青海大唐国际直岗拉卡水电开发有限公司
摘要：对直岗拉卡水电站#1至#4机组的调速液压系统组成、工作特点进行了详细分析，针对电网对发电厂调频，调峰的要求，结合本厂#5机组调速系统实际，着重阐述了调速器机械部分采用两项专利技术：水轮机调速器的电液比例随动装置，水轮机调速器的电动集成随动装置，具有用电液比例阀直接控制主配压阀，结构简单，调整方便，可靠性高，耗油量小的特点。
关键词：调速器；液压系统；5#机组；直岗拉卡水电厂
1.直岗拉卡水电站调速器液压系统的组成
1.1系统组成
根据直岗拉卡水电站的特点，通过组织两次设计联络会确定了调速器的液压系统（见图1）。液压系统在设计上采用液随动技术和流量控制、流量反馈技术，信号流完全由电气和液压信号构成，由于电气信号的快速响应性、液压信号载体—油液的不可压缩（因为油液的压缩量极微小，工程上认为其是不可压缩的）性，使得控制信号能快速、准确地到达执行机构，极大地降低了死区并提高了控制精度，系统中大量使用标准液压元件，集成阀块、液压元件和功能部件之间的油路连接均采用O型密封圈静止密封方式，所有连接处均无泄漏。液压系统主要由主配压阀、直动式电液比例阀、手动操作阀、接力器电气反馈装置、滤油器油压装置等几部分组成，主配压阀是实现操作接力器的功能部件，直动式电液比例阀是实现液压逻辑各元件总成后的功能部件，滤油器是提供洁净压力油的功能部件，系统各功能部件之间的油路连接和控制压力油、控制回油的对外连接均通过底板实现，并实现各功能部件的单层布置，系统内无杠杆，整机结构简洁新颖，安装、调试、操作、维护简便。根据GB/T9652.1-1997《水轮机调速器与油压装置技术条件》标准。当测速装置信号或水头信号消失时，大型电调和重要电站的中型电调应能使机组保持所带的负荷，同时要求不影响机组的正常停机和事故停机，系统中主配压阀设有1套自复中装置流量反馈阀（图1中的虚线部分），增加1套纯手动操作装置（图1中的手动阀），用以实现调速系统电源消失后导叶保持在失电之前的开度，也可根据需要可以通过手动阀来完成导叶的关闭或打开，独创的流量位置跟踪与流量反馈系统，能精确对主配压阀活塞进行回中控制，因此，调速器能保证在任何时候由自动运行切换到纯手动运行时，导叶接力器活塞能保持在当前位置，防止机组运行失控，满足相关标准和合同的要求。
图1调速系统
1.2系统工作特点
调速器液压系统是具有内闭环的相对独立的电液随动系统，它能够与电气柜及自动化系统一起，对机组进行自动控制，也可以单独对机组进行手动控制，系统中设置了相互冗余的两套采用伺服比例阀控制的自动控制回路及一套以手动电磁阀控制的手动操作回路。通过系统中的紧急停机电磁阀可实现机组的紧急停机操作。
1.2.1自动控制
紧急停机电磁阀EV14、EV15在复归状态，手自动切换电磁阀EV12在自动位（电磁线圈激磁），手自动换向阀HV11控制腔经EV12回油，将主阀控制腔与伺服比例阀输出连通，系统处于自动控制状态伺服比例阀SV11和伺服比例阀SV12互为备用，两路比例阀同时接受电气调节器的控制信号，并输出流量压力信号，当两个通道比例阀均工作正常时，由比例阀切换电磁阀根据设计逻辑选择其中一个通道比例阀的输出信号进入主配压阀HS11控制腔，控制HS11活塞移动，改变主阀开口的方向和大小，控制水轮机导叶开启或关闭；伺服比例阀及放大器、主配压阀HS11及其传感器BS11构成一负反馈内环回路，当主配压阀活塞的位移通过主阀位移传感器反馈到伺服比例阀的功放板，与其输入信号综合后使主配压阀活塞在某一开度下停止移动；另外，综合放大回路、内环回路、导叶接力器及导叶位移传感器GS11构成一负反馈大闭环回路，接力器活塞的位移反馈到电气调节器的综合放大回路，与其输入信号综合后，综合放大回路输出变为零。伺服比例阀在电气调节器输出信号时已形成了一个工作平衡位置，当其输入减为零时，伺服比例阀的阀芯移动，将主配压阀下腔与伺服阀的控制腔连通，主阀活塞在其控制器腔压力作用下移动，当主阀活塞回到平衡位置时，其反馈信号正好与伺服比例阀的输入信号大小相等符号相反，伺服比例阀迅速回到平衡位置，切断主配压阀控制腔的进出油路，此时伺服比例阀、主配压阀HS11均回到平衡位置，导叶接力器停止移动，完成一次循环调节。在系统的整个运行过程中，电气调节器对伺服比例阀的工作状态进行实时检测，并对其进行判断，当检测到正在工作的伺服比例阀输出信号与输入不一致时，将通过双比例阀通道切换电磁阀EV11，实现伺服比例阀SV11和伺服比例阀SV12间的无扰切换，并同时发出伺服环故障信号。由于两个通道的比例阀均接收的同一个控制信号，因此另一通道比例阀处于热备用状态，保证了双通道比例阀的无扰切换。
