韓東龍 程宏燕 胡鳴明 曹偉

【摘要】本文主要介紹沖擊式水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成部分，以及在使用過程中采用的幾種調(diào)節(jié)方式和調(diào)節(jié)原理，著重介紹目前比較安全的一種噴嘴裝配結(jié)構(gòu)：內(nèi)拆式水力自關(guān)閉噴嘴。

【關(guān)鍵詞】沖擊式水輪機；噴針；偏流器；調(diào)速器；自關(guān)閉

概述

沖擊式水輪機都用于高水頭水電站，沖擊式水輪機調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)需滿足兩個方面的功能：一、通過調(diào)節(jié)機組過流來調(diào)節(jié)機組的轉(zhuǎn)速或出力，使機組能在任何負荷工況下保持額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行。其中包括零符合工況和機組空載時的穩(wěn)定運行，這是保證機組能快速并入電網(wǎng)的必要條件。二、沖擊式水輪機調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計必須具備安全性、穩(wěn)定性和可靠性。滿足電站調(diào)節(jié)保證的要求，保證壓力鋼管和機組的安全。在機組甩負荷時，保證壓力鋼管的水壓上升和機組轉(zhuǎn)速上升不大于預(yù)定值。沖擊式水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成部分包括：調(diào)速器、噴針、偏流器、節(jié)流器、自動化元件等。噴針調(diào)節(jié)和偏流器調(diào)節(jié)組成沖擊式水輪機組的雙重調(diào)節(jié)機構(gòu)。

雙重調(diào)節(jié)機構(gòu)動作原理

（工況一）當機組在某一穩(wěn)定負荷下運行時，噴針處于與負荷相適應(yīng)的位置，保持不動，偏流器位于射流柱外，不干涉射流作功。（工況二）當機組甩100%負荷時，機組轉(zhuǎn)速急劇上升，偏流器快速動作，將射流偏離水輪機轉(zhuǎn)輪，于是，機組轉(zhuǎn)速上升被控制在允許范圍；同時，噴針緩慢移動關(guān)閉噴嘴，壓力鋼管的水壓上升也被控制在允許范圍內(nèi) [注：噴針、偏流器的動作速度是根據(jù)調(diào)節(jié)保證計算要求的開啟和關(guān)閉時間，預(yù)先整定設(shè)置，由調(diào)速器控制]。（工況三）當機組緩慢減負荷時，偏流器不會切入射流。（工況四）當機組增負荷時，偏流器不能干涉射流作功，也不會切入射流。（工況五）當空載并網(wǎng)時，由于噴針移動速度緩慢，單獨依靠噴針調(diào)節(jié)來穩(wěn)定機組額定轉(zhuǎn)速是困難的，必須由偏流器快速關(guān)閉幫忙，才能迅速穩(wěn)定機組頻率，并入電網(wǎng)。

雙重調(diào)節(jié)的分類

一、按調(diào)節(jié)過程完成后，偏流器與射流相對位置的不同來區(qū)分，雙重調(diào)節(jié)系統(tǒng)可分為兩種形式：1、噴針-偏流器協(xié)聯(lián)動作式?jīng)_擊式水輪機雙重調(diào)節(jié)系統(tǒng)?！皡f(xié)聯(lián)動作”就是指偏流器始終跟隨射流（直徑）變化而動作，在調(diào)節(jié)過程完成后，偏流器切水口都位于射流外，并保持很小的距離（一般為6-8mm）；2、噴針-偏流器非協(xié)聯(lián)動作式?jīng)_擊式水輪機雙重調(diào)節(jié)系統(tǒng)。“非協(xié)聯(lián)動作”就是指偏流器不跟隨射流（直徑）變化而動作，而且，偏流器只有兩個極端位置：全開和全關(guān)。

