我国近期投运的大型水轮机调速设备的主要特征

席志鹏

【摘 要】水轮机调节系统是电站重要的基础控制设备，对电能品质和电站安全经济运行有直接影响。水轮机调节的研究对水电事业的发展具有重要的现实意义。本文在调研的基础上，介绍了我国近期投运大大型水轮机调速设备的系统特征，包括常见调速器的系统结构和调速器主要环节的配置。

【关键词】大型水轮机，调速设备，特征

0 引言

随着1971年微处理机的问世，世界各国在20世纪80年代都开始研制微机调速器。我国微机调速器行业迅速发展的阶段就是从20世纪80年代开始的，近期投入的大型国产调速设备全部采用微机控制。调速器大多采用的是电子调节器加电液随动系统的系统结构，电子调节器采用自制单片机和、STD总线工业机或PLC作为调节器，多采用冗余配置。在20世纪末，电液转换部件逐渐淘汰环喷式和双锥式电液伺服阀，而大多采用伺服电机或步进电机作电/机转换器。进入21世纪以来，国产微机调速器的电液转换部件成功采用比例伺服阀；广泛采用自动复中的电/机转换器，采用无接触式的磁致伸缩型位移传感器，应用PLC做双机冗余调节器；人机界面采用了工业平板PC和彩色触摸屏。在激烈的市场竞争中，国产调速设备的硬件配置品质，生产工艺和服务质量受到广大用户的好评。

1 水轮机调速器的系统结构

我国大型水轮机调速器常见的系统结构和配置有4种：①双微机调节器+双冗余比例阀的电液随动系统；②双微机调节器+电液随功系统；③微机调节器+电液随动系统；④微机调节器+位置伺服装置+机械液压随动系统。

调速器都设置了手动操作机构，使得在调整试验时操作调速器，电气故障和特殊故障时关闭水轮机导叶。调速器的调整试验时操作调速器.电气故障和特殊故障下关闭水轮机导叶。第①②③种结构的调速器可选用机械闭环、机械开环、电气闭环和电气开环几种手动操作方式。第④种结构已装有机械位移反馈，通常采用机械开度限制和手动操作机构。

2 调速器主要环节的配置

近十年来，我国大型水轮机调速器的重要环节硬件配置的品质明显提高，采用国际知名品牌的优质部件，如德国Bosch公司的比例伺服阀和美国MTS公司的Temposonics磁致伸缩直线传感器。构成微机调节器的PLC过去为降低成本采用中低档产品，现在也开始采用中高档次的产品。在硬件配置上国产调速器已与国际接轨，并不固守所谓的“国产化”，哪个品种的质量好，适合于提高调速器的品种就采用哪种。

2.1 微机调速器的硬件配置

PLC、IPC、PCC均在微机调速器中得到应用，都可以满足调速器的控制性能和功能要求。PCC融合了PLC和IPC的优势，是后期开发的工业控制机产品，目前仅有一家公司生产。IPC和PLC则在全球微机销售量上占绝对优势。PLC构成的微机调速器在我国现在是，将来也会保持主导地位。

（1）位移传感器。20世纪80年代，精密线绕电位器作位置传感器配置在国产调速器上，如今只在中小型低价位的水轮机调速器中使用这种接触式传感器。进入21世纪以来，大型调速器配置的位置传感器多为美国MTS公司的磁致伸缩型直线位移传感器。其测量范围为50～1220mm，供电电压在13.5～26.5V范围，输出信号可以是4～20mA（或DC0～10V），也有数字量输出的产品。该产品技术性能优良，工作可靠性高，早些年已广泛应用于冶金行业中的恶劣工作环境。

（2）人机交互界面。近几年投入运行的大型水轮机调速器，大多采用了触摸式液晶显示屏。随着彩色触摸屏的应用，调速器的人机交互界面内容友好、丰富，有最基本的状态和参数指示，还增加了图形显示，故障记录，以及现场试验数据和曲线的记录显示等。并且硬件构成十分简单，进用通讯方式和主机连接，减少了很多硬接线，降低了调速器故障率。

2.2 电液转换部件

大型调速器中电/液转换部件多采用的是Bosch公司的比例伺服阀。如岩滩、桐柏、公伯峡、乐滩、桐子壕等水电站。

最新推出的电/机转换部件采用三菱公司的MTNAS的交流伺服电机和交流伺服驱动器，用它和具有自动浮肿功能滚珠螺旋机构组成电/机转换器，其功能与传统的电液转换装置相同，将电气量成比例转换成机械位移。

用步进电机和具有自动复中功能的滚珠螺旋机构构成的电＼机转换部件，输出力巨大，工作可靠性高。在我国尤其是大中型水轮机调速器中广泛应用，技术成熟，经验丰富，同样是一种很优秀的电/机转换部件。

2.3 手动操作机械

在水轮机调速器技术标准中要求调速器必须设置手动操作机构，大型和巨型水轮机的用户都十分重视手动操作的可靠性，调速器中设置手动操作机构是为了方便在调整试验和电气故障特殊情况下保证能关闭水轮机导水叶，目前国产调速器均设置了手动操作机构。20世纪80年代以前，我国调速器大多采用了带机械反馈的机械式手动操作机构，而且一般与机械开度限制合二为一。近些年调速器采用较多的时电气手动操作方式，国外的调速器也具有这种趋势。目前国产调速器中手动操作方式有四种：机械开环手动操作方式、机械闭环手动操作方式、电气开环手动操作方式、电气闭环手动操作方式。不论是开环和闭环的机械手动操作都能保证故障时导叶关闭，由于目前我国属于大电网，没必要在电气故障时要求机组长期手动运行，因此机械闭环手动操作的必要性不大。开环手动操作可以是大型和巨型水轮机调速器的紧急控制方式。

2.4 主配压阀

根据控制方式，国产大型调速器的主配压阀分为两类：一类是是受机械位置控制，即输入量为机械位移；另一类是受流量控制，即输入流量。这两类主配压阀均和辅助接力器连成一体。

我国设计和生产的受流量控制的主配压阀有两种。一种是东方电机有限公司、武汉三联水电控制设备公司、武汉事达电气公司和国电南瑞科技公司设计的辅助接力器（主配压阀）带有位置电气反馈的主配压阀，这类主配中为了在电源消失时使主配压阀自动复中，各家用了不同的技术措施。国外调速器大多也采用这种辅助接力器带有位置电气反馈的主配，但他们不作断电自动复中的处理。另一种是武汉长江控制设备研究所研制的带有液压内反馈的主配压阀。由于采用液压内反馈，主配压阀的位移与比例伺服阀输人流量成比例，当比例阀控制电流消失时，由于采用了液压内反馈主配压阀阀芯将自动复中。主配压阀在调速器中虽然是十分重要的环节，不论是设计还是制造方面其难度都不大。我国完全没有必要从国外购买，我国在设计及生产调速器主配压阀方面有十分丰富的经验，并有成熟的产品。

3 总结

通过现场调查、函调和考察国内调速器主要生产厂家的产品和资料.可以看出国产大型水轮机调速器的功能十分完善，技术性能优良，绝大多数调速器的技术指标能全面达到国家标准《水轮机调速器及油压装置技术条件》的要求。尽管各生产厂家调速器的配置结构不完全相同，但是所能实现的基本功能基本相同。

【参考文献】

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[5]孔昭年.大型骨干水电站水轮机控制设备实现国产化的建议[M].水电站自动化与大坝检测，2008（1）.

[责任编辑：杨玉洁]