1.2.2手动控制
手动控制系统是纯液压控制的，只要系统建立起适当的油压，接力器允许操作，不需要电气调节器配合，就可以利用该系统进入人为的导叶控制操作。该系统为机组的安装、调试工作提供了极大的便利条件。
当机组运行过程中，如果调速器电气调节器或者比例伺服阀出现故障，厂用电消失、同时电厂直流电源故障的最恶劣情况下系统自动将手自动切换电磁阀EV12失磁，其阀芯在电磁力作用下改变工作位置，使压力油进入手自动换向阀HV11控制腔使之换向，切断比例阀的输出通道，同时接通手动控制通道与主配压阀控制腔的油路，切换到手动控制通道。在手动控制状态，通过手动操作电磁阀EV13则可直接控制主配压阀HS11活塞的移动方向和大小，实现对导叶接力器的开启和关闭控制。纯手动操作系统为仅有内闭环没有外环反馈的液压系统，手动方式运行则须有运行人员现地监护。
在自动控制通道工作时，作为手动控制位置反馈的流量反馈阀HS12的阀套是与主配压阀活塞连为一体，始终跟随主配压阀活塞移动，实现手动跟踪自动功能，当自动通道故障切换到手动通道时，保证导叶维持在自动通道发生故障时的开度，并保持足够长时间不变，为电厂提供足够的应急处理时间，避免意外停机。
操作手动操作电磁阀EV13使其阀芯运动，当控制信号的大小和方向发生变化时，主配压阀下腔的压力随之发生变化，主阀活塞失去原有的平衡而产生相应的移动，通过主阀活塞的位移输出流量信号以控制导叶接力器的动作，同时当主阀活塞移动时，与之相连的流量反馈阀HS12套移动，将其位移量反馈给流量控制系统，主阀位移越大，反馈信号越强。手动操作电磁阀在弹簧作用下迅速回到中间位置，将液控单向阀CV11的背压侧与回油相通，确保其可靠关闭；主阀活塞还没回到平衡位置时，流量反馈阀窗口仍保持在开启状态，此时主阀将控制腔的油液经HV11、HV12与流量反馈阀HS12连通，主阀在上下腔压差作用下随同流量反馈阀套回到平衡位置，将反馈窗口、主阀窗口均关闭，导叶接力器停止运动，完成导叶操作。
2.直岗拉卡水电站5#机组调速器的特点
2.1电液比例阀作电液转换元件
电液比例阀的功能是把输入的电气控制信号转换成相应输出的流量控制，根据其输入输出特性Q=f（UE），功放板接受±10V的控制信号，经其放大后输出相应的电流信号，电流信号在伺服比例阀线圈中产生的磁场驱动比例电磁铁移动相应的位移量，从而带动伺服比例阀的阀芯移动，输出相应的流量，输出流量与输入控制信号成比例线性关系。与一般的电液阀相比，该阀芯移动的同时，内置差动变压器式位移传感器检测阀芯位置，并将其信号反馈到比例放大器，与比例电磁铁形成闭环位置控制。因此控制精度高，动态响应好，温漂小，零位耗油量小，阀的滞环合不重复性均很小。在电磁阀失电时，阀具有“故障保险”位置，保证失电时阀处在关闭状态。该阀的最大特点采用强电流信号控制，功率大，提高了伺服比例阀的操作力，加上结构简单，无阻尼孔，因此抗油污能力强，提高了伺服比例阀工作的可靠性。它综合了伺服阀和比例阀的优点，既有伺服阀的高精度响应性又有比例阀的出力大、耐污染能力及防卡强等高可靠性。
2.2主配压阀
主配压阀从结构原理上讲是一只三位四通机液伺服阀，通过主阀活塞的位移输出流量信号以控制导叶接力器的动作。主配压阀由壳体、主阀衬套、主阀活塞、辅助接力器壳体、活塞、流量反馈阀针塞及主阀活塞位移传感器组成。辅助接力器活塞与主阀活塞连为一体，采用差动控制。其上腔为恒压腔通压力油源，下腔为控制腔，控制面积约为恒压腔的两倍，经事故停机换向阀与伺服比例阀控制输出或手动操作阀、流量反馈阀控制输出口相通。主配压阀活塞向上移动开启导叶，反之关闭。使接力器开启腔与压力油源相通，同时将接力器关闭腔通至回油。主配压阀液压部分设置有自复中装置流量反馈阀，当调速器交、直流电源均发生故障时，自复中装置能保证主配压阀自复中，维持水轮机导叶在故障前的位置，并可无扰地切换到手动，防止机组运行失控，根据电站要求手动安全运行或停机。
