各调速器厂家自制的微机控制器，极大地提高了微机控制器的可靠性。工业控制器主要有PLC（可编程控制器）、IPC(工业PC机)、PCC（可编程计算机控制器）和PAC（可编程自动控制器）等。PLC从60年代末发展到现在，始终紧跟计算机技术发展的潮流，在运算速度、存储空间和功能方面不断发展，保持着良好的兼容性和可扩展性，采用梯形图编程，便于现场工程人员掌握，生产厂家众多，包括日本三菱公司、欧姆龙公司、德国西门子公司、法国施耐德公司和美国GE公司等国际知名厂家。IPC是一种工业级的计算机，其可靠性和稳定性不够好，只有少数运用于调速器控制系统。PCC（可编程计算机控制）是90年代后推出一种工业控制器，目前只有一家奥地利公司生产，PAC是一种新型可编程自动控制器，价格较贵，主要应用于高端市场，正处于快速发展中，有许多知名厂家在开发生产，包括美国GE公司、NI公司、台湾泓格和研华公司等，目前公开报道的有武汉四创自动控制技术有限责任公司开发了这种控制器型调速器，成功应用于四川凉滩一期电站。PLC、IPC、PCC和PAC的实质均是工业控制微机，它们之间相互渗透，取长补短，有进一步融合的趋势，调速器中微机控制器的选择应从满足调速器的性能、功能出发，选择可靠性高、兼容性好、生产批量大、可供选择产品多的成熟产品，IPC和PCC更适合用于数据采集和小型监控系统，PAC仍处于发展阶段，且价格相对较贵，所以，目前调速器选用的控制器以PLC为主，既可靠，又经济。现在水轮机调速器的工作油压普遍提高，对于调速功在20kN.M以下中小型调速器，均趋向于采用16Mpa蓄能器式油压装置，对于采用主配压阀型式的调速器，已广泛采用4.0Mpa和6.3Mpa油压，油压的提高有利于降低水电站的建造成本。作为水轮机调速器的关键部件电液转换器的可靠性有了质的提高，特别是伺服电机或步进电机驱动的电液转换器（简称无油电转）处于国际先进水平，其无需用油，对油质无要求，不受温度影响，广泛应用于各大、中、小型水电站，是未来发展的主要趋势之一。与无油电转同步应用的还有比例伺服阀和三态/多态阀式电液转换机构，比例伺服阀对油质要求很高，虑油精度需达到10UM以内，适合于油质维护比较严格的电站；三态/多态阀抗油污能力较强，结构简单，适合于中小型调速器使用。由于在水轮机调速器中广泛采用电子技术、液压技术和自控技术的最新成果，使现代水轮机调速器的面貌焕然一新。其可靠性和主要技术指标大为提高，控制功能不断扩展和完善。不仅适应了水电厂计算机监控的需要，而且为机组安全和经济运行奠定了基础。水轮机调节系统的国家标准（GB/T9652.1-2007水轮机控制系统技术条件和GB/T9652.2-2007水轮机控制系统试验）也与相关国际标准（IEC61362（1998）水轮机控制系统规范导则和IEC60308（2005）水轮机调速系统试验规范）水平相当。我国的微机调速器在下列方面具有特色或处于国际领先水平：1） 普遍采用适应式变参数PID调节规律；2） 带功率开环增量环节的功率调节模式；3） 高性能调速器的多重容错技术的使用；4） 伺服电机或步进电机驱动的电液转换器，包括冗余型伺服电机式电液转换器；5） 具有故障状态下自复中的主配压阀和机械液压手动装置；6） 中小型调速器采用的数字阀电液转换装置；7） 频率测量、导叶接力器位移测量等的检错、容错技术。未来水轮机调速器的发展方向将趋向基于IEC61850的数字化调速器发展，为我国智能水电站的建设提供高可靠性、具有互操作功能的智能调速系统，东北电网公司已在吉林松江河发电厂启动智能水电站的试点工作，以配合国家智能电网的建设。选用技术先进、可靠性高、标准化工业产品、选择余地大的工业控制机（PLC、工业级嵌入式计算机等）和系统集成技术构成微机调速器的微机调节器是发展的必然趋势。同时，无油电转型调速器和比例伺服阀式调速器是大中型微机调速器的主要推广和发展方向，基于16MPA的高油压调速器是现在及未来一段时间中小型调速器推广和发展的方向。3.3.1.2 水轮机微机调速器的构成及工作原理水轮机控制系统也就是水轮机调速器，其构成如图1-1所示，主要由频率检测单元、中央控制单元（含电液转换器的驱动单元）、电液转换机构、液压放大机构、油压装置、接力器反馈装置等组成。调速器由频率测量单元测得机组转速与电网频率，由导叶反馈装置经A/D转换环节取得导叶位置信号，由开关量模块采集二次的开机、停机、并网、负荷增/减等命令，所有这些信号送至中央控制单元，由中央控制单元分析计算出相应的导叶控制信号，由开关量输出单元发出与计算值对应开或关信号，驱动电液转换环节，控制机械液压系统的动作，使导叶在接力器的推动下按照调节规律的要求进行开/关。从而达到调节机组转速或增减机组有功的目的。