二、按噴針-偏流器不同控制方式來區(qū)分，雙重調(diào)節(jié)系統(tǒng)又可分為兩種形式：1、偏流器-噴針相繼動作式?jīng)_擊式水輪機雙重調(diào)節(jié)系統(tǒng)，“相繼動作式”指由自動調(diào)速器的接力器直接操縱偏流器動作，同時由偏流器接力器通過協(xié)聯(lián)機構(gòu)的協(xié)聯(lián)凸輪、噴針配壓閥和噴針接力器來操縱噴針動作。2、偏流器-噴針并列動作式?jīng)_擊式水輪機雙重調(diào)節(jié)系統(tǒng)，“并列動作式”指由自動調(diào)速器控制的兩個配壓閥同時動作，然后控制偏流器和噴針的接力器操縱偏流器和噴針同時動作。

沖擊式調(diào)速器簡介

自動調(diào)速器開始為電液自動調(diào)速器。主要型式為YDT、YWT，后來發(fā)展為使用步進電機PLC的BWT調(diào)速器。電液自動調(diào)速器輸出的是扭矩，通過調(diào)速軸，把調(diào)速器的轉(zhuǎn)臂和水輪機的操作機構(gòu)連接在一起，調(diào)速器的指令通過連桿操作機構(gòu)中的配壓閥活塞左、右移動，壓力油通過配壓閥的孔口流入接力器的兩側(cè)，操作噴針啟閉，在調(diào)速軸的適當位置，另設(shè)一套拐臂、連桿來直接控制偏流器，以保證偏流器和噴針的協(xié)連關(guān)系，此種設(shè)計，單噴嘴沖擊式水輪機可靠、穩(wěn)定。如果是雙噴嘴沖擊式水輪機或多噴嘴水輪機要保證多個噴針和偏流器協(xié)聯(lián)動作難度較大，存在噴針位移控制不穩(wěn)等問題。

目前，沖擊式水輪機普遍采用噴針-偏流器非協(xié)聯(lián)動作式?jīng)_擊式水輪機雙重調(diào)節(jié)系統(tǒng)。沖擊式調(diào)速器都采用沖擊式專用調(diào)速器，沖擊式專用調(diào)速器是改進過的PLC型電液自動調(diào)速器，沖擊式專用調(diào)速器與一般調(diào)速器的主要區(qū)別在于輸出不再是扭矩，而是壓力油。由于沖擊式調(diào)速器是通過改變噴針的開度來改變流量，噴針作直線運動，因此只在噴針后設(shè)置一個接力器，控制壓力油的進出方向就直接控制噴針的啟閉。這樣，就可以取消水輪機上的操作機構(gòu)，為了讓調(diào)速器減少調(diào)節(jié)，使調(diào)節(jié)過程穩(wěn)定，須精確控制噴針的行程，因此需要設(shè)置一個直線位移傳感器[精度為微米級]，對于偏流器只需再全開和全關(guān)位置各設(shè)置一個行程開關(guān)。沖擊式專用調(diào)速器大多數(shù)廠家采用可編程邏輯控制器（PLC），采用面向硬件的仿真編程，采用模塊結(jié)構(gòu)，變參數(shù)并聯(lián)PID調(diào)節(jié)原理，測頻環(huán)節(jié)由PLC完成，無需單獨設(shè)置測頻回路，提高了測頻環(huán)節(jié)的可靠性。有的廠家采用PCC（可編程計算機控制器），它將原PLC的標準功能與工業(yè)計算機的多任務(wù)操作系統(tǒng)集成在一起，配以數(shù)字閥隨動系統(tǒng)，用戶反映良好。