2.3紧急停机电磁阀
本装置紧急停机回路由两只电磁阀YV4、YV5和一只紧急停机换向阀HV2构成。紧急停机电磁阀采用的是二位四通带定位机构、手动应急按钮的双电磁线圈换向阀，操作电源为DC220V。为保证紧急停机回路工作可靠，本系统采用两只双稳态电磁换向阀串联控制，同时接受故障保护信号，只要其中任一只电磁阀动作，均能控制HV12换向，切断调速器控制输出信号，并将主配压阀HS11控制腔与回油接通，保证机组停机。双稳态就是指电磁阀具有两个稳定的工作位置，在没有得到新的控制操作信号前，将保持原来的阀位不变，提高了机组保护回路的可靠性。紧急停机回路的作用是当机组或系统发生需要停机的故障时，接受来自机组或系统的故障保护信号紧急关闭导叶开度，强迫机组停机。本阀也可以通过现地操作手动应急按钮，实现紧急停机。
2.4电液随动装置系统
以导叶控制部分为例：压力油过滤后，经紧急停机电磁阀后一路进入主配引导阀，另一路进入电液比例阀和手动操作阀。正常运行时，紧急停机电磁阀为通路，主配引导阀接通压力油，电液比例阀直接与辅助接力器上腔相通。当电气控制信号为零时，电液比例阀阀芯在弹簧作用下复中，切断了通往辅助接力器上腔的油路，主配活塞准确地稳定于中位，主接力器也将稳定不动。当电液比例阀阀芯在电气控制信号的作用下运动一定距离，辅助接力器上腔接通排油时，主配活塞将自中位向上移动一定距离，主接力器向关机侧运动。主接力器在关机时，同时带动电气反馈装置，直到使电气控制信号回零，电液比例阀和主配活塞便随之复中，主接力器便停止运动。反之，如电液比例阀使辅助接力器上腔接通压力油，主接力器亦将向开机侧运动相应距离。这样，主接力器将按一定比例随动于电气控制信号，构成了电液随动装置。当电气控制部份发生故障时，调速器切至手动状态，辅助接力器上腔将受按钮或手动操作阀的控制，实现手动操作。当电液比例阀发生故障时，将控制油路上的截止阀关闭，实现机械手动操作。在事故情况下，紧急停机电磁阀动作，使辅助接力器上腔接通排油，同时切断了控制油路的压力油源，使主配活塞快速上移，实现紧急停机。
桨叶控制部分没有紧急停机电磁阀，其系统工作原理与导叶控制部分基本相同。
2.5电气控制回路
目前有很多微机调速器的开机过程仍和传统机械液压调速器以及模拟电调一样，当接到开机命令后，导叶接力器和电气开度限制均同步开启至第一开机启动开度，导叶接力器维持不动，机组开环启动。当机组频率大于45HZ后，则将电气开限关至空载开限位置，并投入PID调节，接力器在其控制下稳定于空载开度，开机过程结束，并转入空载状态。这种方式不能保证开机过程的整个环节全闭环，自动化水平不高。
长控所研制的施耐德M258调速器采用全闭环开机过程。当接到开机令后，闭环调节投入，将机组频率与频率给定值或电网频率相比较，进行PID运算和调节。同时设置两个开限，一个为机组启动开限，保证机组启动快速；另一个为空载开限，保证机组开机超调量小，甚至无超调量，快速并入系统。这两个开限由软件通过水头值和机组特性查表确定，也可由用户在操作显示面板上直接给定。导叶则根据PID运算的值控制机组直至额定转速。对于双调节型调速器，轮叶控制系统同样始终处于闭环调节状态。开机前，导叶开度及机组转速均为零，轮叶开至启动角，自动开机后，当机组转速上升到80%左右，根据协联关系，轮叶将自动关闭到零。特别提出的是，开机全过程实现闭环控制并且设有两个开限，这样可以实现机组开机过程快速稳定且无超调，方便机组快速并入系统。
在机组开机过程和空载运行中，施耐德M258调速器根据机组特征与工况，连续、适时改变调节参数，保证了机组并网前稳定运行，并具有良好的调节品质。
3结语
直岗拉卡水电站#5机组的管理人员和技术人员对电站调速器液压系统进行了大胆的设计和制造尝试，相信这一技术会为直岗拉卡水电站带来很好的经济效益，在水电站领域会有广泛的应用价值。
参考文献：
[1]GB/T9652.1-1997，水轮机调速器与油压装置技术条件[s]