图1-1水轮机控制系统的构成1） 频率测量单元水轮机调速器最直接的作用是调整水轮机转速。要调速必然就要测速。频率测量单元就是完成机组转速测量任务的。机械液压型调速器采用离心摆测量机组频率与给定频率的偏差。现在微机型调速器一般采用高度集成的片上系统型单片机测频或者使用中央控制单元本身的测频功能。测频环节的可靠性、稳定性以及精度和实时性是保证调节品质的关键所在，它将直接影响调速器的调节品质和整机的运行状况。 2） 中央控制单元中央控制单元是调速器电气控制部分的核心。它主要完成如下任务：采集开机、停机、负荷增加、减少等开关量信号；完成接力器反馈、水头、功率等模拟量信号的转换和处理；完成机组频率和系统频率的采集和测量；根据不同的控制模式指令（包括频率调节、开度调节、功率调节和一次调频）进行PID计算，根据计算结果来控制电液转换装置。3） 电液转换环节和液压放大机构电液转换环节和液压放大机构构成调速器的机械液压系统。电液转换装置接受中央控制单元的电气信号，将电气信号转换成液压信号，液压信号再通过液压放大机构放大后可直接驱动水轮机导叶接力器，以控制机组转速和有功。电液转换装置和液压放大机构具有不同的型式，在后面的章节中会介绍几种主要的型式。4） 反馈装置反馈装置用于检测接力器的实际开度，与中央控制单元的开度给定构成闭环控制。在中央控制单元的处理下，可以很直观的显示导叶开度，便于运行和观测。反馈装置其实就是位移传感器和其他辅助连接装置的集合，必须防潮抗震，输出信号应稳定可靠。目前调速器使用的位移传感器类型有：直线电位器、旋转电位器、光电编码器、直线式磁致伸缩位移传感器等。5） 接力器接力器是导叶动作的执行机构，接受来自液压放大机构的压力油，控制接力器活塞开或者关，从而控制导叶的开度和流过水轮机的水流量。对中小型组合式调速器，接力器属于其供货范围。6） 油压装置油压装置是一种液压能源装置，向水轮机调速器提供安全、可靠和稳定的工作油压，是整个调速系统的有机组成部分，与调速器同等重要。油压装置将系统的工作压力稳定在一定的范围，在系统出现故障、油泵不能启动的情况下保证系统具有足够的工作容量（压力和油量）关闭导叶和轮叶，实现停机，保证机组安全。油压装置由油泵、组合阀、滤油器、压力油罐、回油箱和油压装置控制装置等组成，油压等级主要有2.5MPa、4.0MPa、6.3Mpa和16.0Mpa，也有极少数8.0Mpa的油压装置应用于调速系统。3.3.1.3 水轮机调速器的分类水轮机调速器品种繁多，型式多样，根据不同的分类方法，可分为不同型式的调速器。1按照调速器的容量分类调速器按照工作容量可以分为大型、中型、小型和特小型调速器。工作容量是指执行元件-接力器对导水机构的操作能力,并以力矩(Nm)计算 。大型调速器自身不包括接力器，可以按照调速器主配压阀的直径分类；中型、小型和特小型调速器按照其控制的接力器容量分类。1)特小型调速器：工作容量小于3kNm；2)小型调速器：工作容量315 kNm以下；3)中型调速器：工作容量1550kNm；4)大、巨型调速器：工作容量50kNm以上,并按放大执行元件主配压阀直径(80、100、150、200、250mm)来计算。2按照调速器的油源分类由于调速器的压力油供给方式有直接和间接两种，故调速器又可分为通流式和压力油罐式。1)通流式调速器：油泵连续运行,直接供给调速器的调节过程用油。非调节过程时，由限压溢流阀将油泵输出的油全部排回到回油箱。工作中油流反复循环不息，易恶化油质。但设备简单、造价低，主要用于小型和特小型调速器。2)压力油罐式调速器：有专门的油压设备，其中油泵断续运行，维持压力油罐的压力和油位，再由压力油罐随时提供给调速器调节过程用油，因而设备复杂、造价高。主要用于大、中、小型调速器。压力油罐式调速器又分为组合式和分离式。整台调速器(包括执行元件-接力器)和油压设备组合成一体，称为组合式调速器，主要用于中、小型调速设备；调速器的主接力器和油压设备均分别独立设置的，称为分离式调速器，主要用于中、大、巨型调速设备。3按照调速器的被控制系统分类按照调速器的被控制系统可分为单调节调速器、双重调节调速器和水泵水轮机调速器三种。1）单调节调速器是是指流量调节机构有一个，能实现混流式、轴流定桨式等水轮机导叶调节的调速器。2）双重调节调速器是指流量调节机构有两个，能实现转桨式水轮机导叶和轮叶的双重调节，或者冲击式水轮机的喷针和折向器的双重调节。3）水泵水轮机调速器是指用于水泵水轮机控制和调节的调速器，适用于抽水蓄能电站。4按照元件结构不同分类按照元件结构不同,调速器可分为机械液压调速器、电液调速器和微机调速器三大类。1）机械液压调速器机械液压调速器简称机调，是指测速、稳定及反馈信号用机械方法产生，经机械综合后通过液压放大部分实现驱动水轮机接力器的调速器。