噴針和偏流器結(jié)構(gòu)分類

現(xiàn)在的噴針和偏流器都是靠接力器控制，接力器是通過調(diào)速器壓力油控制。根據(jù)接力器的通油腔數(shù)計算，分單腔操作結(jié)構(gòu)和雙腔操作結(jié)構(gòu)。雙腔操作結(jié)構(gòu)開啟和關(guān)閉（噴針或偏流器）都通過調(diào)速器油壓來完成，調(diào)速器采用的電磁閥為二位四通，此種方式存在一個風險就是當調(diào)速器失壓或壓力不足，就不能正常關(guān)閉（噴針或偏流器），此種控制方式為目前各大廠家普遍采用。單腔操作結(jié)構(gòu)就是開啟（噴針或偏流器）采用調(diào)速器油壓，而調(diào)速器采用的電磁閥為二位三通。關(guān)閉（噴針或偏流器）采用彈簧或壓力水。這就是筆者著重推薦的自關(guān)閉結(jié)構(gòu)。就是在調(diào)速器失壓或壓力不足，也能關(guān)閉（噴針或偏流器）。目前我廠的沖擊式水輪機均采用內(nèi)拆式水力自關(guān)閉噴嘴，噴嘴關(guān)閉靠水力自關(guān)，偏流器關(guān)閉靠彈簧自關(guān)。此種結(jié)構(gòu)方式在2008年汶川大地震得到檢驗。四川省阿壩州茂縣色如溝電站（水輪機：CJA237-W-105/1×9、發(fā)電機：SFW1600-8/1430）地震時，滾石打壞調(diào)速器，但由于該機組采用我廠專利噴嘴：自關(guān)閉結(jié)構(gòu)，在地震后檢查，噴嘴、偏流器在地震時自關(guān)閉，沒造成機組飛車，壓力鋼管還保持壓力水。

“內(nèi)拆式水力自關(guān)閉噴嘴”全面改善了噴嘴的調(diào)節(jié)性能，主要體現(xiàn)在：

1）噴針水力自關(guān)閉技術(shù)-----在油壓裝置事故低壓和失壓的情況下，機組都能安全停機，不會飛逸。2）噴嘴裝配的內(nèi)部零件內(nèi)拆---可縮短大修時間，維修、更換零件方便，大大減小勞動強度。3）油水隔離和防砂裝置-----防止油水混合，環(huán)保，保證機組安全運行，便于觀察密封圈是否損壞。4）新型噴針軸、活塞的密封和導向裝置---摩阻力小，能提高噴針調(diào)節(jié)靈敏度，并能自動補償磨損，經(jīng)久耐用。5）噴針水力平衡裝置-----能改善噴針開關(guān)力特性，使噴針開關(guān)力對稱、全程均勻，開關(guān)靈敏，不發(fā)生卡阻。6）采用單腔控制式油缸----能簡化控制系統(tǒng)的油管路，每個組合式噴嘴裝配的控制部分，只有2根油管與自動調(diào)速器軟連接（傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要4根油管），安裝維護方便。7）采用高精密μm級電子位移傳感器，只需一根電纜向“沖擊式專用電子自動調(diào)速器”反饋，提高了噴針調(diào)節(jié)靈敏度；方便安裝。8）采用具有自關(guān)閉功能的偏流器的組合式噴嘴和多噴一折機構(gòu)，使噴針水力自關(guān)閉和偏流器自關(guān)閉，雙重保險，保證了機組停機的絕對可靠。9）采用噴針、偏流器非協(xié)聯(lián)雙重調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。

結(jié)語

沖擊式水輪機調(diào)節(jié)控制設(shè)計在水輪發(fā)電機組中是非常重要的一個環(huán)節(jié)，隨著時間推移，技術(shù)進步，其結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)也會不斷發(fā)展和進步，須廣大同行共同努力，為我國水電發(fā)展多作貢獻。

參考文獻

[1]周文桐，周曉泉著.《水斗式水輪機基礎(chǔ)理論與設(shè)計》.中國水利水電出版社

[2]《水輪機設(shè)計手冊》.哈爾濱大電機研究所

[3]文宏澤.《水電站機電技術(shù)》第116期.大中型沖擊式水輪機雙重調(diào)節(jié)方式的探討.