2）电液调速器电液调速器是指用电气原理实现检测被控参量、稳定环节及反馈信号，通过电液转换和液压放大系统实现驱动水轮机接力器的调速器，又称模拟型电气液压调速器。3）微机调速器微机调速器是指以微机为核心进行信号检测、变换与处理的电液调速器，又称微机型电气液压调速器。5 按照调频功能不同分类1）具有调频功能的调速器2）储能型水轮机操作器装机容量较小、无调频要求的小型并网电站，宜采用储能型水轮机操作器，如TC型水轮机操作器、HPU液压操作器。TC型水轮机操作器由电机（或手摇）驱动，经传动机构和蓄能弹簧推动接力器活塞，使机组开机停机、整步并网、增减负荷。开机时，接力器内蓄能弹簧增大压缩，蓄能待发。当远方揿紧停按钮时，电磁控制机构失压，滚轮传动脱扣机构迅即动作，蓄能弹簧推动活塞按“调保计算”要求先快后慢自动关机；如在机旁按紧停操纵杆，导水机构迅即按“调保计算”要求关闭；当接到各类事故信号（包括定子三相短路）时均能失压脱扣，自动关机。在无电源的情况下，可手动开机升压后即改电动操作，而紧急关机则不必手扳，能自动紧急关机。由于TC型操作器结构简单，安装、检修、调试均十分方便。由于农村电站水轮发电机组容量往往较小，一般在500kW以下，导叶连杆机构多不设剪断销。当采用全手动关机遇木石卡阻时， TC型水轮机操作器当强力关至空载开度后，其滚动脱扣机构这一接触传动的结构特点，可确保强力再加不到受阻导叶上，可避免或大大减少导水机构的损坏。HPU液压操作器液压控制柜采用工作于脉冲状态的直流电磁阀，通过控制高压油路的通断，直接推动导叶接力器。装置内无任何机械传动机构，避免了机械杠杆的死区及卡死现象，可靠性和稳定性高。气囊式蓄能器的采用，省掉了电站的高压气系统。HPU操作器结构简单、运行可靠、操作维护方便。HPU液压柜采用分布式结构，油箱与控制阀组等集中于一个封闭的柜体内，布置上采用上中下三层的结构，下层为整体的油箱，设有液位计可显示油箱油位，低油位时可发出报警信号，卧式油泵置于箱体上，与油箱上的电机联成一体，提供系统的高压油。中层的阀块组和滤油器等形成控制回路，高压油通过软管对接力器进行控制。上层为油泵控制系统电气设备,完成油泵的自动启动和停止。5当前几种主要水轮机微机调速器这一节介绍当前应用比较广泛的几种主要的水轮机微机调速器，这些调速器技术成熟，性能稳定可靠，维护简单方便，特别适合农村水电站的实际应用。（1）YWT系列低油压微机调速器图1-2 YWT系列低油压微机调速器YWT系列低油压微机调速器，是以PLC为控制核心，可选数字阀、无油电转作为电液转换环节，以机械液压系统作为执行机构组成的微机调速器，适用于中小型水轮发电机组的调节与控制，其外形如图1-2所示。主要特点有：l 油压装置和调速器一体化。l 高度集成式液压系统。l 电液转换器可选数字阀和无油电转。l 抗油污能力强。l 零点无漂移，安装、调试便捷。l 静态无油耗。l 断电负荷无扰动。l 不断流双联式滤油器，内置不锈钢折叠式滤网，通流量大、不易破损，方便清洗和更换。l 油压等级：2.5Mpa、4.0MPa、6.3Mpa。l 调速功：6000N.m 、10000N.m、18000N.m、30000N.m、50000N.m、75000 N.m、 N.m。电气系统框图（以数字阀为例），如图1-3所示。图1-3 YWT系列低油压微机调速器电气系统框图机械液压系统（以数字阀为例），如图1-4所示。图1-4 YWT系列低油压微机调速器机械液压系统图（2）YWT系列高油压微机调速器图1-5 YWT 系列高油压微机调速器YWT 系列高油压微机调速器是以PLC为控制核心，以数字阀作为电液转换环节，以机械液压系统作为执行机构组成的微机调速器，适用于中小型水轮发电机组，其外形如图1-5所示。主要特点有： l 油压装置和调速器一体化。 l 囊式蓄能器蓄能，无需空压机系统。 l 高度集成式液压系统。l 电液转换器可选数字阀。l 采用集成式结构设计，取消了引导阀、主配压阀等中间结构。 l 抗油污能力强，静态无油耗。l 无需机械零位调整，安装、调试便捷。l 接力器布置灵活，可取消调速轴。l 断电负荷无扰动。l 采用双滤油器。 l 油压等级：16Mpa。l 调速功：6000N.m 、10000N.m、18000N.m、30000N.m、50000N.m、75000 N.m、 N.m、 N.m，最大可达 N.m。电气系统框图（以数字阀为例），如图1-6所示图1-6 YWT系列高油压微机调速器电气系统框图机械液压系统（以数字阀为例），如图1-7所示图1-7 YWT系列高油压微机调速器机械液压系统图（3）WCT 系列冲击式微机调速器图1-8 WCT 系列冲击式微机调速器WCT 系列冲击式微机调速器是以PLC为控制核心，采用数字阀作为电液转换机构，以标准液压单元叠加而成的多喷针多折向器的液压系统为执行机构而组成的冲击式微机调速器，适用于冲击式水轮发电机组的调节与控制，其机械部分外形如图1-8所示。主要特点包括： 电气控制系统：l 微机采用进口PLC。l 直接数字控制。l 开机喷针可任意选择组合，并网根据机组出力自动投切喷针，喷针之间自动同步。l 喷针和折向器采用数字协联。l 电气反馈可选绝对式编码器、直线位移传感器、电位器等。l 友好的人机界面。 机械液压系统：l 每个喷针/折向器分别采用对应的标准液压单元，通过液压单元的叠加，实现多喷针多折向器组合控制。l 高速开关阀作为电液转换元件。l 采用集成式结构设计，取消了引导阀、主配压阀等中间结构，环节少、速动性好、灵敏度高。l 抗油污能力强。l 无需机械零位调整，安装调试便捷、免维护。l 采用双滤油器，在运行中能方便的拆洗及更换。l 油压等级：2.5Mpa、4.0MPa、6.3Mpa。l 油压装置可采用蓄能器型式。电气系统框图（以数字阀为例），如图1-9所示图1-9 WCT 系列冲击式微机调速器电气系统框图机械液压系统（以数字阀为例），如图1-10所示图1-10 WCT 系列冲击式微机调速器机械液压系统图（4）W(Z)T系列无油电转微机调速器图1-11 W(Z)T系列无油电转微机调速器W(Z)T系列无油电转微机调速器是以进口PLC为控制核心，以伺服电机式无油电转作为电液转换环节，以机械液压系统作为执行机构组成的一种安全可靠的微机调速器。适用于大中型水轮发电机组的调节与控制，其机械部分外形如图1-11所示。主要特点包括：电气控制系统： l 微机采用进口PLC。l 可选进口知名品牌步进电机或伺服电机及驱动器l 电气反馈可选绝对式编码器、直线位移传感器、电位器等。l 友好的人机界面。机械液压系统：l 液压系统采用集成块式设计，直联式结构，无明管，无杠杆。l 主配压阀阀体采用全锻钢件结构，体积小，强度高，通流面积大。l 具有纯机械手动操作机构。l 采用无油电转作为电液转换机构，精度高，响应快，断电自动复中，无油耗，不卡塞，受温度影响小，抗油污能力强。l 双联滤油器。l 可选双无油电转，切换无扰动。l 油压等级：2.5Mpa、4.0MPa、6.3Mpa。电气系统框图，如图1-12所示图1-12 W(Z)T系列无油电转微机调速器电气系统框图机械液压系统，如图1-13所示图1-13 W(Z)T系列无油电转微机调速器机械液压系统图图1-14 W(Z)T系列比例阀微机调速器（5）W(Z)T列比例阀微机调速器W(Z)T系列比例阀微机调速器是以进口工业控制器PLC为控制核心，以伺服比例阀作为电液转换环节，以机械液压系统作为执行机构组成的一种安全可靠的微机调速器，适用于大中型水轮发电机组的调节与控制，其机械部分外形如图1-14所示。主要特点包括：电气控制系统：l 微机采用进口PLC。 l 电液转换器具有冗余功能，稳定可靠。l 电气反馈可选绝对式编码器、直线位移传感器、电位器等。机械液压系统：l 液压系统采用集成块式设计，直联式结构。l 主配压阀阀体采用全锻件结构，体积小，强度高，通流面积大。l 具有纯机械手动操作机构。 l 电液转换器采用伺服比例阀+数字阀的冗余结构，也可选用伺服比例阀+无油电转的冗余结构，切换无扰动。l 系统断电时，主配可自动复中。l 双联滤油器。l 油压等级：2.5Mpa、4.0MPa、6.3Mpa。电气系统框图，如图1-15图1-15 W(Z)T系列比例阀微机调速器电气系统框图机械液压系统，如图1-16图1-16 W(Z)T系列比例阀微机调速器机械液压系统图6调速系统其他相关设备（1）分段关闭装置分段关闭装置用于水轮机控制系统实现机组紧急停机时导叶接力器的两段关闭，每段的关闭时间可单独调整，接力器的分段拐点也可调整，两段关闭的时间和拐点是根据调节保证计算的结果来设置的。分段关闭装置可使主接力器由分段拐点到其全关闭位置的关闭速度减缓，避免水轮机蜗壳压力上升过大。分段关闭装置由导叶分段关闭阀和接力器拐点开度控制机构组成，后者包括拐点检测及整定机构和控制阀。拐点开度控制机构可以是基于纯机械液压的工 作原理，也可以是由电气与液压相结合的工作原理。前者称为机械式分段关闭装置，后者称为电气式分段关闭装置。分段关闭装置外形（含回复机构）及原理如图1-17、1-18所示。 图1-17分段关闭装置图1-18分段关闭装置原理图机械式分段关闭装置动作与水电站电源无关，可靠性高，但是，其机械系统复杂，不方便布置，分段精度不高；电气式分段关闭装置优点在于布置方便，分段精度高，但是其动作必须依赖于控制电源，已有电站出现过由于控制电源消失或电气控制故障而导致分段关闭装置无法正常工作的事故。现在已有论文介绍武汉四创自动控制技术有限责任公司生产的冗余型分段关闭装置应用于水电站的实例。冗余型分段关闭装置是将上述两种接力器拐点开度控制机构融合，即可实现机械式分段关闭，又可实现电气式分段关闭，既提高了可靠性，又提高了控制精度，可有效避免非冗余型分段关闭装置的主要不足。分段关闭装置的选择还要注意油压等级和阀体直径，对于有事故配压阀的系统，分段关闭装置应设置在事故配压阀与接力器之间的油路中。图1-19事故配压阀（2）事故配压阀事故配压阀是一个二位六通型换向阀，用于水轮发电机组的过速保护系统，当机组转速过高（一般整定为115%机组额定转速），主配压阀活塞关闭拒动、调速器关闭导水机构失灵时，事故配压阀接收过速保护信号动作，将调速器主配压阀油路切断，油系统中的压力油直接操作导水机构的接力器，紧急关闭导水机构，防止机组过速，为水轮发电机组的正常运行提供安全可靠的保护。事故配压阀外形及原理如图1-19、1-20所示。 图1-20事故配压阀原理图现在应用电站的事故配压阀有两种形式，一种是分立式事故配压阀，其电磁配压阀、油阀是与事故配压主阀分离的，它们之间通过油管路连接而成一个完整的事故配压阀，结构复杂，不便于布置；还有一种集成式事故配压阀，将传统过速限制器上的电磁配压阀、油阀、事故配压阀集成于一体，结构简单，方便布置。事故配压阀选型时应注意选择集成式事故配压阀，还应注意油压等级和阀体通径（直径：60、80、100、150、200、250），其动作延迟时间要小于0.2S。（3）重锤关闭装置图1-21重锤关闭装置重锤关闭装置与事故配压阀的作用是一样的，用于实现灯泡贯流式机组的快速关闭。在机组需紧急关闭时与重锤配合实现机组的快速关闭，即使在整个油源系统油压异常或无油压时也可与重锤配合实现机组的快速关闭。其动作电磁阀、液动阀等与主阀体集成于一体，结构简单，方便布置。其外形如图1-21所示。直径系列为：40、60、80、100、150、200、250，油压：2.5MPa、4.0MPa、6.3MPa。其动作延迟时间小于0.2S。3.3.1.4 改造相关技术要求（增加：老电站调速器存在的问题与改造方法）农村水电增效扩容项目选用的水轮机调速器应是当前应用比较广泛的水轮机微机调速器，必须技术成熟，性能稳定，维护简单，适合农村水电站的实际应用，并获得中国电器工业协会质量可信产品推介证书。1主要技术标准水轮机调速器和水轮机控制系统应遵循的国家标准和行业标准如下：1）水轮机控制系统技术条件GB/T9652.1-20072）水轮机控制系统试验GB/T9652.2-20073）水轮机电液调节系统及装置技术规程DL/T563-20044）水轮机电液调节系统及装置调整试验导则DL/T496-20015）电工术语 水轮机控制系统JB/T8191-2008此外，还可以参考下列国际标准：1）水轮机控制系统技术规范导则IEC61362（1998）2）水轮机控制系统试验IEC60308（2005）2 主要性能指标（1）静态特性国家标准水轮机控制系统技术条件GB/T9652.1-2007对水轮机控制系统的静态特性有下列规定：1）静态特性曲线应近似为直线。2）测至主接力器的转速死区和在水轮机静止及输入转速信号恒定的条件下接力器摆动值不超过下表1的规定值。表1调速器类型项目大型中型小型特小型电调电调电调机调转速死区ix %0.020.060.100.180.20接力器摆动值%0.10.250.40.750.83）转桨式水轮机调速系统，桨叶随动系统的不准确度ia不大于0.8。实测协联曲线与理论协联关系曲线的偏差不大于桨叶接力器全行程的1。4）冲击式水轮机调速系统测至喷针接力器的转速死区应符合表1规定。5）在稳态工况下，对多喷嘴冲击式水轮机的任何两喷针之间的位置偏差，在整个范围内均不大于1%；每个喷针位置对所有喷针位置平均值的偏差不大于0.5%。6）对每个导叶单独控制的水轮机，任何两个导叶接力器的位置偏差不大于1；每个导叶接力器位置对所有导叶接力器位置平均值的偏差不大于0.5 。（2）动态特性水轮机调节系统动态特性应符合下列规定1） 调速器应保证机组在各种工况和运行方式下的稳定性。在空载工况自动运行时，转速摆动相对值，对大型电调不超过0.15，对中、小型调速器不超过0.25，特小型调速器不超过0.3。如果机组手动空载转速摆动相对值大于规定值，其自动空载转速摆动相对值不得大于相应手动空载转速摆动相对值。2） 机组启动开始至机组空载转速偏差小于同期带（10.5%）的时间t SR 不得大于从机组起动开始至机组转速达到80%额定转速的时间 t 0.8 的5倍。3） 甩100额定负荷后，在转速变化过程中，超过稳态转速额定转速值以上的波峰不超过两次。4） 从机组甩负荷时起，到机组转速相对偏差小于1为止的调节时间 t E 与从甩负荷开始至转速升至最高转速所经历的时间 t M 的比值，对中、低水头反击式水轮机不大于8，桨叶关闭时间较长的轴流转桨式水轮机不大于12；对高水头反击式水轮机和冲击式水轮机应不大于15 ；对从电网解列后给电厂供电的机组，甩负荷后机组的最低相对转速不低于0.9。（对投入浪涌控制及桨叶关闭时间较长的贯流式机组除外）。5） 转速或指令信号按规定形式变化，接力器不动时间：对电调不大于0.2 s，机调不大于0.3 s。（3）一次调频性能指标 国家调度通信中心对于并入电网运行的机组调速系统一次调频特性有下列要求：1） 并网发电机组均应参与电网一次调频。2） 功率永态转差系数为4%5%。3） 频率死区为0.05Hz（或者0.033Hz）。4） 电网频率变化超过一次调频频率死区时，机组应在15S内响应机组目标功率，在45S内机组实际功率与目标功率的偏差平均值应在其额定功率3%内；稳定时间应小于60S。5） 水电机组参与一次调频时的负荷变化幅度不加限制。3主要配置要求为了保证农村水电增效扩容的效果，水轮机调速器的配置应达到如下要求：1）水轮机调速器的微机应选用知名品牌的PLC，以提高硬件设备的可靠性、兼容性和可扩展性；2）水轮机调速器的操作终端应选用5.7英寸及以上的智能触摸屏，方便操作、检修和维护；3）测频模块的频率分辨率应达到0.002Hz(在50Hz附近)，以便满足电网一次调频的要求。4）液压系统应选择抗油污能力强的产品，如数字阀型液压系统、伺服电机式液压系统等；5）如果能选择囊式蓄能器型式的油压装置，可以优先考虑，以减少高压气系统的投资。特别是16MPA高油压型的中小调速器。6）调速器和油压装置的自动化元件应选择质量可靠、应用广泛的检测元件。7）应采用交、直流电源同时供电。8）应有与监控系统相连的标准RS485通信接口，采用MODBUS通信协议。4 主要功能要求水轮机调速器应具有如下功能：1）电源：交、直流电源同时供电，互为热备用，切换无扰动。2）通讯及网络接口：采用MODBUS协议和RS485标准接口。3）测频：数字式测频方式，高精度，抗干扰能力强。4）调节控制规律：适应式变参数PID调节规律。5）运行方式和控制模式：具有自动、手动运行方式，切换无扰动；具有频率调节、功率调节、开度调节控制模式，切换无扰动。6）开机：闭环开机规律，对不同水头均能自动迅速安全地将机组开启至空载状态。7）停机：自动正常停机，事故紧急停机，手动停机。8）并网带负荷：在0100%之间能平滑的增减机组负荷。9）能在0一100导叶开度范围内操作水轮机导水叶于任意开度，能在0一100桨叶开度范围内操作水轮机桨叶于任意开度。10）设备故障事故停机：在满足调节保证前提下以最快速度关闭导叶。11）频率跟踪：空载时机组自动跟踪电网频率，迅速达到同期要求12）大、小电网识别：自动识别大、小电网；自动选择最优调节规律及调节参数，满足电网的稳定运行。13）满足孤网运行的要求。14）一次调频：具有一次调频功能，能满足电网对一次调频的各项技术要求。15）双调协联：具有电气数字式协联功能，能从操作终端直接输入协联数据。16）人机交互界面：采用智能液晶触摸屏，提供友好的中文操作界面，具有各种显示、设置、记录、查询、试验、操作及帮助等功能。17）故障诊断：具有在线自诊断和离线诊断功能。18）自动容错：具有各种故障容错功能，保证了调速系统安全可靠的运行。19）试验：可完成所有动、静态试验，并可记录试验参数和试验曲线。20）能方便地调整接力器全开、全关时间。21）油压装置将系统的工作压力稳定在一定的范围，在系统出现故障、油泵不能启动的情况下保证系统具有足够的工作容量（压力和油量）关闭导叶和轮叶，实现停机，保证机组安全。5老电站调速器存在的问题与改造方法调速器是水电站中的重要辅助设备，一些旧型号的调速器虽能满足水电站自动调控需要，但随着使用年限的增长，机械元件会由于磨损而产生变形，模拟电路和单片机受环境的影响较大，调速器品质下降，机组运行失稳，带来安全隐患。如果要维持调速器原有的品质必须更换变形元件或增加维护保养工作量，另外旧型号调速器调节性能不能满足当前电网要求，调速器接口也不能满足自动化要求，调速器备件也很难采购。针对不同型式的调速器，会存在不同的问题。（1）对于机械液压调速器，如T100、YT1800、YT一300、 YTT 35、ST80、ST-150等，由于其测速、稳定及反馈信号用机械方法产生，并经机械综合后通过液压放大部分驱动水轮机接力器，这种调速器已不能满足现在电网对调速器的要求，存在调节死区大、结构复杂、不便检修维护，备品备件难以购买，现在很少有厂家生产这种调速器，已被淘汰。（2）对于电液调速器，如：DT-80、YDT1800、DST-80、DST一200等，由于其采用电气原理实现检测被控参量、稳定环节及反馈信号，通过电液转换和液压放大系统实现驱动水轮机接力器，属于一种模拟型调速器，模拟电气回路控制不稳定，参数难以调整，抗干扰性差，电液转换环节易卡塞，耗油量大，油泵电机启动频繁，不利于机组的安全运行，备品备件难以采购，现在已没有厂家生产这种调速器。（3）对于采用集成度不高的单片机的微机型调速器，由于单片机需扩展很多外围元件，导致控制模块很复杂，同时批量又少，工艺难以满足现代电力系统的要求，存在控制模块接插件不牢固、元件老化、抗干扰性下降、备件难以采购的问题，现在控制模块大多采用专业厂家生产的工业级控制器，如PLC等，以提高调速器的可靠性。（4）对于采用环喷式或双锥式电液转换器的调速器，存在耗油量大、易受温度影响、时有卡阻的问题，使用时间长久后，由于机械磨损，存在渗漏量加大，不随动的问题，导致油泵启动频繁，严重时压力罐油温会上升，不利于机组的安全稳定运行。（5）对于采用调压阀的电站，由于调压阀和水轮机接力器是通过主配压阀来联动的，调压阀和水轮机接力器的开关机时间不能单独调整，其控制也不能单独实现，导致调保计算的要求很难满足，甩负荷时，要么转速过高，要么蜗壳压力过高，严重威胁水电站的运行安全，由于存在这些问题，这种老旧的调速器已很少被设计院采用。调速系统包括主要包括油压装置、调速器（包括电气控制柜和调速器机械液压系统）和接力器反馈，有的还包括分段关闭装置和事故配压阀等自动化元件。调速器改造就是针对这几部分进行：（1）油压装置的改造：如果油压装置的压力罐使用年限长久，不能通过当地质量检测部门的检测，或者油泵电机组老化，存在无法修复的渗漏点等情况，建议更换油压装置。（2）如果调速器存在上述各种问题，建议整机更换。中小型调速器可选用YWT系列数字阀式微机调速器，大型调速器可选用WT、WZT系列伺服电机式微机调速器，冲击式调速器选用WCT系列微机调速器，其机械液压系统采用叠加式标准化模块。对于具有调压阀的水轮机组，宜选用具有实际运行经验的调速器，并通过专家严格的测试和鉴定，以提高选型的可靠性。（3）接力器反馈宜选用经实践检验是可靠的直线式位移传感器，方便调整维护。（4）自动化元件的改造：有的水轮机组具有分段关闭装置和事故配压阀，如果分段不精确或泄漏严重，建议更换。分段关闭装置宜选用冗余型分段关闭装置，事故配压阀宜选用集成式事故配压阀，简化其油路，提高可靠性。自动化元件的改造当然也包括压力变送器和液位变送器，各电站根据自己的经验可选择相应的变送器。3.3.2 发电机励磁调节器3.3.2.1 当前发电机励磁调节器技术发展概况1发电机励磁调节器的发展历程在上世纪60年代以前，同步发电机基本上都是采用同轴直流励磁机的励磁方式，由于当时发电机单机容量不大，输电线路不长，因此基本上能满足当时的要求，但直流励磁机维护困难，炭刷易产生火花，换向器易于磨损。后来，随着硅整流元件出现，直流励磁机逐步被同轴交流励磁机和整流器代替，交流励磁机的容量基本上不受限制。60年代初，可控硅元件刚出现，电流、电压定额较低，所以他励式可控硅静止励磁用得较少。可控硅主要用在三机交流整流励磁系统主励磁机的励磁控制上,采用直流侧电流相加的自复励可控硅励磁系统，并励部分用的是三相半控整流桥。串联部分用的是三相二极管整流桥。70年代中期,国内研制出了无刷励磁装置，同时还引进的国际比较先进的无刷励磁系统的仿制。在中小型发电机上，国内出现了双绕组电抗分流励磁调节系统，国内还开发过谐波励磁系统，但是大型发电机定子电压高，谐波绕组和主绕组绝缘困难，制造工艺复杂。谐波励磁只适用中小电机。发电机自并励方案，在国内电力部门受旧观念束缚，长期认为自并励不可靠，无强励能力，故障时无足够短路电流，不能保障继电保护正确动作，在这方面清华大学等曾进行了卓有成效的研究，并且指出自并励的优点，动态响应快，适当提高强励倍数等，它的缺点是可克服的。由于自并激励磁的一系列优点，已逐步为国人所接受。随着晶体管元件出现，60年代可控硅出现，励磁调节器开始向固态型转变，出现了以晶体管为主，用电阻、电容等分立元件组成的半导体励磁调节器，功率元件开始采用可控硅，比起磁性励磁调节器和电机扩大机等来，固态调节器动作速度快，如果设计正常，理论上讲也可以是半永久性的。1970年代后期，天津大港发电厂从意大利进口的320MW火电机组的自并激励磁系统，其励磁调节器是典型的集成电路组成调节器，其励磁功能已相当完善，但所用的印刷电路板多达68块，国外的工艺能保证这种调节器能正常工作。80年代我国从西屋公司引进的模拟式励磁调节器，适合于三机交流整流励磁系统或无刷励磁系统，西屋的WTA调节器功能也较完善，但有约40多块印刷电路板，国内仿制后，有时运行就不稳定，这与所选用的元件，是否经严格老化筛选，以及加工工艺和质量有关。1970年代末期，清华大学与天津电传所合作研究开发了模拟式最优励磁控制调节器，1980年代中期在碧口水电站10万KW带直流励磁机的励磁系统上运行，效果并不理想，模拟式调节器无计算能力，运行中参数无法调整，另外经过直流励磁机，无法发挥励磁最优控制的优点。随着控制理论的发展和新技术、新器件的不断出现，90年代微机数字式励磁调节器在国内新投运的机组中开始广泛的应用，调节功能从单一的电压控制发展到多功能的励磁控制。2当前发电机励磁调节器技术发展概况上世纪90年代及以前的励磁调节器主要应用的机械型、电子型或者电磁型的。电磁型、半导体型的励磁调节器属于模拟式调节器，其电压偏差的测量、综合放大、移相触发和调差环节，全由相应的硬件电子电路完成。要实现自动调压、低励限制、过励限制、电力系统稳定器等多种控制功能，必须增加相应功能的硬件电路。所以其元器件将大大增加、电路将更加复杂、运行和操作繁琐、故障率大大提高、维护困难且量大。随着发电机和电动机单机容量和电网容量的不断增大，电力系统及发电机组对励磁系统控制在快速性、可靠性、多功能性等方面提出了更高的要求，如更优的励磁调节性能、更多的限制、报警保护等附加功能。显然常规模拟式和早期微机励磁调节器难以满足如此高的性能和功能，在这种背景下，随着数字控制技术、计算机技术及微电子技术的飞速发展和日趋成熟，采用高性能微机励磁调节器已成为发展趋势。1) 采用高性能的微机励磁调节器的趋势是肯定的，微机励磁也由简单地代替综合放大器作用，扩大到直接数字触发等功能，由于微机处理器及CPU功能愈来愈强，执行时间愈来愈快，使硬件简化，一个通道调节器用多个CPU不是方向。其中包括取消模拟式变送器硬件，而采用直接交流采样。为了加强发电机励磁系统的可靠性，从变送器，微机励磁调节器，及其供电的稳压电源，到可控硅整流器，都用双通道冗余，使得工作通道故障时，自动切到备用通道，避免了发电机的因励磁故障停机。此外，附加的励磁系统智能调试功能，采集的电气量及调节参数显示和修正等人机会话界面，以及事件记录，故障自检和自诊断也被广泛采用，使得励磁系统运行比过去更为便利。2)对于水轮发电机来讲，为加快停机速度，只用机械方式制动，是不够的，因存在着许多缺点，而应该采用电气制动和机械制动配合工作。电气制动要求定子短路电流为定值，这时可利用励磁调节器的恒励磁电流控制功能来完成，因此有趋势将水轮发电机的电气制动功能包括进励磁系统来。3)取消机械式灭磁开关采用快速逆变灭磁4)励磁主接线方式不论是汽轮发电机还是水轮发电机，国外许多公司励磁，均采用自并励方式。因无旋转部分，维护方便，对水电厂取消同轴励磁机，可降低厂房高度，节省投资，另外自并励磁系统，动态性能优良，有利于长距离输电稳定。对汽轮发电机而言，用自并激，可减小发电机长度，有利于减小振动，缩短厂房长度，节省投资。5） 现代微机励磁调节器的一些主要调节和控制算法n PID调节及其算法按偏差的比例、积分和微分进行控制的PID调节器, 是连续系统控制中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。在励磁控制系统中,应用电压偏差PID调节可以达到:稳态时有较大的放大倍数,使机端电压接近恒定,调节精度达0.1%以内,从而有较大的小干扰稳定极限;暂态时有较小的放大倍数,以避免超调和振荡。n 转子电压软负反馈（励磁系统稳定器ESS）。为了解决调压精度与稳定性之间的矛盾，早期的自动电压调节器采用了转子电压软负反馈，又称为（励磁系统稳定器ESS）。它的主要作用是使暂态时的增益降低，以防止发电机空载时励磁控制回路振荡。n 励磁电压硬负反馈交流励磁机励磁系统中，交流励磁机的时间常数较大，影响励磁系统的调节速度。为了提高强行励磁时励磁系统的响应比，在提高晶闸管电源电压的同时，采用励磁机输出电压或励磁机励磁电流硬负反馈，以减小励磁机时间常数n PSS(电力系统稳定器)依据F.D.迪米洛和C.康柯迪亚理论设计的电力系统稳定器(Power system stabilizer)，简称PSS，即为抑制系统低频振荡和提高电力系统动态稳定性而设置的。当前，PID+PSS的控制方式，在励磁系统中获得了广泛的应用。PSS主要作用是增加对电力系统机电振荡的阻尼，以增强电力系统动态稳定性。3.3.2.2发电机励磁调节系统的构成及工作原理发电机励磁调节器的主要任务是控制发电机机端电压稳定，同时根据发电机定子及转子侧各电气量进行限制和保护处理，励磁调节器还要对自身进行不断的自检和自诊断，发现异常和故障，及时报警并切换到备用通道。目前发电